Numaratorul universal

Numaratorul universal

Este un aparat ce permite masurari de frecvente, perioade si multipli acestora, raportul a doua frecvente, intervale de timp si latimi de impulsuri. Functionarea numaratorului universal se bazeaza pe numararea unor impulsuri intr-un anumit interval de timp.

Schema bloc (functionala) a unui numarator universal este prezentata in Fig.6.6.

Fig.6.6. Schema bloc a unui numarator universal

CI - circuite de intrare;

PP - poarta principala;

OC - oscilator cu cuart;

DF - divizor de frecventa;

OC+DF=BT - baza de timp;

UCL - unitate de control logic;

UNZ - unitate de numarare zecimala.

Circuitul de intrare (CI): are principala functie de a transforma semnalele analogice de intrare (de regula sinusoidale) in semnal digital (impulsuri de nivele logice "0" si "1"). Ca urmare, elementul component principal al circuitului de intrare este un trigger Schmitt. Pe langa acesta, un CI mai cuprinde un atenuator pentru ca valorile de tensiune sa se incadreze in domeniul tensiunilor permise de intrarea circuitului de conversie in semnal digital, un etaj de limitare a valorii semnalului in scop de protectie a celorlalte circuite si un amplificator (Fig.6.7).

Fig.6.7. Circuit de intrare: a)-schema bloc; b)-formele de unda ale tensiunilor

Poarta principala (PP): este un circuit logic de tip SI avand aplicate pe una din intrari impulsurile de numarat 1, iar pe cealalta intrare impulsul de comanda 2. Numarul N al impulsurilor ce trec prin poarta este:

(6.2)

Baza de timp (BT): asigura sursa de referinta de timp necesara atat pentru masurarile de frecventa cat si pentru masurarile de timp. BT este constituita dintr-un oscilator cu cuart (OC), urmat de un lant de divizoare decadice (DF) pentru obtinerea diverselor frecvente de referinta. OC produce oscilatii cu frecventa de 1 MHz sau 10 MHz, performantele BT fiind determinate de stabilitatea cu temperatura si stabilitatea in timp a acestuia. La iesirea divizorului de frecventa se obtin impulsuri la intervale de timp extrem de precise (Fig.6.9).

Fig.6.8. Poarta principala: a)-schema bloc; b)-formele de unda ale semnalelor de intrare si de iesire

Fig.6.9. Baza de timp

Unitatea de numarare zecimala si afisajul: cuprinde numaratoarele decadice, memoria ce inregistreaza rezultatul numararii, decodorul care face trecerea de la codul de numarare la cel de afisare, circuitul de comanda al afisajului si afisajul numeric.

Unitatea de control logic: este un bloc de interfata a partilor componente ale numaratorului, care indeplineste urmatoarele functii:

alegerea modului de lucru al aparatului (masurarea frecventei, perioadei, raportul a doua frecvente, intervale de timp);

comanda inchiderea si deschiderea portii principale;

comanda transferul informatiei din memorie catre afisaj;

comanda timpul de afisare;

comanda diferitele indicatoare optoelectronice (unitatea de masura, depasirea domeniului de masurare, punctul zecimal, e.t.c.).

1. Masurarea frecventei

Frecventa fiind definita ca numarul de perioade intr-o unitate de timp, masurarea frecventei se reduce la numararea perioadelor intr-un interval de timp.

Fig.6.10. Schema de principiu a numaratorului pentru masurarea frecventei

Baza de timp (OC+DF) asigura impulsuri la intervale de timp foarte excacte:

T_p=10^-n s (n=6,5,,0,-1) (6.3)

In functie de pozitia selectorului bazei de timp, poarta principala (PP) va fi deschisa un interval de timp T_p dintre doua impulsuri consecutive. In acest interval de timp impulsurile cu frecventa de masurat f_x sunt numarate in UNZ, rezultatul fiind apoi afisat.

Fig. 6.11. Formele de unda in cazul masurarii frecventei

Numarul N de impulsuri inregistrate este:

N = f_x T_p = 10^-n f_x (6.4)

In functie de pozitia selectorului BT (de valoarea lui n) frecventa f_x se va masura in diverse unitatii de masura (Hz, KHz, MHz).

n=0 T T_p=1s T f_x in Hz

n=-3 T T_p=1ms T f_x in KHz

n=-6 T T_p=1ms T f_x in MHz

Pentru celelalte valori ale lui n frecventa se va afisa cu maximum 2 zecimale. Astfel, daca aparatul numara N=45803 impulsuri in intervalul T_p=10ms, frecventa afisata va fi f_x=45803/10 10^-3=4580,3 KHz si nu 4,5803 MHz, deoarece punctul zecimal se pune cu cel mult doua pozitii spre stanga celei mai putine semnificative cifre.

2. Masurarea perioadei

In modul de lucru ca frecventmetru, pentru ca precizia de masurare sa fie cat mai mare, este necesar ca in intervalul de timp dat de baza de timp sa treaca spre numarator un numar suficient de mare de impulsuri, astfel incat sa fie utilizate toate cifrele afisajului. De exemplu, considerand un afisaj cu 4 cifre, daca se vor numara doar 5 impulsuri atunci eroarea de 1 impuls va fi de 20%. Daca spre numarator vor trece 1000 impulsuri eroarea de 1 impuls va fi de 0,1%.

Fig.6.12. Schema de principiu a numaratorului si formele de unda pentru masurarea perioadei

Ca urmare, considerand un numarator cu 6 cifre si cu timpul maxim de deschidere al portii de 10s, cea mai joasa frecventa care foloseste capacitatea completa a afisajului este:

f_min=N_min/T_max=10⁵/10=10KHz (6.5)

Daca de exemplu, s-ar dori masurarea unei frecvente de 10Hz ce sa utilizeze complet afisajul de 6 cifre, este necesar un timp de numarare de:

T=N_min/f=10⁵/10=10⁴s (6.6)

care est un timp foarte mare.

Ca urmare, in cazul semnalelor de frecventa joasa, pentru asigurarea unei precizii ridicate, in locul masurarii frecventei semnalului se va masura perioada acestuia Masurarea numerica a perioadei unui semnal se poate realiza cu ajutorul unei scheme asemanatoare cu schema frecventmetrului numeric la care se schimba intre ele pozitiile oscilatorului etalon cu a sursei de semnal.

N = 10^-n f₀ T_x    (6.7)

(6.8)

unde f₀ este frecventa OC

Cu ajutorul numaratorului universal se mai poate masura raportul a doua frecvente cand in locul bazei de timp a numaratorului se afla semnalul cu frecventa mai mica.

6.3. Voltmetre digitale

Sunt aparate utilizate la masurarea tensiunilor continue in limitele 1mV-1000V. Ele pot fi utilizate si pentru masurarea tensiunilor alternative, daca sunt prevazute cu circuite speciale de detectie. Deoarece tensiunea continua este o tensiune analogica, pentru afisarea ei sub forma numerica sunt necesare folosirea convertoarelor analog-numerice.

Fig.6.13. Voltmetru numeric cu convertor tensiune-timp

Functionarea acestui voltmetru se bazeaza pe conversia tensiunii continue de masurat intr-un interval de timp proportional cu aceasta, interval de timp ce se masoara numeric.

Tensiunea U_x se aplica la intrarea unui comparator si este comparata cu o tensiune liniar-variabila in timp de la un generator etalon:

U_e=k(t-t₀) (6.9)

La momentul t=t₀ tensiunea etalon U_e=0 si se comanda deschiderea circuitului poarta prin care trec spre numarator impulsuri de frecventa f₀ generate de un oscilator cu cuart. La momentul t=t_x tensiunea U_e crescand liniar in timp devine egala cu U_x:

U_x=U_e=k(t_x-t₀) (6.10)

si comparatorul comanda inchiderea circuitului poarta care ramane deschis numai in intervalul t_x-t₀.

Fig.6.14. Graficul tensiunilor in diferitele puncte

Se noteaza cu N nr. impulsuri ce trec prin poarta spre numarator

N=f₀(t_x-t₀) (6.11)

Din relatia (6.10) se deduce ca:

t_x-t₀=U_x/k (6.12)

N=(f₀/k)U_x=k*U_x (6.13)

Relatia (6.13) arata ca numarul impulsurilor ce trec prin poarta in intervalul t_x-t₀ este proportional cu tensiunea de masurat. Aceste impulsuri sunt numarate de numarator, iar rezultatul este decodificat si afisat numeric.