PROIECT AEMC 1a MON PDF [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi“ din Iași Facultatea de Electronică, Telecomunicații și Tehnologia Informației

Aparate Electronice de Măsurare și Control Proiect Titular curs: Prof. dr. ing. Laurențiu Dimitriu Titular proiect: drd. Vasilica-Daniela Andrieș

Ciclu de studii: Licență anul III Specializarea: Microelectronică, Optoelectronică și Nanotehnologii 2017

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

(I)

PREZENTAREA GENERALĂ A TEMELOR

În cadrul proiectului de Aparate Electronice de Măsurare și Control se vor studia problemele legate de aparatele de măsurare și control numerice de complexitate medie, ca exercițiu de utilizare a circuitelor integrate digital uzuale. În același timp se urmărește dezvoltarea simțului ingineresc de proiectare în domeniul sistemelor digitale. Se propun următoarele teme: 1. Torsiometru digital 2. Tahometru digital 3. Aparat pentru masurarea raportului a doua turatii 4. Cronometru digital 5. Ceas numeric Prezentare soluții de realizare: a) circuite digitale discrete și simulare în PROTEUS; Se va realiza un sistem digital prin interconectarea circuitelor simple digitale existente pe piață și implementate în Proteus. b) implementare cu uC si simulare in PROTEUS; Programul Proteus se poate folosi și pentru simularea microcontrolerelor (Microchip Technologies PIC10, PIC12, PIC16, PIC18, PIC24, dsPIC33, Atmel AVR (și Arduino), 8051 și ARM Cortex-M3 M, NXP 8051, ARM7, ARM Cortex-M0 și ARM Cortex-M3 Texas Instruments MSP430, PICCOLO DSP și ARM Cortex-M3 și Freescale HC11, 8086). c) descriere RTL, simulare în MODELSIM și implementare pe FPGA Se va implementa un circuit digital în unul din limbajele HDL cunoscute (VHDL sau VERILOG) cu o descriere comportamentală (RTL). Pentru validarea descrierii se vor realiza module de tip testbench și se vor simula principalele blocuri funcționale cu programul MODELSIM. Implementarea finală se va plasa pe FPGA (utilizând Xilinx ISE) și se va verifica funcționarea practică. Pentru acest tip de proiect aveți la dispoziție placa Digilent Spartan 3 Starter Kit. Periferice disponibile : comutatoare, butoane, led-uri, un afisaj cu 4 celule 7 segmente și punct într-o schemă electrică cu multiplexarea afișării.

2

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

1. Torsiometru digital –prezentare generală Torsiometrul este un aparat destinat măsurării unghiului de torsiune la arborii în mișcare de rotație. Schema aplicației este prezentată în Figura 1:

Traductor 2

S2 Torsiometru S1

Traductor 1

Figura 1 Schema de funcționare a torsiometrului

Schema bloc a torsiometrului digital, raportată la cerințele de implementare, este prezentată în Figura 2: S1 Emulator Traductoare

Poarta P1

S

Poarta P2

S’

Numarator

S2 clock’

Circuit Control C1

Afisaj LCD / 7 segmente Atentionare vizuala / sonora

Divizor de frecventa Generator impulsuri de tact

clock

Torsiometru

Figura 2 Diagrama bloc a aplicației

Blocul emulator traductoare permite generarea a diferite forme de undă provenite de la cele două traductoare, (S1, S2). Se generează forme de undă cu diferite valori a defazajului dintre ele, astfel încât să se acopere toate cazurile posibile de funcționare a aplicației. La ieșirea porții P1 se obțin impulsuri de durată t, egală cu decalajul în timp al semnalelor aplicate la intrările torsiometrului. La intrarea clock’ se aplică impulsurile obținute de la un traductor tahometric având un factor de multiplicare k față de frecvența semnalului dat de traductorul torsiometric :

3

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

Poarta P2 permite trecerea impulsurilor de la iesirea circuitului divizor de frecvență numai în intervalul de timp t, ce reprezintă decalajul dintre semnalele primite de la traductoare. Numărul de impulsuri determinat și apoi afișat este :

Indicatia n a aparatului este proporțională cu defazajul dintre semnale, respectiv unghiul de torsiune α. Diagrama de impulsuri care descrie funcționarea aparatului este data în Figura 3 . T S1

S2

S

t

clock’

S’

T’

Figura 3 Diagrama de semnale

Exemplu temă de proiectare: Să se proiecteze un aparat pentru măsurarea unghiului de torsiune la un arbore în mișcare de rotație, având următoarele caracteristici : - turația maximă nmax=500 rot/min; - unghiul maxim de torsiune α max=2.5° ; - rezoluția = 0.02° ;

-

alte prescripții : avertizare sonoră la depășirea valorii α= 1°.

4

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

2. Tahometru digital –prezentare generală Tahometrul/turometrul este o aplicație particulară a măsurării digitale a frecvenței, constând în măsurarea într-un anumit interval de timp a impulsurilor furnizate de traductor și afișarea numerică a rezultatelor. Este utilă reprezentarea valorii măsurate în rot/min. O soluție simplă o reprezintă utilizarea unui traductor de impulsuri care produce 60 de tacte la fiecare rotație a axului, conectat la intrarea unui frecvențiometru digital având intervalul de timp de măsurare (timp de poartă) de 1s. Schema aplicației este prezentată în Figura 4.

Tahometru

Traductor 1

Figura 4 Schema de funcționare a tahometrului

Schema bloc a tahometrului este:

Emulator Traductor

S

Circuit Poarta

S’

Numarator

Circuit Control C1

clock’

Afisaj LCD / 7 segmente Atentionare vizuala / sonora

Divizor de frecventa Generator impulsuri de tact

Tahometru

clock

Figura 5 Diagrma bloc a aplicatiei

Impulsurile date de traductor se aplică circuitului de poartă, care în intervalul de timp de măsurare Tm permite transmiterea impulsurilor la numărător. Intervalul de timp de măsură Tm se prestabilește cu ajutorul circuitului divizor de frecvență, astfel încât rezultatul măsurătorii să reprezinte turația în rot/min.

5

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

Numărul de fante necesare se prestabilește astfel încât în intervalul de măsurare T m rezultatul măsurătorii să reprezinte turația în rot/min și poate fi determinat cu formula :

unde : β – numărul de zecimale cu care se dorește afișarea Tm – timpul de măsurare (de poartă) exprimat în secunde Diagrama de impulsuri care descrie funcționarea tahometrului este data în Figura 6.

S Tm clock’

S’

Figura 6 Diagrama de semnale

Exemplu temă de proiectare: Să se proiecteze un aparat pentru măsurarea numărului de turații a unui arbore în mișcare de rotație, având următoarele caracteristici : - gama de turații : 7-73 rot/min; - timpul de măsurare (de poartă) : 1s; - rezoluția afișajului : 0.1 rot/min; - alte prescripții : avertizare optică la depășirea valorii de 44 rot/min.

6

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

3. Aparat de măsurare a raportului a două turații –prezentare generală Aparatul este destinat măsurării raportului de transmisie la cutia de viteze, atât în cazul valorilor fixe (în trepte) cât și pentru valori variabile (în cazul sistemelor variatoare). Schema de principiu este prezentată în Figura 7.

Traductor 1

Aparat pentru masurarea a raportului a doua turatii

Traductor 2

Figura 7 Schema de functionare a aparatului

Schema bloc a aparatului se prezintă în Figura 8.

Emulator Traductoare

S1

S2

Circuit Poarta

S’

Numarator

Circuit Control C1

S2_div

Afisaj LCD / 7 segmente Atentionare vizuala / sonora

Divizor de frecventa Generator impulsuri de tact

Aparat pentru masurarea raportului a doua turatii clock

Figura 8 Diagrama bloc a aparatului

În acest caz este o schemă de frecvențiometru digital ce determină numărul de impulsuri de pe canalul 1 (S1), care trec spre numărător în timpul de poartă, obținut prin divizarea perioadei

7

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

semnalului de pe canalul 2 (S2) cu 10α (α este ales în funcție de numărul de zecimale cu care se face afișarea). Numărul afișat Nα rezultă din relația :

unde : T1 – perioada semnalului de pe primul canal T2 – perioada semnalului de pe cel de-al doilea canal α – numărul de zecimale n1 – turația arborelui de pe primul canal n2 – turația arborelui de pe cel de-al doilea canal Diagrama de impulsuri care descrie funcționarea aparatului este dată în Figura 9 .

S1

S2

Tm S2_div

S’

Figura 9 Diagrama de semnale

Exemplu temă de proiectare: Să se proiecteze un aparat pentru determinarea raportul de transmisie a două turații, cu următoarele caracteristici: - valoarea maximă a raportului de transmisie: 29; - numărul de zecimale cu care se face afișarea: 1; - alte prescripții: semnalizare a intervalului de la 21 la 24, cu semnal acustic de 1.25kHz.

8

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

4. Cronometru –prezentare generală Aparatul se bazează pe numărarea perioadelor semnalului unui oscilator cu cuarț cuprinse în intervalul de timp de măsurat. Se pot determina valori pentru intervale de timp cu eroarea de ±1ns, indiferent de mărimea acestor intervale. Schema bloc a cronometrului digital este dată în Figura 10 :

START Emulator Semnale

S CBB

STOP

S’ Poarta

Numarator

Circuit Control C1

clock’

Afisaj LCD / 7 segmente Atentionare vizuala / sonora

Divizor de frecventa Generator impulsuri de tact

Cronometru clock

Figura 10 Diagrama bloc a cronometrului

Circuitele formatoare amplifică semnalele aplicate la bornele START și STOP, obținându-se astfel fronturi abrupte pentru aceste semnale. Circuitul basculant bistabil CBB este setat de semnalul de start și resetat de semnalul de STOP, producând astfel la ieșire un semnal a cărui durată este egală cu intervalul de timp dintre semnalele de intrare. Când poarta este deschisă, semnalul de ieșire de la divizorul de frecvență se aplică numărătorului. Prin urmare numărătorul este activat pe durata intervalului de timp dintre semnalele START și STOP. De exemplu, dacă frecvența semnalului aplicat numărătorului este de 1 MHz, rezultatul citirii pe numărător va fi exprimat în µs. Majoritatea cronometrelor digitale sunt prevăzute cu memorie (păstrează rezultatele un timp determinat de aplicație). Diagrama de impulsuri care descrie funcționarea cronometrului este dată în Figura 11.

9

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

START

STOP

S’

t

clock’

S’

Figura 11 Diagrama semnalelor

Exemplu temă de proiectare: Să se proiecteze un cronometru digital cu următoarele caracteristici : - numărul de timpi cronometrați: 2; - tipul de start: simultan; - frecvența etalonului cu cuart 2 MHz ; - intervalul de timp maxim măsurat 9 min, 59 sec, 999 miimi ; - rezoluția de măsurare și afișare : miime de secundă, afișare cu selecție (un singur afișaj).

10

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

5. Ceas –prezentare generală Ceasul numeric este o aplicatie specifică a cronometrului , în care numărătorul este conceput într-o configurație corespunzatoare afișării orei, minutului, secundei. Pentru acest aparat trebuie prevazute circuite de corecție a orei exacte. De asemenea, se poate prevedea memorie pentru programator (sonerie, acționarea unor aparate la ore dinainte stabilite, etc) Schema bloc este : Setare alarma

Emulator Semnale

Setare ora SET

S

Poarta

Numarator

Circuit Control C1

clock’

Afisaj LCD / 7 segmente Atentionare vizuala / sonora

Divizor de frecventa Generator impulsuri de tact

Ceas clock

Figura 12 Diagrama bloc a ceasului

Exemplu temă de proiectare: Să se proiecteze un ceas numeric având următoarele caracteristici : - tipul de afișare a orei :24 ore, 00.00.00 -23.59.59 ; - frecvența etalonului de timp cu cuarț 500 kHz ; - alte prescripții : circuit de fixare a orei exacte, alarmă la oră fixă.

11

Proiect - Aparate Electronice de Măsurare și Control

Etapa 1 : Temă 1. Descrieti, cu propriile cuvinte, pe maxim două-trei pagini (inclusiv figuri sau desene), principiul de funcționare a torsiometrului. Să se determine perioada semnalelor aplicate (T), perioada semnalului dat de traductorul tahometric (T’). Să se determine cazurile de test posibile astfel încât să se acopere întreaga funcționalitate a aparatului. 2. Descrieți, cu propriile cuvinte, pe maxim două-trei pagini (inclusiv figuri sau desene), principiul de funcționare a tahometrului. Să se determine numărul de fante necesare cerințelor impuse (m). Să se determine cazurile de test posibile astfel încât să se acopere întreaga funcționalitate a aparatului. 3. Descrieți, cu propriile cuvinte, pe maxim două-trei pagini (inclusiv figuri sau desene), principiul de funcționare a aparatului pentru măsurarea a raportului a două turații. Să se determine cazurile de test posibile astfel încât să se acopere întreaga funcționalitate a aparatului. 4. Descrieți, cu propriile cuvinte, pe maxim două-trei pagini (inclusiv figuri sau desene), principiul de funcționare a cronometrului. Să se determine cazurile de test posibile astfel încât să se acopere întreaga funcționalitate a aparatului. 5. Descrieți, cu propriile cuvinte, pe maxim două-trei pagini (inclusiv figuri sau desene), principiul de funcționare a ceasului. Să se determine cazurile de test posibile astfel încât să se acopere întreaga funcționalitate a aparatului.

12