UNIVERSITATEA “POLITEHNICĂ” DIN BUCUREŞTIFACULTATEA TRANSPORTURICATEDRA TELECOMENZI SI ELECTRONICĂ ÎN TRANSPORTURI

Proiect MES/STADINSTRUMENT NUMERIC

DE MĂSURARE:

Aparat de măsură tip cronometru(faradmetru numeric)

Îndrumător: Autor:

S.l.drd.ing. Nemtoi Mihaela

2009

CUPRINS

1.Itroducere

2.Tema proiectului

3.Schema bloc a aparatului

4.Memoriu tehnic

5.Breviar de calcul

6.Calculul economic

7.Schema electrică completă a aparatului

8.Bibliografie

1 IntroducereImportanţa 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

Tema proiectului este aparat de măsură de tip cronometru(faradmetru numeric) care să măsoare capacităţi în gamele 20uF, 2uF, 20nF, 2nF cu o precizie de 0,5%.

Posibilitatea măsurării unui interval de timp pe cale numerică este exploatată şi la măsurarea unor parametri de circuit legaţi de timp, cum sunt R,L,C, sau defazajul φ.

3.SCHEMA BLOC A APARATULUI

Un faradmetru se poate realiza conform schemei bloc de mai sus. Condensatorul de măsurat Cx este mai întâi descărcat prin şuntarea cu comutatorul electronic K. După deschiderea lui K, tensiunea la bornele condensatorului Cx creşte după ecuaţia:

Uc=E*[1-exp(-t/R0*Cx)] (1)

În momentul t1, când Uc devine egală cu prima tensiune de referinţă U1, comparatorul CT1 basculează determinând apariţia unui impuls la ieşirea formatorului CF, care pune bistabilul TF în 1 logic, deschizând poarta P. În momentul t2, când Uc atinge referinţa U2, comparatorul CT2 emite un impuls (prin formatorul CF) care readuce bistabilul TF în 0 logic, ceea ce provoacă închiderea porţii P. În intervalul Tm, cât P a fost deschisă, spre numărător au trecut N impulsuri de perioadă T0, adică N*T0=Tm. Pe de altă parte, din (1) pentru t1 şi t2 se obţine relaţia:

Tm=t2-t1=R0*Cx*ln(E-U1)/(E-U2) (2)

care asociată cu relaţia N=a*Cx, a=f0*R0conduce la ecuaţia de funcţionare a faradmetrului:

N=a*Cx, a=R0/T0*ln(E-U1)/(E-U2)=const. (3)

Faradmetrul analizat este mai simplu decât o altă schemă bloc, însă necesită trei tensiuni stabilizate(E,U1 şi U2).

4. MEMORIU TEHNIC

Comparatoare de tensiune

Aparatele de măsură numerice funcţionează pe principiul comparării a două intervale de timp sau a două tensiuni. În ultimul caz, un rol important îl are comparatorul de tensiune(CT). Acesta este un amplificator operaţional specializat, ce permite compararea unei tensiuni necunoscute(Ux) cu alta (Ur) luată drept referinţă; la ieşire, comparatorul semnalează dacă Ux este mai mare sau mai mică decât Ur prin nivelul tensiunii de ieşire(Uo), care poate lua doar două valori: 0 logic(tensiune de ieşire negativă) sau 1 logic(tensiune de ieşire pozitivă), întocmai ca la porţie logice.

Această particularitate plasează comparatoarele de tensiune în familia circuitelor de interfaţă, deoarece au semnal analogic la intrare şi semnal logic la ieşire.

În aparatele de măsură numerice, comparatoarele de tensiune se utilizează ca detectoare de prag, la realizarea convertoarelor analog-numerice sau a celor de tensiune-timp, la circuitele de citire a memoriilor, şi ca receptoare de linie.

Circuite de bază

Cel mai simplu comparator de tensiune poate fi realizat cu un amplificator operaţional rapid(709) în bucla deschisă, ca în figura 1, unde Ui şi Ur sunt tensiunea de intrare şi respectiv cea de referinţă, Ud este tensiunea de intrare diferenţială, iar Uo este tensiunea de ieşire. Datorită amplificării foarte mari a amplificatorului operaţional în buclă deschisă (Ao=10^5… 10^6), caracteristica de transfer a acestuia aproximează suficient de bine caracteristica ideală a unui comparator de tensiune.

-

+

CTUi

Ur

UoUd

Fig. 1 Comparatorul de tensiune

Deoarece diferenţa Ui-Ur, pentru care Uo urcă în 1 logic, e foarte mică(sub 0,1…1mV), ceea ce înseamnă că Ui-Ur=0, se poate afirma că un comparator de tensiune sesizează egalitatea a două tensiuni. Dacă Ur=0, comparatorul detectează momentul trecerii prin zero a lui Ui, caz în care se numeşte comparator de nul. În sfârşit, din figura 1, rezultă că un comparator de nul poate fi utilizat şi ca detector de polaritate( când Ui>0, atunci Uo=UoH, iar când Ui<0, atunci Uo=UoL).Comparatorul analizat prezintă două inconveniente:

este vulnerabil la tensiuni parazite(basculări false) tensiunea diferenţială pe intrare(Ud=Ui-Ur) poate atinge valori mari,

periculoase pentru amplificatorul operaţional, ceea ce impune limitarea tensiunilor Ui şi Ur la valori sub 5…10V.

Pentru eliminarea celui de-al doilea neajuns, tensiunile de comparat Ui şi Ur se aplică pe o singură intrare, ca în figura 2. Deoarece tensiunea diferenţială de intrare Ud=0, ecuaţia de funcţionare a comparatorului de tensiune devine Ui/R1+Ur/R2=0, şi ca urmare:

Ui=-R1/R2*Ur

După cum se poate constata, comparaţia se realizează între curenţii din nodul intrării neinversoare, ceea ce permite ca Ui şi Ur să poată varia în limite mult mai largi decât în cazul precedent, fără ca Ud să depăşească tensiunea naturală de saturaţie(fracţiuni de mV) a amplificatorului respectiv.Evident, tensiunile Ui şi Ur trebuie să fie de polarităţi diferite.

-

+

CT

R2 1k

R1 1kUi

Ur

Uo

Fig. 2 Comparator de tensiune perfecţionat(valorile rezistenţelor sunt arbitrare, adică nu se referă la figură)

Circuite electronice pentru formarea şi generarea semnalelor numerice

Din rândul circuitelor formatoare de impulsuri, vom prezenta triggerul Schmitt. Generarea unor semnale periodice(de ceas, sau sincronizare) necesare blocurilor numerice se realizează cu circuite astabile.

Circuite trigger Schmitt

Triggerul Schmitt(TS) poate fi considerat un bistabil particular, care basculează numai când semnalul de intrare depăşeşte anumite praguri, particularitate ce permite evitarea basculărilor false datorate zgomotelor. Se utilizează la convertirea semnalelor sinusoidale, sau de altă formă, în semnal dreptunghiular, sau în impulsuri logice. De asemenea, se utilizează şi la refacerea semnalelor dreptunghiulare lente sau distorsionate.

Caracteristica principală a unui trigger Schmitt este prezenţa fenomenului de histerezis – basculările au loc la valori diferite ale tensiunii de intrare(Up1 şi Up2) în funcţie de sensul în care această tensiune variază.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.

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.

Schemă 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 3, unde Ur este tensiunea de referinţă menţionată.

-

+

AOR1 1k

R2 1k

Ui

Ur

UdUo

Fig. 3 Trigger Schmitt compatibil TTL/CMOS cu AO în montaj inversor

Din schemă rezultă relaţiile:Up1=Ur+(UoH-Ur)*KUp2=Ur+(UoL-Ur)*K=Ur*(1-K); UoL=0Uh=Up1-Up2=(UoH-UoL)*K=K*UoH

K=R1/(R1+R2)

Ur=Up2/(1-K)

Schemă de trigger Schmitt cu inversoare CMOSTriggerul 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. 4, 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)*KÎn 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/2În sfârşit, din scăderea celor două praguri, rezultă tensiunea de histerezis:Uh=K*UDD/(1-K)

R1 1k

R2 1k

11 2

I1 SN7404

11 2

I2 SN7404Ui

Ui'

Uo

Fig. 4 Trigger Schmitt cu inversoare CMOS

Circuite basculante bistabile asincrone

În cazul CBB asincrone, numite şi bistabile elementare, trecerea ieşirii Q dintr-o stare în alta, se face numai prin aplicarea unui semnal de date la intrare. Tipurile cele mai des întâlnite sunt RS şi JK; acestea pot fi realizate

cu tranzistoare sau, cel mai adesea, cu porţi logice. Ne vom referi pe scurt numai la ultimele. Se mai numesc şi bistabile de tip Latch.

Bistabilul RS

Schema de principiu derivă din varianta cu tranzistoare prin înlocuirea tranzistoarelor T1 şi T2(precum şi rezistenţele din bazele acestora) cu două porţi SAU-NU(notate P1 şi P2); se obţine bistabilul RS din figura 5. Intrările S şi R se numesc intrări de date, iar Q şi Q-non ieşiri. Bistabilul RS funcţionează după tabelul de adevăr de mai jos, unde Qn reprezintă starea anterioară a ieşirii Q, înaintea aplicării comenzii de intrare, iar Qn+1 – starea aceleiaşi ieşiri, după aplicarea comenzii pe una din intrările S sau R.

P 2

12

3

R

S

Q

P 1

12

3

Q-nonS

R Q

Bistabil RS Noname

Fig. 5 Circuit basculant bistabil RS cu porţi SAU-NU

S R Qn+10 0 Qn0 1 01 0 11 1 ?

Tabel de adevăr

Interpretarea datelor din tabelul de funcţionare este următoarea:1. În lipsa comenzilor pe intrările S şi R(S=0 şi R=0), starea bistabilului

nu se schimbă, deci păstrează starea anterioară, adică Qn+1=Qn;2. Fie Q=0 starea anterioară (ceea ce implică Qnon=1); la aplicarea lui 1

logic pe intrarea S(când R este în 0 logic), Qnon coboară în 0 logic, ceea ce provoacă urcarea lui Q în 1 logic, adică are loc înscrierea informaţiei;

3. Când S revine în 0 logic, Q rămâne în 1 logic, adică are loc memorarea informaţiei înscrise. În plus, dacă se repetă comanda pe S, bistabilul rămâne în aceeaşi stare (Q=1) până la aplicarea unei comenzi pe R;

4. La aplicarea unui 1 logic pe R( S fiind în 0 logic), ieşirea Q coboară în 0 logic, adică are loc ştergerea informaţiei înscrise;

5. În sfârşit, dacă se aplică simultan 1 logic pe R şi S, evoluţia porţii este incertă; se spune că această stare este nedeterminată, sau interzisă.

Generator Etalon

Bloc de generator etalon

Etaloane de frecvenţă cu cuarţ

Au la bază un oscilator cu cuarţ termostatat, ating precizii 10^-7 - 10^-9 şi sunt utilizate numai ca etaloane de lucru.

Oscilatorul cu cuarţ este, de regulă, un oscilator Pierce la care stabilitatea oscilaţiilor este asigurtă de către un rezonator electromecanic cu cuarţ.

Rezonatorul cu cuarţ, denumire prescurtată cuarţ, este realizat sub forma unei plăcuţe din cuarţ(P), rotundă sau pătrată şi prevăzută cu electrozi de argint(EA) pe ambele feţe. Frecvenţa de rezonanţă(fr) a plăcuţei este dependentă de grosimea(g):

fr=1,6+2.8/g(mm) MHzprecum şi de unghiul de tăiere al acesteia în raport cu axul optic al cristalului primar.

GeneratorEtalon

x1x10x100x1Kx10Kx100Kx1M

Schema electrică a unui rezonator de cuarţ este arătată în fig. 6. În scopul stabilizării capacităţii paralele(Cp) şi a atenuării perturbaţiilor mecanice şi electrice, plăcuţa de cuarţ se introduce într-o montură metalică sau într-un tub cu vid.

Cp

1

Cs

2

Rs

Ls

Fig. 6 Rezonator de cuarţ

OscilatorulOscilator cu cuarţ pentru frecvenţa etalon f0=1MHz. Rezistenţa R1

serveşte la polarizarea automată a grilei TEC-lui, C1 împiedică apariţia unor oscilaţii parazite, iar R2 produce o reacţie negativă necesară îmbunătăţirii formei de undă(sinusoidală) a tensiunii de ieşire. Consumul de curent în drenă este foarte redus: 30uA. Stabilitatea frecvenţei acestui oscilator este în jur de 10^-4, insuficientă pentru un etalon de frecvenţă; dar poate fi crescută la 10^-8 prin termostatare.

+9V

Q 1

C1

10pF

L

0.5m H

R2

1k

R1

2.2M

Fig. 7 Oscilator cu cuarţ

Bloc de numărare şi afişare

Schema bloc de numărare şi afişare

Numărătorul binar –zecimal:

Din motive legate de operatorul uman, numaratoarele utilizate in aparatele de masura numerice trebuie sa afiseze numere zecimale, intern codificate binary-zecimal(BCD), adica trebuie sa fie decadice. Un asemenea numarator este format din mai multe numaratoare de 4 biti, conectate in serie, pe care le vom numi decade de numarare.

Numărător(N)

Registru de memorare

(M)

Decodor(D)

Afişaj numeric

(AN)

a)Decada 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,adica este un numerator modulo 10. Schema unei decade de numarare este prezentata in fig. 8. Limitarea la 10 a numararii se face cu ajutorul unei reactii convenabile (prin P) in felul urmator:

dupa primele 9 impulsuri aplicate la intrare,iesirile Q1,Q2 si Q0 ajung in starea 1001(cifra 9 in cod binary);

la aparitia celui de-al zecelea impuls, starea devine 1010(cifra 10 in cod binar);

poarta P, avand 1 logic pe intrari, produce la iesirea Z negat 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 1010 dureaza extrem de putin , dar suficient pentri stergere);

simultan cu aducerea la zero a celor 4 stabile(la sfarsitul numararii celor 10 impulsuri), tranzitia de la 1 la 0 de la iesirea portii P constituie si semnalul de intrare pentru decada urmatoare(transport catre rangurile urmatoare).

Observatii:-modul de implementare al numaratorului este doar principial;el are cateva neajunsuri care fac schema inutilizabila:

-datorita comutarii asincrone a bistabilelor ,e posibil ca iesirea portii P sa produca un impuls negative foarte scurt(Z negat=0), care sa reseteze cel putin un bistabil;

-durata impulsului Z negat,de readucere a numaratorului in starea 0, este mica si necontrolabila(ea provine din jocul intarzierilor), fiind posibil ca toate bistabilele sa poate fi resetate.

-descrierea schemei poate sugera o regula simpla de alcatuire a numaratoarelor modulo p(prin metoda aducerii la zero):

-din relatia p<=2^n se deduce numarul de bistabile necesare(n);-bistabilele se conecteaza in schema unui numarator binar direct, si apoi se lasa numaratorul sa evolueze pana la starea p-1;

-se decodifica starea p,si in momentul in care aceasta este atinsa ,se aplica un impuls de stergere (Z negat) tuturor bistabilelor numaratorului.

Znon

U 2 A

3

1

256

41 5

J

C L K

KQQ

P R EC L R

U 3 A

3

1

256

41 5

J

C L K

KQQ

P R EC L R

I

Q1

U 1 A

3

1

256

41 5

J

C L K

KQQ

P R EC L R

Q2

C

Q3

CLEAR

Q0

1

23

1

23

U 4 A

3

1

256

41 5

J

C L K

KQQ

P R EC L R

Fig. 8 Numărătorul binar-zecimal(decadă de numărare)

b)Numaratorul binar-zecimal

Se obtine prin inscrierea mai multor decade(unitati ,zeci,sute) de tipul celei din fig. 8, asa cum se arata in fig. 9. Se observa ca semnalul produs de bistabilul 3(bitul cel mai semnificativ) pe iesirea Q3 a decadei unitatilor, constituie semnalul de intrare C pentru decada zecilor.

Fig. 9 Numărătorul binar-zecimal cu patru decade

Concluzii

Numaratoarele binare asincrone sunt simple , dar au doua neajunsuri:

nu pot functiona la frecventa ridicata ;

prezinta pericolul aparitiei unor impulsuri parazite la decodare, care pot provoca basculari false. Impulsurile parazite apar datorita faptului ca bistabilele numaratorului comuta pe rand(de la rangul cel mai putin semnificativ spre cel mai semnificativ) si, ca urmare , pe durata tranzitiei starilor, evolutia bistabilelor este incerta. De aceea numaratoarele asincrone nu se mai utilizeaza la numarare, ci la divizarea frecventei.

Observatie: pentru evitarea aprinderilor false ale segmentelor de afisare ,cauzate de tranzitiile parazite, se utilizeaza decodoare prevazute cu circuit de validare. Acesta ingusteaza timpul de deschidere al portii ce comanda segmentul respectiv, si totodata deplaseaza(intarzie) acest interval de timp in afara zonei trazitiilor parazite.

Decada mii

Q1 Q2 Q3 Q4

DecadaSute

Q1 Q2 Q3 Q4

DecadaZeci

Q1 Q2 Q3 Q4

DecadaUnitati

Q1 Q2 Q3 Q4

N

Registru de memorare:

Deoarece un bistabil constituie o memorie de 1 bit, rezulta ca n bistabile pot memora un cuvant de n biti. O astfel de structura se numeste registru (prin analogie cu caietul de scris de tip contabil).Cu alte cuvinte, un registru permite stocarea si regasirea unei informatii binare reprezentata pe n biti. Exista mai multe criterii de clasificare a registrelor(destinatie,structura,etc). Astfel :

dupa scopul utilizarii(destinatie) se disting registru de memorare si registru de deplasare(decalare).

dupa structura interna, exista registre paralele , registre serial/paralele(deserializare), registre parallel/seriale(serializare) si registre universale

Registrele de memorare(RM) se utilizeaza, de regula, ca interfata intr doua subansambluri .Un astfel de registru permite stocarea temporara a informatiei elaborate in subansmablul A, pentru a fi ulterior folosita in subansamblul B, primul devenind apoi liber sa-si reia activitatea. Evident, pentru ca ansamblul A-RM-B sa functioneze correct, e necesar ca aceste trei blocuri sa lucreze sincron, conditie asigurata de catre un bloc de comanda, care furnizeaza semnale de coordonare adecvate(intre care semnalul de incarcare a registrului –LOAD).

Datorita faptului ca RM este plasat intre doua blocuri , se mai utilizeaza si denumirea de registru tampon.

Registrul de memorare se poate realiza atat cu bistabile D-latch, sau comandate pe front, cat si cu bistabile JK-MASTER-SLAVE. In cazul utilizarii bistabilelor D-latch , registrul se mai numeste si transparent , deoarece pe palierul activ al semnalului de incarcare, datele de la intrare trec imediat la iesire, ca urmare, comanda registrului se va face printr-un impuls cat mai scurt.

In cazul utilizarii bistabilelor comandate pe front, registrul izoleaza practic subansamblurile intre care este conectat, oferindu-le o relativa autonomie. Structura unui registru de memorare este paralela: atat intrarile de tact, cat si cele de fortare asincrona,s e conecteaza in paralel , pe o lungime a cuvantului de n biti( de regula ,4 sau 8).In acest caz , registrul se mai numeste si registru paralel.

Prezenta registrului de memorare permite ameliorarea performantelor sistemului A-B; de exemplu , la un aparat de masura numeric, intercalarea unui registru de memorare intre numerator , si blocul de afisare adduce urmatoarele imbunatatiri:

stabilizarea cifrelor afisate:

Numarul Nx,care reprezinta rezultatul masurarii este afisat o singura data intr-un ciclu de masurare , si deci , afisajul nu va palpai in rimul numaratoarelor(fara RM ultimele cifre palpaie, dand senzatia de instabilitate care deranjeaza, iar secventierea ciclurilor de afisare este vizibila si deci obositoare);

cresterea vitezei de lucru

In timp e blocul final afiseaza informatia Nx continuta in registru, blocul de prelucrare (numaratorul) poate efectua o noua secventa de masurare ; principiul este cunoscut sub numele de suprapunere a operatiilor si este mult folosit in echipamentele numerice pentru scurtarea timpilor de asteptare.

Fig. 10 Utilizarea registrelor de memorare

1 Registre cu comanda pe palier(prin impulsuri)

Unregistru cu comanda memorarii pe palier este alcatuit cu bistabile D-latch(fig. 11), motiv pentru care se mai numeste si tampon latch. Exista doua moduri de functionare:

Memorare, cand intrarea de comanda STB este in 0 logic. In acest caz registrul conserva starea sa anterioara si este insensibil la datele prezente pe intrarile D

Transferare, cand STB=1. In acest caz iesirile registrului Qi capata valorile datelor prezente la intrarile D. Daca in timp cat STB=1, datele de la

BlocA

RM BlocB

intrarile (Di) se modifica , datele de iesire (Qi) se vor modifica si ele in acelasi mod (adica iesirea copiaza intrarea , cunoscuta proprietate a bistabilelor D-latch).In aceasta situatie se spune ca registrul este transparent. Proiectantii de sisteme logice utilizeaza frecvent aceasta proprietate pentru a exploata rapid o informatie(in timp ce STB=1) , care apoi va fi memorata cand STB revine la 0.

OEnon

12

3

Q2

D0

Q1

12

3

12

3

12

3

QD

C L K

12

3

QD

C L K

Q0

STB

12

3

QD

C L K

D2

Q3D3

12

3

12

3

QD

C L K

D1

Fig. 11 Registru paralel de tip transparent latch cu trei ieşiri-3 state

2 Registre cu comanda pe front

Schema de principiu corespunzatoare unui registru de memorare cu comanda pe frontul pozitiv al impulsului de ceas sunt in figura12. Informatia de la intrarile D0-7 este incarcata numai in timpul tranzitiei pozitive a impulsului de ceas, si ramane neschimbata(memorata) atat pe nivelul JOS, cat si pe nivelul SUS, al impulsului de ceas ; deci acest registru nu prezinta transparenta.

Evident, bistabilele componente trebuie sa fie declansate pe front; acestea sunt mai ales bistabile D,sau JK Master-Slave, registrele realizate cu bistabile D fiind cele mai raspandite .Pentru a fi cat mai usor integrate in diverse scheme (mai ales in cele cu microprocesor), multe registre sunt prevazute si cu tampoane cu trei stari ,asa cum s-a putut vedea in schemele analizate.

OEnon

12

3

Q2

D0

Q1

12

3

12

3

12

3

QD

C L K

12

3

QD

C L K

Q0

CLK

12

3

QD

C L K

D2

Q3D3

12

3

12

3

QD

C L K

D1

Fig. 12 Registru paralel cu comandă pe frontul pozitiv cu ieşiri-3 state

Decodoare:

Decodoarele sunt CLC care permit transformarea unei anumite combinatii de cod intr-un semnal de comanda corespunzator, ce poate fi utilizat in operatii de selectie, sau conversia numerelor dintr-un sistem de numeratie in altul. In principiu , un decodificator prezinta n intrari si m iesiri, si se caracterizeaza prin proprietatea de a obtine un semnal activ numai la o singura iesire, pentru fiecare combinatie a variabilelor de intrare.

Corespunzator tipului de cod aplicat la intrare, se realizeaza decodificatoare binare, pentru care m=2 ^n, sau decodificatoare BCD, pentru care n este,de regula,4,iar m este 10.Un caz special ,il reprezinta decodoarele special concepute pentru afisaj(de exemplu ,cele cu LED-uri,sau cristale lichide,cu 7 segmente); aceste decodoare primesc la intrare un cod binar, sau BCD, si produc semnalele de comanda pentru segmentele afisajului.

a)Decodorul binar

Decodorul binar este destinat operatiilor de generare a semnalelor de selectie, sau de implementare a functiilor logice mai complicate. Acest tip de decoder are n intrari de cod, un numar de intrari de validare si 2 ^ n iesiri; intrarile de validare permit activarea/dezactivarea functionarii decodorului prin trecerea iesirilor in starea inactivaUn exemplu de decoder binar este SN74138(decoder binary 1 din 8,in tehnologie TTL);in seria CMOS standard nu exista decodor binar(ci numai BCD).

b)Decodorul BCD-zecimal

Acest decodor are 4 intrari si 10 iesiri ,corespunzatoare numerelor zecimale 0…9;codurile 10….15 sunt invalide, si nu produc activarea nici unui semnal de iesire. Decodorul BCD-zecimal este folosit mult la comanda afisajelor cu tuburi indicatoare(unde fiecare cifra are comanda separate), sau la comanda unor afisaje de tip bargraf. In multe situatii , decodoarele mentionate pot fi utilizate si ca decodoare 1 din 8, folosind doar 8 iesiri, corespunzatoare codurilor 0…7.

Exemple de decodoare BCD-zecimal :SN7432,SN74141

c)Decodorul BCD-7 segmente

Acest decodor,are ca si precedentul, 4 intrari,dar iesirile sunt destinate comenzii directe a afisajelor cu 7 segmente(fie cu becuri,fie cu LED-uri,fie cu cristale lichide).Combinatiile de intrare reprezinta cifrele 0….9,dar unele decodoare sunt capabile sa intrepreteze si codurile 10…15,pentru care afiseaza cifrele hexazecimale A,B,…F.

Cateva exemple de decodoare BCD-7 segmente sunt SN7446/7(decodor cu iesire directa de atac a afisajelor cu LED-uri ,in tehnologie TTL)sau 4055/6.

Fig. 13 Utilizarea decodorului la comanda afişajului cu 7 segmente/LED

Dispozitive de afişare numerică:

Afisaje cu tuburi nixie si tuburi fluorescente:

Dupa tuburile cu filament incandescent, tubul Nixie este cel mai vechi afisaj utilizat in aparatura numerica de masurare. Este ergonomic si are schema de comanda relative simpla ,insa necesita tensiuni de lucru relative mari si de aceea nu se mai utilizeaza in present(decat foarte rar).Totusi el va fi prezentat pe scurt ,deoarece multe din aparatele numerice de laborator mai vechi utilizeaza acest tip de afisaj. Tubul Nixie este alcatuit dintr-un tub de sticla umplut cu gaz inert(tipic neon) la joasa presiune, in interiorul caruia se afla 10 catozi in forma de cifre (0,1…9), dispusi in planuri paralele in fata unui anod comun; variantele

moderne utilizeaza 7 catozi dispusi in acelasi plan ,din combinarea se pot reprezenta cifrele .

Fig. 14 Principiul de afişare cu tuburi NixieCatozii sunt acoperiti cu o pelicula de oxizi ce poate emite electroni. Aplicand o tensiune de 150…170 de V intre anod si unul din catozi apare o descarcare de gaz , care face ca cifra respective sa devina luminoasa(rosu-portocaliu).Consumul este in jur de 2mA,dar poate fi diminuat prin multiplexare in timp a comenzii de selectie a anozilor.Comanda catozilor se face cu ajutorul unor tranzistoare plasate la iesirile unui decodor binar-zecimal ,care primeste informatia de la blocul de prelucrare numerica a sistemului de masura respectiv(in mod normal ,un numerator);tranziztoarele trebuie sa fie capabile sa lucreze la tensiuni de colector ridicate, puterea disipata fiind in jurul a 350mW/cifra afisata.Datorita acestui dezavantaj, afisajul cu tuburi Nixie a fost practic inlocuit cu alte tipuri de afisaje. Un alt tip de afisaj,destul de raspandit in trecut,utilizeaza tuburile fluorescente vidate, caracterizate de o eficienta luminoasa ,avand emisia in verde ,sau verde-albastru ; tubul este format dintr-un filament de wolfram acoperit cu oxizi ,o grila si un grup de anozi-segmente (care pot sintetiza caracterul de afisat).Catodul incalzit(la circa 700 grade C) emite electroni care sunt accelerati de grila si sunt dirijati spre segmentele selectate ale anodului; cum acestea sunt acoperite cu un material fosforescent,ca urmare a bombardarii cu electroni , are loc emisia de radiatie luminoasa.

Afisaje cu diode electroluminiscente:

Particularitati:

Intr-un sens larg ,afisajul cu diode electroluminiscente presupune atat circuitele de afisare propiu-zise ,cat si circuitele de comanda ,necesare formarii caracterelor.Acest tip de afisaj prezinta o serie de avantaje in comparative cu cele realizate cu tuburi Nixie sau fluorecente : are gabarit mai mic,permite obtinerea unor culori diferite (rosu,verde ,galben,etc) pot fi comandate de circuite lucrand la tensiuni joase si sunt mai fiabile. Afisajele cu LED-uri foloseste, in exclusivitate, generarea caracterelor prin sinteza din segmente sau puncte luminoase constituite din LED-uri individuale(si nu prin selectie,ca in cazul primelor tuburi Nixie).In functie de tipul caracterelor de afisat , aceste dispozitive pot fi:afisaje alfanumerice(servesc la sinteza cifrelor si literelor alfabetului),sau afisaje numerice(servesc numai la sinteza cifrelor).In aparatura numerica de masura s-a impus afisajul numeric cu 7 segmente ,datorita simplitatii sale. In momentul de fata, exista o mare diversitate de afisaje cu LED-uri , afisajul cu puncte prezinta cel mai mare numar de posibilitati ,dar necesita o logica de decodificare si comanda mai sofisticata. Varianta cu segmente poate reprezenta un compromis intre numarul de caractere diferite afisabile si complexitatea circuitelor de comanda. In aparatura numerica de masura s-au impus afisajele cu segmente, mai simple de comandat. Din punct de vedere electric,afisajele cu LED-uri se contruiesc cu anod comun,sau cu catod comun;dupa cum vom vedea,acest lucru determina natura interfatarii lor cu partea de comanda a echipamnetului numeric.

Dioda electroluminiscenta

Se stie ca orice jonctiune p-n ,polarizata direct ,emite o radiatie luminoasa datorita energiei de recombinare gol-electron.Lungimea de unda a acestei radiatii (deci si culoarea) depinde de materialul jonctiunii ,asa cum rezulta din tabel

Materialul jonctiunii Lungimea de unda

Culoare

Germaniu(Ge) 1,88 μm InfrarosuGaliu-Aluminiu-Arseniu(Ga-Al-As)

0,68 μm Rosu

Galiu-Fosfor(Ga-P) 0,54 μm Verde

In privinta culorilor se constata ca pentru cifre mici culoarea cea mai folosita este rosul ,ce se observa bine pe fondul intunecat al afisajului

numeric(cu toate ca lungimea de unda a rosului ,0.68um,este relative indepartata de sensibilitatea maxima a ochiului,0.55 um).

Pentru cifre mari(peste 10..15 mm) ,si mai ales pentru masurari de lunga durata(control in productie, aparate de tablou),o culoare mai confortabila este cea verde(cu lungimea de unda λ=0,525 μm. In ultimul timp au aparut LED-uri cu nitrura de galiu(GaN),care au particularitatea ca la Ud=2,4V au culoarea portocalie,iar la 4V au culoarea violeta.Ca forma,LED-urile pot fi cilindrice,patrate ,drepunghiulare(pentru afisari de puncte luminoase,virgule),sau barete(segmente luminoase) Alimentarea in curent continuu. LED-ul are o caracteristica Ip(Up) de forma celei din figura (pentru dioda electroluminiscenta CQX51),ceea ce impune inscrierea unei rezistente (R ) de limitare a curentului la valoarea nominala(Id=10…15mA).De exemplu ,pentru Id=10mA ,corespunde Ud=2,1V,de unde considerandU=+5V,se obtine R=290Ω.Exista si LED-uri care au rezistenta R incorporate in aceeasi montura cu jonctiunea luminiscenta ,cum sunt,de exemplu,5082-4468. Alimentarea in curent continuu este simpla ,insa prezinta neajunsul unui consum suplimentar de putere pe rezistenta R:de exemplu,pentru R=300Ω si Id=10mA rezulta un consum de 210mW/7 LED-uri.Acest dezavantaj poate fi evitat daca alimentarea se face prin impulsuri.

Comanda afisoarelor cu 7 segmente 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 de tipul ilustrat .Comanda(alimentarea) afisoarelor cu 7 segmente se poate face direct sau multipelxat.

Comanda directa:

In acest caz segmentele(diodele) cifrelor ce trebuie afisate se alimenteaza simultan . Comanda directa este economica numai la afisaje cu numar mic de cifre(maxim 4 sau 5 cifre); la un numar mai mare se recurge la comanda multiplexata.Un circuit de comanda directa pentru un afisor de 3 ½ cifre(1999) este ilustrat ,unde se prezinta conexiunile pentru modulul de polaritate si depasire(+-1) precum si pentru modulul de afisare a cifrelor de la 0 la 9.Exista si circuite integrate specializate care pot comanda direct afisajele cu 7 segmente cu LED-uri.Daca decodorul dispune de o intrare de validare(“blanking”),se poate recurge la recuderea consumului prin alimentarea LED-urilor in impulsuri,(cu o tensiune dreptunghiulara).

Comanda multiplexata:

Circuitele din figurile de mai devreme fac parte celor cu comanda directa(sau simultana).Acest tip de circuit este simplu ca schema,dar costisitor ca numar de componente si devine neeconomic daca numarul de cifre este mare(peste 4….5,ca in cazul frecventmetrelor si calculatoarelor de buzunar).In asemenea situatii se recurge la comanda multiplexata (serializata) a afisajelor,in care cifrele se alimenteaza succesiv.

In acest scop,segmentele cu acelasi nume ale tuturor cifrelor sunt conectate impreuna la iesirile unui singur decodificator(D1),ca si cum ar fi vorba de o singura cifra;anozii(sau catozii) comuni ai cifrelor respective sunt comandati separate printr-un al doilea decodor(D2),secventiat de un registru de deplasare (sau numerator),intreg sistemul de afisare fiind pilotat de catre un generator de tact cu frecventa de 100…1000Hz .

Sa presupunem ca e vorba de un afisaj cu 8 cifre pe care trebuie inscris numarul 5671,8324.La primul tact se afiseaza cifra 5(celelalte bfiind stinse);la al doilea cifra 6 si tot asa pana la cifra a 8-a(4).Daca frecventa de tact este 400Hz,fiecare cifra va fi aprinsa si stinsa de 400/8=50 ori pe secunda.La o asemenea frecventa ochiul percepe cele 8 cifre ca si cum ar fi apinse simultan.Pe aceasta cale(multiplexare),consumul se reduce considerabil deoarece ,indiferent de numarul de cifre afisate,consumul este egal cu cel al unui singur modul,ceea ce inseamna cel mult 7x10mAx2,1V=150mW.Insa circuitul de comanda este mai complicat decat la comanda directa ,si de aceea,comanda multiplexata devine economica numai la afisajele cu numar mare de cifre(peste 5…6)

La ora actuala,exista module de afisare cu LED-uri,realizate compact,impreuna cu circuitele de comanda;in cazul cel mai frecvent se include decodoarele,logica de multiplexare(daca e cazul) si decadele de numarare ,sau interfata cu sistemul numeric in care vor fi folosite.

5.Breviar de calcul

Obţinerea gamelor de 2uF, 20uF, 2nF, 20nF se face după relaţiile prezentate anterior la schema bloc unde am prezentat şi conceptul de lucru al aparatului.

Relaţiile de funcţionare a faradmetrului sunt:

N=a*Cx ; a=R0/T0*ln(E-U1/E-U2)=const.

Cosiderăm tensiunile stabilizate ca find de :E=25V ; U1=10V şi U2=20V

Considerăm că generatorul etalon genrează o frecvenţă de 1KHz, deci T0=10^-3s

ln[(E-U1)/(E-U2)]=ln3=1,098Considerăm ca ln3 e aproximativ 1.

Pentru gama de 2nF vom avea R0=1Ma=10^6/10^-3=10^9 ;

Cx=N/a=2/10^9=2*10^-9=2nF

Pentru gama de 20nF vom avea R0=100ka=10^5/10^-3=10^8 ;

Cx=N/a=2/10^8=2*10^-8=20*10^-9=20nF

Pentru gama de 2uF vom avea R0=1ka=10^3/10^-3=10^6 ;

Cx=N/a=2/10^6=2*10^-6=2uF

Pentru gama de 20uF vom avea R0=100a=10^2/10^-3=10^5 ;

Cx=N/a=2/10^5=2*10^-5=20uF

6 Calcul economic

Componenta Pret (RON)Rezistenţă(1M) 0.15

Rezistenţă(100k) 0.15

Rezistenţă(1k) 0.15

Rezistenţă(100) 0.15

2*Comparatoare(AO) 1.5

Formator de impuls(AO) 2

Bistabil RS(latch) 0.5

Oscilator cu cuarţ 2.3

Poarta Şi 0.5

Bloc de afişare 8

Total 15.4

7.Schema completă a aparatului

Ro

100

1k

-12

+9V

1k

Q 1

U2=20V

C1

10pF

-12

Cx

1

23

-

+3

12

84

CT1A1

23

45

12

Ur

+12

Ro

1M

CT2A1

23

45

Ur

-

+3

12

84

-12

Ro

100k

L

0.5m H

+12

-12

12

+12

12

R2

1k

N U M A R A TO R

1

8

1 241 06

I N

O U T

1234

K

12

R1

2.2M

1k

E=25V

+12

1kHz

R

S

Q

1k

12

U1=10V

Ro

1k