UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA DE TRANSPORTURICATEDRA : TELECOMENZI SI ELECTRONICA IN TRANSPORTURI

PROIECT M.E./S.T.A.D

INSTRUMENT NUMERIC DE MASURARE MULTIMETRU CU

AMPERMETRU SI VOLTMETRU ELECTRONIC DE CURENT ALTERNATIV

PROFESOR INDRUMATOR: STUDENT:SL.drd.Fiz.Ing.Mihaela Nemtoi Parascan Silviu - 8313

BUCURESTI 2009-2010

CUPRINS

1. Introducere

2. Tema proiectului

3. Schema bloc

4. Memoriu tehnic• Blocul de alimentare• Circuitul de intrare• Divizor de tensiune• Amplificatorul instrumental• Circuitul redresor• Convertor analog numeric• Generatorde tact cu cuart• Divizor de frecventa• Numaratorul• Memoria• Decodorul• Afisor

5. Breviar de calcul

6. Calculul economic

7. Schema electrica a aparatului

8. Nomenclatura de componente

9. Realizarea cablajului

10. Bibliografie

1. Introducere

In contextul revolutiei stiintifice si tehnice din lumea contemporana, masurarile electrice sunt indispensabile in toate ramurile industriale, ca veriga importanta in procesele de productie, in controlul calitatii materiilor prime, a produselor intermediare si finale, in dezvoltarea cercetarii in toate domeniile. Pe suportul marimilor electromagnetice se fac cel mai frecvent atat schimburile de energie, cat si schimburile de informatie; masurarea electrica cu precizie ridicata conditioneaza deci desfasurarea normala a proceselor implicate.

Pentru a intelege, a prevedea si a actiona asupra mediului inconjurator omul trebuie sa acumuleze cunostinte referitoare la diverse obiecte, fenomene, procese, etc., prezente in natura. Acest e cunostinte pot fi clasificate prin introducerea notiunii de marime. Prin definitie, marimea reprezinta o proprietate sau un atribut comun al unei clase de obiecte, fenomene, procese, etc.

Măsurarea curenţilor

Ampermetre analogice

În general pentru măsurarea curentului electric este necesară întreruperea circuitului şi introducerea unui ampermetru A, de rezistenţă rA, în circuitul parcurs de curentul de măsurat. Înainte de introducerea ampermetrului în circuit, curentul electric are valoarea I şi se numeşte valoarea adevărată a curentului de măsurat:

cR

UI AB=

unde UAB este tensiunea la bornele AB iar RC este rezistenţa circuitului parcurs de curentul I.

Figura 1. Influenţa consumului ampermetrului în circuitul de măsurare

A

B

Ar

A

RC

Im

UAB

Ca urmare a introducerii ampermetrului în circuit, curentul măsurat Im, mai mic decât I, va avea valoarea:

Acm rR

UI

+= AB ,

unde rA este rezistenţa internă a ampermetrului.Eroarea relativă ce apare ca urmare a introducerii ampermetrului în circuit este:

C

A

AC

A

C

CACmI R

r

rR

r

R

RrR

I

II−≅

+−=

−+

=−

=1

11

ε

Pentru ca această eroare să fie cât mai mică trebuie ca rezistenţa ampermetrului să fie cât mai mică faţă de rezistenţa circuitului.

Masurarea tensiunilor

Voltmetre

Voltmetrul electronic exista in doua variante constructive : analog si respective numeric.In functie de valoarea masurata sunt:

a) voltmetru de c.c , care masoara nivelul tensiunii continue de intrare (U);b) voltmetru de c.a , care pot fi :

- de valoare medie (masoara Umed)- de valoare de varf (masoara Umax)- de valoare efectiva (masoara Uef)-de valoare efectiva pentru intrare sinusoidala (masoara Umed si afiseaza Uef, avand in

vedere relatia dintre cele doua marimi cand semnalul de la intrare este sinusoidal). In circuitele de curent continuu si de curen alternativ tensiunile care depasesc 1/10000 V

cu voltmetre. Voltmetrele se leaga in circuitele de masurare in paralel cu punctele intre care se masoara tensiunea.

In functie de valorea tensiunii de masurat voltmetrele se conecteaza direct sau in serie cu o rezistenta aditionala. Legarea directa in circuit a voltmetrelor este posibila numai daca curentul de masurat poate trece inegral prin dispozitivul de masurat fara sa-l deterioreze. Curentii si tensiunile foarte mari se masoar cu ampermetrele si voltmetrele prin intermediul transformatoarelor de masurat.

Voltmetru numeric lucreaza pe un principiu asemanator cu al unui aparat de tip frecventmetru/cronometru, cu deosebirea ca include si un convertor analog-numeric (CAN), care transforma tensiunea de masurat (Ux) intr-un interval de timp sau intr-o frecventa .

Schema functionala a unui voltmetru numeric este prezentata in fig 1. . Tensiunea de masurat Ux ,este aplicata unui bloc de conditionare de semnal, DT/A; acesta este similar celui folosit la voltmetrele electronice analogice . Cu divizorul de tensiune DT, se prescriu gamele (tensiunii nominale, Uxn) in succesiune decadica (tipic: 0,2; 2; 20; 200 V), iar amplificatorul de intrare A, aduce Ux la nivelul cerut de blocul de esantionare si adapteaza impedanta acestuia la cea de iesire din divizorul DT. In plus, blocul DT/A imbunatateste si imunitatea la zgomote(prin punerea dupa ∆t a unui FTJ). Ux este apoi esantionat (pe durata ∆t) pentru a asigura stationaritatea lui Ux, sunt trecute printr-un amplificator tampon AT , al carui rol este de a adapta impedanta de iesire a circuitului de esantionare si memorare, la impedanta de intrare al convertorului A/N. Comanda operatiilor intregului aparat (esantionare, conversie, memorare, afisare) este asigurata de un bloc de comanda, pilotat de catre generatorul de tact GE; acest bloc include si un divisor de frecventa DF , cu ajutorul caruia se obtine baza de timp a aparatului.

Caracteristici de intrare :a) Tipul intrarii depinde de clasa de precizie a aparatului : - voltmetru numeric standard (c=0.1) folosesc circuite de intrare cu 3 borne- voltmetru de inalta precizie (c=0.01 .. 0.001) utilizeaza intrare cu circuit de gardab) Tensiunea maxima admisa pe intrare este valoarea maxima a tensiunii ce poate fi

aplicata intre bornele de intarre sau intre una dintre acestea si masa in conditii normale de functionare.

c) Injectia de paraziti in obiectul de masura : tensiunile parazite sunt produse de catre circuitele in comutatie . Ele devin suparatoare cand operatorul face masurari in scheme cu dispozitive sensibile.

d) Gamele de masura: sunt in succesiune decadica (0.2 , 2 , 20 , 200, ..) . Comutarea gamelor se poate face manual sau automat.

e) Schimbarea automata a gamelor : permite trecerea voltmetrelor numerice de la o gama inferioara la una superioara si invers, de indata ce Ux depaseste o limita prestabilita. Selectorul automat de game permite ca aparatul sa se plaseze singur in situatia optima in privinta preciziei.

Caracteristici de transfer:a) Rezolutia este cea mai mica variatie a lui Ux ce paote fi citita pe o gamab) Sensibilitatea este valoarea cea mai mica a lui Ux care poate fi masurata pe gama cea

mai sensibila.c) Precizia se exprima prin eroarea tolerate εt=a%ct(de la blocuri analogice)+b%cs(de la

blocurile numerice) .

Eroarea tolerata: se normeaza in raport cu eroarea de baza (εb) si cu eroarea suplimentara (εs)

Eroarea de baza este eroarea intrinseca a voltmetrului numeric in conditii de referinta , ste datorata urmatoarelor cauze : eroarea datorita rezolutiei, deriva referintei interioare de tensiune, deriva in timp si cu temperature a componentelor, neliniaritati din blocurile analogice si numerice, zgomotelor interne/externe, eroarea de indicare a valorii zero, variatia tensiunii de alimentare.

Conditiile de referinta sunt prescrise prin standarde si sunt alese a.i variatiile factorilor de influenta sa aiba un efect neglijabil asupra aparatului.

Eroarea suplimentara provine din variatia unui singur factor de influenta , ceilalti fiind mentinuti la nivele de referinta.

Parametrii CT sunt specificati numai pentru voltmetrele numerice de inalta precizie.d) Stabilitatea este aptitudinea unui voltmetru numeric de a da o indicatie reproductibila,

intr-o anumita perioada de timp, in care marimea de masurat Ux ramane constanta.Stabilitatea pe termen scurt este abaterea maxima ce poate apare in indicatia voltmetrului

numeric in conditii de referinta (t=23˚C ± 1˚C) timp de 24 ore, interval de timp in care nu sunt admise nici un fel de reglaje.

Voltmetre electronice de curent alternativ :Spre deosebire de voltmetrele electromecanice de c.a (feromagnetice, electrodinamice si

electrostatice) care raspund la valoarea efectiva (U) a tensiunii de masurat (Ux), voltmetrele electronice de c.a. sunt “specializate” pe unul din cei trei parametrii de baza ai lui Ux: valoarea de varf (Uv), valoarea medie (Umed) si valoarea efectiva, iar voltmetrele respective se numesc : voltmetru electronic de varf, de medie si de valoare efectiva. Indiferent de tip, toate aceste voltmetre electronice au scara gradate in valori efective ale regimului sinusoidal.

O alta particularitate , banda de frecventa. Spre deosebire de amplificatoare, la care acest parametru se defineste pe baza caderii raspunsului la 3dB , la AME banda se defineste pe baza erorii suplimentare cauzate de frecventa si anume: limita superioara a benzii (Hz) reprezinta frecventa la care indicatia aparatului (α) scade cu o fractiune cel mult egala cu eroarea absoluta tolerata.

La VE limita inferioara (f1) este, 10-20 Hz si este impusa de conditia de memorare(VEV) sau de conditia de integrare mecanica pe intrumentul magnetoelectric(voltmetre de valoare medie si de valoare efectiva) iar limita superioara (f2) atinge ordinal MHz (VEM si VEF) sau al sutelor de MHz (VEV) fiind impusa, de regula, de catre capacitatea de intrare la aparatul respectiv.

2. Tema proiectului

Sa se proiecteze un aparat de masura numeric care sa indeplineasca urmatoarele functii:1. Ampermetru de c. a. cu scarile 0,3; 3; 10 A;

Rezistente individuale la intrare;Tensiunea de intrare pe diviziune 0,35 V.

2. Voltmetru de c. a. cu scarile de 0,3; 3; 10; 100 V;

Se va folosi un convertor analog-numeric de tip registru cu aproximari succesive.

3. Schema bloc

Schema bloc multimetru cu ampermetru si voltmetru de c.a.

BT

Blocul de numărare/afişare

Numărător (N)

Registru de memorare

Decodor(D)

Afişaj numeric

(AN)

CAN

BT

AfişajP

CANP

BC GE

4. Memoriu tehnic

• Blocul de alimentare

Voltmetrul este alimentat de la o sursa de curent continuu de 9V.La bornele ( + ) si ( – ) se pun bornele prin care trece voltajul ( curent alternativ) ce

trebuie masurat . In functie de scara de care avem nevoie putem folosi comutatorul de scara pe una din

treptele 3, 5, 10 volti pentru un rezultat corect.Curentul alternativ care intra pe la bornele + si – trece printr-un circuit redresor ( punte

redresoare ) formata din diode redersoare ( 1N4001 ) pentru a fi transformat in curent continuu si astfel aparatul va putea efectua masurarea voltajului din circuitul ce trebuie masurat. Inainte de intrarea in circuitul redresor curentul trece prin divizor de curent din blocul ampermetrului, iar pentru circuitul cu voltmetru curentul trece prin divizorul de tensiune .

Dupa redresare curentul de masurat este trece prin circuitul de amplificare (tranzistoare) apoi este convertit din semnal analogic in semnal digital printr-un CAN .

• Circuitul de intrare

• Divizorul de curent pentru ampermetru

Regula divizorului de curent

Dacã la iesirea unui circuit nu este conectatã o rezistentã de sarcinã se poate aplica regula divizorului de curent pentru a determina curentul prin R2 de exemplu. La fel de bine se poate aplica regula divizorului de curent si pentru a afla curentul prin R1.

Presupunând rezistentele parcurse de curentii I1 si I2, cu legea curentilor lui Kirchhoff se gãseste:

I = I1 + I2Cãderea de tensiune la bornele rezistentelor se determinã cu legea lui Ohm:

U = I1R1 = I2R2

Combinând relatiile de mai sus se obtine:

Analiza unui circuit paralel simplu

Să analizăm un circuit paralel simplu, determinând valorile curenţilor prin fiecare ramură, respectiv prin fiecare rezistor în parte.

Mărime R1 R2 R3 Total UnitateE 6 6 6 6 VI AR 1k 3k 2k Ω

Cunoscând faptul că pe fiecare component în parte căderea de tensiune este aceeaşi, putem completa tabelul tensiune/curent/rezistenţă astfel (mărimile sunt exprimate în volţi, amperi şi ohmi).

Mărime R1 R2 R3 Total UnitateE 6 6 6 6 VI 6m 2m 3m AR 1k 3k 2k Ω

Folosind legea lui Ohm (I = E / R) putem calcula curentul prin fiecare ramură.

Mărime R1 R2 R3 Total UnitateE 6 6 6 6 VI 6m 2m 3m 11m AR 1k 3k 2k Ω

Ştiind că în circuitele paralele suma curenţilor de pe fiecare ramură reprezintă curentul total, putem completa tabelul cu valoarea totală a curentului prin circuit, 11 mA.

Mărime R1 R2 R3 Total UnitateE 6 6 6 6 VI 6m 2m 3m 11m AR 1k 3k 2k 545.45 Ω

Ultimul pas este calcularea rezistenţei totale, folosind legea lui Ohm (R = E / I), sau folosind formula rezistenţelor în paralel; indiferent de metoda folosită, rezultatul este acelaşi.

• Divizorul de tensiune pentru voltmetru

Divizoarele de tensiune , utilizate la masurarea tensiunilor continue, alternative si de impuls, sunt dispozitive de raport cu doua perechi de borne (tip diport), care stabilesc o relatie de dependenta liniara, pe un anumit interval, între marimea de masurat electrica si marimea electrica ce actioneaza asupra circuitului.

Divizorul de tensiune rezistiv: este realizat din rezistoare bobinate, sau din rezistente cu pelicula metalica, situatie în care exactitatea este mai scazuta dar suficient de buna pentru instrumentatia analogica si digitala. Se utilizeaza pentru masurarea tensiunilor în curent alternativ sau în joasa frecventa si pentru extinderea limitei superiore de masurare a voltmetrelor, compensatoarelor de tensiune alternativa, etc.

In afara de divizoarele de valoare fixa se construiesc divizoare reglabile, utilizate pentru prescrierea gamelor la voltmetrele de c.c. Treptele de divizare se aleg în secventa 1-3-10 (sau o alta) pentru voltmetrele analogice si în secventa 1-10-100 pentru cele digitale.Exista divizoare de tensiune cu mai multe trepte de divizare, cu particularitatea ca una din componente este de înalta exactitate. Aceasta serveste ca etalon la verificarea prin comparatie a exactitatii celorlalte rezistente ale divizorului. Multe din acestea sunt astfel realizate încât rezistentele componente sau grupuri ale acestora sa aiba valori nominale egale, ceea ce permite compararea directa a lor, pentru determinarea erorii fiecarei trepte de divizare. In acest fel întregul divizor poate fi autocalibrat.

Erorile divizoarelor de tensiune sunt determinate, în primul rând, de abaterile rezistenţelor componente de la valorile nominale precum şi de îmbătrânirea rezistenţelor, de variaţia valorii acestora cu temperatura şi umiditatea, de autoîncălzire şi de influenţa rezistenţelor de izolaţie. Evitarea erorilor provocate de rezistenţele de izolaţie, mai ales la divizoare cu rezistoare de valori nominale foarte mari, o constituie introducerea ecranelor de gardă pentru

interceptarea curenţilor de izolaţie. Ecranul îmbracă toate părţile conductoare ale divizorului, inclusiv bornele, care sunt menţinute la potenţiale egale cu ale conductoarelor gardate cu ajutorul unui divizor secundar. Curenţii prin izolaţie sunt concentraţi astfel către divizorul secundar ocolind rezistoarele divizorului principal.

• Amplificatorul instrumental

Amplificatoarele instrumentale reprezintă o categorie aparte de amplificatoare operaţionale utilizate în special în măsurări, motiv pentru care acest tip de amplificatoare operaţionale au mai fost denumite şi amplificatoare de măsură. Amplificatorul instrumental este un amplificator operaţional diferenţial cu amplificare finită şi foarte bine reglată, reglajul amplificării făcându-se fie prin conectarea în exteriorul integratului a unei rezistenţe sau grup de rezistenţe, fie prin comanda digitală cu ajutorul unui calculator sau microcontroler. Amplificatorul instrumental are performanţe superioare amplificatoarelor operaţionale în ceea ce priveşte tensiunea de decalaj, deriva termică, liniaritatea, stabilitatea şi precizia amplificării.

Amplificatoarele instrumentale pot fi realizate cu componente discrete şi amplificatoare operaţionale, în tehnologie monolitică sau hibridă. Cele integrate au elementele de reacţie incluse în structura circuitului integrat. La

aparatura de măsură şi control amplificarea în tensiune se face, adesea, cu amplificatoare diferenţiale la care una din intrări este folosită pentru intrarea de semnal, iar cealaltă pentru conectarea reţelei de reacţie. Dacă s-ar folosi un singur amplificator operaţional reţeaua de reacţie ar reduce impedanţa de intrare la valori care sunt prea mici faţă de cele necesare în aceste aplicaţii. Din acest motiv au fost realizate structuri speciale de amplificatoare diferenţiale cu două sau mai multe amplificatoare operaţionale. Amplificatoarele instrumentale sunt amplificatoare diferenţiale cu intrări flotante faţă de masă, cu impedanţă mare atât în modul diferenţial cât şi în modul comun şi având o rezistenţă de ieşire redusă.

Amplificatoarele instrumentale trebuie să îndeplinească mai multe cerinţe:• amplificarea mărimilor preluate de la senzori până la valori care pot fi prelucrate fără probleme de etajele următoare din lanţul de prelucrare a semnalului;• asigurarea unei impedanţe de intrare mari, pentru a nu perturba mărimea aplicată la intrare;• realizarea unei anumite caracteristici de transfer, liniară sau neliniară, în funcţie de natura procesului de măsurare;• asigurarea unei caracteristici de frecvenţă adecvate procesului de măsurare;• asigurarea unei rejecţii a semnalului de mod comun foarte mare.

Principalii parametri ai unui amplificatorului instrumental sunt:a) câştigul (G). Valoarea acestui parametru reprezintă panta caracteristicii de transfer a amplificatorului instrumental. În datele de catalog sunt specificate: eroarea câştigului, neliniaritatea câştigului şi stabilitatea câştigului în raport cu temperature.b) tensiunile de decalaj la intrare şi la ieşire. Tensiunea de decalaj la intrare, Uosi [μV] şi tensiunea de decalaj la ieşire, Uoso [μV] sunt independente una faţă de cealaltă şi, prin urmare, trebuie considerate separat. Pentru un câştig dat, tensiunea totală de decalaj Uos este definită pe baza a două erori: - eroarea totală raportată la intrare (”Total Referred to the Input Error – Total RTI Error”) prin: Uos(RTI) = Uosi + Uoso/G; - eroarea totală raportată la ieşire (” Total RTO Error”) prin: Uos(RTO) = GUosi + Uoso.

c) curentul de decalaj la intrare (în [nA]), valoarea acestuia în funcţie de temperatură (în [nA]), precum şi coeficientul mediu de temperatură al curentului de decalaj la intrare (în [pA/0C]).d) curentul de polarizare la intrare (în [nA]), valoarea acestuia în funcţie de temperatură (în [nA]), precum şi coeficientul mediu de temperatură al curentului de polarizare la intrare (în [pA/0C]).d) impedanţele de intrare diferenţială şi de mod comun. Sunt alcătuite dintr-o rezistenţă în paralel cu o capacitate. Se exprimă în GΩ||pF.e) impedanţa de ieşire. Este foarte mică, de ordinul 10-2 Ω.

f) tensiunea şi curentul de zgomot ale amplificatorului. Aceşti parametri pot fi raportaţi faţă de borna de intrare a amplificatorului, fiind specificaţi ca şi valori vârf la vârf sau efective într-un anumit interval de frecvenţe (se exprimă în [nV], respectiv în [pA]).g) raportul de rejecţie a modului comun, CMMR. Este specificat pentru o anumită nesimetrie a sursei de semnal de intrare, de obicei 1 kΩ, pentru diferite valori ale câştigului şi ale tensiunii de mod comun UCM. CMRR creşte odată cu creşterea câştigului şi scade odată cu creşterea frecvenţei.h) parametri referitori la regimul dinamic:- banda de frecvenţe la -3 dB la semnal mic. Este specificată pentru diferite valori ale câştigului. Cu cât câştigul este mai mare cu atât banda de frecvenţe este mai mică.- viteza de urmărire (”Slew Rate”, SR [V/μs]).- timpul de stabilizare. Este specificat în funcţie de valoarea câştigului pentru o variaţie dată a tensiunii de intrare.

• Circuitul redresor

Redresoarele sunt circuite care transformă curentul alternativ în curent continuu. După tipul dispozitivelor care redresează şi după modul acestora de comandă, redresarea poate fi necomandată, (cu comutaţie naturală), sau comandată, (cu comutaţie forţată). În această lucrare se vor studia circuite de redresare necomandate. Redresarea necomandată se realizează, într-o majoritate covârşitoare de cazuri, cu diode. Redresarea tensiunilor alternative este cea mai des utilizată operaţie neliniară efectuată asupra semnalelor variabile în timp.Redresorul monoalternanţă ideal poate fi privit ca un diport cu funcţionare de comutator comandat de polaritatea tensiunii de intrare. Dacă polaritatea este pozitivă, comutatorul este închis şi tensiunea

de la intrare se regăseşte la ieşire. În cazul în care tensiunea de intrare este negativă, comutatorul se deschide iar tensiunea de la ieşire devine 0.

Cele mai utilizate comutatoare pentru această funcţie sunt diodele semiconductoare.Se poate considera că redresorul dublă alternanţă este un diport care aplică funcţia

matematică " MODUL " semnalului de intrare.Această funcţionare se poate obţine prin cuplarea a două redresoaremonoalternanţă, unul direct şi cel de-al doilea prin intermediul unui repetor -inversor de tensiune.

Utilizarea diodelor semiconductoare pentru redresarea semnalelor alternative reprezintă o soluţie deosebit de simplă şi ieftină a problemei, în cazul în care se urmăreşte aspectul energetic, dacă se porneşte de la tensiuni de intrare mult mai mari decât căderea de tensiune directă pe diodă.

Într-adevăr, tensiunea la ieşirea redresorului monoalternanţă, cu diodă semiconductoare cu siliciu, nu repetă identic semialternanţa pozitivă a tensiunii de intrare ci prezintă un decalaj de aproximativ 0,6 V faţă de aceasta.

În aplicaţiile care au în vedere prelucrarea de informaţie, pentru măsurarea tensiunilor alternative, sau în nenumărate alte aplicaţii de semnal mic, este inacceptabilă distorsionarea semnalului.Pentru înlăturarea inconvenientelor prezentate mai sus se folosesc scheme compuse din A.O. şi diode semiconductoare, numite redresoare de precizie.

• Convertorul analog-numeric (CAN) de tip registru cu aproximari succesive

CAN (Convertor Analog Numeric) cu aproximare succesivă este unul din tipurile de CA/N

cele mai utilizate în practică. Ele realizează compromisul optim între precizia şi viteza de conversie,

la o complexitate acceptabilă a schemei. Stadiul actual al tehnologiei permite realizarea monolitică o

întregului CA/N, la o rezolutie de până la 16 biţi şi o viteză de conversie de circa 10μsec. Se

utilizează curent aceste CA/N-uri în aparatură de măsură electronică, sisteme de achiziţii de date,

transmisia şi prelucrarea numerică a informaţiei, etc. Schema bloc a acestui convertor este

prezentată în figura 1.

0 . 1 Funcţionarea schemei

- începutul unui ciclu de conversie este comandat prin semnalul logic SC="1".

- se compară tensiunea de intrare VIN (care se doreşte a fi convertită într-un număr binar), cu cea

furnizată de CN/A (Convertor Numeric/Analogic) la un moment dat. Tensiunea furnizată de CN/A

este V0(N) şi reprezintă o fracţie din VREF conform formulei:

Figura 1

N este număr binar pozitiv subunitar, având (2n-1) valori posibile, de la 0 până la (1-2-n),

unde n reprezintă numărul de biţi. CN/A folosit este de tipul cu reţea divizoare în trepte

ponderare binar.

- numărul binar N este produs în RAS (Registrul cu Aproximaţii Succesive) sub forma unui cod

binar natural:

N = b1b2...bn ,

în care b1 este bitul cel mai semnificativ (MSB), iar bn este bitul cel mai puţin semnificativ (LSB),

aceasta conducând la un număr de forma

N=0,b1b2...bn.

RAS funcţionează secvenţial pe o frecvenţă fixă f0, producând numerele N conform

algoritmului aproximaţiilor succesive, ce este prezentat în continuare.

- un ciclu de conversie durează

TCONVERSIE = n⋅T0 ,

unde T0 = 1/f0 reprezintă durata între două impulsuri de ceas, iar n este numărul de biţi ai

convertorului.

- sfârşitul ciclului de conversie, când este disponibil rezultatul conversiei forma numărului binar

stocat în RAS, este marcat prin semnalul logic FC="1".

0 . 2 Algoritmul de aproximare succesivă

Pentru claritatea expunerii algoritmului, se va considera în explicaţii un CA/N de 8 biţi.

După comanda de începere a conversiei (semnalul SC="1", care în general poate fi

asincron), sincron cu primul front crescător a impulsului de ceas, se comandă înscrierea în RAS, a

numărului binar:

N1= 1000 0000 .

V 2 b = VN = (N)V REFk-

k

n

=1kREF0 •

• Σ

Corespunzător acestuia, după timpul de propagare prin circuitele logice ale RAS şi prin

CN/A, apare la intrarea IN- a comparatorului tensiunea:

Rezultatul comparaţiei tensiunilor VIN _i V0(N1) este semnalul logic COMP, de la ieşirea

comparatorului

La următorul front crescător al semnalului de ceas, este memorată valoarea logică a acestei

comparaţii (c1) în poziţia bitului cel mai semnificativ b1 - această locaţie din RAS nu va mai fi

modificată în restul ciclului de conversie. Se marchează astfel apartenenţa tensiunii VIN la una din

cele două jumătăţi ale domeniului analogic [0, VREF] .

Simultan cu acest nou front al semnalului de ceas, este se-tat următorul bit, mai puţin

semnificativ, b2="1". Incepând cu acest moment, circuitul RAS conţine numărul binar

N2= c1100 0000 ,

care produce la ieşirea CN/A tensiunea continuă corespunzătoare

Valoarea acestei tensiuni devine disponibilă la intrarea IN- a comparatorului după timpul de

propagare prin circuitul logic al RAS şi prin CN/A. Rezultatul comparaţiei tensiunii V IN cu

tensiunea V0(N2), în al doilea pas al iterării algoritmului, este

COMP = c2 ,

care este memorat de această dată în poziţia următorului bit (b2) mai puţin semnificativ faţă de cel

stabilit anterior. Apoi,la fel ca şi la iteraţia anterioară, este setat următorul bit b3="1".

La începutul următorului pas al algoritmului, numărul binar conţinut în RAS va fi

V 2 = V N = V 2 b = )N(V REF1-

REF1REFk-

k

n

=1k10 ••

∑

V<)N(V daca 1, V>)N(V daca 0,

= c = COMPIN10

IN101

( ) V 2 1 + 2 c = V N = )N(V REF-2-1

1REF220 ••••

N3= c1c210 0000

(indicele numărului N semnifică în acelaşi timp pasul de aproximare şi indicele bitului ce urmează a

fi "clarificat").

In acest fel, se continuă până la stabilirea utimului bit, cel mai puţin semnificativ. Pe măsură

ce creşte numărul de biţi, se realizează din ce în ce mai bine aproximarea

V0(N) ≈ VIN .

Prezentarea sintetică a acestui algoritm se face în organigrama următoare.

Eroarea de cuantizare ce rezultă în urma parcurgerii acestui algoritm este

V 2+ = V2

1+ = V = REF

1)+-(nLSB •∆ __ε

Componentele principale ale convertorului sunt:

• un integrator cu amplificatorul operaţional AO (cu rezistenţă de intrare ridicată de cca. 109…1012Ω), rezistenţa R (sute kΩ) şi condensatorul C (0,1…1μF); la intrarea acestui integrator este plasat un comutator comandat (K1 şi K2), ce asigură conectarea intrării integratorului fie la semnalul de intrare (Ux), fie la o tensiune de referinţă (U0) foarte stabilă (0,01…0,002%);

• un comparator (CT) ce detectează trecerea prin zero a semnalului de la ieşirea integratorului (U2);

• un generator de tact (GE) şi un circuit poartă (P) care validează impulsurile de ceas către un numărător;

• un numărător (N), de cele mai multe ori decadic, cu intrare de ştergere (RES) şi ieşire de transport/depăşire (TCU);

• un afişaj numeric cu 7 segmente (inclusiv decodificator BCD-7 segmente);• un bistabil de comandă a comutatorului de intrare (B);• un bloc de comandă (secvenţiere) a întregului aparat (BC), care iniţiază ciclul de

conversie şi stabileşte condiţiile iniţiale ale integrării.

Blocul de comandă (BC) este pilotat de către generatorul de tact etalon (GE); cu ajutorul unui secvenţiator, acesta stabileşte ciclul de măsură şi comandă operaţiile ce se vor executa în fiecare etapă.

• Generatorul etalon (Ge)

Generatorul de tact etalon (GE) este constituit dintr-un simplu oscilator RC, frecvenţa acestui putând fi reglată la 40 kHz (timpul de integrare este T1=100 ms) sau 50 kHz (T1=40 ms); pentru realizarea intervalului T1, frecvenţa generatorului este divizată intern la valori corespunzătoare.

Tensiunea de referinţă (U0) este preluată de la dioda Zener internă de 2,8 V (coeficient termic 0,01%/ºC) prin intermediul unui potenţiometru cu ajutorul căruia poate fi reglată la 100 mV (pentru gama de 200 mV) sau la 1 V (pentru gama de 2 V). Dacă se renunţă la referinţă, voltmetrul poate fi utilizat ca logometru (raţiometru), cea de-a doua tensiune fiind introdusă în locul lui U0 (adică pe cursorul potenţiometrului).

• Divizorul de frecventa

Divizoarele de frecvenţă sunt circuite speciale la care informaţia de intrare este considerată în general frecvenţa semnalului de tact, iar informaţia de ieşire este frecvenţa unui semnal generat. Împărţind frecvenţa de intrare la frecvenţa de ieşire se obţine raportul de divizare. Ca şi observaţie, factorul de umplere a semnalului de ieşire nu neapărat este egal cu 0,5. Este important faptul că numărul de stări distincte prin care trece circuitul trebuie să fie egal cu raportul de divizare.

• Numarator

• Decodoare

Decodorul este un circuit logic cu mai multe intrări şi mai multe ieşiri care converteşte semnalele de intrare codate în semnale de ieşire codate, codurile de intrare şi de ieşire fiind diferite. În general, codul de intrare este construit pe mai puţini biţi decât codul de ieşire, iar între cuvintele de cod de intrare şi cuvintele de cod de ieşire există o corespondenţă biunivocă.

Structura generală a unui circuit de decodare este cea din figură. Intrările de activare, dacă există, trebuie să fie confirmate pentru ca decodorul să realizeze corespondenţa intrare-ieşire în mod normal. În caz contrar, decodorul asociază tuturor cuvintelor de intrare un singur cuvânt de cod de ieşire- “disabled” (“neactivat”).

Pentru semnalul de intrare, cel mai frecvent se utilizează un cod binar de n biţi, în care un cuvânt de n biţi reprezintă una dintre cele 2n valori codate diferite, în mod normal – numerele întregi de la 0 la 2n-1. Uneori, codurile binare de n biţi se trunchiază, reprezentându-se astfel mai puţin de 2n valori. De exemplu, în codul BCD, combinaţiile de 4 biţi de la 0000 la 1001 reprezintă cifrele zecimale 1...9, iar combinaţiile de la 1010 la 1111 nu sunt utilizate.

Pentru semnalul de ieşire, cel mai frecvent se utilizează un cod 1 din m, care conţine m biţi, în orice moment fiind confirmat unul dintre biţi. Astfel, pentru un cod 1 din 4 cu valorile de ieşire active în HIGH, cuvintele de cod sunt: 0001, 0010, 0100 şi 1000. Dacă valorile de ieşire sunt active în LOW, cuvintele de cod sunt: 1110, 1101, 1011 şi 0111.

Decodorul binar

Decodorul binar este destinat operaţiilor de generare a semnalelor de selecţie sau de implementare a funcţiilor logice mai complicate. Acest tip de decodor are n intrări de cod, un număr de intrări de validare şi 2n ieşiri; intrările de validare permit activarea/dezactivarea funcţionării decodorului prin trecerea ieşirilor în starea inactivă.

Un exemplu de decodor binar este SN74138 (decodor binar 1 din 8, în tehnologie TTL); în seria CMOS standard nu există un decodor binar.

Decodorul BCD-zecimal

Acest decodor are 4 intrări şi 10 ieşiri, corespunzătoare numerelor zecimale 0...9; codurile 10...15 sunt invalide şi nu produc activarea niciunui semnal de ieşire. Decodorul BCD-zecimal este folosit mult la comanda afişajelor cu tuburi indicatoare (unde fiecare cifră are comandă separată) sau la comanda unor afişaje de tip bargraf. Exemple de decodoare BCD-zecimal: SN7442 (decodor 1 din 10, de uz general, în tehnologie TTL), SN74141 (decodor 1 din 10 pentru atacul tuburilor indicatoare, în tehnologie TTL), 4028 (decodor 1 din 10, de uz general, în tehnologie CMOS).

Decodoare de comandă a afişajului

Pentru extragerea datelor binar-zecimal din numărătoarele binare şi afişarea lor în formă zecimală, se utilizează un decodor de comandă. În funcţie de forma caracterelor afişate, rezultă trei tipuri principale de decodoare, şi anume:

• decodoare pentru comanda iluminării directe a caracterelor zecimale, prin codul 1 din 10:• decodoare pentru comanda iluminării unor segmente, din combinarea cărora rezultă

caractere zecimale;• decodoare pentru comanda iluminării unor puncte, în czul reprezentării prin matrice

alfanumerice.Tipul decodoarelor este determinat şi de valorile tensiunilor şi curenţilor pentru comanda

diferitelor sisteme de afişaj. Astfel:• pentru comanda sistemelor de afişaj cu LED-uri condiţia principală impusă decodorului

este asigurarea curentului de ieşire pentru polarizarea segmentelor, valorile uzuale fiind de 2-20 mA. În cazul circuitelor TTL, aceasta nu constituie o problemă. Deoarece valorile tensiunii directe pe un segment electrolumniscent este de 1,6-3,4 V, se impune conectarea unei rezistenţe serie la decodoarele cu circuit de ieşire “colector deschis”, pentru compatibilitatea cu tensiunea de alimentare de 5V a circuitelor TTL. Decodoarele CMOS pot comanda sisteme de afişare cu LED-uri: direct, în cazul celor cu un curent de lucru de 5 mA sau prin intermediul unor amplificatoare de curent, în cazul unui curent mai ridicat. În prezent, se realizează circuite integrate monolitice care includ atât sistemul de afişare LED, cât şi celelalte blocuri: circuite de numărare, memoria, decodorul etc.

• pentru comanda sistemelor de afişaj cu cristale lichide se folosesc decodoarele cu circuite CMOS, care asigură minimizarea consumului de putere. Comanda cristalelor lichide impune un artificiu de schemă în vederea activării segmentelor cu o tensiune alternativă (de la o sursă auxiliară) şi a producerii unei tensiuni nule pe segmentele ce formează caracterul. Sistemul de afişare cu cristale lichide nu se pretează la comanda prin multiplexare, din cauza faptului că nu există un prag bine definit de blocare şi că la aceste sisteme timpul de răspuns are o valoare relativ mare.

• Sisteme de afişare

Afişarea numerică a rezultatelor măsurării are ca avantaje: posibilitatea citirii de la distanţă şi înlăturarea erorilor subiective de citire. Un sistem de afişare numerică ideal ar fi acela care ar răspunde simultan următoarelor cerinţe:

• durată de viaţă nelimitată, ceea ce ar însemna cca. 100 000 ore de funcţionare (aproximativ 10 ani);

• consum de putere cât mai redus, pentru a asigura necesitatea de alimentare autonomă a aparatelor de măsurat;

• tensiuni de alimentare şi de lucru compatibile circuitelor integrate şi logicii numerice standard;

• funcţionarea în condiţii grele de solicitări de natură mecanică (vibraţii, şocuri etc.);funcţionarea în limite cât mai largi de temperatură (de la -55°C la 125°C) şi în medii cu radiaţii intense;

• un raport preţ de cost/performanţe rezonabil.Dintre cele câteva sisteme care au încercat cât ami mult să se apropie de acest model

ideal, cele care s-au impus în prezent, fiind acum aproape în mod egal utilizate, sunt afişajele cu LED şi cu cristale lichide.

Sistemul de afişare cu diode electroluminiscente

Diodele electroluminiscente (LED) sunt dispozitive semiconductoare cu joncţiune p-n, care emit radiaţii în spectrul vizibil atunci când sunt polarizate direct.

Caracterele, prin care se face afişajul, sunt aşezate într-un singur plan, realizările practice fiind fie cu 7 segmente (pentru afişarea cifrelor 0...9 şi a literelor A, b, c, d, E, F, H, I, J, L, P, S, U), fie cu o matrice de “puncte” (circulare sau pătratice) de 5x7 sau 4x7 elemente pentru orice afişare alfanumerică.

Conectarea diodelor în cazul afişării cu 7 segmente se face cu anodul sau catodul comun, iar comanda de la decodor se aplică la catozi, respectiv la anozi. În cazul matricelor se realizează conectarea pe coordonate (coloane şi rânduri) unde sunt legaţi împreună anozii de pe o coloană şi catozii diodelor de pe un rând. La această dispunere se reduce numărul conductorilor din elementul de afişare, cu reversul ei – complicarea decodorului de comandă, ceea ce, pe ansamblu, este avantajos.

Performanţele tipice ale sistemului de afişare cu elemente LED sunt următoarele:• compatibilitatea cu circuitele integrate TTL şi CMOS;• funcţionare stabilă în domeniul de temperatură 0-70°C şi, pentru anumite tipuri, în

limitele -55-100°C;• durata de viaţă mai mare decât 100 000 ore;• înălţimea caracterelor 2,5 la 15 mm, pentru care se ajunge la un consum mediu de 60 la

280 mW/caracter (cu toate segmentele polarizate);• culoarea luminii emise: roşie (pentru citirile mai rar efectuate de acelaşi operator, pentru

indicarea valorilor de atenţie sau pentru citirea de la o distanţă mai mare), verde (cea mai convenabilă pentru ochi, deci necesară în citirile repetate şi îndelung privite) sau galben (pentru citirile în spaţiile mai întunecoase). Cromatica radiaţiilor emise de un LED în

spectrul vizibil depinde, prin lungimea sa de undă, de raportul dintre numărul impurităţilor donoare (de exemplu, arsen) şi numărul celor acceptoare (de exemplu, galiu) din joncţiunea p-n.

Sistemul de afişare cu cristale lichide

Cristalele lichide asigură posibilitatea afişajului pe ecrane cu date multiple, cu consum mic de putere (zeci de μW) potrivit pentru aparatele electronice de măsurat portabile.

Sistemele de afişare cu cristale lichide pot fi realizate în două moduri de funcţionare: prin transmisie sau prin reflecţie (cel mai răspândit), în ambele cazuri cristalul lichid fiind închis ermetic între doi electrzi (suporţi), cu o structură de forma celei din figură (o schiţă a unei celule de afişaj de bază).

În cazul funcţionării prin transmisie, ambii electrozi sunt transparenţi şi lumina unei surse auxiliare pătrunde dinspre electrodul posterior, perpendicular pe direcţia de observare. La funcţionarea prin reflecţie (cazul din figură), electrodul postrior este opac şi reflectă lumina care vine dinspre observator. Aici, vizualizarea se face prin utilizarea efectului difuzării dinamice a luminii, cu celule de bază precum cea din figură, care este formată din două plăci-suport transparente, între care se găseşte cristalul lichid şi de care – pe feţele interioare – sunt fixaţi electrozii conductori (din oxizi de staniu). Aceşti electrozi conductori sunt în contact direct cu cristalul lichid. În absenţa diferenţei de potenţial între electrozi, un fascicul de lumină care pătrunde în celulă prin electrodul transparent frontal va fi difuzat înapoi (spre observator) într-un con fascicular cu un unghi mic (5-15°). Dacă se aplică o diferenţă de potenţial (continuă sau de joasă frecvenţă) de câţiva volţi, atunci peste un anumit prag (5-7 V) lumina va fi difuzată puternic în faţă într-un con fascicular de 60-80° (unghi la vârf). Astfel: dacă între electrozii celulei tensiunea este U=0, difuzia nu apare şi celula va fi neagră; pentr U> (5-7 V) difuzia luminii va fi puternică i celula va apare albă.

Parametrii tipici afişajului cu cristale lichide sunt:• consum foarte mic de putere (350 μW pentru o celulă cu 7 segmente/electrozi – toate

activate, la o înălţime a caracterului de cca. 20 mm);• compatibilitatea cu circuitele CMOS;

• funcţionare în c.a. de joasă frecvenţă (alimentarea în c.c. având neajunsul scurtării duratei de viaţă);

• domeniu de temperatură restrâns (0-60°C);• durată de viaţă redusă (cca. 10 000 ore);• timp de răspuns relativ mare (cca. 10 ms);• preţul de cost, mai ales la producţiile de mare serie (peste 100 000 de bucăţi), este foarte

mic;• citirea de la distanţă este mai dificilă.

]

Caracteristicile voltmetrului

Caracteristici de intrare

• Tipul intrării depinde mult de clasa de precizie a aparatului: voltmetrele numerice standard (clasa 0,1) folosesc mai ales circuitul de intrare cu trei borne, iar cele de înaltă precizie (clasa 0,01 – 0,001) utilizează intrarea cu circuit de gardă; aceste tipuri de intrări asigură o impedanţă de intrare fixă de 10 – 100 MΩ si o rejecţie de mod comun (RMC) de cca. 80 – 140 dB.

• Tensiunea maximă admisă pe intrare reprezintă valoarea maximă a tensiunii ce poate fi aplicată între bornele de intrare (de obicei notate H şi L), sau între una din acestea şi masă, în condiţii normale de funcţionare (aparatul conectat la obiectul de măsurat).

• Injecţia de paraziţi în obiectul de masură. Orice aparat numeric este şi un generator de tensiuni parazite ce sunt produse de către circuitele în comutaţie (prin efect di/dt); aici un loc principal îl ocupă baza de timp (generatorul de tact şi blocul de secvenţiere). Aceste tensiuni parazite pot deveni supăratoare atunci când operatorul face măsurări în scheme cu dispozitive sensibile (de exemplu, tranzistoarele cu efect de câmp şi circuitele integrate CMOS). De aceea, în literatura de catalog (adesea) se specifică şi nivelul paraziţilor la bornele de intrare.

• Gamele de măsură. Datorită specificului afişării, gamele de lucru ale unui voltmetru numeric (tensiuni la capăt de scară) sunt în succesiune decadică (0,2; 2; 20; 200; ...) şi nu din 10 în 10 dB (1; 3; 10; …) ca în cazul celor analogice. Există multimetre numerice cu schimbare manuală sau cu schimbare automată a gamelor.

• Schimbarea automată a gamelor (autoranging) este un procedeu modern care permite trecerea automată a voltmetrului numeric de la o gamă inferioară la una superioară şi

invers, de îndată ce Ux depaşeşte o anumită limită prestabilită. Selectorul automat de game permite ca aparatul să se plaseze singur în situatia optimă în privinţa preciziei (cifra cea mai semnificativă a rezultatului măsurării să fie plasată mereu în ultima decadă), ceea ce permite în plus şi o creştere a vitezei de lucru, precum şi un confort sporit pentru operator.

Caracteristici de transfer

• Rezoluţia şi sensibilitatea

Rezoluţia reprezintă cea mai mică variaţie a lui Ux ce poate fi citită pe gama respectivă; de exemplu, la un voltmetru numeric cu afişaj de 3 ½ cifre, pe gama de 0,2 V rezoluţia este de 100 μV, iar pe cea de 2V este 1 mV. Prin urmare, rezoluţia corespunde intervalului dintre două valori consecutive ale cifrei ultimului rang - cifra cea mai puţin semnificativă – indiferent de gamă. De aceea, în literatua de catalog, rezoluţia se exprimă adesea în % din gamă; de exemplu, în cazul citat, rezoluţia este 0,1 % din gamă.

În literatura de catalog, prin sensibilitate se înţelege valoarea cea mai mică a lui Ux care poate fi măsurată pe gama cea mai sensibilă; de exemplu, la voltmetrul numeric citat mai înainte, sensibilitatea este de 100 μV, valoare ce coincide şi cu rezoluţia pe gama respectivă.

• Precizia

Datorită faptului că voltmetrele numerice sunt aparate de înaltă precizie, precum şi faptului că au unele blocuri neîntâlnite la voltmetrele analogice (convertor A/N, numărător, etc.), considerăm util a analiza mai pe larg acest parametru de calitate

Modul de exprimare. Ca parametru de catalog, precizia voltmetrelor numerice se certifică prin eroare tolerată; aceasta reprezintă eroarea maximală admisă în conditii de referinţă şi se exprimă în una din formele:

ε1= a%ct + b%csε2= a%ct + b[UUR]

adică a% din valorea citită (ct) + b% din gamă (cs), respectiv, a%ct + b unităţi ale ultimului rang (UUR). Prima relaţie se utilizează în cazul voltmetrelor numerice mai vechi (1975…1980); de exemplu, voltmetrul românesc E 0302 are ε1 = 0,1%ct + 0,1%cs. Relaţia a doua se utilizează pentru caracterizarea voltmetrelor numerice de dată mai recentă (1985…1995); de exemplu voltmetrul 8506A (FLUKE 1990) cu afişaj 6 ½ cifre (1.9999999) are eroarea tolerată de ε1 = 0.0015%ct + 8[UUR] pe gama de 2 V. Eroarea a%ct provine, în principal, de la blocurile analogice (DT,A), iar b%cs (respectiv b[UUR]) este datorată blocurilor numerice (convertor A/N, numărător), motiv pentru care a şi b se mai numesc eroare analogică şi eroare numerică. De observat că, în literartura recentă de catalog, în locul denumirii de eroare, se utilizează termenul precizie (uneori precizie de bază).

Normarea erorii tolerate. Ca şi în cazul aparatelor de masură analogice, eroarea tolerată (admisibilă) se normează în raport cu eroarea de bază (εb) şi cu eroarea suplimentară (εs), în corelaţia:

εs ≤ εb ≤ ε1 = a%ct + b%csEroarea de bază este eroarea intrinsecă a voltmetrelor numerice în condiţii de referinţă

(temperatură de 23ºC +- 1ºC, etc.) şi provine din următoarele cauze:• eroarea datorată rezoluţiei (numită şi eroare de cuantizare);• deriva referinţei interioare de tensiune (Zener sau Weston);• deriva în timp şi cu temperatură a componentelor;• neliniarităţile din blocurile analogice şi numerice;• ambiguitatea de +-1 cifră la numărare (comparare numerică);• zgomotele (interne sau externe);• eroarea de indicare a valorii zero (voltmetrul nu indică zero când bornele de intrare sunt

în scurtcircuit);• variaţia tensiunii de alimentare (ce poate provoca şi alunecarea fecvenţei de tact).

Condiţiile de referinţă sunt prescrise prin standarde şi sunt alese astfel încat variaţiile factorilor de influenţă (temperatura, umiditatea, câmpurile electrice şi magnetice perturbatoare, forma curbei Ux

, tensiunea de alimentare, perturbaţiile de mod comun şi mod serie) să aibă un efect neglijabil asupra aparatului.

Valoarea erorii tolerate (ε1) se stabileşte astfel: se determină experimental componentele a%ct şi b%cs ale erorii de bază (εb); după aceea, valorile acestor componente se rotunjesc superior, astfel ca valorile obţinute să fie exprimabile printr-o singura cifră semnificativă; de exemplu, 0,042%ct se rotunjeşte la 0,05%ct. Valorile rotunjite în acest mod reprezintă tocmai cele două componente ale lui ε1.

Eroarea suplimentară (εs) sau variaţia, provine din variaţia unui singur factor de influenţă, ceilalţi fiind menţinuţi la nivelele de referinţă, motiv pentru care εs se mai numeşte şi eroare de influenţă. Factorul de influenţă cel mai proeminent este variaţia temperaturii (influenţa celorlalţi factori mai poate fi atenuată prin diverse precauţii tehnologice: ecranare, gardare, filtrare, etc., însă influenţa temperaturii nu poate fi controlată decât în incinte termostatate, deci cu un cost mai ridicat). De aceea la voltmetrele numerice de înaltă precizie eroarea de temperatură este un parametru de catalog. Eroarea suplimentară cauzată de variaţia temperaturii mediului ambiant se evaluaează prin intermediul coeficientului de temperatură (CT); acesta se exprimă prin două componente, ca şi precizia (ε1):

CT = (a%ct + b%cs) /ºCCT = (a%ct + b[UUR]) /ºC

• Stabilitatea

Stabilitatea reprezinta aptitudinea unui voltmetru numeric de a da o indicaţie reproductibilă, într-o anumită perioadă de timp, în care mărimea de măsurat (Ux) rămâne constantă. La voltmetrele numerice de inaltă precizie, stabilitatea constituie un parametru de catalog, care se normează în două circumstanţe: pe termen scurt (24 ore) şi pe termen lung (90 zile).

Stabilitatea pe termen scurt corespunde abaterii maxime ce poate apărea în indicaţia voltmetrului numeric în condiţii de referinţă (temperaura 23 ºC +- 1 ºC, etc.) timp de 24 de ore, interval de timp în care nu sunt admise nici un fel de reglaje.

Stabilitatea pe termen lung stipulează abaterea maximă a indicaţiei voltmetrului numeric, ce poate apărea într-un interval mai mare de timp (tipic 90 zile), în condiţii normale de lucru, fără ca aparatul să fie reetalonat. În acest interval de timp sunt permise şi reglaje (de zero, de capăt, de scară, etc.), efectuate numai pe baza referinţelor interne ale aparatului, fără utilizarea unor aparate de măsură exterioare.

• Viteza de lucru

Viteza de lucru a aparatelor de măsură numerice se exprimă, de regulă, prin numărul de măsurări pe secundă. Acest număr se determină pe baza duratei totale a unei măsurări, ce însumează timpul de răspuns şi timpul de măsură.

Timpul de răspuns. În mod normal, timpul de răspuns sau timpul de stabilire a intrării, este mic în raport cu timpul de măsură. Însă când voltmetrul este prevăzut a lucra cu filtru pe intrare (pentru atenuarea zgomotelor) timpul de răspuns creşte mult şi poate chiar depaşi timpul de măsură; în acest caz trebuie aşteptate câteva cicluri complete de măsură pentru ca tensiunea de la intrarea convertorului A/N să atingă nivelul tensiunii de măsurat (Ux). Aceeaşi precauţie este necesară şi la schimbarea gamelor, sau la variaţii bruşte ale lui Ux . De observat că acest timp de aşteptare este cu atât mai lung cu cât voltmetrul este mai precis.

Caracteristici de ieşire

Tipul afişării

Aparatele de măsură numerice de tablou utilizează afişarea decadică simplă (de exemplu 999), iar cele de laborator afişarea decadică cu depăşire (de exemplu 1.999). La aceasta din urmă mai poate fi asociată o afişare analogică, ansamblul respectiv purtând numele de afişaj combinat. Principalele tehnici de afişare sunt Nixie, LED-uri şi cristale lichide.

Afişajul cu depaşire este afişajul cel mai utilizat la multimetre şi este format din 3…7 decade normale (afişarea cifrelor 0,1,…9) şi un element de depăşire care poate afişa numai polaritatea şi cifra 1. La voltmetrele de buzunar (precizie mică), se utilizează afişajele 1999 şi 19999, denumite prescurtat afişaje cu 3 ½ cifre şi respectiv 4 ½ cifre, iar la voltmetrele numerice de laborator (înaltă precizie) se utilizează afişaje cu 5 ½ …7 ½ cifre.

Avantajul esenţial al afişării cu depăşire constă În extinderea cu 100% a scării, ceea ce permite ameliorarea rezoluţiei (şi a preciziei de măsurare) la trecerea de pe o gamă pe alta.

Borne de ieşire cu semnal util

Ca şi în cazul voltmetrelor analogice, ieşirile de semnal permit extinderea gradului de utilizare a voltmetrelor numerice, precum şi o mai uşoară integrare în diverse sisteme de măsură. Tehnologic, bornele de ieşire cu semnal util sunt plasate, de regulă, pe panoul din spatele

aparatului, iar semnalul disponibil la aceste borne poate fi analogic sau numeric; există şi voltmetre numerice care dispun de ambele tipuri de semnale.

Borne de ieşire cu semnal analogic. La aceste borne sunt dsponibile, fie o tensiune (tipic 1 V), fie un curent (tipic 1 mA), proporţionale cu Ux, semnale ce pot servi la comanda unui înregistrator sau a altui aparat de măsură. Semnalul pentru ieşirea analogică este prelevat de la ieşirea amplificatorului de intrare. Există şi voltmetre numerice (din multimetre) la care ieşirea de semnal analogic este izolată (galvanic) de restul voltmetrului, izolare ce se obţine prin prelevarea semnalului de la ieşirea convertorului A/N, separare galvanică (de regulă, optică), si reconvertirea acestuia cu ajutorul unui convertor N/A; o soluţie tot mai întâlnită este utilizarea amplificatoarelor de izolare, ce preiau direct semnalul analogic de la intrarea convertorului A/N. O astfel de izolare permite atenuarea influenţei tensiunilor de mod comun, tensiuni care pot apărea între intrarea Ux şi echipamentul de la ieşirea analogică.

Borne de ieşire cu semnal numeric. Semnalul numeric furnizat la ieşire poate fi utilizat pentru comanda unei imprimante (tipărirea valorilor lui Ux) sau la integrarea aparatului într-un sistem de măsură automat. Acest tip de ieşire se întalneşte la aparatele cu microprocesor şi se aliniază de obicei la un standard de comunicaţie pentru instrumentaţie (de exemplu, RS-232, pentru transmisia serială, sau IEEE-488 pentru transmisia paralelă).

Studiul principalelor blocuri de execuţie

• Afişajul

Deşi utilizate pe scara largă in aparatura de laborator, afişajele cu LED-uri tind să fie înlocuite de cele cu cristale lichide, deoarece acestea din urma prezintă unele avantaje importante , mai ales în construcţia aparatelor de măsură portabile:

• consum mult mai scăzut (zeci de μW, faţă de zeci de mW);• tehnologie mai simplă şi mai ieftină;• unghi mare de vizibilitate în toate direcţiile.

Acestea le-au impus, în ultimul timp, atât în aparatele de buzunar (multimetre, calculatoare), cât şi în construcţia altor aparate de măsură portabile (cleşti ampermetrici, termometre, cronometre).

La baza acestei familii de afişaje stau o serie de substanţe organice (de exemplu clorhidratul de colesterol) cu proprietăti speciale, numite cristale lichide.

Cristalele lichide reprezintă o stare intermediară între starea lichidă şi cea solidă a materiei. Au mobilitate ridicată, asemănătoare lichidelor, precum şi un anumit grad de ordonare a moleculelor, datorită căruia se manifestă proprietăţile optice (anizotropie) specifice moleculelor cristaline. Ca textură, cristalele lichide pot fi: nematice, smetice şi colesterice. Toate aceste trei tipuri de cristale sunt alcătuite din molecule alungite, paralele între ele, deosebirea constând în gruparea şi mobilitatea relativă a moleculelor.

Forme constructive de bază. Spre deosebire de afişajele cu LED-uri, care sunt alcătuite din module individuale, la cele cu cristale lichide întregul afişaj se face pe o singură plachetă, ceea ce simplifică tehnologia, reduce gabaritul şi micşorează costul. Structura de bază a unei plachete afişoare cu cristale lichide este similară cu cea a unui condensator plan-paralel cu armături transparente, având ca dielectric cristalul respectiv.

Principiul de funcţionare. În stare normală, neexcitată, moleculele cristalului nematic sunt paralele între ele, iar cristalul este transparent. Această stare ordonată poate fi modificată cu ajutorul unui câmp sau curent electric, situaţie în care cristalul devine opac. Apare astfel posibilitatea de a comanda electric trecerea sau oprirea luminii, posibilitate ce stă la baza afisajelor cu cristale lichide.

După felul semnalului de comandă utilizat (curent, tensiune), există două tipuri de afişaje cu cristale lichide, cu structură similară:

• afişaje ce funcţionează pe principiul difuziei dinamice;• afişaje cu efect de câmp.

Afişaje cu cristale lichide cu difuzie dinamică. Utilizează un cristal nematic de puritate redusă, iar modificarea transparenţei se produce prin turbulenţa moleculelor provocată de curentul ce străbate perpendicular cristalul, curent ce este vehiculat prin ionii (impurităţi) prezenţi în structura cristalului respectiv. Acest tip de afişaj are viteză de răspuns acceptabilă (20…50 ms), însă necesită tensiune de lucru (c.c. sau c.a. de 50 Hz) relativ mare (10…15 V) şi de aceea nu se mai utilizează în domeniul aparatelor numerice portabile.

Afişaje utilizând cristale lichide cu efect de câmp. Acesta foloseşte un cristal de înaltă puritate (fără ioni), cu rezistivitate mare, iar efectul de modificare a transparenţei se obţine prin rotirea, ordonată, a moleculelor sub influenţa unui câmp aplicat, de unde şi denumirea de cristale lichide cu efect de câmp. Acest tip de afişaj prezintă avantajul că poate funcţiona la tensiuni mai scăzute: 2…5 V (c.c. sau impulsuri), însă are şi viteză de lucru mai scăzută (0,1…0,2 s). Cu toate acestea, în prezent, este singurul tip de afişaj cu cristale lichide adoptat de către constructorii de aparate de măsură cu afişare numerică.

După sursa de lumină folosită, ambele tipuri de afişaje pot fi cu sursă proprie de lumină (utilizează o lampă tip baghetă miniaturală, plasată în spatele plachetei) sau cu lumină ambiantă (folosesc numai lumina ambiantă, iar cifrele apar întunecate, pe fondul alb-cenuşiu, fiind mult mai economice).

Activarea LCD se face cu tensiune dreptunghiulară (cca. 50 Hz) furnizată din interiorul circuitului 7107 prin pinul 21 (firma INTERSIL atrage atenţia ca aplicarea unei tensiuni continue peste 50 mV, pe o durată de câteva minute , poate distruge cristalul lichid al afişajului, drept care se recurge la alimentarea în impulsuri).

5. Breviar de calcul

Calculul rezistentelor pentru ampermetru prin divizorul de current

Divizorul de curent este realizat pentru o tensiune specifică de 0,35 V astfel:• scara de 0,3 A → R1=0,35/0,3=1,16 Ω• scara de 3 A → R2=0,35/3=0,16 Ω• scara de 10 A → R3=0,35/10=0,035 Ω

6. Calculul economic

R1=680Kohms ceramica 0,4 RON R2=1Mohms ceramica 0,6 RON

R3=6.8Kohms ceramica 0,25 RON

R4=1Mohms ceramica 0,6 RON

R5= 680Kohms ceramica 0,4 RON

R6=6,8Kohms ceramic 0,25 RON

R7=680Kohms ceramic 0,4 RON

RV1=50Kohms trimmer 10 ture 1,8 RON

RV2=5Kohms trimmer 10 ture 1,8 RON

C1=10nF poliester 0,3 RON

C2=47uF 16V electrolitic 0,55 RON

C3=100nF poliester 0,35 RON

C4=220nF 1% poilester 0,35 RON

C5=10nF poliester 0,3 RON

C6=47uF 16V electrolitic 0,55 RON

C7=100nF poliester 0,35 RON

C8=220nF 1% poilester 0,35 RON

C9=47uF 16V electrolitic 0,55 RON

C10=220nF 1% poilester 0,35 RON

C11=100nF poliester 0,35 RON

C12=47uF 16V electrolitic 0,55 RON

IC1=CA3161E Intersil-Harris 3,5 RON

IC2=CA3162E Intersil-Harris 5 RON

IC3=CA3161E Intersil-Harris 3,5 RON

IC4=CA3162E Intersil-Harris 5 RON

Q1,2,3=BC557 ceramica 1,2 RON

Q4,5,6=BC557 ceramica 1,2 RON

LD1,2,3 = MAN 6960 10 RON

LD4,5,6= MAN 6960 10 RON

1N4001 (4 diode) 0.5 RON x 4 2 RON

1C5=LM7805 1,5 RON

Total 54.65 RON

7. Schema electrica a aparatului

Sursa de alimentare

Schema electrica multimetru

8. Nomenclatura de componente

R1=680Kohms ceramic

R2,4=1Mohms ceramica

R3=6.8Kohms ceramica

RV1=50Kohms trimmer 10 ture

RV2=5Kohms trimmer 10 ture

C1=10nF poliester

C2=47uF 16V electrolitic

C3=100nF poliester

C4=220nF 1% poilester

IC1=CA3162E Intersil-Harris

IC2=CA3161E Intersil-Harris

Q1,2,3=BC557 ceramica

LD1,2,3 = MAN 6960 anod comun

LM7805= regulator de tensiune 5V

1N4001= dioda redresoare

9. Realizarea cablajului

Realizarea cablajelor imprimate reprezintă de cele mai multe ori una din provocările dificile pentru electronistul amator. Metodele existente în prezent sunt laborioase, complicate, periculoase şi nu oferă rezultatele dorite. Fie că este vorba despre corodarea cu clorură ferică, fie de lampa cu ultraviolete, fie de folia Press-n-Peel, nici una din ele nu oferă garanţia executării unui cablaj de calitate şi o repetabilitate corespunzătoare a rezultatelor. De multe ori, realizarea unor montaje cu aspect profesional este limitată tehnic de capacităţile de producţie a plăcii imprimate.

În prezent, soluţiile disponibile electroniştilor pentru realizarea rapidă a unui cablaj constau în:

• marcarea traseelor prin diverse metode (marker de cablaje, folie Press-n-Peel) şi corodarea cu clorură ferică

• folosirea unei lămpi UV (metoda fotografică)• trimiterea circuitului la o firmă specializată în producţia de cablaje prin metode

chimice Principalele avantaje ale cablajelor imprimate sunt:- realizeaza o mare densitate de montare a componentelor, permitând reducereavolumului si greutatii (deci miniaturizarea) aparatelor electronice;- asigura pozitionarea precisa si fixa a componentelor si a interconexiunilor acestora în circuite permitând cresterea fiabilitatii în functionare si reducerea/compensarea cuplajelor parasite dintre component si/sau circuite;- asigura o rezistenta superioara a echipamentelor electronice (din care fac parte) la solicitari mecanice, termice si climatice, îmbunatatind totodata considerabil mentenabilitatea acestora;- simplifica si reduc durata operatiilor de montaj, facilitând automatizarea acestora, reducând posibilitatile de montare eronata si asigurând un înalt grad de reproductibilitate;- fac posibila unificarea si standardizarea constructiva a subansamblelor (blocurilor, modulelor) functionale din structura aparatelor/echipamentelor electronice, permitând interconectarea simpla, rapida, precisa si fiabila a acestora. Exista totusi si unele dezavantaje, minore, ale cablajelor imprimate:- orice modificari ulterioare ale circuitelor (si uneori, chiar ale componentelor) sunt relativ dificil de efectuat;- majoritatea tipurilor de cablaje imprimate sunt sensibile la soc termic- ceea ce impuneunele precautii la lipirea terminalelor componentelor.

Structura si clasificarea cablajelor imprimate

Un cablaj imprimat este un sistem de conductoare plate (imprimate) amplasate în unul, doua sau mai multe plane paralele si fixate (cu adeziv) pe suprafata unui suport electroizolant (dielectric) care asigura si sustinerea mecanica a componentelor.a). Suportul electroizolant al circuitelor imprimate este realizat din materiale având proprietati fizico – chimice, electrice, mecanice si termice adecvate.Exista mai multe categorii de asemenea materiale, dar cele mai frecvent utilizate în prezent

pentru cablaje rigide sunt : Pertinaxul (temperatura maxima de lucru 105°C) – pe baza de textura din hârtie impregnata cu rasini fenolice – ce constituie materialul standard pentru solicitari normale în cele mai diverse aplicatii.Steclotextolitul (temperatura maxima de lucru 150°C) – pe baza de textura din fibre de sticla impregnata cu rasini expodice – larg utilizat în aparatura electronica profesionala întrucât permite obtinerea unor performante superioare.

Principalele materiale electroizolante utilizate ca suport al circuitelor imprimate

În ultimul timp, pentru realizarea cablajelor profesionale sunt utilizate si suporturi ceramice având proprietati termice excelente dar si rezistenta mecanica redusa.Circuitele imprimate flexibile utilizeaza drept suport materiale termoplasate ca: ACLAR (max. 200°C), TEFLON (max. 274°C), KAPTON (max. 400°C).

b) Traseele conductoare se realizeaza din materiale având proprietati adecvate: rezistivitate electrica redusa, buna sudabilitate, rezistenta mare la coroziune. În general cel mai frecvent utilizat material este cuprul electrolitic de înalta puritate, formând o folie de grosimi normalizate uzuale: 35 mm sau 70 mm aplicata pe suprafata suportului electrolitic izolant (împreuna cu care formeaza semifabricantul “placat” din care, prin operatii tehnologice specifice se obtin cablajele imprimate având diferite structuri, configuratii, dimensiuni etc.).În unele aplicatii profesionale se pot utiliza si aurul, argintul sau nichelul. În scopul facilitarii lipirii terminalelor componentelor ca si pentru asigurarea unor contacte electrice fiabile folia de cupru se acopera uneori cu o pelicula de cositor, de aur sau de argint.

c) Adezivi utilizati pentru fixarea foliei de cupru pe suportul electroizolant de tip Pertinax – de regula, rasini speciale - trebuie sa reziste la temperatura de lipire si sa fie suficient de elastici (pentru a prelua - la lipire – diferentele de dilatare dintre suport si folie).

Materialele electroizolante de tip Steclotextolit nu necesita adezivi.Semifabricatele placate cu cupru se produc la diferite dimensiuni - mai frecvente fiind: 900 X 900 mm sau 900 X 1800 mm. Din acestea se debiteaza placile cu viitoarele cablaje imprimate ale caror dimensiuni nu trebuie sa depaseasca 240 X 360mm – pentru cablaje simplu/dublu strat si 200 X 240 mm – pentru cablajele multistrat, astfel încât procesul tehnologic de realizare a acestora sa nu devina prea dificil.

Circuit imprimat

Stratul de sub placă

Stratul de deasupra plăcii

10. Bibliografie

Silviu Ciorchină: Măsurari electrice şi electronice, Litografia U.P.B.Ilie Mălaiaş: Măsurarea componentelor electronice, Editura Tehnică

Bucureşti.Mihai Antoniu, Ştefan Poli, Eduard Antoniu „Măsurări Electronice”, ediţia a doua, editura SATYA Iaşi, 2000Angel Ciprian Cormoş, Radu Şerban Timnea, Dorin Laurenţiu Bureţea „Circuite Integrate Digitale”, editura Printech Bucureşti,

2006Internet: http://www.alldatasheet.com/ http://www.datasheetarchive.com/