Frecventmetru Numeric Varianta Finala 4k121w

UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” BUCUREŞTI FACULTATEA DE TRANSPORTURI Specializarea TELECOMENZI ŞI ELECTRONICĂ ÎN TRANSPORTURI

Proiect ME/STAD INTRUMENT NUMERIC DE MASURARE FRECVENȚMETRU NUMERIC

Indrumător: SL.dr.Fiz.Ing.Mihaela Nemţoi

Student: Cînjău Aura Ramona gr. 8314

București

2011/2012

CUPRINS 1. Introducere 1.1 Instrumente de măsură numerice clasice 1.2 Avantaje 1.3 Dezavantaje 1.4 Circuite logice fundamentale utilizate 1.5 Principalii parametri ai circuitelor logice 2. Tema proiectului 3. Schema bloc a instrumentului de masură 3.1 Principiul de functionare 3.2 Masurarea frecvenţelor 3.3 Limite de măsură 4. Schemele electrice parțiale și descrierea acestora 4.1 Decodorul, circuitele de intrare și poarta ȘI 4.2 Numărătorul și bistabilul de semnalizare a depașirii gamei de masură 4.3 Oscilatorul și numărătorul binar 4.4 Circuitul de memorare 4.5 Circuitul de afișare 5. Memoriu tehnic 5.1 Circuite trigger Schmitt 5.1 Circuite trigger Schmitt 5.1.1 Triggerul Schmitt ca formator de semnal logic TTL/CMOS 5.1.2 Schema de trigger Schmitt compatibil TTL/CMOS cu amplificator operaţional 5.1.3 Schema de trigger Schmitt cu inversoare CMOS 5.2 Numărătorul binar –zecimal 5.3 Registru de memorare 5.4 Decodoare 5.5 Dispozitive de afişare numerică 5.5.1Afisaje cu tuburi nixie si tuburi fluorescente 5.5.2 Afisaje cu diode electroluminiscente 5.6 Operatorul ŞI (AND) 5.7 Oscilatorul cu cuarţ 5.8 Erori 6. Calculul economic si nomenclatorul de componente 7. Schema electrică completa a aparatului de masura 8. Realizarea cablajului

- -

2

9. Alimentarea circuitului 10. Bibliografie

1. Introducere 1.1 Instrumente de măsură numerice clasice Deşi se constată că, în prezent, aparatele de măsură numerice clasice sunt în declin, fiind înlocuite rapid de către cele cu microprocesor, studiul lor prezintă o importanţă deosebită pentru cunoaşterea problematicii ridicate de instrumentaţia numerică modernă, deoarece o parte însemnată a blocurilor ce le compun şi a metodelor de măsură utilizate sunt comune, indiferent de implementarea fizică: clasică (cu logică cablată) sau cu microprocesor (cu logică programată).Pe de altă parte, o mare parte din instrumentaţia de laborator şi industrială aflată în exploatare este de tip clasic, ceea ce oferă un argument în plus acestui studiu. Cu toată diversitatea aparatelor de măsură numerice clasice existente în prezent, acestea pot fi împărţite în două categorii: aparate de tip conometru şi aparate de tip voltmetru. Circuitele integrate ale unui aparat de masura numeric(AMN) lucrează cu semnale analogice, dar toate celelalte blocuri lucrează cu semnale numerice . Semnalele analogice pot fi măsurate direct cu aparate relativ simple, însă sunt sensibile la imperfecţiunile căilor de transmisie şi de prelucrare(pierd din precizie după fiecare operaţie deoarece informaţia este grefată pe amplitudine). Semnalele numerice sunt sub formă de impulsuri şi au informaţia grefată pe durată şi pe poziţia impulsurilor în timp(SN oferă o mai mare flexibilitate în utilizare(operaţiile de calcul, numărarea, multiplexarea, transmisia se fac mult mai comod decât în analogic, iar în cursul acestor prelucrări precizia mărimii primare se conservă). CN(circuitele numerice) lucrează pe principiul totul sau nimic(structuri foarte simple în circuitele de bază). Cu CN de bază(porţi, codificatoare/decodificatoare, multiplexoare, bistabile, numărătoare, registre, operatori logico-aritmetici, automate programabile, circuite de conversie a datelor) se pot construi o mare varietate de instrumente de masura. CN permit implementarea de funcţii din ce în ce mai complexe pe acelaşi cip(micşorarea gabaritului AM şi reducerea preţului de cost.Viteza de lucru a unui procesor modern este de aproximativ 1000MHz(frecvenţă de ceas). - -

3

1.2 Avantaje: -

IMN pot atinge viteze mult mai mari decât cele analogice deoarece au răspunsul independent de amplitudinea semnalului ce poartă mărimea de măsurat(x).

-

IMN sunt mai robuste(rezistente la şocuri şi vibraţii).

-

IMN pot funcţiona în orice poziţie.

-

IMN sunt uşor integrabile în sistemele de măsurare-reglare conduse de calculator.

1.3Dezavantaje: -IMN nu permit sesizarea rapidă a tendinţei de evoluţie a mărimii de măsurat(x) şi nici realizarea de scări neliniare.

1.4 Circuite logice fundamentale utilizate în IMN -IMN au elemente şi blocuri comune(FI,N,P,BC). La baza acestora stau circuite simple numite circuite logice (circuite numerice). -Denumirea unui sistem de numeraţie se face după baza(B) utilizată. -Sistemul de numeraţie cu B=2 se numeşte sistem binar şi este generalizat în toate sistemele numerice de calcul. -Pe întreg lanţul de măsură al IMN precum şi pentru comunicaţiile cu echipamente periferice sau calculatoare se utilizează sistemul binar şi numai la ieşire rezultatul trebuie afişat în sistem zecimal. -Realizarea fizică a elementelor ce utilizează sistemul binar are soluţii practice foarte simple. -Algebra booleană atribuie cifrelor 0 şi 1 semnificaţia de fals respectiv adevărat şi în 1938 Shannon o aplică la studiul circuitelor de comutaţie.

1.5 Principalii parametri ai circuitelor logice sunt: -Tensiunea de alimentare(Ucc(TTL)=5V; Udd(CMOS)=3..15V). - -

4

-Tensiunile de intrare şi ieşire pentru nivelele 0 şi 1 logic. -Impedanţa de intrare(Zi) şi de ieşire(Zo). -Timpii de propagare(timpi de întârziere). Caracterizează răspunsul circuitului la aplicarea unui semnal treaptă de intrare. -Puterea disipată=puterea medie consumată în stările 0 şi 1 logic ale unei singure unităţi logice din capsula respectivă. -Imunitatea la zgomote=capabilitatea circuitelor numerice de a nu suferi basculări false sub acţiunea tensiunilor perturbatoare prezente la intrare. -FAN-IN=încărcarea produsă de intrările circuitului exprimată în unităţi convenţionale. -FAN-OUT=numărul de intrări pe care le poate comanda ieşirea circuitului.

2. Tema proiectului Să se proiecteze un frecvenţmetru numeric care să funcționeze până la 10MHz cu o precizie de ± 1Hz.

3.Schema bloc

3.1 Principiul de funcționare și măsurarea frecvențelor Schema de principiu a unui frecvențmetru numeric conține la bază patru module:

- -

5

-un circuit de intrare(uzual, un formator de impulsuri cu Trigger Schmitt); -un circuit de poartă(o poarta SI) -un bloc de numărare zecimală si afișare; -o bază de timp împreuna cu circuitele de control asociate.

Circuitul de intrare se bazează, de regulă pe un trigger Schmitt(TS), care are rolul de a aduce semnalul analogic U(fx) într-o formă copatibilă cu circuitele folosite în partea numerică a echipamentului (uzual TTL/CMOS). Formatorul TS este precedat de o serie de circuite de condiționare fară calitați metrologice: atenuator/amplificator(ce are rolul numai de a aduce semnalul la nivelul cerut de TS), limitator de tensiune(cu rolul de circuit de protecție), adaptor de impedanțe și circuit de modificare a nivelului (pentru găsirea intervalului optim de declanșare); din motive de claritate aceste circuite au fost omise din schemă. Semnalul format este aplicat porții principale P, care pe a doua intrare (Validare) prime ște un impuls de durată precisă controlată (Tm), definind astfel intervalul de masură; cât timp nivelul de pe intrarea Validare este sus , impulsurile provenite din U(f) trec prin poartă către blocul de numarare și afisare. De regulă , poarta prevazută cu Trigger Schmitt pe intrarea Validare, rolul triggerului fiind de a imbunătății frontul de comandă al impulsului Tm în scopul micșorării erorilor de basculare. Baza de timp (BT) are rolul de a crea intervalul de măsură (Tm), plecând de la un oscilator foarte stabil, urmat de un divizor de frecvență . De regulă se asociază bazei de timp și circuitele secvențatorului care generează

semnalele de control necesare coordonării

operațiilor dintr-un ciclu de măsură. Blocul de numarăre și afișare al frecvențmetrului conține patru componente principale: numaratoul decadic(N), decodorul(D) si afisajul numeric(AN); Registrul plasat între numarător și decodor are rolul de a stabiliza indicația aparatului pentru a putea fi citită de către opearator. Pe durata măsurării (Tm), prescrisă de catre baza de timp legatura cu blocul de afișare este întreruptă, în registrul M păstrându-se valoarea măsurată anterior. Astfel se realizează o afișare stabilă fară „clipiri” suparătoare. După terminarea măsurării, baza de timp comandă inchiderea portii P, transferarea numarului memorat în M către blocul de afișare precum și aducerea în 0 a numărătorului, pregătind astfel aparatul pentru o nouă secvența de măsurare. Etalonul de frecvență este un oscilator cu cuarț, termostatat cu frcvența f0 între 1...10MHz, și care are o precizie cel puțin egală cu 0.0000001...0.0000000001. Cu ajutorul

- -

6

acesteia prin intermediul unui divizor de frecvența decadic(DF), se prescrie (manual) timpul de măsură (T=0.1, 1 si 10 sec). Bistabilul T plasat după K, are rolul de a transforma perioada semnalului cules la divizorul de frecvență al bazei de timp, într-un impuls de durată egala cu a perioadei respective (Tm). De cele mai multe ori, oscilatorul furnizează semnal de tact și pentru celelalte module(secvențiator,circuite de afișare,etc), în funcție de necesități. Obs: Precizia de bază a etalonului de frecventă, înscrisă în prospectul frevențmetrului este valabilă numai pentru cazurile în care măsurarea se face în condiții de referință. În aceste cazuri, la eroarea intiala se mai adaugă o eroare suplimentară în care indicele I se referă la eroarea de îmbatrinire, iar indicii T și Ua se referă la eorile cauzate de abaterile temperaturii și respectiv a tensiunii de alimentare față de valorile de referință; modul de calcul al acestor erori este precizat in prospectul aparatului. Ecuația de funcționare . În intervalul de timp spre numărător N impulsuri de perioadă =N*

N=

, cât timp poarta P este deschisă, trec

,adică :

*

Ultima reprezentând ecuația de funcționare a frecvențmetrului numeric. Dacă se selectează =1s, rezultă N=

,adică numărul afișat reprezintă frecvența în Hz.

Generalităţi Frecvențmetrul numeric este un aparat de masură de tip cronometru care are la bază numararea unor impulsuri necunoscute într-un interval de timp cunoscut, caracteristica ce il deosebește de periodmetre, fazmetre; acestea din urmă bazându-se pe numărarea unor impulsuri de frecvența într-un interval de timp necunoscut. Frecvențmetrul numeric poate fi de tip singular și se utilizează ca aparat de tablou, sau poate fi inclus într-un aparat cu funcționalități multiple: numărător universal, generator de semnal, osciloscop numeric. De asemenea, frecvențmetrul numeric poate fi utilizat și pentru măsurarea tensiunilor sau curenților, prin asocierea sa cu un convertor tensiune –frecventă. Un semnal se numeşte periodic dacă se reproduce identic la intervale de timp egale. Cel mai mic dintre aceste intervale este perioada T iar numărul de perioade ce au loc într-o secundă reprezintă frecvenţa f=1/T. Unitatea de măsură a frecvenţei este hertzul(Hz), definit ca frecvenţa unui fenomen periodic care are un ciclu/secundă. Dimensional [f]=[T-1].

Există două metode de măsurare a frecvenţelor: •

Metodele analogice (sunt metode ce se bazează pe compararea cu mărimi cunoscute cum ar fi frecvenţa, impedanţa, etc.)

- -

7

•

Metode numerice (sunt metode ce se bazează pe numărarea ciclilor într-un interval de timp dat).

Având în vedere precizia ridicată care se obţine prin metodele numerice adică de 10-12 faţă de 10-2, gama larga de valori măsurabile cu acelaşi aparat, comoditatea citirii precum şi diferitele posibilităţi de prelucrare a rezultatului măsurării oferite de tehnica digitală încorporată, aceste metode sunt folosite astăzi aproape în exclusivitate.

3.2 Metode de măsură Metodele de măsură se pot clasifica astfel : 1. metodele directe, sunt cele în care se foloseşte proprietatea fizică a unui element de circuit (condensator sau bobină), de-aşi modifica reactanţa, când se modifică frecvenţa. Aceste proprietăţi constituie principiu fizic care stă la baza funcţionării frecvenţmetrelor analogice. 2. metodele de rezonanţă, se bazează pe proprietăţile selective ale circuitelor LC formate dintr-o bobină şi un condensator. Aceste metode sunt şi ele folosite pentru realizarea de frecvenţmetre analogice. 3. metodele numerice, sunt folosite pentru realizarea de frecvenţmetre numerice. 4. metodele de comparaţie, sunt cele în care valoarea frecvenţei necunoscute se determină, prin compararea acesteia cu o frecvenţă cunoscută. 5. metodele de zero, sunt acele metode care folosesc pentru măsurarea frecvenţelor, punţile de curent alternativ.

Metoda directă Această metodă permite ca rezultatul măsurătorii, să fie citit direct pe aparatul de măsură. Metoda directă, stă la baza realizării frecvenţmetrelor analogice. Frecvenţmetrele cu citire directă sunt aparate indicatoare cu scara gradată în herţi şi care nu necesită reglaje sau operaţii suplimentare în timpul masurării. Principiul de funcţionare al acestor frecvenţmetre, se bazează pe modificarea reactanţei unui condensator, atunci când se modifică frecvenţa tensiunii care se aplică circuitului. Frecvenţmetre cu condensator serie, au:

- -

8

-

domeniul de măsură între 10 Hz...100 KHz

-

precizia de până la 2% Frecvenţmetre cu condensator paralel, au:

-

domeniul de măsură între 10 KHz...500 KHz

Metoda de rezonanţă Metoda de rezonanţă permite măsurarea frevcvenţei, utilizându-se proprietăţile selective ale circuitelor LC, serie sau pararel. Aceste circuite au proprietatea, ca pentru o frecvenţă care depinde de valorile pe care le au capacitatea C şi inductanţa L, să aibă un maxim al curentului în cazul circuitului LC serie, sau un maxim al tensiunii în cazul circuitului LC paralel. Această metodă este utilizată la construirea frecvenţmetrelor analogice de rezonanţă. Un frecvenţmetru de rezonanţă are un circuit oscilant LC serie sau paralel, în care inductanţa este fixă, iar condensatorul este variabil. Un astfel de circuit are frecvenţa de rezonanţă:

Domeniul de utilizare ale acestor frecvenţmetre este cuprins între 100 kHz şi 10 GHz. Precizia de măsurare este de ordinul 0,1…1 %.

Metoda numerică Măsurarea numerică a frecvenţei, este o metodă care constă în, numărarea a N perioade ale semnalului periodic a cărui frecvenţă dorim să-l cunoaştem, într-un interval de timp t cunoscut. Cunoscând relaţia care este între timp şi frecvenţă f = 1/T, se determină frecvenţa din relaţia:

f =N/T

Dacă t = 1 s, frecvenţa este numeric egală cu numărul de perioade N. Această metodă permite ca rezultatul măsurătorii, să fie citit direct pe aparatul de măsură. Metoda stă la baza realizării frecvenţmetrelor numerice. Frecvenţmetrele numerice prezintă unele avantaje faţă de cele analogice: 

precizie mai mare

- -

9



domeniu de măsură mai mare



permit măsurarea perioadei unui semnal, a duratei de timp a unui impuls

măsurarea numărului de impulsuri şi raportul a două frecvenţe. Metoda de comparaţie Măsurarea frecvenţei prin metoda de comparaţie, constă în compararea frecvenţei de măsurat cu o frecvenţă cunoscută. Una ditre metodele cele mai utilizate este cea în care se foloseşte osciloscopul, motiv pentru care se numeşte metoda osciloscopică sau metoda figurilor Lissajous. Principiul metodei este: 1. se deconectează baza de timp proprie a osciloscopului 2. se aplică tensiunea de frecvență cunoscută fe, obţinută de la un generator etalon, la plăcile de deflexie pe verticală 3. se aplică semnalul de frecvenţă necunoscută fx, la intrarea X a osciloscopului 4. dacă valorile celor două frecvenţe se află într-un raport exprimat printr-un număr raţional, figura formată pe ecranul tubului catodic este o curbă închisă - figura Lissajous, a cărei formă depinde de raportul frecvenţelor.

Frecvenţa necunoscută fx, se obţine utilizând relaţia:

unde: ny este numărul de puncte de intersecţie a figurii cu o dreaptă verticală nx este numărul de puncte de intersecţie a figurii cu o dreaptă orizontală În figura de mai jos se prezinta schema electrică de principiu, în partea stângă şi o figură Lissajous în partea dreaptă.

- -

10

Când raportul celor două frecvenţe aplicate osciloscopului: fx şi fe un număr raţional, pe ecranul osciloscopului se obţine o figură stabilă, ca cea din figură. Practic, se caută să se obţină o figură Lissajous stabilă prin modificarea frecvenţei etalon fe. După acesta, se numără punctele de intersecţie ale figurii cu o dreptă orizontală şi se notează cu nx şi apoi se numără punctele de intersecţie ale figurii cu o dreptă verticală şi se notează cu nz. Raportul numerelor de puncte de intersecţie ale figurii cu cele două drepte, este egal cu raportul frecvenţelor tensiunilor aplicate pe plăcile de deflexie. Metoda se aplică atunci când raportul dintre nx şi ny este mai mic ca 10 Frecvenţmetru numeric singular se utilizează, de regulă, ca aparat de tablou şi mai rar ca aparat de laborator, deoarece, în acest ultim caz, este mai economică includerea lui într-un aparat cu funcţionalităţi multiple: frecvenţmetru/ periodmetru, numărător/temporizator universal (foarte răspândit până la apariţia unor instrumente similare, dar bazate pe microprocesor), generator de semnal, osciloscop numeric,etc. Frecvenţmetrul numeric poate fi utilizat şi pentru măsurarea tensiunilor sau curenţilor, prin asocierea sa cu un convertor tensiune-frecvenţă. Schema de principiu a unui frecvenţmetru numeric conţine patru module de bază: •

Un circuit de intrare (uzual, un formator de impulsuri cu trigger Schmitt);

•

Un circuit poartă (de regulă, o poartă ŞI);

•

Un bloc de numărare zecimală şi afişare;

•

O bază de timp împreună cu circuitele de control asociate

3.3 Limite de măsură Limita inferioară (fxmin) este de ordinul zecilor de Hz şi este impusă de către eroare de numărător(ɛN) aşa cum s-a arătat mai inainte. Limita superioară (fxmax) este de ordinul zecilor de MHz şi este hotărâtă în principal, de viteza de lucru a triggerului formator(TS), care nu depăşeşte 30...50 MHz.Pentru creşterea limitei fxmax, se poate alege una din soluţiile următoare: •

Utilizarea unui divizor de frecvenţă(tipic 1/10) pe intrare, situaţie în care fxmax poate atinge 100...500 MHz.

•

Utilizarea unui bloc de heterodinare, caz în care fxmax poate atinge ordinul zecilor de GHz. - -

11

Masurarea frecvenței prin metoda numerică Pentru a măsura frecvența unui semnal cu circuite digitale este necesar a se construi un semnal dreptunghiular a cărui frecvență să coincidă cu cea a semnalului ce se măsoară. Acest lucru se realizează cu un amplificator limitator cu amplificare mare. La ieșirea amplificatorului se obține: u(t) , tЄR,u(t) periodic , u(t+kT)=u(t) , kЄZ ; ν= u1(t)=a*u(t) Є (

,

)

Dacă „a” este mare, semnalul u1(t) poate fi privit ca un semnal logic :

De obicei se utilizează amplificatoare diferențiale. În caz general:

Măsurarea frecvenței semnalului u(t) se face prin măsurarea tranzițiilor din 0 în 1 sau din 1 în 0 ale semnalului numeric u1(t), timp de o secunda. Pentru un semnal u(t) perturbat, semnalul u1(t) va prezenta niște tranziții suplimentare alternând rezultatul numărării. Fenomenul se poate elimina dacă comparația semnalului u(t) nu se face cu o singură tensiune U0 ci cu două, în funcție de valoarea lui u(t) la momentul anterior.

u1(t)= Dacă u(t)

iși păstrează valoarea logică.

Pentru:

=>u1(t)=1 logic Când u(t) atinge valoarea U2 u1(t)=0 logic și chiar dacă u(t) scade astfel încat U1
- -

12

u1(t)=

+

=

+

=

Dacă: u1(t)= “0”

u1(t)= Cum

rezultă că și

De regulă este egal cu 0, deoarece rezistența comparare sunt:

se leagă la masă ,iar tensiunile de

Cu cat reacția este mai mare, datorită rezistenței foarte mică, cu atât diferența celor două tensiuni este mai mare ceea ce rezultă că histerezisul este mai mare iar imunitatea la zgomot crește.

4. Schemele electrice partțiale și descrierea acestora 4.1 Decodorul, circuitele de intrare si poarta Şi Cuvântul de 3 biţi CBA este decodat de U16(7442= decoder BCD-zecimal). Primele 5 ieşiri ale sale se activeazâ succesiv( trec in 0 logic). O primă ieşire dă semnalul de reset R. Urmează activarea ieşirii ce deschide poarta ŞI-NU. Această ieşire este baza de timp BT. Urmează activarea semnalului de scriere în memorii, LD, după care ciclul se repeată. Condensatorul C4 (100nF) multistrat, separă eventuala componenta continuă a semnalului cu frecvența necunoscută. Rezistența R7 limitează curentul la tensiuni mari de intrare. Dioda D1(1N4148dioda rapidă de semnal mic) limitează la -0,7V tensiunea VBE pe alternanţele negative ale semnalului de intrare. Se protejează astfel joncţiunea BE a tranzitorului Q1 împotriva polarizarii inverse. Alternanţele pozitive sunt limitate la +0,7V prin joncţiunea BE a tranzistorului care va fi protejat în direct. Alternanțele pozitive ale semnalului din intrare se regăsesc defazate cu 180º în colectorul tranzistorului ce lucrează în clasa C. Poarta Şi-Nu Trigger Schmitt posedă un histerezis, cele 2 tensiuni de prag U1 și U2 aflandu-se în intervalul 0,8-2V. Semnalul de ieșire este dreptunghiular și are frecvenţa egală cu cea a semnalului de la intrarea în frecvenţmetru cat timp restul intrarilor porţii Şi-Nu sunt în 1 logic. Rezultă deci la iesire semnalul de ceas CLK pentru numaratorul zecimal.

- -

13

Decodorul, circuitele de intrare și poarta ȘI

4.2 Numaratorul zecimal şi bistabilul de semnalizare a depaşirii gamei de masură Numărătorul zecimal este realizat cu numărătoare zecimale asincrone(7490). În acest numărător, bistabilul A este separat de celelalte și de aceea este necesară conexiunea ieșirii sale Q A cu intrarea B a bistabilului urmator. Cei trei bistabili urmatori (B,C,D) numară de la 0 la 5, posedând o reacţie internă pentru evitarea numărării pană la capacitatea maximă. Bistabilii A,B,C,D numară pană la 10, cu ceasul pe intrarea A și ieşirile QA,QB,QC,QD (QD =MSB). Incrementarea se produce pe tranziția negativă a ceasului și ca atare aceste circuite se pot conecta în cascadă, ieşirea unuia constituind intrare de ceas pt urmatorul. Iesirea QD are o tranziţie negativă când numarătorul trece din 9 in 0. Cele 4 numărătoare zecimale numară pană la 9999. Ieşirea QD a ultimului numărator constituie ceas pentru un bistabil de tip D din circuitul 7474.

- -

14

La depaşirea capacitaţii maxime de numarare, ieşirea Q D a ultimului numărator are o tranziție negativă. În bistabilul de tip D se înscrie valoarea logică de la intrarea de date D(1 logic) și LED-ul roşu se aprinde. Ieşirea QD poate avea mai multe tranziţii, intrarea D fiind legata la 1 logic, LED-ul ramane aprins. Pe ieşirile B0-B15 este disponibil rezultatul ,cele 4 cifre zecimale fiind codificate BCD. După ce acestea vor fi memorate, se va activa semnalul de reset R pentru a se șterge conţinutul numărătoarelor și a bistabilului de memorare a depaşirii(se inscrie 0 peste tot). În acel moment LED-ul roşu se va stinge.

Numaratorul zecimal şi bistabilul de semnalizare a depaşirii gamei de masură

4.3 Oscilatorul si numărătorul binar Un cristal de cuarţ împreuna cu două inversoare CMOS(U19-A şi U-19B), 2 rezistenţe de reacţie (R5 si R6) si 2 condensatoare ceramice(C2 si C3) alcatuiesc un oscillator pe frecvenţa cristalului. S-a folosit un cristal de cuarţ de ceas ce are frecvenţa de oscilatie de 215=32768Hz. - -

15

Condensatorul C2 de 2,2pF asigură un cuplaj slab al cuarţului pentru ca frecvenţa de oscilaţie să coincidă cu cea proprie a cristalului(oscilaţii “libere”). Semnalul dreptunghiular se aplică la intrarea de ceas CK a numărătorului binar asincron de 14 biţi 4020(U20). La ieşirea Q14 a acestuia există un semnal dreptunghiular cu o frecvenţa de 214 ori mai mică, adică de 2Hz. Operatorul U18-A din circuitul 4050 reproduce acest semnal identic din punct de vedere logic. El realizează adaptarea dintre circuitul U20 realizat în tehnologie CMOS și circuitul U3(7490) realizat în tehnologie TTL. Un circuit CMOS poate fi alimentat între 3 și 15V iar un circuit TTL numai la 5V +-5%. O ieşire de circuit CMOS alimentat în 5V nu este capabilă să absoarbă 1,6mA daţi de intrarea unui TTL ţinuta în 0 logic. De aceea, au fost construite circuite integrate în tehnologie CMOS special pentru interfaţare cu tehnologia TTL. Unul dintre acestea este şi circuitul 4050 ce conţine operatoare buffer. Ele nu modifică valoarea logică a semnalului, însa alimentate în 5V, sunt capabile sa comande o intrare TTL, primind un semnal de la circuitele CMOS alimentate între 5 și 15V. În această schemă, toate circuitele sunt alimentate cu 5V. Semnalul dreptunghiular cu frecvenţa de 2Hz este divizat cu 2 prin divizorul din circuitul integrat 7490(intrare A, ieşire QA ). Acest circuit conţine și un numărător până la 5(intrare B, ieşire QD,QC,QB,QD fiind MSB). La intrarea B este aplicată ieşirea QA ce furnizează un semnal cu frecvenţa 1 HZ. Acesta este semnalul de tact. La ieşirile QD,QC,QD, ale numărătorului se obține un cuvant de 3 biți CBA care ia succesiv timp de o secundă valorile 000,001,010,011,100,000,001.

Oscilatorul si numărătorul binar

- -

16

4.4 Circuitul de memorare Pt memorare se pot folosi orice circuite integrare care posedă regiștri de memorie cu posibilitatea de înscriere şi citire a datelor în mod paralel. Astfel convin oricare din circuitele TTL: -

7475 pentru bistabile de tip D 7495 registru de deplasare serie/paralel și paralel/paralel 74193;74192: numărător sincron reversibil presetabil binar/zecimal

În schemă s-au folosit 3 circuite 7475 care conţin cate 4 bistabile de tip D, asigurându-se astfel memorarea a 12 biţi. Al patrulea circuit este 74193 folosit ca registru paralel/paralel de 4 biţi. Încarcarea se face pe perioada cât LD este în 0 logic. Când LD este dezactivat(1 logic) în celulele de memorie se gasesc valorile de pe intrarile B0 ..B15 din ultimul moment în care LD mai era activă. Un LED semnalizează valoarea logică a acestui semnal, se aprinde cât timp acesta este activ(0 logic). +5 U 14A

B8 U 12A

2 3

R 1 330

1

2

7404

D 1 D 2

13

E N

D 4

2 3

D 1 D 2

13

1

B3 B2

U 15 6 1 9 8 2 3 4 5

M S C C A B C D

O D E E R LK 1 LK 2 Q A Q B Q C Q D

Q 1 Q 2

U 17A B8

B9

+5

7404

16 15

Q 1 Q 2

E N

Q9

1 14

Q 1 Q 2

7475 U 18A 1 1 1 1

B10

3 2 1 0

2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

U 13A

B1 B0

Q8

1 14

7475

LE D

LD

16 15

Q 1 Q 2

7495A

16 15

Q10

1 14

7475 B8

U 24A

Q4

2

2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

16 15

U 19A

B11

2 3

1 14

13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

7475

16 15

Q11

1 14

7475 U 25A 2 3

B4

13

B5

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

16 15

Q5 U 20A

B12

1 14

2 3 13

7475

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

16 15

Q12

1 14

7475 U 26A

B6

2 3 13

D 1 D 2 E N

Q 1 Q 2 Q 1 Q 2

16 15

B8

Q6

U 21A

B13

1 14

2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

7475

16 15

Q13

1 14

7475 U 22A U 27A

B7

2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

16 15

Q7

B14

2 3 13

1 14

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

Q14

16 15 1 14

7475

7475

U 23A

B15

2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

E N

Q 1 Q 2

16 15

Q15

1 14

7475

Circuit de memorare

- -

17

4.5 Circuite de afişaj Cifrele codificate BCD sunt transcodate în cod specific de 7 segmente de circuitele specializate 7447. Ieşirile circuitului 7447 sunt cu colector în gol. Când apare 0 logic într-o astfel de ieşire(tranzistorul intern este saturat) LED-ul al carui catod este legat la aceasta ieşire se aprinde. Prin trecerea judicioasa a ieşirilor în 0(tabelul de mai jos) LED-urile aprinse construiesc cifrele de la 0 la 9. In acest mod se afişeză permanent prin 4 cifre arabe ceea ce se află în circuitele de memorare. Toţi anozii diodelor dintr-un afişor sunt legaţi împreuna la terminalul “anod comun”. Acesta este legat la alimentare prin trei diode cu Si de 1A care limitează curentul prin LED-uri la o valoare sub 20mA.

Cifra B0 B1

B2

B3

a

b

c

d e

f

g

0

0

0

0

0

0

0

0

0 0

0

1

1

0

0

0

1

1

0

0

1 1

1

1

2

0

0

1

0

0

0

1

0 0

1

0

3

0

0

1

1

0

0

0

0 1

1

0

4

0

1

0

0

1

0

0

1 1

0

0

5

0

1

0

1

0

1

0

0 1

0

0

6

0

1

1

0

1

1

0

0 0

0

0

7

0

1

1

1

0

0

0

1 1

1

1

8

1

0

0

0

0

0

0

0 0

0

0

9

1

0

0

1

0

0

0

0 1

0

0

Dacă exista zerouri nesemnificative acestea se blancheaza(nu se afişeaza). Acest lucru se face prin conectarea în lanţ a ieşirii RBO de la circuitul driver 7447 al unei cifre la intrarea RB1 a circuitului driver al cifrei mai puțin semnificative vecine. Intrarea RB1 a circuitului cifrei celei mai semnificative se leagă la masă, iar cea a circuitului cifrei celei mai puțin semnificative se leaga la 15V. Daca RB1=0 și A=B=C=D=0 atunci și numai atunci afişorul se blancheaza. Orice valoare ar avea RB1 la un circuit driver, dacă există cel putin un 1 logic pe intrarile A,B,C sau D, atunci acel circuit pune RBO pe 1 logic.

- -

18

Circuite de afişaj

5. Memoriu tehnic 5.1 Circuite trigger Schmitt Trigger Schmitt este un bistabil particular care basculează numai când semnalul de intrare depășește anumite praguri, particularitate ce permite evitarea basculării false datorate zgomotelor. Se utilizează la convertirea semnalelor periodice în semnale dreptunghiulare sau în impulsuri logice. De asemenea, se utilizează și la refacerea semnalelor dreptunghiulare lente sau distorsionate. Caracteristica principală a unui Trigger Schmitt este prezentă fenomenului de histerezis --bascularile au loc la valori diferite ale tensiunii de la intrare ( sensul în care această tensiune variază.

- -

și

) în funcție de

19

Triggerul Schmitt este întâlnit la intrarea frecvenţmetrelor numerice precum şi la intrarea multor blocuri ce lucrează cu semnale logice; se utilizează atât ca circuit independent, cât şi ca circuit de intrare pentru o serie de porţi logice, sau la intrarea de tact a unor numărătoare integrate, etc. Un Trigger Schmitt cu tranzistoare, cu rol de formator de impulsuri dreptunghiulare a fost deja întâlnit la o schemă de bază de timp pentru osciloscoape. În cele ce urmează vom prezenta două tipuri de trigger Schmitt: formator de tensiune dreptunghiulară alternativă, şi formator de impulsuri (semnale) logice.

5.1.1 Triggerul Schmitt ca formator de semnal logic TTL/CMOS În acest caz, ieşirea triggerului Schmitt trebuie să producă semnale compatibile TTL/CMOS, ceea ce impune ca ambele praguri să fie pozitive; astfel, nivelul în starea JOS trebuie să fie 0V, iar cel în starea SUS trebuie să fie apropiat de tensiunea de alimentare. O asemenea particularitate este oferită în mod natural de porţile logice, însă problema poate fi rezolvată şi cu amplificatoare operaţionale.

5.1.2 Schema de trigger Schmitt compatibil TTL/CMOS cu amplificator operaţional Pentru a face ca tensiunea de ieşire(Uo) în starea JOS să fie zero(UoL=0V), este necesar ca amplificatorul să fie alimentat simetric (Ucc şi 0); în plus, acesta trebuie să fie cu ieşire pe TEC-MOS, pentru ca starea JOS a ieşirii să fie la 0V( etajele de ieşire cu tranzistoare bipolare permit obţinerea unui nivel de 1…2V în starea JOS). În sfârşit, pentru a face ca ambele praguri să fie pozitive, este necesar ca pe intrarea neinversoare să fie aplicată o tensiune de referinţă(Ur). O schemă de trigger Schmitt cu alimentare asimetrică folosind montajul inversor este prezentată în figura 1, unde Ur este tensiunea de referinţă menţionată. R2 1k

Ur

AO

R1 1k Ud

+

Uo

-

Ui

- -

20

Fig. 1 Trigger Schmitt compatibil TTL/CMOS cu AO în montaj inversor

Din schemă rezultă relaţiile: Up1=Ur+(UoH-Ur)*K Up2=Ur+(UoL-Ur)*K=Ur*(1-K); UoL=0 Uh=Up1-Up2=(UoH-UoL)*K=K*UoH K=R1/(R1+R2) Ur=Up2/(1-K)

5.1.3 Schema de trigger Schmitt cu inversoare CMOS Triggerul Schmitt realizat cu inversoare CMOS este una din cele mai simple soluţii realizabile cu porţi logice. Schema de principiu a unui astfel de trigger Schmitt este ilustrată în fig. 2, unde R1 şi R2 formează reţeaua de reacţie pozitivă, existentă şi la triggerele prezentate anterior. În absenţa tensiunii de intrare (Ui), ieşirea inversorului I1 se află în 1 logic, şi ca urmare, ieşirea lui I2 (deci şi a triggerului) se află în 0 logic(Uo=0v). După aplicarea lui (Ui) tensiunea de intrare a inversorului I1(Ui’) evoluează după ecuaţia: Ui’=Ui-(Ui-UoL)*K; K=R1/(R1+R2) care arată că la creşterea lui Ui creşte şi Ui’; la atingerea pragului de basculare(Ud) a inversorului I1, ieşirea triggerului urcă în 1 logic(Uo=UoH). Valoarea tensiunii Ui la care are loc bascularea circuitului, constituie pragul superior, calculabil cu relaţia: Up1=UDD/2*(1-K) Unde s-a ţinut cont că UoL=0V, Ud=UDD/2. Orice evoluţie a intrării Ui, care face ca Ui’ să se menţină deasupra tensiunii Ud, determină ieşirea să rămână tot în 1 logic(Uo=UoH=UDD), timp în care Ui’ satisface relaţia: Ui’=Ui-(Ui-UoH)*K - -

21

În momentul în care tensiunea Ui’ redevine egală cu Ud, triggerul basculează din nou, revenind în starea iniţială(Uo=0V). Valoarea lui Ui la care se produce această rebasculare constituie pragul inferior, ce se calculează cu relaţia: Up2=UDD*(1-2*K)/2*(1-K) ţinând cont că: UoH=UDD şi Ud=UDD/2 În sfârşit, din scăderea celor două praguri, rezultă tensiunea de histerezis: Uh=K*UDD/(1-K) R2 1k

Ui

I1 SN7404

R1 1k

1

1

2

I2 SN7404 1

1

2

Uo

Ui'

Fig. 2 Trigger Schmitt cu inversoare CMOS

Simboluri pentru triggerul Schmitt. După cum s-a amintit, triggerele Schmitt se construiesc atât ca dispozitive independente cât mai ales ca etaje de intrare în diverse circuite logice.

- -

22

5.2 Numărătorul binar –zecimal Numărătorul este un circuit logic secvential care realizează funcția aritmetrică cea mai simpla: de incrementare sau decrementare. El este alcătuit din bistabili și poate număra impulsurile aplicate la intrare; el constituie o componentă de bază a oricarui tip de aparat de masură numeric, și intra în alcatuirea blocurilor funcționale ale multor echipamente numerice. Din motive legate de operatorul uman, numarătoarele utilizate în aparatele de masură numerice trebuie să afișeze numere zecimale, intern codificate binary-zecimal(BCD), adică trebuie să fie decadice. Un asemenea numarator este format din mai multe număratoare de 4 biti, conectate în serie, pe care le vom numi decade de numarare. a)Decada de numărare O decadă de numărare este similară cu numărătorul binar de 4 biţi, cu deosebirea că ciclul de numărare se opreşte la 10 şi nu la 16, adică este un numărător modulo 10. Schema unei decade de numărare este prezentata in fig. 3. Limitarea la 10 a numărării se face cu ajutorul unei reacţii convenabile (prin P) în felul următor: • după primele 9 impulsuri aplicate la intrare, ieșirile Q1, Q2 si Q0 ajung în starea 1001 (cifra 9 in cod binar); • la apariţia celui de-al zecelea impuls, starea devine 1010 (cifra 10 în cod binar); • poarta P, având 1 logic pe intrări, produce la ieşirea Z negat un 0 logic, ceea ce provoacă ştergerea celor 4 bistabili, pregătind decada pentru un nou ciclu de numărare de la 0 la 9 (practic starea 1010 durează extrem de puţin , dar suficient pentru ştergere); • simultan cu aducerea la zero a celor 4 bistabili (la sfârşitul numărării celor 10 impulsuri), tranziţia de la 1 la 0 de la ieşirea porţii P constituie şi semnalul de intrare pentru decada următoare (transport către rangurile următoare). Observţii: - modul de implementare al numărătorului este doar principal; el are câteva neajunsuri care fac schema inutilizabilă; - datorită comutării asincrone a bistabilelor, e posibil ca ieşirea porţii P să producă un impuls negativ foarte scurt (Z negat=0), care să reseteze cel puţin un bistabil; - durata impulsului Z negat, de readucere a numărătorului în starea 0, este mică şi necontrolabilă (ea provine din jocul întârzierilor), fiind posibil ca toate bistabilele să poată fi resetate.

- -

23

- descrierea schemei poate sugera o regulă simplă de alcătuire a numărătoarelor modulo p (prin metoda aducerii la zero) ; - din relatia p<=2^n se deduce numărul de bistabile necesare (n); - bistabilele se conectează în schema unui numărător binar direct, şi apoi să lase numărătorul să evolueze până la starea p-1; - se decodifică starea p, şi în momentul în care aceasta este atinsă, se aplică un impuls de ştergere (Z negat) tuturor bistabilelor numărătorului. 2 3 1

Znon

1 3

Q0

2

Q1

Q2

Q3

CLEAR

U 1A 3 2

C

1 15 4

J K

U 2A Q Q

5 6

3 2 1

C LK

15 4

C LR PR E

J K

U 3A Q Q

5 6

3 2 1

C LK

15 4

C LR PR E

J K

U 4A Q Q

5 6

3 2 1

C LK

15 4

C LR PR E

J K

Q Q

5 6

C LK C LR PR E

I

Numărătorul binar-zecimal(decadă de numărare) (a) b)Numărătorul binar-zecimal Se obţine prin înscrierea mai multor decade (unităţi, zeci, sute) de tipul celei din fig. 4, asa cum se arata in fig. 4. Se observă că semnalul produs de bistabilul 3 (bitul cel mai semnificativ) pe ieşirea Q3 a decadei unităţilor, constituie semnalul de intrare C pentru decada zecilor.

N

Decada mii

Decada

Decada

Sute

Zeci

Decad a Unitati

Q1 Q2 Q3 Q4

Q1 Q2 Q3 Q4

Q1 Q2 Q3 Q4

Q1 Q2 Q3 Q4

Numărătorul binar-zecimal cu patru decade

- -

24

Concluzii: Numărătoarele binare asincrone sunt simple, dar au doua neajunsuri: •

nu pot funcţiona la frecvenţă ridicată ;

•

prezintă pericolul apariţiei unor impulsuri parazite la decodare, care pot provoca

basculări false(în cazul decadei din fig. 3 (b) , aceste impulsuri parazite pot cauza o aducere falsă la zero a numărătorului, perturbând secvenţa de numărare normală). Impulsurile parazite apar datorită faptului ca bistabilele numărătorului comută pe rând (de la rangul cel mai puţin semnificativ spre cel mai semnificativ) şi, ca urmare, pe durata tranziţiei stărilor, evoluţia bistabilelor este incertă.De aceea numărătoarele asincrone nu se mai utilizează la numărare, ci la divizarea frecvenţei. Observaţie: Pentru evitarea aprinderilor false ale segmentelor de afişare, cauzate de tranziţiile parazite, se utilizează decodoare prevăzute cu circuit de validare.Acesta îngustează timpul de deschidere al porţii ce comandă segmentul respectiv, şi totodată deplasează (intârzie) acest interval de timp în afara zonei traziţiilor parazite.

Fig. 3 Numărătorul binar-zecimal(decadă de numărare) (b)

5.3 Registru de memorare Deoarece un bistabil constituie o memorie de 1 bit, rezultă că n bistabile pot memora un cuvânt de n biţi. O astfel de structură se numeşte registru (prin analogie cu caietul de scris de tip contabil).Cu alte cuvinte, un registru permite stocarea şi regăsirea unei informaţii binare

- -

25

reprezentată pe n biţi. Există mai multe criterii de clasificare a registrelor (destinaţie, structură, etc). Astfel: •

după scopul utilizării (destinaţie) se disting: registru de memorare şi registru de deplasare (decalare).

•

după structura internă, există registre paralele, registre serial/paralele (deserializare), registre paralel/seriale (serializare) şi registre universale.

Registrele de memorare (RM) se utilizează, de regulă, ca interfaţă intre două subansambluri(fig. 5).Un astfel de registru permite stocarea temporară a informaţiei elaborate în subansmablul A, pentru a fi ulterior folosită în subansamblul B, primul devenind apoi liber să-şi reia activitatea.Evident, pentru ca ansamblul A-RM-B să funcţioneze corect, e necesar ca aceste trei blocuri să lucreze sincron, condiţie asigurată de către un bloc de comandă, care furnizează semnale de coordonare adecvate (între care semnalul de încărcare a registrului – Load).Datorită faptului că RM este plasat între două blocuri, se mai utilizează şi denumirea de registru tampon(buffer). Registrul de memorare se poate realiza atât cu bistabile D-latch, sau comandate pe front, cât şi cu bistabile JK-Master-Slave.În cazul utilizării bistabilelor D-latch, registrul se mai numeşte şi transparent, deoarece pe palierul activ al semnalului de încărcare, datele de la intrare trec imediat la ieşire; ca urmare, comanda registrului se va face printr-un impuls cât mai scurt.În cazul utilizării bistabilelor comandate pe front, registrul izolează practic subansamblurile între care este conectat, oferindu-le o relativă autonomie.Structura unui registru de memorare este paralelă: atât intrările de tact, cât şi cele de forţare asincronă, se conectează în paralel, pe o lungime a cuvântului de n biţi ( de regulă, 4 sau 8).În acest caz , registrul se mai numeşte şi registru paralel. Prezenţa registrului de memorare permite ameliorarea performanţelor sistemului A-B; de exemplu, la un aparat de măsură numeric, intercalarea unui registru de memorare între numărător, şi blocul de afişare aduce următoarele îmbunătăţiri: • stabilizarea cifrelor afişate: numărul Nx, care reprezintă rezultatul măsurării este afişat o singură dată într-un ciclu de măsurare, şi deci, afişajul nu va pâlpâi în ritmul numărătoarelor (fără RM ultimele cifre pâlpâie, dând senzaţia de instabilitate care deranjează, iar secvenţierea ciclurilor de afişare este vizibilă şi deci obositoare); • creşterea vitezei de lucru: în timp ce blocul final afişează informaţia Nx conţinută în registru, blocul de prelucrare (numărătorul) poate efectua o nouă secvenţă de măsurare;

- -

26

principiul este cunoscut sub numele de suprapunere a operaţiilor şi este mult folosit în echipamentele numerice pentru scurtarea timpilor de aşteptare.

Fig. 5 Utilizarea registrelor de memorare

a) Registre cu comanda pe palier(prin impulsuri) Un registru cu comandă memorării pe palier este alcătuit cu bistabile D-latch, motiv pentru care se mai numeşte şi tampon latch.Schema de principiu şi tabelul de adevăr al unui asemenea registru sunt prezentate în fig. 6 a, c. Tabelul de adevăr indică două moduri de funcţionare: • Memorare, când intrarea de comandă STB este în 0 logic.În acest caz registrul conservă starea sa anterioară şi este insensibil la datele prezente pe intrările D. • Transferare, când STB=1.În acest caz ieşirile registrului Qi capată valorile datelor prezente la intrările D.Dacă în timp cât STB=1, datele de la intrările (D i) se modifică, datele de ieşire (Qi) se vor modifica şi ele în acelaşi mod (adică ieşirea copiază intrarea, cunoscută proprietate a bistabilelor D-latch).În această situaţie se spune că registrul este transparent. Proiectanţii de sisteme logice utilizează frecvent această proprietate pentru a exploata rapid o informaţie(în timp ce STB=1), care apoi va fi memorată când STB revine la 0.

- -

27

3

D0

2

D

3

Q

1

2

1

2

1

2

1

2

1

Q0

1

Q1

1

Q2

1

Q3

3

C L K

D1

2

D

3

Q

3

C L K

D2

2

D

3

Q

3

C L K

D3

2

D

3

Q

C L K

STB OEnon

OE non

STB

Di

Qi

1

X

X

Z∞

0

1

0

0

0

1

1

1

0

0

X

Qm

a.

U 4 0 1 2 3 4 5 6 7 P

Q Q Q Q Q Q Q Q

0 1 2 3 4 5 6 7

2 5 6 9 1 1 1 1

2 5 6 9

74A C 273 1

b.

D D D D D D D D C

M R

1 1 1 1 1

3 4 7 8 3 4 7 8 1

c.

Qm stare memorată Z∞ impedanţă ridicată Registru paralel de tip transparent latch cu trei ieşiri-3 state (a, b,c) b) Registre cu comanda pe front Schema de principiu corespunzătoare unui registru de memorare cu comandă pe frontul pozitiv al impulsului de ceas sunt în fig. 7. Informaţia de la intrările D 0-7 este încărcată numai în timpul tranziţiei pozitive a impulsului de ceas, şi rămâne neschimbată (memorată) atât pe nivelul JOS, cât şi pe nivelul SUS, al impulsului de ceas; deci acest registru nu prezintă transparenţa. Evident, bistabilele componente trebuie să fie declanşate pe front;

- -

28

acestea sunt mai ales bistabile D, sau JK Master-Slave, registrele realizate cu bistabile D fiind cele mai răspândite. Observaţie : Pentru a fi cât mai uşor integrate în diverse scheme (mai ales în cele cu microprocesor), multe registre sunt prevăzute şi cu tampoane cu trei stări, aşa cum s-a putut

3

vedea în schemele analizate.

D0

2

D

Q

1

2

1

2

1

2

1

2

1

Q0

1

Q1

1

Q2

1

Q3

C L K

3

3

D1

2

D

Q

C L K

3

3

D2

2

D

Q

C L K

3

3

D3

2 3

D

Q

C L K

CLK OEnon

1

CLK

Qi

X

Z∞

0

0

0

0

1

1

X

Qm

0

U 4

1 1 1 1 1

3 4 7 8 3 4 7 8 1

D D D D D D D D C

0 1 2 3 4 5 6 7 P

Q Q Q Q Q Q Q Q

0 1 2 3 4 5 6 7

2 5 6 9 1 1 1 1

2 5 6 9

74AC 273 1

0

X

Di

M R

OE non

a.

b.

c. Qm stare memorată Z∞ impedanţă ridicată Registru paralel cu comandă pe frontul pozitiv cu ieşiri 3-State

5.4 Decodoare Decodoarele sunt CLC(circuite logice combinaţionale ) care permit transformarea unei anumite combinaţii de cod într-un semnal de comandă corespunzător, ce poate fi utilizat în operaţii de selecţie, sau conversia numerelor dintr-un sistem de numeraţie în altul.În principiu, un decodificator prezintă n intrări şi m ieşiri, şi se caracterizează prin proprietatea de a obţine

- -

29

un semnal activ numai la o singură ieşire, pentru fiecare combinaţie a variabilelor de intrare.Corespunzător tipului de cod aplicat la intrare, se realizează decodificatoare binare, pentru care m=2n, sau decodificatoare BCD, pentru care n este, de regulă, 4, iar m este 10.Un caz special, il reprezintă decodoarele special concepute pentru afişaj (de exemplu, cele cu LED-uri, sau cristale lichide, cu 7 segmente); aceste decodoare primesc la intrare un cod binar, sau BCD, şi produc semnalele de comandă pentru segmentele afişajului. a)Decodorul binar Decodorul binar este destinat operaţiilor de generare a semnalelor de selecţie, sau de implementare a funcţiilor logice mai complicate.Acest tip de decoder 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 decoder binar este SN74138 (decoder binar 1 din 8, în tehnologie TTL);în seria CMOS standard nu există decodor binar (ci numai BCD). b)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 nici unui 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.În multe situaţii, decodoarele menţionate pot fi utilizate şi ca decodoare 1 din 8, folosind doar 8 ieşiri, corespunzătoare codurilor 0…7. Exemple de decodoare BCD-zecimal: SN7432,SN74141 c)Decodorul BCD-7 segmente Acest decodor, are ca şi precedentul, 4 intrări, dar ieşirile sunt destinate comenzii directe a afişajelor cu 7 segmente (fie cu becuri, fie cu LED-uri, fie cu cristale lichide).Combinaţiile de intrare reprezintă cifrele 0…9, dar unele decodoare sunt capabile să interpreteze şi codurile 10…15, pentru care afişează cifrele hexazecimale A, B ,…,F. Câteva exemple de decodoare BCD - 7 segmente sunt SN7446/7 (decodor cu ieşire directă de atac a afişajelor cu LED-uri, în tehnologie TTL) sau 4055/6.

- -

30

Fig. 8 Utilizarea decodorului la comanda afişajului cu 7 segmente/LED

5.5 Dispozitive de afişare numerică 5.5.1Afisaje cu tuburi nixie si tuburi fluorescente După tuburile cu filament incandescent, tubul Nixie este cel mai vechi afişaj utilizat în aparatură numerică de măsurare.Este ergonomic şi are schema de comandă relativ simplă, însă necesită tensiuni de lucru relative mari şi de aceea nu se mai utilizează în prezent (decât foarte rar).Totuşi el va fi prezentat pe scurt, deoarece multe din aparatele numerice de laborator mai vechi utilizează acest tip de afişaj. Tubul Nixie este alcătuit dintr-un tub de sticlă umplut cu gaz inert (tipic neon) la joasă presiune, în interiorul căruia se află 10 catozi în formă de cifre (0,1…9), dispuşi în planuri paralele în faţa unui anod comun; variantele moderne utilizează 7 catozi dispuşi în acelaşi plan, din combinare se pot reprezenta cifrele.

Fig. 9 Principiul de afişare cu tuburi Nixie Catozii sunt acoperiţi cu o peliculă de oxizi ce poate emite electroni.Aplicând o tensiune de 150…170 de V între anod şi unul din catozi apare o descărcare de gaz, care face ca cifra respectivă să devină luminoasă (roşu-portocaliu).Consumul este în jur de 2mA, dar poate fi diminuat prin multiplexare în timp a comenzii de selecţie a anozilor.Comanda catozilor se face cu ajutorul unor tranzistoare plasate la ieşirile unui decodor binar-zecimal, care primeşte informaţia de la blocul de prelucrare numerică a sistemului de măsură respectiv (în mod normal, un numărător); tranzistoarele trebuie să fie capabile să lucreze la tensiuni de colector ridicate, puterea disipată fiind în jurul a 350mW/cifră afişată.Datorită acestui dezavantaj, afişajul cu tuburi Nixie a fost practic înlocuit cu alte tipuri de afişaje. Un alt tip de afişaj, destul de răspândit în trecut, utilizează tuburile fluorescente vidate, caracterizate de o eficienţă luminoasă, având emisia în verde, sau verde-albastru; tubul este format dintr-un filament de wolfram acoperit cu oxizi, o grilă şi un grup de anozi-segmente

- -

31

(care pot sintetiza caracterul de afişat).Catodul încălzit (la circa 700 grade Celsius) emite electroni care sunt acceleraţi de grilă şi sunt dirijaţi spre segmentele selectate ale anodului; cum acestea sunt acoperite cu un material fosforescent, ca urmare a bombardării cu electroni, are loc emisia de radiaţie luminoasă. 5.5.2 Afisaje cu diode electroluminiscente a) Particularităţi Într-un sens mai larg, afişajul cu diode electroluminiscente presupune atât circuitele de afişare propiu-zise, cât şi circuitele de comandă, necesare formării caracterelor.Acest tip de afişaj prezintă o serie de avantaje în comparaţie cu cele realizate cu tuburi Nixie sau fluorecente: are gabarit mai mic, permite obţinerea unor culori diferite (roşu, verde, galben, etc) pot fi comandate de circuite lucrând la tensiuni joase şi sunt mai fiabile. Afişajele cu LED-uri folosesc, în exclusivitate, generarea caracterelor prin sinteză din segmente sau puncte luminoase constituite din LED-uri individuale (şi nu prin selecţie, ca în cazul primelor tuburi Nixie).În funcţie de tipul caracterelor de afişat, aceste dispozitive pot fi: afişaje alfanumerice (servesc la sinteza cifrelor şi literelor alfabetului), sau afişaje numerice (servesc numai la sinteza cifrelor).În aparatura numerică de măsură s-a impus afişajul numeric cu 7 segmente, datorită simplităţii sale. În momentul de faţă, există o mare diversitate de afişaje cu LED-uri, afişajul cu puncte prezintă cel mai mare număr de posibilităţi, dar necesită o logică de decodificare şi comandă mai sofisticată.Varianta cu segmente poate reprezenta un compromis între numărul

de

caractere diferite afişabile şi complexitatea circuitelor de comandă.În aparatura numerică de măsură s-au impus afişajele cu segmente, mai simple de comandat. Din punct de vedere electric, afişajele cu LED-uri se contruiesc cu anod comun, sau cu catod comun; după cum vom vedea, acest lucru determină natura interfaţării lor cu partea de comandă a echipamentului numeric. b) Dioda electroluminiscenta Se ştie că orice joncţiune p-n, polarizată directă, emite o radiaţie luminoasă datorită energiei de recombinare gol-electron.Lungimea de undă a acestei radiaţii (deci şi culoarea) depinde de materialul joncţiunii, aşa cum rezultă din tabelul urmator.

- -

32

Materialul joncţiunii

Lungimea de undă

Culoare

Germaniu(Ge)

1,88 μm

Infraroşu

Galiu-Aluminiu-Arseniu(Ga-Al-As) 0,68 μm

Roşu

Galiu-Fosfor(Ga-P)

Verde

0,54 μm

În privinţa culorilor se constată ca pentru cifre mici culoarea cea mai folosită este roşul, ce se observă bine pe fondul întunecat al afişajului numeric (cu toate că lungimea de undă a roşului, 0.68um, este relativ îndepărtată de sensibilitatea maximă a ochiului, 0.55 um). Pentru cifre mari (peste 10...15 mm), şi mai ales pentru masurări de lungă durată (control în producţie, aparate de tablou), o culoare mai confortabilă este cea verde (cu lungimea de undă λ=0,525 μm, fig.10 a). În ultimul timp au apărut LED-uri cu nitrură de galiu (GaN), care au particularitatea ca la Ud=2,4V au culoarea portocalie, iar la 4V au culoarea violetă.Ca formă, LED-urile pot fi cilindrice, pătrate, drepunghiulare (pentru afişări de puncte luminoase, virgule, etc), sau barete (segmente luminoase). Alimentarea în curent continuu LED-ul are o caracteristică I D(UD) de forma celei din fig.10 b (pentru dioda electroluminiscentă CQX51), ceea ce impune inserierea unei rezistenţe (R) de limitare a curentului la valoarea nominală (I D=10…15mA, ca în fig. 10 c).De exemplu, pentru ID=10mA, corespunde UD=2,1V, de unde considerând U=+5V, se obţine R=290Ω.Există şi LED-uri care au rezistenţa R încorporate în aceeaşi montură cu joncţiunea luminiscentă, cum sunt, de exemplu, 5082-4468(HEWLETT-PACKARD).

- -

33

Alimentarea în curent continuu este simplă, însă prezintă neajunsul unui consum suplimentar de putere pe rezistenţa R: de exemplu, pentru R=300Ω şi ID=10mA rezultă un consum de 210mW/7 LED-uri.Acest dezavantaj poate fi evitat dacă alimentarea se face prin impulsuri. c)Comanda afişoarelor cu 7 segmente Modulele de afişare cu 7 segmente sunt formate din câte 7 LED-uri rectilinii şi permit afişarea cifrelor de la 0 la 9.Pentru semnalizarea polarităţii (±) şi a depăşirii (cifra 1 şi două virgule) se utilizează module de tipul ilustrat în fig. 11 d) .Comanda (alimentarea) afişoarelor cu 7 segmente se poate face direct sau multipelxat.

Fig. 11 d) •

Comanda directă În acest caz segmentele (diodele) cifrelor ce trebuie afişate se alimentează

simultan.Comanda directă este economică numai la afişaje cu număr mic de cifre (maxim 4 sau 5 cifre); la un număr mai mare se recurge la comanda multiplexată.Un circuit de comandă directă pentru un afişor de 3 ½

cifre (1999) este ilustrat fig. 11 c), unde se prezintă

conexiunile pentru modulul de polaritate şi depăşire (±1) precum şi pentru modulul de afişare a cifrelor de la 0 la 9.Există şi circuite integrate specializate care pot comanda direct afişajele cu 7 segmente cu LED-uri.Dacă decodorul dispune de o intrare de validare (“blanking”), se poate recurge la reducerea consumului prin alimentarea LED-urilor în impulsuri, (cu o tensiune dreptunghiulară).

- -

34

•

Comanda multiplexată Circuitele din figurile (fig. 10 şi fig. 11) de mai devreme fac parte celor cu comandă

directă (sau simultană).Acest tip de circuit este simplu ca schemă, dar costisitor ca număr de componente şi devine neeconomic dacă numărul de cifre este mare (peste 4…5, ca în cazul frecvenţmetrelor şi calculatoarelor de buzunar).În asemenea situaţii se recurge la comanda multiplexată (serializată) a afişajelor, în care cifrele se alimentează succesiv.În acest scop, segmentele cu acelaşi nume ale tuturor cifrelor sunt conectate împreună la ieşirile unui singur decodificator (D1), ca şi cum ar fi vorba de o singură cifră; anozii (sau catozii) comuni ai cifrelor respective sunt comandaţi separat printr-un al doilea decodor (D2), secvenţiat de un registru de deplasare (sau numărător), întreg sistemul de afişare fiind pilotat de către un generator de tact cu frecvenţa de 100…1000Hz . Să presupunem că e vorba de un afişaj cu 8 cifre pe care trebuie înscris numărul 5671,8324.La primul tact se afişează cifra 5 (celelalte fiind stinse); la al doilea, cifra 6 şi tot aşa până la cifra a 8-a (4).Dacă frecvenţa de tact este 400 Hz, fiecare cifră va fi aprinsă şi stinsă de 400/8=50 ori pe secundă.La o asemenea frecvenţă ochiul percepe cele 8 cifre ca şi cum ar fi aprinse simultan.Pe această cale (multiplexare), consumul se reduce considerabil deoarece, indiferent de numărul de cifre afişate, consumul este egal cu cel al unui singur modul, ceea ce înseamnă cel mult 7 x 10mA x 2, 1V=150mW.Însă circuitul de comandă este mai complicat decât la comanda directă, şi de aceea, comanda multiplexată devine economică numai la afişajele cu număr mare de cifre (peste 5…6). - -

35

La ora actuală, există module de afişare cu LED-uri, realizate compact, împreună cu circuitele de comandă; în cazul cel mai frecvent se includ decodoarele, logica de multiplexare (dacă e cazul) şi decadele de numărare, sau interfaţa cu sistemul numeric în care vor fi folosite.

5.6 Operatorul ŞI(AND) Funcţia realizată de o poartă AND cu două intrări este numită uneori multiplicare logică sau produs logic şi este simbolizată algebric printr-un punct de multiplicare. Deci semnalul de ieşire al unei porţi AND cu intrările X şi Y are valoarea X • Y, cum arată fig.12a). Ucc R 2 1k D 1

Y=A*B

A P D 2 B 0V

0V

0

A

B

Y

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

b)

Fig. 12 (a, b, c)

c)

- -

36

Schema electrică de principiu a acestuia (implementarea cu diode) este prezentată în fig. 12 b).Se observă că ieţirea (Y) urcă în 1 logic, numai dacă, pe ambele intrări A şi B se aplică simultan 1 logic (în acest caz, diodele D1 şi D2 sunt blocate).Aplicarea unui 0 logic pe una din intrări, deschide dioda corespunzătoare, producând 0 logic la ieşire (potenţialul punctuşui P cade la o valoare apropiată de 0V).În fig. 12 c) este prezentat tabelul de adevăr pentru acest tip de operator.

5.7 Oscilatorul cu cuarţ Etaloanele de frecvență derivă din etalonul de timp, secunda, care în SI este definită pe baza rezonatorului atomic cu cesiu(v=9.192631770GHz) și care definește timpul atomic. Etaloanele de frecvența ating precizii mult mai mari decât cele de curent, tensiune sau R, L, C iar frecvențele generate pot fi utilizate ‚loco” sau trasmise la distanță. Sunt cele mai precise etaloane cunoscute pană în prezent și se utilizează pe scară largă în metrologia de laborator cat și în telecomunicații. Semnalul de la ieșire la aceste dispozitive de referință este, de regulă o tensiune sinusoidală de 1 V, iar perioada semnalului – un submultiplu întreg al secundei pentru a putea servi și ca etalon de timp. Etaloanele de frecvență au la bază un oscilator de înaltă stabilitate(cuarț sau atomic) și pot da o singură frecvență, etaloane propriu-zise, mai multe frecvențe fixe-etaloane în trepte sau o frecvență reglabilă într-o bandă largă-sintetizatoare de frecvență.

- -

37

5.7 Descrierea dispozitivului. Oscilatorul cu cuarț este un oscilator la care stabilitatea oscilațiilor este asigurată de un rezonator electromecanic cu cuarț . Rezonatorul cu cuarț este realizat sub forma unei placuțe din cuarț (P), rotundă sau patrată prevăzută cu electrozi de argint (EA) pe ambele fețe. Frecvența de rezonanță (fr) a placuței este dependentă de grosimea (g) precum și de unghiul de tăiere al acesteia în raport cu axul optic al cristalului primar.

Fr=

MHz

Schema de oscilator cu cuarț pentru frecvența etalon f0=1 MHz:

Rezistența R1 servește la polarizarea automată a grilei TEC-ului, C1 împiedică apariția unor oscilații parazite, iar R2 produce o reacție negativă necesară îmbunatațirii formei de undă a tensiunii de ieșire. Consumul de curent în drenă este foarte redus: 30µA. Stabilitatea frecvenței acestui oscilator este în jur de 10-4 insuficientă pentru un etalon de frecvență; dar poate fi crescută la 10-8 prin termostatare. Prin termostatare, oscilatorul este introdus într-o cutiuța paralelipipedică sau cilindrică (C) din aluminiu sau alamă peste care este înfășurat un fir încalzitor (F) alimentat de la un traductor de temperatură, prin intermediul a două amplificatoare: A1 (amplificator de eroare) și A2 (amplificator de putere). Traductorul de temperatură este format dintr-un senzor termorezistiv (T) (fir de platină, termistor) în termic cu incinta C și careia este - -

38

conectat în punte Wheatstone, alimentată în curent continu (E); la temperatura de 700C, puntea este în echilibru. Dacă temperatura lui C scade față de această valoare, puntea se dezechilibrează, iar tensiunea de dezechilibru (semnalul de eroare) comandă prin intermediul amplificatoarelor creșterea sau scăderea curentului din firul F pană când temperatura cilindrului revine la valoarea prescrisă (+700C). Incinta C este plasată într-o altă incintă C, termoizolantă, formând împreună un fel de vas Dewar. Precizia de reglare a temperaturii este foarte bună, iar stabilitatea frecvenței cu temperatura oscilatorului respectiv (eroarea de fidelitate) devine mai buna ca 10-8 -10-9. Sistemul de reglare a temperaturii este de tipul cu acțiune continuă, spre a feri cuarțul de șocuri termice, iar firul încalzitor (F) este alimentat în c.c spre a evita vehicularea de tensiuni parazite în vecinatatea rezonatorului cu cuarț. Consumul termostatului : 0,5-5W, în funcție de calitatea izolației termice. Oscilatorul cu cuarţ dă un semnal dreptunghiular cu frecvenţa de 1Hz. Acesta constituie tact pentru numărătorul binar. Ieşirea sa este aplicată unui decodificator care işi activează succesiv ieşirile, pe masură ce numărătorul incrementează. Primul semnal ce se activează este cel de reset (R ) care şterge conţinutul numărătorul zecimal şi al bistabilului ce memorează dacă în decursul numărării s-a depăşit capacitatea maximă a numărătorului zecimal (dacă acesta a generat transport - “carry”). Semnalul ce se activează la următorul tact este baza de timp (BT).Poarta ŞI sintetizează semnalul de ceas CK pentru numărătorul zecimal. Cât timp BT=1 avem egalitatea CK= u1(t).Numărătorul zecimal incrementează pe tranziţiile negative ale semnalului de ceas CK.La următorul tact generat de oscilator, semnalul BT devine inactiv (0 logic). Semnalul de ceas CK rămâne în 0 indiferent de variaţiile lui u(t). Numărătorul zecimal conţine numărul de tranziţii negative din perioada în care BT=1. Această perioadă a durat un tact, adică o secundă. Numărul respectiv este deci frecvenţa semnalului u1(t), în Hz. Urmează activarea semnalului LD de încărcare în memorie a conţinutului numărătorului zecimal. Nişte circuite de afişaj vizualizează continuu conţinutul memoriilor. Numărătorul binar, prin aceste incrementări successive ajunge la capacitatea maximă, după care la tactul următor, înscrie zero. Se activează din nou semnalul de reset R, procesul continuând.Este posibil ca în intervalul în care se face numărarea (BT=1) să fie numărate mai multe tranziţii ale semnalului u1(t), diferenţa fiind maxim 1. Tranziţia suplimentară se datorează trecerii lui BT în zero. Dacă s-ar fi numărat tranziţiile pozitive, era posibil să se numere şi tranziţia semnalului BT în 1. De aceea orice frecvenţmetru numeric prezintă o eroare de o unitate la cifra cea mai puţin semnificativă a rezultatului. Pentru măsurarea frecvenţelor mari, schema are una din următoarele particularităţi:

- -

39

a)numărătorul zecimal are o capacitate mare(8 cifre).Din acest punct de vedere se poate număra până la un număr mare de tranziţii. Limitarea este însă introdusă de rapiditatea numărătoarelor zecimale şi a porţii ŞI. Cu numărătoare asincrone TTL tip 7490 se pot măsura frecvenţe până la 10-15MHz. Utilizând numărătoare sincrone TTL 74192 se poate ajunge la o frecvenţă măsurată de 20-30MHz. De la a 6-a zecimală intervine instabilitatea cuarţului şi zecimalele următoare nu mai pot fi luate în considerare. b) numărătorul zecimal are o capacitate mică(4 cifre), însa baza de timp este comutabilă manual sau automat în trepte decadice (1s, 100ms, 10ms, 1 ms, 100μs) pentru a măsura frecvenţe până la 10kHz, 100kHz, 1MHz, 100MHz.Rămân valabile consideraţiile referitoare la rapiditatea numărătoarelor specificate mai sus. c)pe traseul frecvenţei necunoscute şi pe cel al bazei de timp se insereaza divizori l:n.Pe calea frecvenţei necunoscute divizorul este realizat în tehnologie ECL, frecvenţa maximă de intrare fiind aproape de 1GHz.

5.8 Erori Din εfx =Δfx/fx =ΔTm/Tm+ΔN/N, în care εo= ΔTm/Tm=Δfo /f o reprezintă eroarea de bază a etalonului de frecvenţa (10-6..10-8), iar εN =ΔN/N este eroarea numărătorului.Eroarea ΔN este egală cu modificarea cu o unitate a cifrei ultimului rang, adică ΔN= ±1 şi se datorează faptului că semnalul de intrare si cel al bazei de timp nu sunt sincronizate între ele, şi ca urmare, ultimul impuls de numărat poate să încapă sau nu în intervalul Tm. Observatie: Deoarece ΔN=±1, adică cea mai mică variaţie receptibilă la ieşirea frecvenţmetrului (afişajul cu numere), eroarea

εN =±1/N reprezintă tocmai rezoluţia

aparatului. ε fx = εo + εN, unde εo = Δfo /f o, εN=1/N care arată că eroarea ε fx este cu atât mai mică cu cât numărul afişat (N) este mai mare. Dacă εN este de acelaşi ordin cu ε o rezultă că εfx=10-6...10

-8

ceea ce arată că

frecvenţmetrul numeric este cel mai precis aparat de măsură.Pe de alta parte, pentru ca εN≤ εo=10-6 ..10 -8 este necesar ca N>= 106…108 , şi deci, pentru a putea pune în valoare înalta precizie a etalonului de frecvenţă trebuie ca numărul de cifre ale afişajului să fie mai mare sau cel puţin egal cu exponentul preciziei etalonului.De exemplu, dacă etalonul are precizia εo =10 -8 , frecvenţmetrul trebuie să aibă cel puţin 8 cifre afişabile. Această discuţie s-a referit la precizia nominală a aparatului (ε fx minimă).Însă la micşorarea frecvenţei semnalului de intrare (fx), eroarea εfx creşte, deoarece numărul de impulsuri contorizate (N) în intervalul Tm scade, situaţie similară cu aceea întâlnită la

- -

40

aparatele de măsură analogice.Micşorarea în continuare a lui ε N pe seama creşterii lui Tm nu mai este convenabilă, deoarece aparatul devine prea lent. Eroarea de măsurare a frecvenţei εfx este minimă când numărul afişat (N) este maxim, creşte la micşorarea frecvenţei semnalului de măsurat (fx) şi devine exagerat de mare (0,1… 1%) când fx coboară sub 100Hz. Deducerea expresiei erorii s-a făcut în ipoteza că triggerul Schmitt (TS) funcţionează corect, adică la fiecare perioadă a lui U(f x), acesta dă un singur impuls la ieşire.În caz contrar, pot apărea situaţii de funcţionare anormală a frecvenţmetrului.În practică, se întâlnesc frecvent următoarele asemenea situaţii: - Semnalul U(fx) este puternic deformat.În acest caz dacă fereastra triggerului formator( TS) este prea îngustă apar mai multe impulsuri într-o perioadă (Tx), ceea ce duce la o eroare suplimentară importantă: eroarea de trigger.Pentru evitarea acestei anomalii se lărgeşte corespunzător fereastra triggerului.Evident, fereastra F trebuie sa fie axată pe linia de zero sau pe componenta continuă a semnalului de intrare U(fx); - Semnalul U(fx) este însoţit de zgomot.Situaţia este similara cazului precedent, cu precizarea că impulsurile părăsite determinate de alegerea necorespunzătoare a ferestrei au un caracter aleator, rezultatul afişării fiind instabil.Soluţia constă în alegerea ferestrei cu cel puţin 10...20% mai mare decât amplitudinea maximă a zgomotului suprapus peste semnalul util şi axarea acesteia pe linia de zero, sau pe componenta continuă a lui U(fx). - Semnalul U(fx) este modulat în amplitudine.Şi în acest caz este necesar ca fereastra F să fie axată pe linia de zero, sau pe componenta continuă a lui U(f x) însă deschiderea acesteia trebuie sa fie mai mică decât lăţimea minimă a înfăşurătoarei.

- -

41

6.Calcul economic si nomenclator de componente N r.

Componente

Valoa re

Rezistente

Cod

Nr.Compon ente

Pret

1kΩ

1

0,5

10k

1

0,6

100Ω

1

0,8

330k Ω

4

0,8

820k

3

0,8

10nF

2

0,4

1uF

1

0,5

2,2pF

1

0,5

100n F

1

0,6

U19-A 4069

1

2

U19-B 4069

1

2

1

1,5

cr t 1.

2.

3

Condensatori

Circuite Inversoare

4.

Cristal cu cuart

5

Poarta Si-Nu

SN7413

1

0,80

6

Decodor

7442

1

4

7

Diode

1N4148

1

0,7

1N4001

4

0,7

6516

1

0,7

ZP4V3

1

0,7

8

Bistabil D

SN7475

12

12x3

9.

Tranzistori

BC107

1

0,4

1 0.

Tiristor

T1N200

1

1

1 1.

Numarator binar

U204020

1

5

1 2.

Divizor

SN7490

1

6

- -

42

1 3

Led-uri

MDC110 1

3

3x0,6 6

1 4.

Numarator zecimal

7490

5

5

7495

1

4,4

Total

77,5 lei

sincron 1 5.

Registru de deplasare

7. Schema electrica a aparatului

- -

43

+5 U 14A

B8 U 12A 14 1

U 3A 1

IN

2

7404 1k

Q1

U5

14

U 11A 1 2

2 T

C LKA C LKB

2 3 6 7

R 01 R 02 R 91 R 92

12 9 8 11

U 13A 6

7

4069

7413

+5

14 1

R 01 R 02 R 91 R 92

C LKA C LKB

2 3 6 7

LE D

B6 B7

R 01 R 02 R 91 R 92

12 9 8 11

U 13A

B1

B8 B9 B10 B11

+5

2 3 13

3

12 9 8 11

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

14

11 16

2

7

4069

C2 1n

CLK RST VC C

C3 10nF

Q1 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q 10 Q 11 Q 12 Q 13 Q 14

9 7 5 4 6 13 12 14 15 1 2 3

+5

2 3

B13 B14 B15

7404

2 3 13

U8

2 3 6 7

C LK A C LK B

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

16 15

Q10

1 14

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

16 15

Q11

1 14

R 01 R 02 R 91 R 92

12 9 8 11

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

U 20A

B12

1 14

2 3

7475

2 7404

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

16 15

Q12

1 14

7475 R1

U 26A

B6

2 3

330

13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

D 1 +5 LE D

7490

Q5

16 15

U 1A 1

QA QB QC QD

D1 D2

B8

Q6

16 15

U 21A

B13

1 14

2 3 13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

7475

4020

16 15

Q13

1 14

7475

14

Y1

2

U7A 4069

U 22A

U 27A

B7

2 3

1

13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

Q7

16 15

B14

2 3

D1 D2

13

EN

1 14

Q14

16 15

Q1 Q2

1 14

Q1 Q2

7

XTA L

D1 D2

U 19A

B11

1 14

13

B5

7490

14 1

13

B4

U 2A

2

10 U 6A

Q9

1 14

U 25A

B12

1

01 02 91 92

QA QB QC QD

U3

820k

1

R R R R

16 15

7475

C LKA C LKB

2 3 6 7

C

Q1 Q2

7475

A B C D A B

R5

Q1 Q2

EN

7475

B8

Q4

16 15

15 14 13 12 2 4050

D1 D2

U 18A 13 12 11 10

U7 14 1

2A

Q8

1 14

7475

B10

U 24A 2 3 13

7442

16 15

7495A

7404

B0

MODE SER C LK1 C LK2 A QA B QB C QC D QD

7490

7490

Q1 Q2

U 17A 2 3

U 15 6 1 9 8 2 3 4 5

B3 B2

QA QB QC QD

+5

B4 B5

U 12 1k

R4 330k

LD 12 9 8 11

QA QB QC QD

U 67 4 9 0

1 2 3 4 5 6 7 9 10 11

1uF

QA QB QC QD

2 3 6 7

4 5

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9

C1

D2

R2

U1

B8

B9

C LKA C LKB

Q1 Q2

EN

D4 LE D

14 1

D1 D2

7475 7404

13

D1

1

14 1

B1

13

2

+5

D 1N 4148

5

1

7490

B C 107 100n

QA QB QC QD

R 01 R 02 R 91 R 92

B0

1

R7

12 9 8 11

2

C4

330

C LK A C LK B

2 3 6 7

2 3

R1

U4

7475 7475 R6

U 23A

820k

B15

2 3 13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

16 15 1 14

7475 U 11

+5

B I /R B O 5 3 6 2 1 7 +5

RBI LT

G F E D C B A

D3 D2 D1 D0

4 14 15 9 10 11 12 13

U6 18 16 13 9 8 6 4

Q Q Q Q Q Q Q

7447

A B C D E F G

C LK C LR

2

D1

3

D2

D3

MD E 2101

U7 B I /R B O 5 3 6 2 1 7

RBI LT

G F E D C B A

D3 D2 D1 D0

4

U2

14 15 9 10 11 12 13

18 16 13 9 8 6 4

Q Q Q Q Q Q Q

7447 +5

A B C D E F G

2

C LK

3

C LR

M D E 2101

U8 B I /R B O 5 3 6 2 1 7

RBI LT

G F E D C B A

D3 D2 D1 D0

4 14 15 9 10 11 12 13

U3 18 16 13 9 8 6 4

7447

Q Q Q Q Q Q Q

A B C D E F G

C LK C LR

2 3

MD E 2101

U 10

+5

B I /R B O 5 3 6 2 1 7

RBI LT

G F E D C B A

D3 D2 D1 D0 7447

V+

4 14 15 9 10 11 12 13

U5 18 16 13 9 8 6 4

Q Q Q Q Q Q Q

A B C D E F G

C LK C LR

2 3

MD E 2101 +5V

D1 6516

D3 D 3 ZP 4V3 Q2

T1N 200

R1 1k

Vpc

8.Realizarea cablajului - -

44

Q15

Metode de realizare a circuitelor imprimate sunt multiple. Dintre acestea, cele mai utilizate sunt: metoda cu radiaţii UV (utilizată în cazul cablajelor fotorezistive) şi metoda foliei de transfer de tip PnP. Realizarea cablajelor imprimate de serie mică sau unicat poate fi realizată prin diferite metode, una dintre acestea fiind şi utilizarea foliei de transfer de tip PNP (PRESS and PEEL=apasă şi dezlipeşte). Această tehnologie de realizare a cablajelor se bazează pe o folie de tip special. Etape de realizare ale cablajului imprimat sunt: -se realizează desenul cablajului imprimat, fie manual, fie prin intermediul unor programe specializare (ORCAD, PROTEL, CIRCUIT MAKER); -acest desen, considerat pozitiv se copiază cu ajutorul unui copiator pe folia de tip PnP.Tonerul copiatorului va adera la folia PnP, realizând pe aceasta desenul negativ (în oglindă) al desenul de cablaj; -se pregateşte plăcuţa de cablaj imprimat, tăindu-se la dimensiunea necesară şlefuindu-se cu un glasspapier foarte fin; -se degresează placa de cablaj imprimat, în vederea curaţirii de oxizi şi grăsimi prin scufundarea acesteia într-o soluţie slabă de acid:HNO3+Cu=Cu(NO3)2+H2; -după 30 de secunde se scoate, se spală sub un jet de apă iar apoi se usucă -fără să se atingă cu mâna cablajul se suprapune peste acesta folia de transfer de tip PnP; -cu ajutorul unui fier de călcat, reglat la temperatura de 200 pana la 225 de grade Celsius, se încălzeşte suprafaţa foliei avându-se grijă să existe un permanent între fierul de călcat şi folie; -se are în vedere faptul că toată suprafaţa foliei să fie uniform încălzită, aceasta realizându-se prin mişcări circulare ale fierului de călcat.De regulă, timpul necesar transferării tonerului de pe folie pe placa de cablaj imprimat este între 60 şi 120 de secunde.În mod normal acest timp este dependent de mărimea suprafeţei de transferat. Operaţiunea se consideră încheiată când prin folia transparentă se observă perfect traseul desenat: --se lasă să se răcească cablajul şi folia după care, cu mare atenţie se dezlipeşte începând de la colţuri.Se vizualizează desenul transferat pe cablaj, se compară cu originalul şi dacă este nevoie se corectează cu ajutorul unui marker traseele întrerupte;

- -

45

--se introduce placa de cablaj imprimat într-o soluţie de clorură ferică de o concetraţie adecvată.În urma reacţiei chimice care are loc: 2FeCl3+3Cu=3CuCl2+2Fe traseele neacoperite sunt corodate, obţinându-se în final copia fidelă în cupru a traseului desenat.Timpul de corodare depinde de concentraţia soluţiei de clorură ferică, de temperatură şi de gradul de agitaţie a acestuia; --după terminarea corodării se scoate placa de cablaj imprimat din soluţie, se spală sub jet de apă, se usucă, se îndepărtează cu ajutorul unui praf abraziv tonerul depus, se acoperă suprafaţa de cupru cu o soluţie de colofoniu dizolvat în alcool; -după această operaţie placa de cablaj imprimat poate fi utilizată în vederea găuririi ei şi a montării pieselor electronice; Această tehnologie este ideală pentru cablaje unicat sau de serie mică de complexitate medie.Traseele de cablaj realizate nu pot avea dimensiuni mai mici de 0,8 mm.Traseele mai fine se pot realiza doar prin alte metode.

9. Alimenatarea circuitului Pentru alimentarea circuitului vom folosi o sursa stabilizata de 5 volti. Sursa este variabila in curent . Mărirea puterii disponibile la ieşire se realizează cu tranzistorul de putere 01' de tip B0912, În capsulă de tip T0220. Dioda D1 nu are rol În functionarea normală a montajului; ea intervine atunci când, din cauza capacităţii electrice mari prezente la ieşire (provenită de la condensatorul de filtraj al aparatului alimentat), tensiunea de la ieşirea circuitului integrat devine mai mare decât cea de la intrare. În acest caz dioda D1 este polarizată direct.

10. Bibliografie

- -

46

1)Masurări electronice(aparate şi sisteme de măsură numerice): Mihai Antoniu, Ştefan Poli, Eduard Antoniu 2)http://mee.didactic.ro/2cadre4.htm 3) hhttp://www.datasheetcatalog.org/datasheet/microelectronica/mmc4510_mmc45 16.pdf 4) http://www.doctronics.co.uk/4511.htm

5) http://www.microelectronica.ro

- -

47