1    


                                                    


Grup Şcolar Industrial Metalurgic Reşiţa




Frecvenţmetru digital de 1MHz




Elev:                         Îndrumător:
 Năvală Alexandru          Ing. Păun Lucian      




Promoţia 2004
                      







Cuprins

Memoriu justificativ                                 pag. 3
Rezistorul electric                                     pag. 4-5
Condensatorul electric                              pag. 5-6             
Dispozitive semiconductoare                    pag. 6-7
Tranzistoarele bipolare                             pag.  8
Famili C.I.L.                                             pag. 9-11
Frecvenţmetru                                           pag. 12-14
Lista de piese                                            pag. 15
Calculul tehnico-economic                       pag. 16
Schema  electrică                                      pag. 17-18
Bibliografie                                               pag. 19
N.T.S.M. la utilizarea curentului           
 electric                                                     pag. 20
















Memoriu justificativ
     
      Frecvenţmetrul digital este un aparat de măsură util în laboratorul şcolar pentru măsurarea frecvenţelor.
     Aparatul este de gabarit redus deoarece foloseşte C.I.T.T.L.
     Domeniul de frecvenţă este de la 0 la 1 MHz pentru diferite forme ale semnalelor.
     Lucrarea cuprinde descrierea componentelor schemei, funcţionarea schemei, lista de piese cablaj, calculul tehnico-economic, N.T.S.M., bibliografie.













                                             





Rezistorul (Rezistenţa)
    
Definiţie: este un dispozitiv electric de circuit electric ce are ca proprietate electrică rezistenţa măsurată în ohmi R[Ω].
Clasificare:
I. Din punct de vedere al rezistenţei:
1) Fixe;
2) Variabile: a) semireglabile;
                     b) potenţiometre;
                     c) reostate;
II. Din punct de vedere al puterii disipate:
1) de mică putere;
2) de medie putere;
3) de mare putere;
III. Din punct de vedere constructiv:
1) cu peliculă de carbon;
2) cu peliculă de oxizi metalici;
3) cu peliculă metalică;
4) de volum;
5) bobinate;
     Rezistoarele fixe se construiesc pentru valori standard grupate în serie, în funcţie de clasa de precizie.
Montare:
     Ca mod de lipire în circuit se pot construi cu sau fără terminale SMD.
     SMD: sisteme montate pe suprafaţă.
Există câteva tipuri de rezistoare speciale:
1) Termistorul: rezistenţa este dependentă neliniar de temperatură.
2) Varistorul: rezistenţa este dependentă de tensiune.
Simboluri:

1)fix                                  3) potenţiometru:

    

        5) varistorul
2) variabil:                        4) termistor:                     
                                                                                    


                                      t                                            v  



Marcarea:
     Marcarea rezistoarelor se poate face în cod literar, în clar sau în codul culorilor, iar pe lângă valoare se mai notează toleranţa şi alţi parametri.
Ex: marcarea unui rezistor fix de 3,3KΩ ± 5%
În clar:                                       în cod literar:

                                                                        
În codul culorilor:                 
                                           1 2 3 4
1,2,3,4-inele;
1,2 – portocaliu;  
3 – roşu;
4 – auriu;
                                                              
Condensatorul electric

Definiţie: este un dispozitiv de circuit electric a cărui proprietate electrică este capacitatea măsurată în farad C[F].
     Este format din două armături metalice separate de un died electric.
Clasificare:
I. după modificarea capacităţi:
1) fixe;
2) variabile: a) semireglabile (Trimer);
                    b) variabile propriu-zise;  
II. după construcţie:
1) polarizate (electrostatice): a) cu electrolit;
                                               b) cu tantal;
2) nepolarizate: a) ceramice;
                          b) cu hârtie;
                          c) cu polistiren;
                          d) cu plastic;
Principalele proprietăţi ale condensatoarelor:
1) capacitatea nominală: Cn[F];
2) tensiunea nominală: Un[V];
3) domeniul temperaturilor de lucru: [oC];
4) coeficientul de modificare cu temperatura al capacităţi: αN[%];
5) rezistenţa de izolaţie: Riz[Ω];
6) tangenta unghiului de pierderi: tgδ[%];





 Marcarea:
     Marcarea condensatoarelor se poate face în cod literar, în clar şi în codul culorilor.
     La marcarea în codul culorilor pot fi 3,4 sau 5 inele, benzi sau puncte colorate.
     În codul culorilor citirea se poate face de la inelul cel mai apropiat de terminale, iar la altele de la inelul cel mai îndepărtat de terminale.
     La cele cu 3 culori, 1 şi 2 formează valoarea, iar 3 coeficientul de multiplicare.
     La cele cu 4 culori, 1 este coeficientul de modificare cu temperatura restul fiind indentic cu cele de la trei culori, iar la cele cu 5 culori avem în plus toleranţa indicată de ultima culoare.
Simboluri:
1) fix nepolarizat:
                             
2) fix polarizat:
                          
                            
3) trimer:

                 
4) variabil:

               



                                                             
Diode semiconductoare

Definiţie: este dispozitivul electric semiconductor cu două terminale şi o joncţiune pn.
Clasificare:
Cele mai folosite tipuri de diode semiconductoare sunt:
1) dioda redresoare;
2) dioda Zenner (stabilizatoare);    
3) dioda Varicap;
4) dioda cu contact punctiform;
5) dioda tunel;                                         
                                       




Dioda redresoare


Definiţie: se foloseşte pentru redresare (transformă c.c. în c.a.)
Simbol:                                                                              
                     A    K       A                       K   A                K    
     Principiul de funcţionare este asemănător cu cel al joncţiuni pn.
    
Dioda Zenner
 

Simbol:
               A                          K    A                      K
     În polarizare directă se comportă ca o diodă obişnuită, iar în polarizare inversă UP rămâne aproape constantă între anumite limite ale curentului invers.
     Dioda Zenner se foloseşte în polarizare inversă.
Caracteristica U-I:
                                                          IAB [mA]


                                       
                                  Uz                                                       Up                                      UAK[V]
                                                      0
                                 ---------------  iz min.
                               ----------------- iz max.



Marcarea şi comportarea în c.c. şi c.a.: este asemănătoare cu cea a diodei redresoare.

Ex:
       A                     K




Dioda varicap

Simbol:                                  
                 
                   A                       K
Capacitatea joncţiuni este puternic dependentă de tensiune de polaruzare inversă.
Cracteristica U-I este asemănătoare cu cea a diodei redresoare avînd U şi I mai mici.
Marcarea şi comportarea în c.c. şi c.a. este asemănătoare cu cea a diodei redresoare.
Ex:
      A                                      K
      
Dioda cu contact punctiform
 
Definiţie: este o diodă redresoare de curent mic şi înaltă frecvenţă.
Simbolul, caracteristica U-I, marcarea şi comportarea în c.c. şi c.a. este asemănătoare cu cea a diodelor redresoare doar că se pot folosi pentru frecvenţe mult mai mari.  

Dioda tunel

Simbol:
               A                       K
    Rezistenţa negativă nu este o mărime fizică ci înseamnă că la o creştere a U are loc o scădere a lui I.
    Introducerea ei se realizează pe următoarea definiţie a rezistenţei:
R=ΔU/ΔI = U2-U1/I2-I1   


Caracteristica U-I            IAK

                                               A
                                                .
                                                .   B.
                                                .     .                                  UAK
                                    0           ...
                                                .... porţiune de R negativă

Marcarea este asemănătoare cu a diodelor redresoare.
     Dioda tunel se foloseşte pentru condensarea circuitelor oscilante de înaltă frecvenţă.Comportarea în c.c. şi c.a. este asemănătoare diodelor cu contact punctiform.
Tranzistoare bipolare

Definiţie: este un dispozitiv electronic format din 3 regiuni semiconductoare extrinseci dispuse alternat.
     Fiecărei regiuni i se ataşează un terminal pentru legătură cu exteriorul, cele trei terminale se numesc emitor E, bază B, colector C.  
Avem două tipuri de tranzistoare:
1) pnp:                                            2) npn:
                                           
                                                      
                                                       


                            C                                         C
         IB                  IC                                                              IC
     B                                             IB
                                          B
                   
                             IE                                                               IE




1 IC curent în colector;
IB curent în bază;
UBE tensiune bază-emitor;
UCE tensiune colector-emitor;    
UCB tensiune colector-bază;
     Între emitor şi bază se formează joncţiunea JBE, iar între colector şi bază se formează joncţiunea JBC.
Funcţionare:
     Pentru funcţionarea normală JBE se polarizează direct iar JBC se polarizeză invers.
     Emitorul este regiunea cea mai puternic dopată având rolul de a emite un curent de purtători majoritari înspre colector.
     Baza este foarte subţire faţă de emitor şi colector, datorită polarizări directe a JBE apare un curent de electroni prin această joncţiune, baza fiind foarte subţire o mică parte din aceşti electroni se recombină cu golurile din bază, cei mai mulţi trec în C favorizând polarizarea inversă a JBC.
În acest fel curentul din colector de valoare mare poate fi controlat cu curentul din bază de valoare mică (efect de tranzistor).
   

Famili de C.I.logice




     În funcţie de modul de realizare al circuitelor integrate logice există mai multe familii şi subfamilii de C.I.L.
1) T.T.L. – logică tranzistor tranzistor:
a) standard;
b) schotky;
c) low schotky;
2) M.O.S. – metal oxid semiconductor:
a) N.M.O.S.;
b) P.M.O.S.;
c) C.M.O.S.;
3) I.I.L. – logică injecţie injecţie;
4) E.C.L. – logică cuplaj prin emitor;
     Aceste familii diferă prin diferiţi parametri electrici ai circuitelor de acelaşi tip cu excepţia microprocesoarelor şi memoriilor ce lucrează la frevenţe foarte înalte.
     Există 4 mari familii de coduri pentru circuitele şi componentele electronice:
1) Codul european:
- TXA *****
- GXA *****
- HEF *****
- PXA *****
2) Codul URSS;
3) Codul american:
- JEDEC;
4) Coduri japoneze:
- HD ****         Hitachi;
- MN ****        Matsushita;
- MPB ***        NEC;
- LM ****        Sanyo;
- CXD ****      Sony;
- TD ****         Toshiba;
- M ****           Mitsubishi;




Parametri C.I.logice.

     Circuitele integrate logice dintr-o familie au aceleaşi tipuri de parametri şi aceleaşi nivele logice de tensiune.
Diferenţele semnigficative între familii sunt:
1) Tensiunea de alimentare;
2) Valorile semnalului de intrare şi de ieşire pt 0 şi 1 logic;
3) Consumul de putere electrică;
4) Frecvenţa maximă de lucru;
5) Numărul de circuite standard din aceeaşi familie comandată de ieşirea altui circuit standard din aceeaşi familie;
6) Mediul de interconectare între porţile logice din famili diferite.
     Intrările neutilizate se conectează în funcţie de necesitaţile familiei, masei, sau tensiuni de alimentare direct sau printr-o rezistenţă de o anumită valoare.
Principali parametri sunt:
1) Caracteristica statică de transfer:
     Este legată de modificarea tensiuni de ieşire în funcţie de modificarea tensiuni de intrare.
     Dacă la 0 logic avem un nivel scăzut de tensiune la 1 logic avem nivel ridicat de tensiune logică care este pozitivă iar invers avem negativă (mai rar folosită).
     Nivelul de tensiune se notează cu L (low) iar nivelul ridicat H (hight).
2) Margine de zgomot:


Ualim         ------------------------------------------------
plaja    ---  Ui a max                                          -- UOH max    
                                                                                                              plaja U1 la OUT
U1 la in-- Ui a min                                          -- UOH min          

plaja    -- Uil max                                             -- Uol max
                                                                                                               plaja U0 la OUT  
Uo la in—Uil min                                             -- Uol min












                                    -- U alim.
                         UIH max            --
                                    -- UOH amx.
                                                        -- UOH min.

                       Uil max.                --  
                                    -- Uil max.
                                    -- Uil min.
               Uil min.                --

Definim următoarele mărimi:
ML = Uoi max – UoL min = margine de zgomot pt 0 logic;
MA = UoH max – UiH min = margine de zgomot pt 1 logic;
     Marginile de zgomot diferă de la familie de la familie.
3) Viteza de comutare:
     Reprezintă timpul maxim de propagare al semnalului prin C.L. în funcţie de tipul comutări apar doi timpi de propagare diferiţi tPLM şi tPHL.
     În practică se ia media aritmetică a celor doi timpi.
4) Consumul de putere:
     Depinde de regimul de lucru al circuitului (static sau de comutaţie). În comutaţie puterea creşte semnificativ.
     În practică se consideră o putere medie.
5) Factori de încărcare:
a) de ieşire FO – egal cu numărul de C.L. standard dintr-o familie poate comanda ieşirea unui C.L. standard din aceeaşi familie.
b) de intrare FI – arată de câte C.L.S. dintr-o familie poate fi comandat un C.L. din aceeaşi familie, de obicei FI=1.
     În cazul circuitelor T.T.L. avem:
Ualim = 4,75 ÷ 5,25V (uzual 5V).
Intrările neutilizate se conectează:
1) direct la tensiunea de alimentare dacă este cel mult 5V;
2) printr-o rezistenţă la tensiunea de alimentare (de 1KΩ);
3) la o intrare utilizată a aceleeaşi porţi logice dacă logica circuitului şi FO o permit;
4) la ieşirea unei porţi neutilizate;
5) la masă;
Variante constructive de porţi T.T.L.
1) seria standard;
2) seria open-colector (în gol de putere);
3) seria rapidă;
4) seria de putere redusă;
5) seria schotky;
6) seria schotky avansată;
7) seria schotky de putere redusă;
8) seria cu trei stele;
     Variantele 1-7 sunt realizate pentru a înbunătăţi viteza de comutaţie sau putere consumată, cei doi parametri mergând în sens contrar.
     Varianta 8 are o a treia stare la ieşire (pe lângă 0 şi 1 logic) numită impedanţă notată (hight z) în care circuitul se comportă ca şi cum ar fi deconectat.
                
Frecvenţmetru

     Pentru lucrul în joasă frecvenţă, de multe ori se doveşte utilă folosirea unui frecvenţmetru.
     Desigur uni oamenii posedă un asemenea aparat, fie industrial, fie confecţionat dupăs chema generală.
     Bineînţeles, rezultatele obţinute în măsurători sunt în majoritatea cazurilor direct proporţionale cu complexitatea montajului şi acurateţea execuţiei, în cazul celor „HOME MADE”.
    Afişarea se face, în majoritatea cazurilor cu 6, 7 sau 8 cifre. Consumul de energie este deobicei, peste 300mA în curent continuu, ajungând la valori impresionante la variantele T.T.L. cu 8 cifre şi diverse divizoare la intrare (de ex. 95H90, 11C90).
Montajul propus spre realizare întruneşte câteva caracteristici notabile:
- consum redus de energie;
- volum fizic redus;
- folosirea circuitelor CMOS de fabricaţie indigen;
- posibilitatea înlocuiri prin circuite TTL sau HCT în cazul în care se doreşte extinderea gamei de frecvenţe măsurabile;
- afişarea pe numai 4 cifre a informaţiei utile;
După cum se observă în schema principală se disting şase blocuri principale:
- divizoare de intrare;
- bază de timp cu cuarţ;
- modul de numărare-afişare;
- circuite ce furnizează semnale LE (latch) şi RST (reset);
- alimentare cu energie;
- formatoarele semnalului de intrare;
     Elementul original al acestui montaj îl întâlnim în mod de numărare-afişare şi este reprezentat de C.I.-MMC22925, produs la „Microelectrica”. Acaestă capsulă DIL16, este de fapt o reproducere a unui celebru cip Naţional Semiconductor, notat 74C925.
     Compatibilitatea este totală. Structura internă pe blocuri funcţionale o găsim prezentată în (1).
     Se observă imediat asemănarea cu un frecvenţmetru clasic, condensată însă pe o singură „aşchie” de siliciu cu intrări pentru toate semnalele utile         (CLK, RST, LE) şi cu ieşiri multiplexate pentru patru cifre.
     Acest ultim amănunut, precum şi executarea C.I. cu structurile CMOS, asigură un consum redus de energie. Tensiunea de funcţionare este de 3-6V.
     Ieşirile spre segmentare se trec prin rezistenţe de limitare, iar comanda cifrelor cu catod comun se trec prin intermediul unor tranzistoare cu rol de etaj tampon

Realizare practică

     Baza de timp este construită cu ajutorul unui alt circuit CMOS, respectiv 4060. Acesta conţine un oscilator, precum şi un şir de 14 divizoare binare. În cazul acestui montaj am folosit un cuarţ de 32768 Hz (214). La pinul 3 al C.I. 4060 se va obţine o divizare cu 214 un semnal de 2 Hz, cu precizia şi stabilitatea cuarţului.
     Pentru a obţine semnalul util de 1 Hz pentru acţionarea corectă a modului de numărare se mai face încă o divizare cu 2 prin intermediul a ½ 490 circuit TTL divizor cu 2 şi 5.
     Semnalul furnizat la ieşitrea lui 490 (1 Hz) comandă poarta construită cu D1 şi D2, a cărei ieşire atacă blocul de numărare-afişare.
     Paralel se declanşează un prim monostabil cuprins în C.I.4098 (4528), al cărui impuls de ieşire este furnizat blocului de numărare la intrare LE, comandând, totodată, un al doilea monostabil a cărei ieşire furnizează impulsul necesar la intrarea RST.
     Cronograma asociată funcţionări corecte a frecvenţmetrului descris până în acest moment se poate observa în fig.2.
     Semnalul de intrare este format cu ajutorul porţilor NAND 1 şi 2. pentru acest loc s-a preferat varianta TTL, respectiv 74LS132. cei ce posedă, pot folosi, bineînţeles, circuite CMOS rapide, tip 74HC132.
     Urmează o primă divizare cu 5 necesară pentru corelarea bazei de timp (1s) cu perioada electivă de măsurare efectivă a semnalului precum şi furnizarea semnalelor RST şi LE. După acest divizor, la ieşire se va face o nouă divizare cu 10. Cele două semnale :5 şi :50 ajung printr-un comutator electronic cu patru porţi NAND la intrare de numărare CLK, via D1.
     Înfuncţie de poziţia întreruptorului I ce comandă în c.c. comutatorul, vom obţine două game de măsurare a frecvenţelor: 0 la 99,99 KHz şi 0 la 999,9 KHz.
     După cum am arătat, elementul original al montajului este C.I. MMC22925. conform datelor (1), acesta poate măsura şi afişa până la 1 MHz frecvenţa de intrare. Rezultă deci de altfel că orce altă frecvenţă superioară acestei valori trebuie să sufere o divizare convenabilă pentru a putea fi citită.
     Tensiunea de funcţionare optimă (+5V) convine şi pentru cazul folosirii unor divizoare TTL (74LS90 de exemplu) sau chiar ECL (10131 sau 95H90). Nu recomandăm folosirea pe post de prime divizoare a capsulelor CMOS normale, deoarece acestea au o alimentare de 5V şi o funcţionare corectă de cca 3 MHz.
     Soluţia optimă ar reprezenta-o familia CMOS rapid (HC, HCT) ce îmbină freccvenţa de lucru gen TTL-Ls, 40-60 MHz cu consum mic al CMOS-urilor (1,5mW) şi tensiunea redusă de lucru (+5V).
     În concluzie circuitele folosite depind doar de zestrea fiecărui constructor. În schema electrică de bază prezentată au figurat varianta cea mai acceptabilă, folosind TTL-LS şi CMOS normal.
     Se pot folosi afişoare cu 7 segmente din producţia „Microeletrica” sau tip VQE, cu condiţia esenţială de a fi de tipul CATOD COMUN.
                                                            
     Sursa de alimentare de +5V prezintă probleme deosebite, având în vedere că afişarea LED cu cel mai „gurmand” regim în curent se face cu multiplexare, deci cu un regim mediu de cca 35mA.
     Deci, consumul total va atinge 100mA în cele mai nefavorabile condiţii. Prin folosirea în exclusivitate a circuitelor HC şi a afişelor cu mare randament luminos, la 1-2mA pe segment, consumul poate scădea la numai 20-25mA, devenită o variantă portabilă.
     Nu vom da o anume sugestie pentru cablaje, imprimate, deoarece posibilităţile multiple de adapatare la piesele disponibile, precum şi în cadrul unui complet de măsurători electronice ar face improprie poate desfăşurarea unui anumite forme sau suprafeţe.

Punere în funcţiune

     Dacă proiectarea, executarea şi plantarea cablajului imprimat, se vor lipi conductoare pentru alimentarea LE, RST şi CLK.
     Se leagă provizoriu RST şi CLK la masă, iar LE la +5V şi se va alimenta montajul de la această tensiune. Va apărea afişat 0000. dacăa fişajul prezintă altă                 valoare, se va atinge pentru scurt timp cu firul RST bara de +5V. Valoarea afişată va fi 0000. se pune RST la masă.
     Se va deconecta CLK de la masă şi se va lăsa în aer sau se va atinge punctul de +5V. Numărătorul va avansa. Nu trebuie să vă faceţi probleme dacă după deconectare de la (-) a CLK, afişarea va arăta un avans rapid al nunmărătorului.
     Sunt exemplare de MMC22925 extrem de sensibile, ce pot capta brumul electric ambiant. Se pune LE la masă, numărarea se va opri, afişându-se ultima valoare citită. Modul de numărare-afişare va funcţiona perfect.
     Dacă se va observa apariţia unor cifre ciudate, recomandăm verificarea sudurilor la elemente afişare. Defectul este sigur acolo. Se leagă apoi celelalte blocuri componente.
Se pune întreruptorul I la masă. Se aplică la intrare un semnal TTL de frecvenţă cunoscută, ce se va regăsi afişată în cazul funcţionării corecte a întregului montaj. Decuplând de la masă pe I, valoarea afişată va fi divizată prin 10.

Utilizare

- frecvenţmetru;
- AVO-metru, prin intercalarea unui convertor frecvenţă-tensiune;
- scală numerică;
- generator de funcţii cu afişarea frecvenţei;


N.T.S.M.  la folosirea curentului electric

     Curentul electric are o acţiune complexă şi caracteristică asupra tuturor componentelor organismului uman producând tulburări interne grave (aşa numitele şocuri electrice) sau leziunile externe (arsuri electrice, electrocutări şi semne electrice)
Accidentele electrice se datoresc următoarelor cauze:
a) folosirea curentului electric la tensiuni care depăşesc pe cele arătate ăn normele tehnice ale securităţi;
b) atingerea conductoarelor neizolate sau insuficient izalate sub tensiune;
    Pentru evitarea accidentelor prin electrocutare, prin contactul uneltelor cu care se lucrează în astfel de locuri de muncă, vor avea mânere din materiale electroizolante.
   Elementele aflate sub tensiune vor fi protejate de carcase împiedicându-se astfel atingerea acestora. Carcasarea sau îngrădinarea lor se va exexuta cu plase metalice sau table protejate cu rezistenţă metalică suficientă şi bine fixată.
Montajul se alimentează la tensiune redusă prin intermediul unui transformator. Pericolul unei electrocutări există numai în primarul trnsformatorului.
   La realizarea montajului se va folosi pistol de lipit cu izolaţia coresunzătoare şi scule care să nu prezinte pericol de rănire, zgâriere etc.
   La realizarea cablajului se va evita contactul cu soluţia de corodare.



Bibliografie


(1) – DATA BOOK – „Microelectrica”. 1989
(2) – ELEKTOR, 12/1991.
(3) – LE HAUT PARLEUR, nr. 1788.
Prof. Ing. Gr. I Eugenia Isac
Măsurări electrice ţi electronice
Manual pentru clasele XI-XII
Editura Didactică şi Pedagocică, R.A.
Bucureşti - 1993