Frecvențmetru Numeric

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:

-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.

2. Tema proiectului

Proiectarea unui frecvenţmetru numeric care să functioneze la 20MHz cu precizie de + - 0,1Hz.Numaratorul zecimal va avea o capacitate de 8 cifre si baza de timp comutabilă manual sau automat in trepte decadice( 1s- 100 μs).

3. Schema bloc a aparatului

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 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.