Proiect CID

FRECVE|METRUL

CIRCUITE INTEGRATE DIGITALE

1

CUPRINS: Cerinte proiect: Sa se realizeze un frecventmetru numeric, avand urmatoarele caracteristici: - 100Hz – 10MHz - Precizie 1% - Afisare cel putin pe 4 cifre, folosind multiplexarea in timp - Se vor utliza circuite logice de complexitate mica si medie (numaratoare, decodificatoare) - Se considera ca semnalul de intrare este digital Schimbarea gamei de masura se va face automat

1. Consideratii privind masurarea numerica a frecventei si proiectarea schemei bloc 2. Alegerea bazei de timp 3. Proiectarea blocului de afisare 4. Proiectarea blocului divizor 5. Proiectarea logicii de control

2

6. Schema finala

DESFASURARE PROIECT 1. Consideratii privind masurarea numerica a frecventei si proiec-tarea schemei bloc O metoda des utilizata de masurare a freventei consta [n numararea tranzitiilor pozitive (eventual negative) pe un interval de masura foarte bine generat (durata fixa, mereu aceeasi, interval precis determinat pe baza unui oscilator cu cuart). Dintre toate marimile ce se masoara în prezent, cea mai mare precizie de masurare este obtinuta la masurarea frecventei si timpului, erorile de determinare a frecventei putând atinge 10-14. De remarcat ca în aceste domenii de masurare se asigura cele mai mari precizii si pentru mijloacele de masurare ce constituie bunuri de larg consum, un ceas electronic putând asigura erori tolerate de ordinul 1 p.p.m.1 Pentru masurarea frecventei pot fi folosite: a) metode analogice, care constau în calibrarea în durata si amplitudinea semnalului a carui frecventa se masoara urmata de medierea acestuia, valoarea medie fiind proportionala cu frecventa; b) metode de rezonanta , ce folosesc punti de curent alternativ pentru care conditia de echilibru este dependenta de frecventa; c) metode numerice. Schema de principiu a unui frecventmetru numeric este prezentata în figura

3

1. Semnalul x(t) a carui frecventa f   x se masoara, este aplicat unui circuit formator de impulsuri FI, care are rolul de a genera câte un impuls pentru fiecare perioada T 0 a semnalului. Pentru ca tensiunea de zgomot sa aiba un efect minim asupra semnalului, în compunerea formatorului de impulsuri se afla un trigger Schmidt , caracterizat prin cele doua praguri de basculare: nivel superior si nivelinferior. Baza de timp a frecventmetrului se compune dintr-un oscilatorul etalon, OE realizat cu cristal de cuart, care are frecventa de oscilatie, de obicei de 10 7 Hz; masurarea frecventei presupune numararea impulsurilor corespunzatoare perioadei semnalului necunoscut într-un interval de timp dat T =10; 1; 0,1 sau 0,01 secunde.

4

Fig.1 Schema bloc a frecventmetrului

Functionare:

5

Principiul de functionare al unui frecventmetrului digital (numeric) consta [n numararea ciclilor intr-un interval de timp dat. {n cazul nostru, poarta N1 se deschide in timpul determinat ( de 1 s sau 0,1 s ) las@nd sa treaca impulsurile de numarat. Dupa incheierea numararii, un impuls de transfer face ca rezultatul gasit sa treaca la afisor ,apoi un impuls de aducere la zero initializeaza numaratorul pentru o noua masurare, functionarea fiind repetitiva. {n cazul frecventmetrului prezentat , semnalele a caror frecveta se masoara ajung la o intrare a porti N1 din componenta CI2, de tip MMC4011, fie direct sau prin intermediul CI4 de tip MMC4017.Acesta reprezinta un numarator decadic (Johnson) cu iesiri decodificate si are capsula prezentata in figura 3 . Circuitul integrat MMC4017 livreaza la pinul 12 (Carry out) un impuls la fiecare 10 impulsuri de tact aplicate la intrarea CLOCK (pinul 14),deci practic frecventa de la intrare (fx ) divizata cu 10. La intrarea divizorului CI3 (MMC 4017 - pinul 14) se aplica semnale cu frecventa fie de 50 Hz,fie de 5 hz ,la iesire (pinul 12) rezulta semnale cu frecventa (divizata cu 10)de 5Hz ,respectiv 0,5Hz, adica cu perioada de 0,2s sau 2 s. Alternanta pozitiva a acestui semnal, masurand fie 0,1s ,fie 1s (jumatate din perioada ) constituie semnal de deschidere pentru poarta N1 (din CI2), aplicandu-se la pinul 2 al acesteia. Pe pinul 5 al CI2 ,conectat cu pinul 5 (LATCH ENABLE) al CI1 , se asigura functia de transfer ,iar pe la pinul 9 al CI2,conectat cu pinul 13 (reset) al CI1,se asigura aducerea la zero a frecventmetrului. Circuitul integrat CI1, de tip MMC22926, avand capsula prezentata in figura 1 este un numarator cu 4 digiti ,cu iesirile multiplexate ,destinat comenzii afisoarelor cu 7 segmente catod comun. Cele 4 tranzistoare folosite (T1 -T4 )sunt de tip BC 546 . Pentru limitarea curentului priin cele 7 segmente ale afisoarelor se utilizeaza grupul de rezistoare R35-R41 (de 47 ohmi fiecare). Prin scaderea valorii rezistoarelor se creste luminozitatea segmentelor afisoarelor. Prin intermediul sectiunii 1 a comutatorului rotativ se

6

aprin corespunzator punctele zecimale Pz ale zecilor ,sutelor si miilor. Cele 4 game de frecventa furnizate afisate de frecventmetru , corespunzator pozitiei comutatorului de gama sunt: Pozitia 1 : 100Hz - 10 KHz Pozitia 2 : 10 KHz - 100 KHz Pozitia 3 : 100KHz-1Mhz Pozitia 4 : 1MHz-10MHz

2. Alegerea bazei de timp

 TM=Nx*Tx Nx – numarul de impulsuri care au trecut prin poarta si in intervalul TM Acest numar il vom gasi in numarator dar la finalul timpului de masurare Tx  TM – Timpul de masura (cunoscut)  Tx – Perioada semnalului de intrare Avem astfel o relatie direct proportionala intre frecventa semnalului de intrare si numarul de impulsuri care au trecut prin poarta in intervalul TM. Asadar putem alege cu usurinta TM ca fiind submultiplu de 10, in acest mod fiind nevoie doar de mutarea punctului pe afisaj pentru schimbarea gamei de frecventa. Pentru functionarea bazei de timp avem nevoie de un bloc functional care sa primeasca semnal de la un oscilator cu cuart, pe care apoi sa il proceseze pentru a obtine un semnal de iesire avand durata de 1 logic egala cu TM-urile anterior calculate. Valoarea TM-urilor trebuie a fi determinata pentru a asigura precizia de 1% a frecventmetrului. Deoarece intre semnalul fx de intrare si TM nu exista nici o legatura, pe parcursul numararii un impuls poate fi pierdut. Pentru a nu avea un impact semnificativ asupra masurarii, Nx trebuie sa aiba o valoare minima. In cazul nostru, aceasta fiind Nmin=100, obtinand in acest fel precizia dorita de 1%. 7

Schema exacta a bazei de timp este urmatoarea:

Fig. 2 Baza de timp

8

3. Proiectarea blocului de afisare

Afisarea rezultatelor poate fi realizata prin 2 metode: - Folosind afisarea statica. La afisarea statica fiecare cifra are codul sau BCD 7 segmente. Aceasta prezinta 2 dezavantaje: un consum marit de energie precum si complexitate mare a schemei logice. - Folosind afisarea dinamica (cu multiplexare in timp). La afisarea dinamica se pleaca de la propietatea ochiului de a percepe o imagine pulsatorie cu o frecventa de peste 46Hz ca fiind aprinsa continuu. Se foloseste un singur BCD/7 segmente, acesta lucrand pe principiul time-sharing, in fiecare moment doar o cifra din afisaj fiind aprinsa. Astfel, daca trecerea se face suficient de repede, ochiul are senzatia ca toate cifrele sunt aprinse simultan. Acest mod de afisare prezinta un consum redus si o schema logica cu mai putine porti decat afisarea statica. Schema generala contine 4 celule BCD 7 segmente fiecare alimentate printr-un transistor de tip BC545A ce lucreaza in regim de comutatie (se comporta ca un comutator). Aceste celule sunt comandate de iesirile unui numarator care numara impulsurile de la intrarea acestuia in timpul de masura TM generat de baza de timp.

9

Schema generala a blocului de afisare cu multiplexare in timp este urmatoarea:

Fig.3 Bloc de afisare cu celule BCD7 segmente

10

4. Proiectarea blocului divizor

Calculul gamelor de frecventa: Primul interval: Fmin=100Hz  Tm=Nmin*Tx min Tm=100*1/100=Nmin/fmin=1s C*Tmax=Tm C/Tm=Fmax Fmax=100Khz In urma calculelor se obtine primul interval situat intre valorile: 100Hz-10Khz Al doilea interval: Fmin=10Khz  Tm=10ms Obtinem asadar al doilea interval, situat intre 10KHz100KHz. Al treilea interval: Fmin=100Khz  Tm=1ms Valorile cuprinse in cel de-al treilea interval sunt 100KHz1MHz

11

Al patrulea interval: Fmin=1MHz  Tm=0,1 ms Valoarea ultimul interval de masura este 1MHz-10MHz

Schema generala a divizorului este urmatoarea:

12

Fig.4 Schema divizorului

5. Proiectarea logicii de control

13

La baza logicii de control sta un bloc functional ce primeste la intrare semnalul de masura TM selectat si trebuie sa genereze la iesire 2 semnale pentru comanda incarcarii paralele a leach-ului, iar celalalt pentru comanda de stergere a numaratorului. Astfel pentru comanda incarcarii latch-ului se folosesc iesirile A sau in functie de tipul de latch utilizat (trebuie analizata foaia de catalog pentru a vedea pe ce nivel logic se face incarcarea). De ex. 74373. Dupa comanda incarcarii, impulsul de la iesire primului CBM devine comanda de declansare pentru cel de-al doilea monostabil. Daca resetul numaratorului se face pe “0” folosim iar daca se face pe “1” folosim B. Deci logica de control trebuie sa aleaga un timp de masura correct ce este generat de baza de timp. Acesta trebuie sa satisfaca 2 conditii: - numaratorul zecimal nu trebuie sa se umple pe durata TM - la sfarsitul lui TM sa avem peste 100 impulsuri (pentru a asigura prezicia de 1% a masurarii cerute in datele de proiectare).  Trebuie sa existe 2 mecanisme: - unul care are tendinta de a mari timpul de masura (actioneaza atunci cand la sfarsitul intervalului de masura avem prea putine impulsuri) - celalalt are tendinta sa micsoreze TM pentru a evita umplerea numaratorului. Astfel la intrarea blocului divizor trebuie sa primim semnale de la iesirea de semnalizare a numaratorului, un semnal care sa indice depasirea unui prag impus. Precizia se obtine daca acumulam mai mult de 100 de impulsuri prestabilit. Atunci luam bitul Q0 de la numaratorul de sute si il folosim ca intrare in logica de autoscalare. Partea centrala a logicii de autoscalare va fi numaratorul reversibil in momentul in care primim semnal de umplere

14

vom pune numaratorul sa numere inapoi o unitate, iar daca nu s-au obtinut 100 impulsuri il punem sa incrementeze cu o unitate. Starea numaratorului va fi folosita drept cod de selectie pentru MUX 4:1 responsabil pentru masurarea TM. Deoarece ne bazam, pe un singur bit din numarator pentru a detecta pragul, exista riscul ca la sfarsitul intervalului de masura sa avem peste 100 impulsuri bitul Q0 sa fie in “0”. Vom utiliza un artificiu: vom pune in “1” un bistabil la prima trecere in “1” a bitului Q0 de la sute. Aceste bistabil va ramane in “1” pana la stergerea numaratorului. Schema logicii de autoscalare este urmatoarea:

Fig. 5 Schema logicii de control

15