Frecventmetru Numeric.doc 5c591u

Universiatea : Politehnica Facultatea :Transporturi Specializarea : Telecomenzi si Electronica in Transporturi

Proiect ME/STAD Instrument numeric de mǎsurare: Frecvenţmetru numeric

Îndrumator: SL.Ing.Dr. Nemtoi Lacramioara Student:

Soare Mihai Cristian Grupa : 8314

2014

1

Cuprins 1.Introducere 2.Tema proiectului 3.Schema bloc a aparatului 4.Memoriu tehmic 4.1 Oscilatorul si numaratorul binar 4.2 Decodorul,circuitele de intrare si poarta Şi 4.3 Numaratorul zecimal şi bistabilul de semnalizare a depaşirii gamei de masura 4.4 Circuitele de memorare 4.5 Circuite de afişaj 4.6 Circuitele de protecţie la alimentare greşita 4.7.Date generale despre frecventmetru 4.8.Functionarea frecventemetrului in diferite moduri 4.8.1 Functionarea in regim de frecventmetru 4.8.2Functionarea in regim de periodmetru 4.8.3Masurarea Frecventei 4.8.3 Metode de măsură 4.8.3.1.1Metoda directă 4.8.3.2 Metoda de rezonanţă 4.8.3.3. Metoda numerică 4.8.3.4 Metoda de comparaţie 4.8.4. Masurarea raportului a doua frecvente 4.8.5 Masurarea impulsurilor recurente 4.8.6 Masurarea intervalelor de timp singulare 5.Breviar de calcul 6.Calcul economic siNomenclatorul de componente 7.Schema electrica completǎ(detaliata ) a aparatului 8.Realizarea cablajului 9.Bibliografie

2

1.Introducere Importanţa aparatelor de măsură numerice. Avantaje şi dezavantaje faţă de aparatele analogice. CI ale unui 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 AM. 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). Concluzii: Avantaje: - AMN pot atinge viteze mult mai mari decât cele analogice deoarece au răspunsul independent de amplitudinea semnalului ce poartă mărimea de măsurat(x). - AMN sunt mai robuste(rezistente la şocuri şi vibraţii). - AMN pot funcţiona în orice poziţie. - AMN sunt uşor integrabile în sistemele de măsurare-reglare conduse de calculator. Dezavantaje: 3

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

Circuite logice fundamentale utilizate în AMN -AMN 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 AMN 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. Principalii parametri ai circuitelor logice sunt: -Tensiunea de alimentare(Ucc(TTL)=5V;Udd(CMOS)=3..15V). -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-AUT=numărul de intrări pe care le poate comanda ieşirea circuitului.

4

2. Tema proiectului Proiectarea unui frecvenţmetru numeric care să functioneze la 10MHz cu precizie de + - 1Hz.

5

3. Schema bloc a aparatului

6

Circuitul de intrare are rolul de a converti semnalele de intrare (alternativ, impulsuri) într-o formă compatibilă cu logica interioară a aparatului şi anume într-o succesiune de impulsuri de nivel logic 0 şi 1. Circuitul de intrare are în componenţa sa un atenuator de intrare, un etaj de limitare a tensiunii cu diode Zener pentru protejarea circuitului, un amplificator de intrare care conferă canalului o impedanţă mare de intrare şi o impedanţă mică de ieşire (realizat cu tranzistoare cu efect de câmp), având în acelaşi timp un reglaj de nivel pentru alegerea punctului de basculare la tensiuni pozitive sau negative, precum şi un Trigger Schmitt care transformă semnalul în impulsuri de nivele logice 0 şi 1. Oscilatorul cu cuarţ da un semnal dreptunghiular cu frecvenţa de 1Hz.Acesta constituie tact pt numaratorul binar.Iesirea sa este aplicata unui decodificator care işi activeaza succesiv ieşirile,pe masura ce numaratorul incrementeaza.Primul semnal ce se activeaza este cel de reset(R ) care şterge conţinutul numaratorul zecimal si al bistabilului ce memoreaza daca in decursul numararii s-a deposit capacitatea maxima a numaratorului zecimal.(daca acesta a generat transport-“carry”) Semnalul ce se activeaza la urmatorul tact este baza de timp(BT).Poarta Şi sintetizeaza semnalul de ceas CK pentru numaratorul zecimal.Cat timp BT=1 avem egalitatea CK= u1(t).Numaratorul zecimal incrementeaza pe tranzitiile negative ale semnalului de ceas CK.La urmatorul tact generat de oscillator,semnalul BT devine inactive(0 logic). Semnalul de ceas CK ramane in 0 indiferent de variatiile lui u(t).Numaratorul zecimal contine numarul de tranzitii negative din perioada in care BT=1.Aceasta perioada a durat un tact ,adica o secunda.Numarul respective este deci frecventa semnalului u1(t),in Hz. Urmeaza activarea semnalului LD de incarcare in memorie a continutului numaratorului zecimal.Niste circuite de afisaj vizualizeaza continuu continutul memoriilor.Numaratorul binary ,prin aceste incrementari successive ajunge la capacitate maxima,dupa care la tactul urmator,inscrie zero.Se activeaza din nou semnalul de reset R,procesul continuand.Este posibil ca in intervalul in care se face numararea (BT=1) sa fie numerate mai multe tranzitii ale semnalului u1(t),diferenta fiind maxim 1.Tranzitia suplimentara se datoreaza trecerii lui BT in zero.Daca s-ar fi numarat tranzitiile positive ,era posibil sa se numere si tranzitia semnalului BT in 1.De aceea orice frecvenţmetru numeric prezinta o eroare de o unitate la cifra cea mai putin semnificativa a rezultatului. Pt masurarea frecvenţelor mari,schema are una din urmatoarele particularitaţi: a)numaratorul zecimal are o capacitate mare(8 cifre).Din acest punct de vedere se poate numara pana la un numar mare de tranzitii.Limitarea este insa introdusa de rapiditatea numaratoarelor zecimale si a porţi Şi.Cu numaratoare asincrone TTL tip 7490 se pot 7

masura frecvenţe pana la 10-15MHz.Utilizând numaratoare sincrone TTL 74192 se poate ajunge la o frecvenţa masurata de 20-30MHZ.De la a 6 a zecimala intervine instabilitatea cuarţului si zecimalele urmatoare nu mai pot fi luate in considerare. b) numaratorul zecimal are o capacitate mica(4 cifre) insa baza de timp este comutabila manual sau automat in trepte decadice(1s,100ms,10ms,1 ms,100μs) pentru a masura frecvenţe pana la 10kHz,100kHz,1MHz,100MHz.Raman valabile consideraţiile referitoare la rapiditatea numaratoarelor specificate mai sus. c)pe traseul frecventei necunoscute şi pe cel al bazei de timp se insereaza divizori l:n.Pe calea frecvenţei necunoscute divizorul este realizat in tehnologie ECL,frecventa maxima de intrare fiind aproape de 1GHz.

fx

U 2A

ECL n:l

4 5

2

1 0 1 0 4 -E C L

BT

n:l

8

4.Memoriu tehnic 4.1 Oscilatorul si numaratorul binar Un cristal de cuarţ impreuna cu doua 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 2 15=32768Hz.Condensatorul C2 de 2,2pF asigura un cuplaj slab al cuarţului pentru ca frecvenţa de oscilaţie sa coincide cu cea proprie a cristalului(oscilaţii “libere”).Semnalul dreptunghiular se aplica la intrarea de ceas CK a numaratorului binari asincron de 14 biţi 4020(U20).La ieşirea Q14 a acestuia exista un semnal dreptunghiular cu o frecvenţa de 2 14 ori mai mica,adica de 2Hz.Operatorul U18-A din circuitul 4050 reproduce acest semnal identic din punct de vedere logic.El realizeaza adaptarea dintre circuitul U20 realizat in tehnologie CMOS si circuitul U3(7490) realizat in tehnologie TTL.Un circuit CMOS poate fi alimentat in intre 3 si 15V iar un circuit TTL numai la 5V+-5%. O ieşire de circuit CMOS alimentat in 5V nu este capabila sa absoarba 1,6mA daţi de intrarea unui TTL ţinuta in 0 logic.De aceea ,au fost construite circuite integrate in tehnologie CMOS special pentru interfaţare cu tehnologia TTL.Unul dintre acestea este şi circuitul 4050 ce conţine operatoare buffer.Ele nu modifica valoarea logica a semnalului ,insa alimentate in 5V,sunt capabile sa comande o intrare TTL,primind un semnal de la circuitele CMOS alimentate intre 5si 15V.In aceasta schema ,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 si un numerator pana la 5(intrare B,ieşire QD,QC,QB,QD fiind MSB).La intrarea B este aplicata ieşirea QA ce furnizeaza un semnal cu frecvenţa 1 HZ.Acesta este semnalul de tact.La ieşirile QD,QC,QD, ale numaratorului se obtine un cuvant de 3 biti CBA care ia succesiv timp de o secunda valorile 000,001,010,011,100,000,001

9

10

4.2 Decodorul,circuitele de intrare si poarta Şi

Cuvantul de 3 biţi CBA este decodat de U16(7442= decoder BCDzecimal).Primele 5 ieşiri ale sale se activeaza succesiv( trec in 0 logic).O prima ieşire da semnalul de reset R.Urmeaza activarea ieşirii ce deschide poarta ŞI-NU.Aceasta ieşire este baza de timp BT.Urmeaza activarea semnalului de scriere in memorii ,LD, dupa care ciclu se repeat.Condensatorul C4 (100nF) multistrat ,separa eventuala componenta continua a semnalului cu frecventa necunoscuta.Rezistenta R 7 limiteaza curentul la tensiuni mari de intrare .Dioda D1(1N4148-dioda rapida de semnal mic) limiteaza la -0,7V tensiunea VBE pe alternanţele negative ale semnalului de intrare.Se protejeaza astfel joncţiunea BE a tranzitorului Q1 impotriva polarizarii inverse.Alternanţele pozitive sunt limitate la +0,7V prin joncţiunea BE a tranzistorului care va fi protejat in direct.Alternantele pozitive ale semnalului din intrare se regasesc defazate cu 180 º in colectorul tranzistorului ce lucreaza in clasa C.

11

Poarta Şi-Nu Trigger Schmitt poseda un histerezis,cele 2 tensiuni de prag U 1 si U2 aflandu-se in intervalul 0,8-2V.Semnalul de iesire este dreptunghiular si are frecvenţa egala cu cea a semnalului de la intrarea in frecvenţmetru cat timp restul intrarilor porţii Şi-Nu sunt in 1 logic. Rezulta deci la iesire semnalul de ceas CLK pentru numaratorul zecimal. 4.3 Numaratorul zecimal şi bistabilul de semnalizare a depaşirii gamei de masura

12

Numaratorul zecimal este realizat cu numaratoare zecimale asincrone(7490).In acest numarator, bistabilul A este separate de celelalte si de aceea este necesara conexiunea iesirii sale Q A cu intrarea B a bistabilului urmator.Cei trei bistabili urmatori(B,C,D) numara de la 0 la 5,posedând o reacţie interna pentru evitarea numararii pana la capacitatea maxima. Bistabilii A,B,C,D numara pana la 10,cu ceasul pe intrarea A si ieşirile Q A,QB,QC,QD (QD =MSB).Incrementarea se produce pe tranzitia negative a ceasului si ca atare aceste circuite se pot conecta in cascada,ieşirea unuia constituind intrare de ceas pt urmatorul.Iesirea QD are o tranziţie negative cand numaratorul trece din 9 in 0. Cele 4 numaratoare zecimale numara pana la 9999. Ieşirea QD a ultimului numerator constituie ceas pentru un bistabil de tip D din circuitul 7474. La depaşirea capacitaţii maxime de numarare, ieşirea Q D a ultimului numerator are o tranzitie negative.In bistabilul de tip D se inscrie valoarea logica de la intrarea de date D(1 logic) si LED-ul roşu se aprinde.Ieşirea Q D 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.Dupa ce acestea vor fi memorate,se va active semnalul de reset R pt a se sterge conţinutul numaratoarelor si a bistabilului de memorare a depaşirii(se inscrie 0 peste tot). In acel moment LED-ul roşu se va stinge. Un astfel de numarator este format din mai multe numaratoare de 4 biti, conectate in serie, numite decade de numarare. O decada de numarare este similara cu numaratorul binar de 4 biti, cu deosebirea ca ciclul de numarare se opreste la 10 si nu la 16.

13

Limitarea la 10 a numararii se face cu ajutorul unei reactii convenabile, prin P:dupa primele 9 impulsuri aplicate la intrare, iesirile Q D(Q3), QC(Q2), QB(Q1), QA(Q0) ajung in starea 10012 (cifra 9 in cod binar)la aparitia celui de-al 10-lea impuls, starea devine 10102 (cifra 10 in cod binar)poarta P, avand 1 logic pe intrari, produce la iesirea Z un “0” logic, ceea ce provoaca stergerea celor 4 bistabile, pregatind decada pentru un nou ciclu de numarare de la 0 la 9 (practic starea 10102 dureaza extrem de putin, dar suficient pentru stergere )simultan cu aducerea la 0 a celor 4 bistabile, tranziti 1--> 0 de la iesirea portii P constituie si semnalul de intarre pentru decada urmatoare (transport pentru rangurile superioare) Numaratorul zecimal se obtine prin inserierea mai multor decade (unitai, zeci, sute).

Semnalul produs de bistabilul 3 (bitul cel mai semnificativ) pe iesirea Q3 a decadei unitatilor, constituie semnalul de intrare C pentru decada zecilor. Pentru evitarea aprinderilor false ale segmentelor de afisare, cauzate de tranzitiile parazite, se utilizeaza decodoare prevazute cu circuite de validare. Acesta ingusteaza timpul de deschidere al portii ce comanda segmentul respectiv, si totodata deplazeaza (intarzie) acest in terval de timp i afara zonei tranzitiilor paraazite. 4.4 Circuitele de memorare Pt memorare se pot folosi orice circuite integrare care poseda registri de memorie cu posibilitatea de inscriere şi citire a datelor in mod paralel.Astfel convin oricare din circuitele TTL: - 7475 pentru bistabile de tip D - 7495 registru de deplasare serie/paralel si paralel/paralel - 74193;74192: numerator sincron reversibil presetabil binar/zecimal In schema 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. Incarcarea se face pe perioada cât LD este in 0 logic.Când LD este dezactivat(1 logic) in celulele de memorie se gasesc valorile de pe intrarile B 0 ..B15 din ultimul moment in care LD mai era active.Un LED semnalizeaza valoarea logica a acestui semnal- se aprinde cât timp acesta este active(0 logic).

14

+5 U 14A

B8 U 12A

2 3

R 1 330

1

2

7404

D 1 D 2

13

EN

B8

B9

1

B3 B2

U 15 6 1 9 8 2 3 4 5

M S C C A B C D

O D E ER LK1 LK2 Q A Q B Q C Q D

Q 1 Q 2

U 17A 2 3

D 1 D 2

13 +5

7404

B0

16 15

Q 1 Q 2

EN

Q9

1 14

Q 1 Q 2

7475 U 18A 1 1 1 1

B10

3 2 1 0

2 3

D 1 D 2

13

EN

Q10

16 15

Q 1 Q 2

1 14

Q 1 Q 2

U 13A

B1

1 14

7475

D 4 LED

LD

Q8

16 15

Q 1 Q 2

7495A 7475 B8

U 24A

Q4

2

2 3

D 1 D 2

13

16 15

Q 1 Q 2

EN

U 19A

B11

2 3

1 14

Q 1 Q 2

D 1 D 2

13

16 15

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

7475

Q11

1 14

7475 U 25A 2 3

B4

13

B5

D 1 D 2

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

16 15

Q5 2 3 13

7475

U 26A

B6

U 20A

B12

1 14

2 3 13

D 1 D 2 EN

Q 1 Q 2 Q 1 Q 2

16 15

B13

1 14

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

Q12

16 15 1 14

7475

B8

Q6

D 1 D 2

U 21A 2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

7475

16 15

Q13

1 14

7475

B7

U 22A

U 27A 2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

16 15

Q7

B14

2 3 13

1 14

D 1 D 2

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

Q14

16 15 1 14

7475 7475

B15

U 23A 2 3 13

D 1 D 2

Q 1 Q 2

EN

Q 1 Q 2

16 15 1 14

7475

4.5 Circuite de afişaj Cifrele codificate BCD sunt transcodate in cod specific de 7 segmente de circuitele specializate 7447.Ieşirile circuitului 7447 sunt cu colector in gol .Când apare 0 logic intr-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 in 0(tabelul de mai jos) LED-urile aprinse construiesc cifrele de la 0 la 9.In acest mod se afişeza permanent prin 4 cifre arabe ceea ce se afla in circuitele de memorare.Toţi anozii diodelor dintr-un afişor sunt legaţi impreuna la terminalul “anod comun”.Acesta este legat la alimentare prin trei diode cu Si de 1 A care limiteaza curentul prin LED-uri la o valoare sub 20mA. 15

Q15

Cifra 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

B0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

B1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

B2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

B3 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

a 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0

b 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

c 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

d 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0

e 0 1 0 1 1 1 0 1 0 1

f 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0

g 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0

Daca exista zerouri nesemnificative acestea se blancheaza(nu se afişeaza).Acest lucru se face prin conectarea in lanţ a ieşirii RBO de la circuitul driver 7447 al unei cifre la intrarea RB1 a circuitului driver al cifrei mai putin semnificative vecine.Intrarea RB1 a circuitului cifrei celei mai semnificative se leaga la masa,iar cea a circuitului cifrei celei mai putin semnificative se leaga la 15V.Daca RB1=0 si A=B=C=D=0 atunci si numai atunci afişorul se blancheaza.Orice valoare ar avea

16

RB1 la un circuit driver,daca exista cel putin un 1 logic pe intrarile A,B,C sau D,atunci acel circuit pune RBO pe 1 logic. Afisaj numeric cu 7 segmente Afisajul cu diode electroluminiscente presupune atat circuitele de afisare propriuzise, cat si circuitele de comanda, necesare formarii caracterelor. Afisajele cu led-uri folosesc, in exclusivitate generarea caracterelor prin sinteza din segmente sau puncte luminoase constituite din led-uri individuale. Din punct de vedere electric, afisajele cu led-uri se construiesc cu anod comun, sau cu catod comun

Modulele de afisare cu 7 segmente sunt formate din cate 7 led-uri rectilinii si permit afisarea cifrelor de la 0 la 9. Pentru semnalizarea polaritatii si a depasirii (cifra 1 si doua virgule) se utilizeaza module suplimentare, Comanda (alimentarea) afisoarelor se poate face direct sau multiplexat. In cazul comenzii directe diodele cifrelor ce trebuiesc afisate se alimenteaza simultan. Comanda directa este economica numai la fisaje cu un numar mic de cifre (45); la un numar mai mare se recurge al comanda multiplexata. In acest caz se va folosi un circuit de comanda directa pentru un afisor de 31/2 cifre (1999)

17

4.6 Circuitele de protecţie la alimentare greşita Dioda redresoare de putere de 6 amperi D1 6Si6 protejeaza impotriva conectarii inverse a alimentarii. In cazul cand V` depaşeste circa 6V, la bornele tiristorului T1N200 se depaşeşte 5V( pe D1 polarizata in direct se gaseşte circa 1 V).Dioda Zener 1,5W ZP4V3 se deschide: Vcc=Vz+Vpc Vz= Vcc-Vpc=5-0,7=4,3V Curentul injectat prin Zener in poarta tiristorului il amorseaza şi ca atare el pune la masa catodul diodei D1,taind alimentarea montajului.Curentul de scurtcircuit este limitat de sursa de alimentare la 0,8A.In acest caz,se taie alimentarea si se micşoreaza tensiunea sursei de alimentare.Apoi se cupleaza din nou V` la sursa.Daca alimentate cu mai mult de 5,25 V,circuitele integrate TTL s-ar distruge.

18

4.7.Date generale despre frecventmetru Schema de principiu a unui frecvenţmetru numeric(FN) este prezentata in figura ,unde FI este un circuit de formare a impulsurilor,GE este un generator etalon care de referinţa de timp.(Tm) ,semnal ce comandǎ o poarta(P), care permite sau interzice accesul spre un numerator(N) a impulsurilor de frecvenţa necunoscuta,fx=1/T. Din diagrama de timp,rezultǎ cǎ in intervalul cunoscut,Tm , cât a fost deschisǎ poarta P, spre numǎrǎtor au trecut N impulsuri de perioadǎ Tx si deci N. Tx =Tm ,relaţie care poate fi transcrisǎ in forma: N=Tm . fx ce reprezintǎ ecuaţia de funcţionare a frecvenţmetrului numeric. Se observǎ cǎ rǎspunsul aparatului este independent de amplitudinea tensiunii U(fx),ceea ce face inutilǎ stabilizarea acesteia,cu avantajul cǎ blocul de prelucrare primara a lui U(fx) poate fi realizat cu componente obişnuite, de cost scǎzut. Se mai remarcǎ faptul cǎ mǎsurarea se face prin comparaţie cu o referinţǎ de timp (Tm ) ,ceea ce permite o precizie apropiatǎ de cea a referinţei: ΔTm/Tm =10 -6 …10 -8 ,mult mai bunǎ decât in cazul aparatelor de mǎsurǎ analogice.

Se mai observǎ cǎ rezultatul mǎsurǎrii este afişat printr-un numǎr, ceea ce exclude eroarea de citire(prezentǎ la aparatele de mǎsurǎ analogice).In plus,blocul de afişare neavând pǎrţilor mobile,aparatul poate funcţiona in orice poziţie,la care mai trebuie de adǎugat si posibilitatea cuplǎrii directe cu o imprimantǎ sau a integrǎrii directe intr-un sistem de mǎsurare –reglare condos de calculator. In sfârsit,aparatul lucrând pe principiul tot sau nimic,blocurile funcţionale(bistabile,porţi numǎrǎtoare) pot fi realizate din componente mai puţin pretenţioase şi deci mai ieftine. O altǎ particularitate a frecvenţmetrului numeric descris este cǎ mǎsurarea nu decurge continuu,ci cu intreruperi,secvenţiale de cǎtre un bloc de comandǎ(BC); si se preleveazǎ o secvenţǎ de impulsuri de frecvenţǎ fx ,dupǎ care accesul semnalului U(fx) este oprit pânǎ la terminarea mǎsurǎrii( compararea lui Tx cu Tm), si a afişǎrii rezultatului(durata tipicǎ a secvenţei este de o secundǎ).Dupǎ aceea se permite iarǎşi accesul lui U(fx) pentru prelevarea unei noi secvenţe.Aceasta particularitate este un dezavantaj deoarece impune ca mǎsurandul (x) sa fie staţionar sau,in cel mai rǎu caz,lent variabil,pentru ca pe durata(scurtǎ) prelevǎrii sǎ poatǎ fi considerat constant.In consecinţǎ,aparatul nu poate da informaţii despre evoluţia semnalului in intervalul de timp (Tm ) cât dureazǎ o secvenţǎ de 19

mǎsurare( un aparat de mǎsurǎ analogic,osciloscopul,poate evidenţia evolutia respectivǎ).La acest neajuns mai trebuie adǎugat si faptul cǎ pe afişajul numeric nu se poate desluşi rapid tendinţa de crestere sau descreştere a lui x( in timp ce acul indicator la aparatele de mǎsurǎ analogice o sugereazǎ rapid si comod),motiv pentru care aparatele de masurǎ numerice nu sunt potrivite pentru operatii de depanare.Din acelaşi motiv un operator nu poate supreveghea simultan mai multe asemenea aparate.Pentru eliminarea acestui neajuns,unii constructori completeazǎ afişajul numeric cu unul analogic de tip bargraf,tendinţǎ ce se observǎ mai ales la multimetrele numerice cu microprocesor fabricate in ultimii ani. In sfârşit, un alt nejuns il constituie faptul cǎ majoritatea mǎrimilor electrice si neelectrice sau mǎrimi analogice ,ceea ce impune includerea unui convertor analognumeric pentru transformarea acestor mǎrimi in mǎrimi numerice proportionale.

Erori Din ε fx =Δfx/fx =ΔTm/Tm+ΔN/N In care εo= ΔTm/Tm=Δfo /f o reprezinta eroarea de baza a etalonului de frecventa(10 6 ..10-8) ,iar εN =ΔN/N este eroarea numaratorului.Eroarea ΔN este egala cu modificarea cu o unitate a cifrei ultimului rang,adica ΔN= + - 1 si se datoreaza faptului ca semnalul de intrare sic el al bazei de timp nu sunt sincronizate intre ele ,si ca urmare,ultimul impuls de numarat poate sa incapa sau nu in intervalul Tm. Observatie: deoarece ΔN= + - 1,adica cea mai mica variatie receptibila la iesirea frecventmetrului(afisajul cu numere),eroarea εN = + - 1/N reprezinta tocmai rezolutia aparatului. ε fx = εo + εN unde εo = Δfo /f o, εN=1/N care arata ca eroarea ε fx este cu atat mai mica cu cat numarul afisat (N) este mai mare. Daca εN este de acelasi ordin cu εo rezulta ca ε fx=10-6 ..10 -8 ceea ce arata ca frecventmetrul numeric este cel mai précis aparat de masura.Pe de alta parte,pentru ca εN<= εo =10-6 ..10 -8 este necesar ca N>= 106 …108 ,si deci ,pentru a putea pune in valoare inalta precizie a etalonului de frecventa trebuie ca numarul de cifre ale afisajului sa fie mai mare sau cel putin egal cu exponentul preciziei etalonului.De exemplu ,daca etalonul are precizia εo =10 -8 ,frecventmetrul trebuie sa aiba cel putin 8 cifre afisabile. Aceasta discutie s-a referit la precizia nominala a aparatului(ε fx minima).Insa la micsorarea frecventei semnalului de intrare(fx), eroarea ε fx creste,deoarece numarul de impulsuri contorizate(N) in intervalul Tm scade,situatie similara cu aceea intalnita la aparatele de masura analogice.Micsorarea in continuare a lui ε N pe seama cresterii lui Tm nu mai este convenabila,deoarece aparatul devine prea lent. Eroarea de masurare a frecventei ε fx este minima cand numarul afisat(N) este maxim,creste la micsorarea frecventei semnalului de masurat(fx) si devine exagerat de mare(o,1…1%)cand fx coboara sub 100Hz. Deducerea expresiei erorii s-a facut in ipoteza ca triggerul Schmitt(TS) functioneaza correct,adica la fiecare perioada a lui U(fx) aceste da un singur impuls la 20

iesire.In caz contrar,pot aparea situatii de functionare anormala a frecventmetrului.In practica, se intalnesc frecvent urmatoarele asemenea situatii: -Semnalul U(fx) este puternic deformat.In acest caz daca fereastra triggerului formator(TS) este prea ingusta apar mai multe impulsuri intr-o perioada(Tx),ceea ce duce la o eroare suplimentara importanta: eroarea de trigger.Pentru evitarea acestei anomalii se largeste corespunzator fereastra triggerului.Evident,fereastra F trebuie sa fie axata pe linia de zero sau pe componenta continua a semnalului de intrare U(fx) -Semnalul U(fx) este insotit de zgomot.Situatia este similara cazului precedent,cu precizarea ca impulsurile parasite determinate de alegerea necorespunzatoare a ferestrei au un caracter aleator,rezultatul afisarii fiind instabil.Solutia consta in alegerea ferestrei cu cel putin 10..20% mai mare decat amplitudinea maxima a zgomotului suprapus peste semnalul util si axarea acesteia pe linia de zero,sau pe componenta continua a lui U(fx). -Semnalul U(fx) este modulat in amplitudine.Si in acest caz este necesar ca fereastra F sa fie axata pe linia de zero,sau pe componenta continua a lui U(fx) insa deschiderea acesteia trebuie sa fie mai mica decat latimea minima a infasuratoarei. Limite de masura Limita inferioara(fxmin) este de ordinal zecilor de Hz si este impusa de catre eroarea de numarator εN . Limita superioara(fxmax) este de ordinal zecilor de MHz si este hotarata,in principal,de viteza de lucru a triggerului formator (TS),care nu depaseste 30…50MHz.Pentru cresterea limitei fxmax se poate allege una din solutiile urmatoare: 1.Utilizarea unui divisor de frecventa(tipic 1/10) pe intrare,situatie in care f xmax poate atinge 100…500MHz. 2.Utilizarea unui bloc de heterodinare,caz in care f xmax poate atinge ordinal zecilor de GHz. 4.8.Functionarea frecventemetrului in diferite moduri 4.8.1 Functionarea in regim de frecventmetru In regim de frecventmetru,aparatul functioneaza dupa acelasi principiu expus mai inainte si ofera cea mai buna precizie de masurare in raport cu celelalte functionalitati.Datorita acestei pretioase insusiri,frecventmetrele sunt prevazute si cu sertare auxiliare ce permit masurarea si a altor marimi convertibile in frecventa ca,de exemplu,turatia si tensiunea. Similar cu regimul de frecventmetru,aparatul poate functiona si in regim de totalizator( de unde si denumirea de numerator universal);in acest caz,deschiderea si inchiderea portii principale se face din exterior( si nu din baza de timp interna),fie manual(un buton de START/STOP),fie cu doua semnale de comanda( de regula compatibile TTL/CMOS) Pentru masurarea turatiei -nx ( in rot/min) – se utilizeaza un traductor de turatie( de exemplu, un disc cu fante plasat solidar pe axul de rotatie, in campul unui 21

sensor fotoelectric) care da la iesire unul sau mai multe impulsuri la o rotatie completa.Acestea sunt numerate intr-un timp Tm=60s si ca urmare ,numarul(N) afisat de numerator va fi proportional cu nx.Daca traductorul da un singur impuls pe rotatie,N rezulta direct in rot/min. Masurarea ternsiunii presupune utilizarea unui circuit de conversie tensiunefrecventa a carui caracteristica de transfer trebuie sa fie perfect liniara 4.8.2Functionarea in regim de periodmetru La frecvente joase( sub 1KHz) este mai convenabil de masurat perioada( Tx=1/f x) deoarece se obtine o precizie mai buna decat la masurarea directa a frecventei fx. Pentru a functiona ca periodmetru semnalul necunoscut U(fx ) sic el al bazei de timp isi inverseaza rolurile,adica poarta principala(P) este comandata cu un impuls avand durata Tx( sau n Tx) iar cu semnalul calibrat(To) se masoara perioada necunoscuta(Tx) de unde rezulta ecuatia de functionare: Tx=N To.

Pentru a micsora eroare de numerator( εN=1/N) se poate recurge la cresterea numarului de impulsuri contorizate N, de regula ,pe baza selectarii mai multor perioade( n Tx) situatie in care ecuatia de functionare devine N= (n Tx)/To. Selectarea intervalului de masura Tm=n Tx se face cu ajutorul unui selector de perioade, care nu este altceva decat divizorul de frecventa al bazei de timp(DF), conectat acum la iesirea formatorului trigger Schmitt.In felul acesta ,timpul de masura Tm poate fi extins la 10Tx,100Tx….nTx, limita superioara( de regula 10 s) fiind 22

impusa de viteza de lucru a aparatului( numarul de masurari/secunda).Bistabilul T(TF) serveste la transformarea semnalului de perioada nTx,in impulsuri de durata Tm=n Tx. Erori Ca si in regim de frecventmetru ,precizia masurarii este data ,in principal tot de calitatea generatorului etalon(GE) precum si de incertitudinea de numarare de + - 1 impuls.Eroarea de baza (εTx ) se deduce imediat tinand cont ca ΔT o/To=εo si ΔTx/Tx=εTx : εTx=εo+ε N in care εo si ε N au aceeasi semnificatie.Aceasta relatie arata ca la frecvente joase(Tx mare) eroarea de masura ε Tx poate fi mult mai mica decat la masurarea directa a lui fx ,deoarece,numarul afisat(N) devine mult mai mare. De exemplu, la frecventa de 100Hz(Tx=10ms) si To=0,1μs,numarul afisat va fi N=10 2 /10-7=10-5 si deci ε N=1/N=10-5 ,iar daca se selecteaza 10Tx sau 100Tx, ε N coboara la 10-6,respective 10-7,valori de acelasi ordin de marime cu εo .In schimb ,daca s-ar fi masurat frecventa direct,pentru fx=100Hz s-ar fi obtinut (cu Tm=1s): N=100 si deci ε -2 ,valoare mult mai mare decat in cazul masurarii lui Tx.Totusi ,daca fx N =10 creste,avantajul periodmetrului fata de frecventmetru poate disparea.De exemplu la frecventa de 10kHz,in conditiile mentionate(regim de periodmetru cu To=10 -7s , εo=10-7 ) se obtine N=10-4/10-7=103 si deci ε N=10-3,iar daca se masoara direct fx, se obtine ε N 1/104=10-4,ceea ce arata ca in asemenea situatii(frecventa fx ridicate) devine mai avantajoasa masurarea directa a lui fx. Aceasta discutie arata ca exista o frecventa critica(f xc)sub care este avantajos de utilizat aparatul ca periodmetru si ca peste aceasta frecventa aparatul trebuie utilizat ca frecventmetru.Frecventa critica((fxc) poate fi calculate impunand conditia ca eroarea de numarare sa fie aceeasi in ambele cazuri(1/N Tx=1/Nfx),conditie care conduce la relatia NTx=Nfx,in care NTx si Nfx reprezinta numerele afisate la functionarea ca periodmetru si respectiv frecventmetru . Eroarea de basculare.Expresia εTx=εo+ε N a fost dedusa in ipoteza ca impulsul de durata Tm=n Tx care comanda poarta P are fronturile clare,ideale.In realitate,U(f x) poate fi deformata de zgomote,ceea ce duce la aparitia unei erori suplimentare numita eroare de trigger (εtg) sau eroare de basculare.In consecinta,eroarea totala la masurarea lui Tx devine: εTx=εo +εN+εtg=ΔTo/To+1/N+ εtg Eroarea de trigger(εtg) provine din incertitudinea de basculare a formatorului TS provocata de catre zgomotul (Uz) suprapus peste U(fx).Datorita acestei incertitudini,perioada semnalului triggerat(Txt) nu produce exact perioada semnalului de masurat(Tx),ci variaza intre o valoare maxima T xmax=Tx+2ΔT si una minima Txmin=Tx-2ΔT,adica Txt=Tx+ - 2ΔT, in care 2ΔT reprezinta incertitudinea absoluta de basculare a triggerului TS; aceasta incertitudine se transmite in intregime portii principale P, care prescrie timpul de masura ( Tm).Prin urmare eroarea de basculare este εtg= + - (2ΔT)/Tm x 100[%] Tm=Tx,2Tx….nTx

23

Eroarea de trigger este mult mai importanta la masurarea perioadei ( si altor intervale de timp) decat la masurarea frecventei(unde poate fi eliminate complet prin simpla reglare a pragului triggerului) si de aceea,sunt necesare precautii pentru micsorarea acesteia: - selectarea unui numar mare de perioade(nTx) - reglarea corespunzatoare a nivelului semnalului de intrare precum si a pragului de declansare a triggerului in asa fel incat fereastra acestuia sa fie minima 4.8.3Masurarea Frecventei Un semnal sinusoidal s(t) este periodic, dacă se repetă după un interval de timp T numit perioadă. Semnalul electric periodic care variază în timp, ajunge la aceaşi valoare a amplitudinii după o perioadă, ceea ce matematic se poate scrie: s(t)=s(t+T). Inversul perioadei unui semnal electric se numeşte frecvenţă. Relaţia matematică dintre cele două mărimi este: f = 1/T. Frecvenţa unui semnal electric periodic, care variază în timp, ne arată de câte ori se repetă semnalul într-o perioadă dată de timp, de obicei 1sec. Unitatea de măsură a frecvenţei în sistemul internaţional este hertz-ul, având ca simbol notaţia Hz. Un semnal electric care are frecvenţa de 1Hz, este un semnal care se repetă în fiecare secundă. Aparatul de măsură utilizat pentru măsurarea frecvenţei, se numeşte frecvenţmetru. După modul de realizare frecvenţmetrele se clasifică în: • analogice, la care valoarea măsurată este indicată continuu pe o scară gradată, cu ajutorul unui ac indicator • numerice, la care valoarea măsurată este indicată prin valori numerice discrete, cu ajutorul unui afişaj electronic 4.8.3.1Metode 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. 4.8.3.1.1 Metoda directă

24

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: - 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 4.8.3.2 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 %. 4.8.3.3. 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  domeniu de măsură mai mare 25

 permit măsurarea perioadei unui semnal, a duratei de timp a unui impuls măsurarea numărului de impulsuri şi raportul a două frecvenţe. 4.8.3.4 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 aplica tensiunea de frecventa cunoscuta 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 printrun 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 releţia:

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.

26

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 4.8.4Masurarea raportului a doua frecvente La masurarea raportului a doua frecvente ,aparatul functioneaza,de regula in schema periodmetru.Dupa formare,semnalul de frecventa mai mare U(f1),se aplica direct portii P,iar semnalul de frecventa mai mica U(f 2) se utilizeaza ca baza de timp,asa cum sugereaza figura.

27

Din schema se deduc relatiile: N.T1=n.T2 ; N=n .f1/f2 Care arata ca numarul afisat N,este proportional cu raportul f 1/f2.Ca si in cazul periodmetrului ,n se alege astfel incat eroarea de numarare sa fie cat mai mica,la un timp de masura rezonabil.Este evident ca n va fi cu atat mai mare cu cat frecventele f 1 si f 2 sunt mai apropiate. 4.8.5 Masurarea impulsurilor recurente Masurarea impulsurilor recurente cere,pe langa frecventa ,sau perioada,si determinarea latimii impulsurilor,sau a distantei dintre ele. Frecventa de recurenta a impulsurilor se masoara la fel ca si la semnalele sinusoidale direct sau prin intermediul perioadei.Circuitul de intrare are aici rolul de regenerare a fronturilor si de eliminare a zgomotelor. a)Masurarea duratei impulsurilor recurente Masurarea duratei impulsurilor sau a distantei dintre acestea se poate face cu aparatul functionand intr-o schema similara cu cea de periodmetru.

28

Definirea duraei impulsurilor: se stie ca durata unui impuls( θ) reprezinta intervalul de timp dintre frontal ascedent (pozitiv) si cel descendent(negative),luate la 50% din amplitudinea acestuia. Principiul masurarii: Trecerea impulsului de masurat din punctele A si B este sesizata de catre triggerul TS,care are rolul de formator.Acesta are atat iesire normala cat si iesire inversata,pentru a permite comutatorului K alegerea functiei: masurarea duratei sau masurarea distantei intre impulsuri(deoarece nivelul de declansare de 50% este valabil atat pentru evaluarea duratei cat si a distantei).Circuitele TS1( cu declansare pe front pozitiv)si TS2(cu declansare pe front negativ) sunt monostabile cu trigger Schmitt pe intrare care emit cate un impuls scurt,distanta dintre acestea reprezentant tocmai durata θ.Cu aceste impulsuri se actioneaza un bistabil RS(TF) ce da la iesire un semnal de latime θ ,care comanda poarta principala(P).Pe durata cat poarta P este deschisa,spre numerator trec N impulsuri de perioada cunoscuta To,deci N. To=θ ,relatie din care decurge ecuatia de functionare: N=K θ, unde K=1/To.

Observatie: Pe acelasi principiu se masoara si durata impulsurilor singulare,insa in acest caz trebuie ca blocul de afisare sa fie dotat cu registru de memorare pentru a evita erorile cauzate de o afisare anterioara,acest registru poate fi sters printr-o comanda manuala de pe panoul frontal Erori la masurarea impulsurilor.Ca si in cazul masurarii frecventei sau perioadei, resulta ca si masurarea duratei impulsurilor este afectata de erori dupa cum urmeaza : 29

εo =ε o +εN+εtg=ΔTo/To+1/N + εtg in care prin ε o a fost notat Δθ/θ. Eroarea de basculare(εtg) provine de la triggerul formator(TS) de la intrarea aparatului.Daca acesta are fereastra F prea mare,latimea impulsului produs la iesire(θ’) difera de cea a impulsului de masurat(θ),deoarece pantele frontului ascendent si descendent difera intre ele.Pentru reducerea lui εtg se micsoreaza cat mai mult fereastra triggerului formator. In absenta compensarii automate a ferestrei triggerului pentru masurarea impulsurilor repetitive,o anumita micsorare a lui ε tg se poate obtine cu ajutorul selectorului de perioade,intocmai ca la masurarea lui Tx,operatia permite si micsorarea erorii εN=1/N b)Masurarea intervalului dintre impulsuri Masurarea intervalului dintre doua impulsuri consecutive(L) se face cu aceeasi schema ca si la masurarea duratei (θ),cu deosebirea ca se schimba pozitia comutatorului K.In noua situatie,triggerul TS declanseaza tot pe nivelul 50%,al semnalului de intrare,dar TSI declanseaza pe frontul descendent al primului impuls,iar TS2 pe frontul ascendent al urmatorului impuls si ca urmare,distanta dintre impulsurile emise de catre TS1 si TS2 devine egala cu L.Bistabilul TF converteste aceste doua impulsuri scurte intrun semnal unic de latime L ,ce serveste la comanda portii principale P. Ecuatia de functionare se deduce pe baza faptului ca in intervalul de timp (L) cat poarta P a fost deschisa ,spre numarator au trecut N impulsuri de perioada To adica L=N To si deci N=K L, unde K=1/To. Eroarea de masurare εL=ΔL/L Observatii: -

-

pentru a nu introduce o eroare suplimentara in timpul de deschidere al portii P,bistabilul TF trebuie sa aibe timpi de comutare identici atat la comanda S(cu semnificatia Start) ,cat si la comanda R(cu semnificatia Stop) distanta dintre doua impulsuri consecutive(L) se poate masura si indirect prin intermediul relatie L=T-θ.Insa,in acest caz ,eroarea(ΔL/L)este mai mare decat la masurarea directa,atat din cauza ca intervin doua erori(ΔT/T si Δ θ/ θ) cat si mai ales,din faptul ca L rezulta dintr-o diferenta a doua marimi,situatie in care ΔL/L devine exagerat de mare daca θ se apropie de T,cum este cazul impulsurilor lungi. Exista frecventmetre/cronometre,care permit masurarea si a factorului de umplere( γ=θ/T) al impulsurilor recurente Facilitatea de a permite masurarea duratei si distantei (θ si L) impulsurilor recurente determina utilizarea,uneori,a denumirii de intervolometru pentru aparatul care o poate realiza.

4.8.6 Masurarea intervalelor de timp singulare

30

Pentru astfel de masurari aparatul functioneaza in schema de cronometru,de unde si denumirea de frecventmetru/cronometru. a)Masurarea unui interval de timp oarecare In acest caz poarta P este comandata extern cu ajutorul a doua semnale:Star si Stop.Acestea sunt formate din circuitele TS1 si TS2 ca impulsuri scurte,care sa delimiteze timpul de masurat( τx), aceste impulsuri actioneaza un bistabil(TF), care formeaza semnalul de durata τx , cu ajutorul caruia se comanda deschiderea si inchiderea portii principale P.In intervalul τx ,cat poarta este deschisa ,spre numarator trec N impulsuri de perioada m .To, adica τx =N.m.To si deci: N=K. τx, K=1/(m.To), m=1,10,100

Eroarea de masurare ετ este de aceeasi forma cu observatia ca aici eroare de trigger ε tg este datorata si circuitelor externe de generare a comenzilor Star si Stop;daca acestea sunt produse manual (de exemplu,cu doua butoane),atunci eroarea εtg,care se datoreaza incertitudinii operatorului la comanda butoanelor Start/Stop,este sensibil mai mare.Eroarea de numarator εN ,poate fi minimizata prin alegerea bazei de timp(comutatorul K) ,astfel incat numaratorul sa totalizeze cat mai multe impulsuri ,pentru intrevalul , τx, ce trebuie masurat. b) Masurarea duratei de inchidere a unui releu Timpul de inchidere la un releu reprezinta intervalul de timp t x ,cuprins intre momentul t1 al inchiderii ului de comanda(K1) si momentul t2, al inchiderii ului K2.Momentele t1 si t2 sunt traduse prin semnalele electrice treapta cu ajutorul carora se obtine( prin circuite de formare adecvate si un bistabil de comanda a portii) semnalul de durata tx,ce poate fi masurat. 31

5. Breviar de calcul Circuitul de intrare: - f= 10 MHz = 10x106 Hz Se bazeaza pe masurarea numerica a frecventei, care consta, in principiu, in numararea a N perioade ale semnalului periodic respectiv intr-un interval de timp t:

Se mai remarcǎ faptul cǎ mǎsurarea se face prin comparaţie cu o referinţǎ de timp (Tm ) ,ceea ce permite o precizie apropiatǎ de cea a referinţei: ΔTm/Tm =10 -6 …10 -8 Daca t= 1s => f = N = 10 MHz Daca t = 100 s => f = N/100 => N = 103 MHz Daca t = 1 us => f = Nx106 => N= 10 Hz

32

6.Calcul economic Nr. Componente crt

Valoare

Cod

1.

Rezistente

2.

Condensatori

1kΩ 10k 100Ω 330kΩ 820k 10nF 1uF 2,2pF 100nF

3

Circuite Inversoare Cristal cu cuart Poarta Si-Nu Decodor Diode

1 1 1 4 3 2 1 1 1 U19-A 4069 1 U19-B 4069 1 1 SN7413 1 7442 1 1N4148 1 1N4001 4 6516 1 ZP4V3 1 SN7475 12 BC107 1 T1N200 1 U20-4020 1 SN7490 1 MDC1101 3 7490 5

0,5 0,6 0,8 0,8 0,8 0,4 0,5 0,5 0,6 2 2 1,5 0,80 4 0,7 0,7 0,7 0,7 12x3 0,4 1 5 6 3x0,66 5

7495

4,4 77,5 lei

4. 5 6 7

8 9. 10. 11. 12. 13 14.

Bistabil D Tranzistori Tiristor Numarator binar Divizor Led-uri Numarator zecimal sincron 15. Registru de deplasare

Nr.Componente Pret

33

1 Total

Nomenclatorul de componente Nr. Componente crt

Valoare

Cod

1.

Rezistente

2.

Condensatori

1kΩ 10k 100Ω 330kΩ 820k 10nF 1uF 2,2pF 100nF

3

Circuite Inversoare Cristal cu cuart Poarta Si-Nu Decodor Diode

1 1 1 4 3 2 1 1 1 U19-A 4069 1 U19-B 4069 1 1 SN7413 1 7442 1 1N4148 1 1N4001 4 6516 1 ZP4V3 1 SN7475 1 BC107 1 T1N200 1 U20-4020 1 SN7490 1 MDC1101 3 7490 5

4. 5 6 7

8 9. 10. 11. 12. 13 14.

Bistabil D Tranzistori Tiristor Numarator binar Divizor Led-uri Numarator zecimal sincron 15. Registru de deplasare

Nr.Componente

7495

34

1

7.Schema electrica completa(detaliata ) a aparatului +5 U 14A

B8 U 12A

U4 14 1

U 3A 1

R7

C LKA C LKB

2 3 6 7

7404

1k Q1

14

U 11A 1 2

2

2 3 6 7

R4

R 01 R 02 R 91 R 92

12 9 8 11

7

4069

7413

14 1

C LKA C LKB

2 3 6 7

R 01 R 02 R 91 R 92

U 12

B6 B7

12 9 8 11

B1

B8 B9 B10 B11

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

13 12 11 10

13

7495A

7404

3

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

Q4

16 15

16

14

2

C LK RST VCC

7

4069

C2

C3

1n

10nF

1

B4

U 2A

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 6 7

2 3 13

14

2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

C LKA C LKB R 01 R 02 R 91 R 92 7490

QA QB QC QD

12 9 8 11

Q10

16 15 1 14

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

Q11

16 15 1 14

7475

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

Q5

16 15

U 20A

B12

1 14

2 3 13

7475

1

2 7404

U 26A R1

B6

2 3

330

13

D1 D2

Q1 Q2

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

Q12

16 15 1 14

EN

Q1 Q2

D 1 +5 LED

7475

B8

Q6

16 15

U 21A

B13

1 14

2 3 13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

7475

4020

Y1

D1 D2

U 1A

U8 14 1

13

B5

7490

1 14

Q13

16 15 1 14

7475 U 22A

U 7A 4069

U 27A

B7

2 3

1

13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

Q7

16 15

B14

2 3

D1 D2

13

1 14

EN

Q14

16 15

Q1 Q2

1 14

Q1 Q2

7

XT A L

11

2 3

B13 B14 B15

Q9

16 15

U 19A

B11

1 14

U 25A

B12

2

10 U 6A

R 01 R 02 R 91 R 92

12 9 8 11

7404

U3

820k

1

C

Q1 Q2

7475

A B C D

A B R5

2 3 6 7

Q1 Q2

EN

7475

13

QA QB QC QD

1 14

B8

U 24A 2 3

C LKA C LKB

Q8

16 15

U 18A 2 3

15 14 13 12 2

4050

D1 D2

U 13A

B0

U7 14 1

Q1 Q2

7475

B10

+5

2A

Q1 Q2

EN

U 17A 2 3

U 15 6 1 9 8 2 3 4 5

B3 B2

QA QB QC QD

+5

B4 B5

7490

7442

7490

330k

12 9 8 11

QA QB QC QD

U 67 4 9 0

+5

LE D

1k

R 01 R 02 R 91 R 92

6

1 2 3 4 5 6 7 9 10 11

1uF

QA QB QC QD

LD

C LKA C LKB

2 3 6 7

U 13A

4 5

Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y9

C1

D2

R2

C LKA C LKB

B8

B9

U5

D1 D2

7475

D4 LED

14 1

T

U1

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

C4

330 12 9 8 11

2

IN

2

2 3

R1

7475

7475 R6

B15

820k

U 23A 2 3 13

D1 D2

Q1 Q2

EN

Q1 Q2

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

7447

QA QB QC QD QE QF QG

C LK C LR

2

D1

3 D2

D3

M D 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

QA QB QC QD QE QF QG

7447 +5

3

MD 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

6 2 1 7

RBI LT

G F E D C B A

D3 D2 D1 D0 7447

V+

D3 D 3 ZP4V3 Q2

T1N 200

R1 1k

4 14 15 9 10 11 12 13

2 3

U5 18 16 13 9 8 6 4

QA QB QC QD QE QF QG M D E 2101

+5V D1

Vpc

C LK C LR

M D E 2101

B I/R B O 5 3

6516

QA QB QC QD QE QF QG

U 10

+5

35

2

C LK C LR

C LK C LR

2 3

16 15 1 14

Q15

8.Realizarea cablajului Metode de realizare a circuitelor imprimate sunt multiple.Dintre acestea ,cele mai utilizate sunt: metoda cu radiatii UV( utilizata in cazul cablajelor fotorezistive) si metoda foliei de transfer de tip PnP. Realizarea cablajelor imprimate de serie mica sau unicat poate fi realizata prin diferite metode,una dintre acestea fiind si utilizarea foliei de transfer de tip PNP(PRESS and PEEL=apasa si dezlipeste). Aceasta tehnologie de realizare a cablajelor se bazeaza pe o folie de tip special. Etape de realizare ale cablajului imprimat sunt:  se realizeaza desenul cablajului imprimat ,fie manual,fie prin intermediul unor programe specializare(ORCAD,PROTEL,CIRCUIT MAKER)  acest desen,considerat pozitiv se copiaza cu ajutorul unui copiator pe folia de tip PnP.Tonerul copiatorului va adera la folia PnP,realizand pe aceasta desenul negativ(in oglinda) al desenul de cablaj  se pregateste placuta de cablaj imprimat,taindu-se la dimensiunea necesara slefuindu-se cu un glasspapier foarte fin;  se degreseaza placa de cablaj imprimat,in vederea curatirii de oxizi si grasimi prin scufundarea acesteia intr-o solutie slaba de acid: HNO3+Cu=Cu(NO3)2+H2  dupa 30 de secunde se scoate,se spala sub un jet de apa iar apoi se usuca  fara sa se atinga cu mana cablajul se suprapune peste acesta folia de transfer de tip PnP  cu ajutorul unui fier de calcat,reglat la temperature de 200 pana la 225 de grade Celsius,se incalzeste suprafata foliei avandu-se grija sa existe un permanent intre fierul de calcat si folie;  se are in vedere faptul ca toata suprafata foliei sa fie uniform incalzita,aceasta realizandu-se prin miscari circulare ale fierului de calcat.De regula ,timpul necesar transferarii tonerului de pe folie pe placa de cablaj imprimat este intre 60 si 120 de secunte.In mod normal acest timp este dependent de marimea suprafetei de transferat. Operatiunea se considera incheiata cand prin folia transparenta se observa perfect traseul desenat  se lasa sa se raceasca cablajul si folia dupa care ,cu mare atentie se dezlipeste incepand de la colturi.Se vizualizeaza desenul transferat pe cablaj,se compara cu originalul si daca este nevoie se corecteaza cu ajutorul unui marker traseele intrerupte;  se introduce placa de cablaj imprimat intr-o solutie de clorura ferica de o concetratie adecvata.In urma reactiei chimice care are loc : 2FeCl3+3Cu=3CuCl2+2Fe traseele neacoperite sunt corodate,obtinandu-se in final copia fidela in cupru a traseului desenat.Timpul de corodare depinde de concentratia solutiei de clorura ferica,de temperature si de gradul de agitatie a acestuia; 36

 dupa terminarea corodarii se scoate placa de cablaj imprimat din solutie,se spala sub jet de apa,se usuca ,se indeparteaza cu ajutorul unui praf abraziv tonerul depus,se acopera suprafata de cupru cu o solutie de colofoniu dizolvat in alcool;  dupa aceasta operatie placa de cablaj imprimat poate fi utilizata in vederea gauriri ei si a montarii pieselor electronice; Aceasta tehnologie este ideala pentru cablaje unicat sau de serie mica de complexitate medie.Traseele de cablaj realizare nu pot avea dimensiuni mai mici de 0,8 mm.Traseele mai fine se pot realize doar prin alte metode.

37

9.Bibliografie Masurari electronice :Stefan Antoniu,Stefan Poli,Eduard Antoniu http://www.azp.ro/scheme-electronice/aparate-de-masura/26-frecventmetru-100hz-4mhzextensibil-la-1ghz http://mee.didactic.ro/2cadre4.htm http://www.madlab.org/kits/frqmeter.html http://www.mcselec.com/index.php? option=com_content&task=view&id=169&Itemid=57 http://www.ikalogic.com/freq_meter.php http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/FRECVENTMETRE1619242219.php

38