Control Digital 2012-1

Autores: M.en TI. Jorge Buendía Gómez Ing. Nicolás Calva Tapia M. en C. Leopoldo Martín del Campo

Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

Departamento: Ingeniería

Sección: Electrónica

Laboratorio de Control Digital Semestre 2012-1

Materia: Control Digital Clave Asignatura: 1820

Clave Carrera: 116

Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán UNAM

Índice de Prácticas I

Índice I Prólogo II Reglamento IV Práctica 1 Muestreadores y Retenedores 1 Práctica 2 Convertidor Analógico – Digital Discreto 6 Práctica 3 Convertidor Analógico – Digital Integrado 10 Práctica 4 Convertidor Digital – Analógico Integrado 14 Práctica 5 Convertidor Digital – Analógico con Realimentación 17 Práctica 6 Contador Infrarrojo 20 Práctica 7 Motores a pasos 24

Laboratorio de Control Digital

Índice


Prólogo II

Objetivo del curso

Familiarizar al alumno con los principales métodos de análisis y diseño de los sistemas de control digital. Así como con la realización práctica de los algoritmos de control que con mayor frecuencia se emplean.

Objetivos del Laboratorio

Analizar y comprobar los tres procesos empleados en la digitalización de las señales analógicas; muestreo, retención y cuantización.

Comprobar las diferentes formas de conversión analógica-digital (CAD) y la conversión digital-analógica (CDA) así como emplear sensores de señales físicas a través de transductores e implementarlos en un sistema de control digital.

Implementar el control de motores para la construcción de maquinas herramientas y robots. Introducción En el laboratorio de Control Digital se plantea realizar la comprobación de los conceptos más relevantes de la digitalización de señales analógicas. Este proceso es indispensable para poder realizar el control de los sistemas a través de sistemas digitales o computadoras. Para lograr esto se requieren 3 procesos que son el muestreo, la retención y la cuantización los cuales son implementados prácticamente para poder analizar los parámetros de funcionamiento más representativos de la discretización de señales. Otro de los elementos importantes en el proceso de control es la adquisición de datos a través de convertidores analógicos a digitales y convertidores digitales a analógicos, tanto discretos como integrados ya que son la interfaz directa entre el mundo real, básicamente analógico, y el sistema de control, básicamente digital. Finalmente es necesario integrar los diferentes procesos en la realización de sistemas de control de dispositivos de diversos tipos para comprobar el funcionamiento de las diferentes partes que componen a un sistema de control digital. Instrucciones para la elaboración del reporte Para la presentación del reporte se deberá cumplir con los requisitos indicados en cada una de las prácticas, incluyendo:

La introducción.

El procedimiento experimental

El circuito

Las tablas de datos

Las gráficas

Los comentarios

Observaciones


Prólogo


Prólogo III

Esquemas

Diagramas

El cuestionario y en general todos los elementos solicitados dentro del desarrollo de la práctica.

Los criterios de evaluación para el laboratorio son los siguientes: C1 (Criterio de evaluación 1): Reporte entregado con todos los puntos indicados (50%) C2 (Criterio de evaluación 2): Habilidad en el armado circuitos (20%) C3 (Criterio de evaluación 3): Desarrollo y funcionalidad de la práctica (20%) C4 (Criterio de evaluación 4): Participación (10%) También será necesario incluir en cada práctica, una portada (obligatoria) como la mostrada a continuación.

Bibliografía

1. Franklin G., F. Powel J. Digital Control of Dynamic Sysytems Addison- Wesley Publishing Company 1975

2. Smith C. L. Digital Computer Process Control Intex Educational Publishers 1972

3. Cadzow J., Martens H.

Discrete Time and Computer Control Systems Prentice Hall Inc. 1970

4. Kuo B. C.

Digital Control Systems Holt Rinehort and Winston, New York 1980

U. N. A. M. F. E. S. C. Laboratorio de : ________________________________________ Grupo: __________ Profesor: ______________________________________________________________ Alumno: _______________________________________________________________ Nombre de Práctica: _________________________________ No. de Práctica: _______ Fecha de realización: _____________________ Fecha de entrega:________________ Semestre: ____________


Reglamento Interno del Laboratorio de Comunicaciones, Control y Electrónica IV

1. Dentro del laboratorio queda estrictamente prohibido. a. Correr, jugar, gritar o hacer cualquier otra clase de desorden. b. Dejar basura en las mesas de trabajo y/o pisos. c. Sentarse sobre las mesas d. Fumar e. Introducir alimentos y/o bebidas. f. Introducir cualquier objeto ajeno a las prácticas de laboratorio, tales como: televisiones, equipos de

sonido (aun con audífonos) excepto algún equipo para realizar las prácticas g. La presencia de personas ajenas en los horarios de laboratorio. h. Dejar los bancos en desorden. i. Mover equipos o quitar accesorios de una mesa de trabajo a otra sin el consentimiento previo del

profesor de laboratorio en turno. j. Usar o manipular el equipo sin el conocimiento previo del profesor. k. Rayar las mesas del laboratorio. l. Energizar algún circuito sin antes verificar que las conexiones sean las correctas (polaridad de las

fuentes de voltaje, multímetros, etc.). m. Hacer cambios en las conexiones o desconectar equipo estando esté energizado. n. Hacer trabajos pesados (taladrar, martillar, etc.) en las mesas de las prácticas, para ello se cuenta

con mesas especiales para este tipo de trabajos. 2. Verifique las características de los dispositivos electrónicos con el manual o pregunte a su profesor de

laboratorio. 3. Es responsabilidad del usuario revisar las condiciones del equipo del laboratorio al inicio de cada práctica y

reportar cualquier anomalía que pudiera existir (prendido, dañado, sin funcionar, maltratado, etc.) al profesor del laboratorio correspondiente.

4. Es requisito indispensable para la realización de las prácticas, que el alumno cuente con su manual

completo y actualizado al semestre en curso, las cuales podrán obtener en:

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria. 5. Quien requiera hacer uso de las instalaciones de laboratorio para desarrollar trabajos, prácticas o

proyectos, es requisito indispensable que esté presente el profesor responsable atendiendo a los alumnos, en caso contrario no podrán hacer uso de dichas instalaciones.

6. Correo electrónico del buzón para quejas y sugerencias para cualquier asunto relacionado con los

Laboratorios de Electrónica.

[email protected] 7. La evaluación del laboratorio, será en base a lo siguiente:

A - (Acreditado; 80% de prácticas entregadas aprobadas en base a los criterios de evaluación) NA - (No Acreditado; No se cumplió con los requisitos mínimos establecidos en el punto anterior) NP - (Nunca se presento; con o sin asistencia pero que no haya entregado reporte alguno)


Reglamento Interno del Laboratorio de Comunicaciones, Control y Electrónica

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_imgenieria

mailto:[email protected]


Reglamento Interno del Laboratorio de Comunicaciones, Control y Electrónica V

8. Los casos no previstos en el presente reglamento serán resueltos por el Jefe de la Sección. NOTA: En caso de incurrir en faltas a las disposiciones anteriores, el alumno será acreedor a las siguientes

sanciones por parte del profesor de laboratorio según sea el caso y la gravedad.

Baja temporal del grupo de laboratorio al que está inscrito. Baja definitiva del grupo de laboratorio al que está inscrito.


Práctica 1 Muestreadores y Retenedores 1

x(t) x*(t) t=kT

Muestreador

Tema: 1.6. Efectos de cuantización y muestreo Objetivos

El alumno implementará un dispositivo de muestreo y un dispositivo de retención para comprobar 2 de los procesos empleados en la discretización de señales analógicas.

El alumno analizará las variaciones que se producen en ambos procesos al cambiar los parámetros del sistema y las señales de entrada.

Introducción En los sistemas discretos, en los sistemas de datos muestreados y en los sistemas de control digital, por lo general una o varias de las señales que intervienen en el proceso son señales analógicas que deben ser transformadas a señales discretas para poder ser empleadas de forma adecuada dentro de este tipo de sistemas. Para lograr la discretización de las señales, se debe aplicar primero el proceso de muestreo y obtener así una señal formada únicamente por las muestras discretas en tiempo de la señal analógica. El proceso de muestreo puede representarse a través de un switch que se cierra cada t = kT segundos durante un tiempo de muestreo (p), la entrada de este switch es una señal analógica y la salida es una señal muestreada como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1

Otra forma de representar al proceso de muestreo es a través de un modulador en amplitud, que realiza el producto de un tren de impulsos unitarios discretos generados en los instantes kT y la señal analógica que se desea muestrear, obteniéndose como producto los mismos pulsos discretos pero modulados en amplitud por la señal de entrada, a esta salida se le denomina la señal muestreada, tal y como se muestra en la figura 1.2. La operación que realiza el modulador puede representarse matemáticamente a través del producto del tren de impulsos unitarios y la señal analógica de entrada dando como resultado la siguiente expresión que define a la señal muestreada. A partir de ella se deriva la transformada Z.


Práctica 1 Muestreadores y Retenedores



Portadora

Moduladora

a

Señal Muestreada x*(t) Tren de impulsos unitarios

Señal Analógica

Estos dos circuitos integrados son de tecnología CMOS y deberán ser manejados con las precauciones necesarias para evitar que sufran daños.

0

)()(*k

kzktxtx

Figura 1.2

Otro dispositivo empleado en la digitalización de las señales analógicas para utilizarlas en los sistemas de datos muestreados, es el retenedor, el cual tiene la función de reconstruir la señal muestreada a partir de los valores de las muestras generadas por el muestreador, empleando para ello, polinomios de diferentes grados. Entre los más empleados están los retenedores de orden cero y de primer orden. En la figura 1.3 se presenta un retenedor de orden cero.

Figura 1.3

En esta práctica se implementarán 2 circuitos, que realizan las funciones de muestreo y retención respectivamente empleando circuitos analógicos, compuertas digitales y amplificadores operacionales, haciendo la anotación de que en los sistemas de control digital estas funciones se realizan a través de los convertidores analógico digitales que contienen de manera intrínseca a dichas funciones de muestreo y retención (S/H, Sample and Hold). Material y Equipo 1 C.I. LM555 1 C.I. LM741 1 C.I. CD4016 (CMOS) Switch Bidireccional. 1 C.I. CD4069 (CMOS) Inversor Lógico.

2 Resistencias de 100 a ½ W.

1 Resistencia de 0.27 k a ½ W.

1 Resistencia de 1 k a ½ W.

Modulador en Amplitud

Retenedor



Estos dos circuitos integrados son de tecnología CMOS y deberán ser manejados con las precauciones necesarias para evitar que sufran daños.

1 Resistencia de 2.2 k a ½ W.

1 Potenciómetro de 50 k. 1 Capacitor de 2.2 nF. 1 Capacitor de 1 nF.

1 Capacitor de 0.1 F. 2 Capacitores de 100uF electrolíticos. 1 Fuente Bipolar. 1 Generador de funciones. 1 Osciloscopio. Procedimiento Experimental 1. El circuito de la figura 1.4 realiza la operación de muestreo sobre la señal Ve(t) y genera una señal

muestreada Ve*(t), este circuito consta de las siguientes partes:

Generador de pulsos de muestreo.

Inversor lógico.

Interruptor analógico (switch bidireccional) controlado por pulsos. 2. Implemente el sistema y pruébelo por partes, verificando el correcto funcionamiento de cada una de

ellas.

Generador de pulsos de muestreo. (Terminal 3 del LM555)

Inversor lógico. (Terminal 2 del CD4069)

Interruptor analógico (switch bidireccional) controlado por pulsos. (Terminal 2 del CD4016)

Figura 1.4

3. Compruebe y analice el proceso de muestreo para diferentes señales de entrada, comenzando con una señal de tipo senoidal Ve(t) de 1 KHz. y una amplitud pico a pico de 10 V.

4. Si se tienen señales con demasiado ruido inserte los capacitores electrolíticos en ambas fuentes de voltaje, como se muestra en la figura 1.5.

U1

LM555

TR2

CV5

Q3

DIS7

THR6

R4

VCC8

GND1

R1

2.2K

R2

0.1K

P1

50K

C1

2.2nF

C2

0.1uF

10V

R4

1k

10V

U2A

CD4069

1 2

714

10V

U3A

CD4016

1 2

14

713

+ 10V

-10V

Ve(t)

Ve*(t)

R5

0.27K



Figura 1.5

5. Mida el rango de frecuencias mínimo y máximo de la señal de salida del generador de pulsos variando el

potenciómetro P1. 6. Varíe la frecuencia de la señal senoidal a un valor en el rango de 30KHz a 50KHz y observe el

comportamiento simultáneo de las señales de entrada Ve(t) y de salida Ve*(t), ajuste el valor de frecuencia para obtener un proceso de muestreo equivalente.(Aliasing o Señal de salida que no es muestreada adecuadamente debido a que no se toman las muestras necesarias para representarla).

7. Grafique las señales para cada punto y anote los rangos de funcionamiento de cada una de las etapas, es muy importante llegar a una conclusión práctica de porque con este tipo de circuito no se puede llegar a muestrear señales de cualquier frecuencia o amplitud.

8. Retire la resistencia R5 de 0.27K que está conectada a la terminal 2 del switch analógico, ya que afecta el comportamiento del circuito retenedor que se adicionará a la salida del muestreador.

9. Añada el circuito de la figura 1.6 a la salida del circuito de la figura 1.4, el cual realizará la función de retención, que representa el segundo proceso que se debe aplicar a las señales analógicas para transformarlas a en señales digitales.

10. Anote los comentarios en cuanto a las formas obtenidas así como las gráficas correspondientes, haciendo las pruebas también para diversos tipos de señales.

Figura 1.6

Cuestionario 1. Explique detalladamente los pasos que se siguen en el proceso de muestreo periódico de una señal

analógica. 2. Investigue el teorema de Nyquist y el concepto de Aliasing y explique la relación que tienen con

respecto al muestreo de señales analógicas. 3. Investigue de acuerdo al manual, ¿cuál? es la frecuencia máxima teórica de la señal analógica que

puede ser muestreada con este sistema, tomando en cuenta la frecuencia de los pulsos generados por el circuito LM555. Para este paso se deben calcular los parámetros de funcionamiento del circuito y obtener matemáticamente el valor.

4. Indique el tipo de retenedor empleado en la práctica (figura 1.6) y explique su funcionamiento a través de la función de transferencia de dicho circuito.

V1

+10Vdc

V2

-10Vdc

C4

100uF

C5

100uF

Vs(t)+

-

U4

LM741

3

2

6

74

R6

0.1K

C3

1nF

Ve*(t)

+10V

-10V



5. Explique de manera gráfica lo que sucedería si la frecuencia de muestreo es elevada y la constante de tiempo RC del retenedor es mayor al periodo de muestreo T.


Práctica 2 Convertidor Analógico Digital Discreto 6

Tema 1.6. Efectos de cuantización y muestreo Objetivos

El alumno construirá un convertidor analógico digital de aproximaciones sucesivas con elementos discretos.

El alumno analizará las características de funcionamiento y verificará los cálculos teóricos con mediciones sobre el circuito.

El alumno generará la curva de cuantización práctica. Introducción El primer proceso que se realiza dentro de un sistema de control digital es el proceso de muestreo, el cual nos permite obtener los valores discretos de la señal analógica de entrada en los diferentes instantes indicados por el periodo de muestreo, pero dichos valores son aún valores analógicos en amplitud aunque discretos en tiempo y no son directamente utilizables por una computadora digital, por lo tanto es necesario cuantizar dichos valores analógicos a través de convertidores analógico digitales que transforman el valor analógico de entrada a un código binario compatible con los sistemas digitales. Un convertidor analógico digital (CAD) procesa un voltaje analógico de entrada y después de cierta cantidad de tiempo, denominado tiempo de conversión, produce un código digital de salida con un determinado número de bits. Este proceso está sujeto a errores debido al método de conversión, a los componentes empleados y a otras fuentes externas al proceso. El proceso de conversión A/D generalmente es más complejo y tardado que el proceso de conversión D/A y para realizarlo se emplean varios métodos entre los que podemos nombrar: aproximaciones sucesivas, rampa digital, rampa analógica, de ráfaga y doble rampa como los más usuales. El circuito implementado en la práctica realiza la conversión por el método de aproximaciones sucesivas en forma analógica, empleando para ello circuitos comparadores de voltaje, mallas de resistencias e inversores lógicos. Material y Equipo 1 C.I. LM339 Comparadores de voltaje 1 C.I. CD4069 (MOS) Inversor Lógico 1 Transistor BC547

2 Resistencias de 39 K a ½ W.



1 Resistencia de 5.6 K a ½ W.


Práctica 2 Convertidor Analógico Digital Discreto



4 Resistencias de 2.2 K a ½ W.

4 Resistencias de 1K a ½ W.

2 Potenciómetros de 50 K 4 Leds 1 Fuente de voltaje 1 Multímetro Procedimiento Experimental 1. Construya el circuito de la figura 2.1 alimentándolo con un voltaje aproximado de VCC = 10 V. Dicho

valor será modificado posteriormente a través del procedimiento del inciso 2. 2. Varíe el voltaje de entrada analógico Ve(t), a través del potenciómetro P2, para que enciendan algunos

o todos los leds. Reajuste el nivel de la fuente de voltaje VCC hasta obtener 8V en la salida de los inversores que tienen encendido el led.

3. El reajuste de la fuente de voltaje VCC es muy importante debido a que representa el valor de voltaje máximo de conversión y debido a ello, este valor deberá mantenerse fijo durante el desarrollo de la práctica, pues las mediciones y ajustes posteriores serían incorrectos si dicha fuente tuviera una variación.

4. Ajuste el voltaje de referencia Vref en el emisor del transistor BC547, a través del potenciómetro P1, hasta obtener 4 V., lo que representa la mitad del voltaje máximo de conversión.

5. Ajuste el potenciómetro P2 hasta obtener un voltaje de 4.7 V en la entrada Ve(t) y compruebe que el código binario en las 4 salidas del circuito es (1001), también compruebe que los voltajes en las entradas positivas de los comparadores son 4 V., 6 V., 5 V. y 4.5 V., respectivamente a partir del comparador U1A. Anote las posibles variaciones de los niveles de voltaje, si las variaciones son grandes entonces existe un error en el armado del circuito.

6. Genere la curva de cuantización (Ve(t) contra código binario) variando el potenciómetro P2 desde 0 V. hasta 8 V., indicando en una tabla el nivel de voltaje analógico de entrada Ve (t) y el correspondiente código binario proporcionado por el circuito.

7. Haga una gráfica con las curvas de cuantización real e ideal y comente acerca de los errores que presenta el circuito con respecto a linealidad, exactitud y errores en el proceso de conversión.



Figura 2.1

+ -U

1A

LM

339

7 61

3 12

+ -U

2B

LM

339

5 42

+ -U

3C

LM

339

9 814

+ -U

4D

LM

339

11

10

13

U5A

4069

12

14 7

U6B

4069

34

U6C

4069

56

U6D

4069

98

R16

10 K

R17

22 K

R18

39 K

D1

A3

D2

A2

D3

A1

D4

A0

R7

22 K

R6

10 K

R10

39 K

R9

10 K

R8

22 K

R11

5.6

K

P1

50 K

Q1

BC

547

VC

C

VC

C

VC

C

P2

50 K

R5

10 K

Ve

(t)

R12

1 K

R13

1 K

R14

1 K

R15

1 K

R1

2.2

KR

22.2

KR

32.2

KR

42.2

K

Vre

f



Cuestionario 1. Realice el análisis teórico para obtener los voltajes en las entradas positivas de los comparadores

cuando se desea convertir un voltaje de 2.9 V. y proporcione los códigos binarios ideales para dicho valor.

2. Que rango de cuantización y que error máximo tiene el convertidor implementado. 3. Qué tiempo total requiere este sistema para realizar la conversión. Consultar manuales y anotar los

tiempos de respuesta de cada uno de los circuitos que intervienen en el proceso, calculando posteriormente el tiempo total de conversión.

4. Qué tiempo requeriría un circuito similar al implementado si la conversión se realizara en 8 bits y compárelo con el tiempo de conversión de 2 convertidores analógico digitales comerciales de 8 bits. Anote sus comentarios con respecto a esta comparación.

5. Son iguales o diferentes los tiempos de conversión necesarios para convertir los voltajes de 1.5 V. y de 5.3 V., justifique su respuesta.


Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado 10

Tema 2.1. Discretización de sistemas continuos Objetivos

El alumno comprobará experimentalmente el funcionamiento del convertidor analógico digital integrado ADC0804 que emplea el método de conversión de aproximaciones sucesivas.

El alumno construirá una interfaz para medir temperatura, empleando el ADC0804 y el sensor de temperatura LM35D.

Introducción Los convertidores analógicos digitales integrados emplean varios métodos de conversión que presentan diferentes características: velocidad, precisión, rango de voltaje de entrada, número de bits, rango de cuantización y algunas otras. La selección del tipo de convertidor analógico digital para una cierta aplicación, depende de muchos factores que hay que determinar a partir del sistema físico. En esta práctica se comprobará el funcionamiento del convertidor ADC0804 y se implementará un circuito para medir temperatura. En la primera parte de la práctica solo se comprobará el funcionamiento correcto del convertidor y por lo tanto el voltaje de entrada Vin se proporcionará a través del potenciómetro P1. En la segunda parte el voltaje Vin se proporcionará a través de un transductor de temperatura. La señal de temperatura que se va a medir debe sensarse a través de un transductor (sensor de temperatura), el cual transforma la temperatura del sensor a un voltaje directamente proporcional y después, a través de un acondicionador de señal se ajustan las características eléctricas (nivel de voltaje, corriente, impedancia, etc.), para poder procesar la información analógica y convertirla a un código binario. Este proceso se representa en la figura 3.1.

Figura 3.1

El circuito transductor utilizado es el sensor de temperatura LM35D que tiene un factor de escala de 10mV / °C y que acepta un rango de voltaje de alimentación +Vs desde 4V hasta 20V. En la figura 3.2 se muestra su representación esquemática y su diagrama de conexión con vista inferior.

Señal Acondicionada (Voltaje)

Señal Analógica (Voltaje)

Señal Digital (Código Binario) Temperatura


Práctica 3 Convertidor Analógico Digital Integrado

Sistema Físico Transductor (Sensor

de Temperatura)

Acondicionador

de Señal

Convertidor

Analógico Digital



Figura 3.2

Se desea que el sensor pueda medir una temperatura de 0C hasta 100C por lo tanto se tendrá un rango de voltaje de 0V a 1000mV. Debido a que el convertidor se empleará con un voltaje de referencia máximo de 5V entonces se requiere que la señal del sensor se amplifique 5 veces para obtener un rango de 0V a 5V, lo que nos dará un código binario de salida de 00000000 a 11111111 (0 a 255) de acuerdo a las siguiente relación.

𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐸𝑠𝑐𝑎𝑙𝑎 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑜𝑟

5 100 10𝑚𝑉

= 5𝑉

Figura 3.3

El ajuste del voltaje de referencia del convertidor se realizará a través de un divisor de voltaje que debe proporcionar la mitad del voltaje máximo de conversión, en este caso 2.5V. Material y Equipo 1 ADC0804 Convertidor Analógico Digital de Aproximaciones Sucesivas 1 LM35D Sensor de temperatura de precisión 1 LM358 Amplificador operacional de baja potencia

1 Resistencia de 82 a ½ W.

8 Resistencias de 470 a ½ W.

1 Resistencia de 1 K a ½ W.




1 Potenciómetros de 50 K

1 Capacitor de 1 F

2 Capacitor de 0.01 F 1 Capacitor de 220 pF 8 Leds 1 Fuente de voltaje 1 Generador de Funciones 1 Multímetro 1 Osciloscopio Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 3.4 (la referencia Vin indica el voltaje analógico que convertirá el

ADC0804). 2. Verifique que en la terminal 9 se tenga un voltaje de 2.5 V, el cual representa la mitad del voltaje

máximo de conversión y compruebe que existe una señal de reloj en la terminal 4.



3. Mida con el multímetro el voltaje en la terminal 6 del ADC0804, el cual representa el voltaje analógico de entrada Vin, que deseamos convertir a digital.

4. Varie el voltaje analógico de entrada Vin, a través del potenciómetro P1, hasta que solo esté encendido el bit menos significativo (LSB, pin 18), que corresponde al valor binario 0000 0001.

5. Registre los valores del voltaje Vin correspondientes a los valores binarios de la tabla. 6. Sustituya el potenciómetro P1 por una señal triangular con una frecuencia de 1Hz (o menor) con una

amplitud de 5Vpp y con un offset de 2.5V positivo (la señal debe ser positiva). Observe el comportamiento de los leds y anote sus comentarios.

7. Repita la operación para una señal cuadrada y una senoidal, todas con el mismo nivel de voltaje y offset.

Figura 3.4

Valor binario Vin

0000 0001

0000 0010

0000 0011

0000 0100

0000 1000

0000 1111

0001 0000

0001 0001

0110 0001

1000 0000

1010 0000

1111 0000

1111 1100

1111 1101

1111 1110

1111 1111

Tabla 3.1

U1

ADC0804

+IN6

-IN7

AGND8

VREF/29

GND10

DB711

DB612

DB513

DB414

DB315

DB216

DB117

DB018

CLKR19

VCC/VREF20

CLKIN4

INTR5

CS1

RD2

WR3

R2

10k

R3

10k

R4

10k

R1

100k

C1

220pF

C2

0.01uF

C3

0.01uF

P1

50k

5V

5V

5V

5V

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8

Vin

(R5 - R12) = 0.47K



2. Sustituya el generador de funciones por el circuito de la figura 3.5, el cual proporcionará una señal de voltaje directamente proporcional a la temperatura medida por el sensor LM35 con una ganancia de 5.

Figura 3.5

3. Registre el valor binario mostrado en los leds (este valor corresponde al valor de la temperatura

ambiente) y determine el valor correspondiente en C, utilizando el factor de escala, según se explica en la introducción.

4. Tome 5 valores más de temperatura de cualquier objeto y compruebe el comportamiento correcto del sensor de temperatura. Regístrelos y anote sus comentarios.

Cuestionario 1. Usando la tabla obtenida en el punto 4 del desarrollo, determine el rango de cuantización del

convertidor, que es el valor de voltaje necesario para provocar el cambio en un bit. 2. Determine el rango de cuantización teórico y compárelo con el valor práctico, anote sus comentarios. 3. De acuerdo a la variación de los leds cuando se le aplica una señal triangular de baja frecuencia, se

puede decir que el convertidor se comporta en forma lineal o no lineal.

R15

39K

R14

10k

LM35

+Vs

GND

Vout

5V

R13

0.082k

C4

1uF

10V

R16

1k

Al pin 6 del ADC+

-

U2A

LM358

3

2

1

84


Práctica 4 Convertidor Digital Analógico Integrado 14

Tema 4. Diseño de sistemas de control digital a partir de funciones de transferencia discretas Objetivos

El alumno comprobará el funcionamiento de un convertidor digital analógico integrado que emplea el método de conversión de red de escalera R-2R.

El alumno empleará el convertidor digital analógico MC1408 para generar señales analógicas a partir de circuitos digitales.

Introducción Un convertidor digital/analógico (CDA) es un dispositivo que transforma un dato binario de "n" bits en un voltaje analógico Vs(t), el cual es directamente proporcional a la entrada digital, la salida generalmente se obtiene a través de una corriente que puede ser transformada posteriormente a voltaje. El voltaje analógico obtenido en la salida tiene la característica de no ser continuo en amplitud pues su variación se realiza en escalones discretos de voltaje debido a que la entrada digital solo tiene un número finito de combinaciones para “n” bits con lo cual se tendrán a la salida 2

n posibles valores analógicos de

voltaje. Para realizar los procesos de conversión D/A se emplean una serie de métodos que generalmente incluyen amplificadores operacionales para sumar voltajes o corrientes proporcionales a cada uno de los bits que conforman al número binario de entrada, es por eso que a estos métodos se les denomina de corrientes o voltajes ponderados. Estos dispositivos de conversión D/A se emplean para interconectar a los sistemas digitales con los procesos reales que requieren señales analógicas para su funcionamiento. El convertidor digital analógico integrado que se empleará en esta práctica es el MC1408 que tiene un largo de palabra de 8 bits y emplea el método de conversión de red de escalera R-2R con salida a través de corriente. En la práctica se utilizará un circuito contador binario natural de 8 bits que proporcionará la entrada digital al convertidor y este generará una señal rampa negativa que se invertirá a través de un amplificador operacional convertidor de corriente a voltaje. Material y Equipo 1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analógico. 1 C.I. 74LS393. 1 C.I. LM741.

1 Resistencia de 4.7 K a ½ W.


1 Potenciómetro de 50 K.


Práctica 4 Convertidor Digital Analógico Integrado



1 Capacitor de 1 nF. 1 Fuente bipolar. 1 Generador de Funciones 1 Osciloscopio. Agregue el material adicional para implementar los diseños. Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 4.1, observe que los niveles de voltaje positivo (+5V) y negativo (-

12V) aplicados al circuito son de diferente nivel. 2. La señal de reloj (terminal 3 del contador), es una señal cuadrada de 10KHz, 5Vpp de amplitud y no

debe tener parte negativa. Esto se puede lograr obteniendo dicha señal de la salida del generador de pulsos TTL o de la salida normal del generador de funciones pero agregándole un offset de 2.5V, para que siempre este sobre el nivel de tierra.

Figura 4.1

3. Pruebe el funcionamiento del circuito con una frecuencia de reloj de 10 KHz verificando:

Funcionamiento del contador binario considerando que el bit del pin 12 es el menos significativo.

La generación de la señal diente de sierra positiva en la terminal 6 del Amplificador Operacional. 4. Ajuste el potenciómetro P1 hasta tener una amplitud de 4 V de voltaje pico, en la señal diente de sierra,

como se muestra en la figura 4.2, si no se logra alcanzar el nivel de voltaje indicado, sustituya la resistencia de realimentación del operacional para lograr obtener dicho valor.

Figura 4.2 Señal Diente de Sierra

5. Diseñe o modifique el circuito de tal forma que el convertidor digital analógico genere una señal escalera como la mostrada en la figura 4.3 con una frecuencia de 100 Hz. y un voltaje pico a pico de 4 V. Adicione hardware si es necesario para llevar a cabo la generación de dicha señal.

MSB

LSB

Reloj 10KHz

5 Vpp

U2

MC1408

B812

B711

B610

B59

B48

B37

B26

B15

VR+14

VR-15

IOUT4

IOUT2

COMP16

VLC1

V+13

V-3

+

-

U3

LM741

3

2

6

74

U1A

74LS393

A1

CLR2

QA3

QB4

QC5

QD6

U1B

74LS393

A13

CLR12

QA11

QB10

QC9

QD8

VCC14

GND7

C1

1 nF

R2

1 K

5V

5V

5V

-12V

5V

-12V

R3

4.7 K

Vs(t)

P1

50K

4 V

3T2TT 4T



Figura 4.3 Señal de Escalera Cuestionario 1. Explique el método de conversión D/A denominado red de escalera R-2R. 2. Es constante o variable el tiempo de conversión del circuito para diferentes valores de entrada digitales. 3. Que rango de cuantización tiene el convertidor usado considerando los límites de entrada digitales y el

voltaje de salida del circuito. 4. Explique que variaciones se deben hacer al circuito para generar una señal triangular. 5. Explicar el diseño empleado para el inciso 5 del procedimiento experimental

4 V

3T2TT 4T


Práctica 5 Convertidor Analógico Digital con Realimentación 17

Voltaje analógico Código Digital

Tema 5.3. Realimentación de la salida Objetivos

Construir un convertidor analógico digital realimentado, empleando un convertidor digital analógico.

Comprender el funcionamiento de las etapas que lo componen. Introducción De entre los métodos empleados para realizar la conversión A/D, uno de los más comunes es el método de rampa digital, el cual emplea un convertidor D/A que transforma el código binario de salida de un contador en una rampa discreta que es realimentada hacia la entrada del circuito y comparada contra el voltaje analógico de entrada que se desea convertir.

Figura 5.1 El circuito consta de un contador binario ascendente que genera una cuenta binaria con 2

n combinaciones

para "n" bits de conversión, en la realimentación se cuenta con un convertidor D/A que convierte la cuenta binaria en una rampa discreta, la cual será invertida y amplificada para acondicionarla al nivel adecuado y de acuerdo a los rangos máximos del voltaje de entrada que se va a convertir. A través de un comparador se determina el instante en que la rampa discreta alcanza al nivel del voltaje de entrada analógico y produce un pulso bajo en su salida que inhibe a la compuerta lógica NAND evitando que la señal de reloj llegue al circuito de conteo y por lo tanto, el contador digital se detiene. El número digital presente en los leds de salida, representa el número de pulsos necesarios para que la rampa digital alcance el voltaje analógico de entrada y por lo tanto la conversión digital de dicho voltaje. Es importante hacer notar que una vez que se detiene el contador por la inhibición del reloj, el contador deberá inicializarse para poder realizar otra conversión puesto que la rampa deberá comenzar nuevamente desde cero.


Práctica 5 Convertidor Analógico Digital con Realimentación

Contador Binario de “n” bits

Convertidor Digital Analógico de n bits

Generador de Rampa Discreta

Comparador de Nivel Sistema de Control de Paro del Contador



Material y Equipo 1 C.I. LM339 Comparador de Voltaje 1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analogico 1 C.I. LM741 Amplificador Operacional 1 C.I. 74LS393 Contador Binario 1 C.I. 74LS00 Compuerta NAND


1 Resistencia de valor definido por la ganancia del Amplificador Operacional (R4) aproximadamente 4.7K.

2 Potenciómetros de 50 K. 1 Capacitor de 1 nF. 1 Push Button normalmente abierto 8 Leds. 1 Fuente de voltaje bipolar. 1 Generador de Funciones. 1 Osciloscopio. Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 5.2. 2. Pruebe el funcionamiento del circuito por partes comenzando a partir de la compuerta NAND, para

realizar estas pruebas elimine la conexión entre el comparador y la terminal 2 de la NAND, conecte la terminal 2 de la NAND a 5 V., y posteriormente compruebe:

La operación de la NAND como inversor.

La operación correcta del contador en forma ascendente.

La generación de la señal rampa discreta en la salida del LM741, ajustando el potenciómetro P2 hasta obtener una señal rampa sin deformaciones, el nivel de voltaje de esta señal deberá ajustarse a través de R4 y P2 hasta obtener una señal rampa positiva con una amplitud de 10 V.

La operación del comparador para diferentes niveles de entrada en Ve (potenciómetro P1), considerando un rango de 0 a 10 V.

Finalmente reconecte la terminal 2 de la NAND a la salida del comprador. 3. Pruebe el funcionamiento total del circuito. 4. Genere la tabla y la curva de cuantización indicando el valor del voltaje de entrada analógico (Ve), el

código binario generado por el circuito y el código teórico. Obtenga 16 mediciones distribuidas en todo el rango de voltaje de entrada.

5. Después de tomar cada lectura borre la información de salida activando el SW1. 6. Comente acerca de los errores que presenta el circuito en cuanto a linealidad, exactitud y errores del

proceso de conversión. Cuestionario 1. Cuál es el rango de cuantización y el error máximo que puede presentarse en este circuito. 2. Explique el comportamiento del tiempo de conversión que emplea este circuito 3. Cuál es el tiempo mínimo y el tiempo máximo que emplearía el sistema de la figura 5.2 para realizar la

conversión. 4. Indique 2 formas con las cuales se puede reducir el tiempo promedio de conversión del circuito. 5. Que sucedería si el voltaje de entrada fuera mayor que el voltaje máximo alcanzado por la rampa

discreta. 6. Qué pasaría si el voltaje de entrada fuera una señal senoidal en lugar de ser un voltaje constante.



Figura 5.2

R9

1k5V

Relo

j (100 K

Hz)

SW

1

R2

1k

C1

1nF

0 =

Co

nve

rsio

n

1= L

imp

iar

dato

P2

50k5

V

5V

5V

-15

V

+-

U3

LM

741

326

7 4

15

V

-15

V

U1A

74393

A1

CLR

2

QA

3

QB

4

QC

5

QD

6

U1B

74393

A13

CLR

12

QA

11

QB

10

QC

9

QD

8

VC

C14

GN

D7

U2

MC

1408

B8

12

B7

11

B6

10

B5

9

B4

8

B3

7

B2

6

B1

5V

R+

14

VR

-15

IOU

T4

IOU

T2

CO

MP

16

VLC

1

V+

13

V-

3

5V

R4

ap

roxi

ma

da

me

nte

4.7

k

+ -U

4A

LM

339

7 61

3 12

U5A

74LS

00

1 23

14 7

R3

1k

P1

50K

R1

1k

D1 -

D7

15

V

U5B

74LS

00

4 56

5V

R5 -

R12

1k

15

V


Práctica 6 Contador Infrarrojo 20

Tema 6.4. Ejemplos de aplicación Objetivos

El alumno implementará un dispositivo de detección y conteo haciendo uso de dispositivos emisores y receptores de luz infrarroja.

El alumno conocerá dispositivos opto electrónicos que son empleados en sistemas de control para detección o aislamiento.

Introducción Los fototransistores al igual que los diodos de emisión IR son dispositivos de estado sólido que operan mediante un haz de flujo radiante, donde el diodo IR al ser polarizado directamente radia energía en forma de fotones en una frecuencia dependiente del material utilizado en la fabricación del dispositivo, para el caso de la práctica, en el rango de las frecuencias de la luz infrarroja. El fototransistor que sirve de receptor, está formado por una unión p-n colector- base, que es fotosensitiva en el rango de las frecuencias de la luz infrarroja y a través de la cual genera una corriente proporcional a la incidencia de luz. Algunas áreas de aplicación de los diodos infrarrojos y los fototransistores incluyen lectura de tarjetas, controles de iluminación, indicadores de nivel, aislamiento óptico, sensores de velocidad, telemetría, etc. Material y Equipo 1 Led IR. Diodo emisor de luz infrarroja IR333C 1 Fototransistor PT331C 1 C.I. 74LS08 Compuerta lógica AND 1 C.I. 74LS14 Inversor Schimth Trigger 1 C.I. 74LS32 Compuerta lógica OR 2 C.I. 74LS48 Decodificador BCD 7 segmentos 1 C.I. 74LS393 Contador digital de 8 bits 2 Display de 7 segmentos de cátodo común

1 Resistencia de 100 a ½ W

1 Resistencia de 470 a ½ W

1 Resistencia de 1 K a ½ W

1 Resistencia de 10 K a ½ W 1 Switch Push Button 1 Fuente de voltaje 1 Osciloscopio Nota: Si se dispone de displays de 7 segmentos de ánodo común, entonces se pueden sustituir los C.I 74LS48

por C.I. 74LS47


Práctica 6 Contador Infrarrojo



Procedimiento Experimental 1. Arme el circuito mostrado en la figura 6.1 alimentándolo con un voltaje de 5VCD. Asegúrese que la

orientación del led IR esté en línea directa con el fototransistor y que no exista ningún elemento que pudiera obstruir el haz de luz infrarroja.

Figura 6.1

U8

Dis

pla

y7

a7

b6

c4

d2

e1

f9

g10

dp

5C

C3

CC

28

U9

Dis

pla

y7

a7

b6

c4

d2

e1

f9

g10

dp

5C

C3

CC

28

R4

0.1

k

R5

0.1

k

U1

74LS

48

A7

B1

C2

D6

BI

4

RB

I5

LT

3

OA

13

OB

12

OC

11

OD

10

OE

9

OF

15

OG

14

U2

74LS

48

A7

B1

C2

D6

BI

4

RB

I5

LT

3

OA

13

OB

12

OC

11

OD

10

OE

9

OF

15

OG

14

U3A

74LS

393

GN

D7

VC

C14

A1

QA

3

QB

4

QC

5

QD

6C

LR

2

U3B

74LS

393

A13

QA

11

QB

10

QC

9

QD

8C

LR

12

U4A

74LS

32

1 23

U5B

74LS

32

4 56

U5A

74LS

08

1 23

U6B

74LS

08

4 56

U6A

74LS

14

12

U6B 74LS

14

34

D1

IR

IR333C

Q1

PT3

31C

R1

0.4

7k

R2

10k

R3

1k S

W1

Rese

t

5V

5V

5V

5V

5V



Figura 6.2 Transistor Infrarrojo PT331C Figura 6.3 Display de 7 segmentos cátodo común

Figura 6.4 LED Infrarrojo IR333C 2. Compruebe que las conexiones del fototransistor, el diodo infrarrojo y de los display son correctas

basándose en los diagramas de las figuras 6.2, 6.3 y 6.4. 3. Desconecte las líneas que van de la salida del fototransistor (colector) hacia el pin 5 de la compuerta

74LS14 y del pin 6 de la misma a la entrada de reloj del contador. 4. Conecte en la entrada del circuito contador una señal de reloj digital con una frecuencia de 5Hz y

compruebe el correcto funcionamiento del circuito. Aplique una señal de reset. 5. Conecte de forma directa la salida del fototransistor a la entrada del circuito contador. 6. Utilice uno de los canales del osciloscopio en acoplo de CD para ver la salida del fototransistor y ajuste

el tiempo por división del osciloscopio a un valor alrededor de 500ms. Utilizando una tarjeta o el dedo interrumpa el haz infrarrojo en varias ocasiones y observe y dibuje la señal de salida del fototransistor. También comente sus observaciones acerca del comportamiento de los display’s.

7. Restituya la compuerta lógica de modo que se tenga el circuito original. Conecte los canales del osciloscopio a la salida del fototransistor y a la salida de la compuerta (pin 6). Repita el punto 6 del desarrollo observando las señales en los dos canales del osciloscopio. No olvide anotar sus comentarios de lo observado en el osciloscopio y del comportamiento del display.

Cuestionario 1. En base a sus observaciones de la práctica, explique cuál es la función del C.I. Schmitt Trigger y si es

posible omitirlo del diseño.



2. Describa el funcionamiento del fototransistor y las regiones de operación en las que se encuentra al cambiar de estado.

3. Describa en forma detallada el funcionamiento del circuito y sugiera alguna aplicación práctica de este.


Práctica 7 Motores de Pasos 24

Tema 6.4. Ejemplos de aplicación Objetivos

Controlar la velocidad, sentido de giro y posición angular de un motor de pasos empleando sistemas de control digital.

Introducción El motor de pasos es un dispositivo capaz de transformar pulsos eléctricos digitales en un movimiento rotacional discreto de su eje, por cada pulso insertado el motor gira un ángulo fijo, establecido por el número de bobinas del estator, el tipo de motor y la secuencia de alimentación de dichas bobinas.

Figura 7.1

El ángulo de rotación del eje, es directamente proporcional al número de pulsos insertados a las bobinas y la velocidad de rotación es dependiente de la frecuencia de dichos pulsos .Los motores por pasos son simples de operar en una configuración de lazo abierto y debido a su tamaño proporcionan un excelente torque a baja velocidad . El resultado de este movimiento es un posicionamiento preciso y confiable ya que hay una relación directa entre el número de pulsos insertados y el ángulo de giro del motor. En los sistemas de control moderno se presentan a menudo movimientos de tipo incremental, por esto los motores de pasos se han convertido en elementos de acción importantes y en la actualidad podemos encontrar estos motores en unidades de disco flexible, unidades de disco duro, impresoras, en gran variedad de máquinas herramientas y son dispositivos fundamentales para proporcionar movimiento a los robots. Un motor de pasos puede ser comparado con una serie de electromagnetos o solenoides dispuestos en círculo como se muestra en la figura 7.2. Cuando se energizan los electromagnetos secuencialmente, se crea un campo magnético que ocasiona una reacción de orientación del rotor con los polos del electroimán, lo cual hace girar al rotor en el sentido de la activación de los campos magnéticos hasta alcanzar una posición de alineación con el campo magnético generado, permaneciendo en la posición de alineación hasta que se active otro campo magnético adyacente.


Práctica 7 Motores de Pasos



Este tipo de motores tiene un ángulo de paso, el cual está determinado por el fabricante y nos indica cual va a ser el desplazamiento angular del rotor al aplicarle un pulso, los ángulos de paso más comunes van desde 0.9 º por pulso hasta 15 º por pulso en los motores más simples. En nuestro caso el motor utilizado tiene un ángulo de paso de 15 ° por pulso, es decir que es necesario dar 24 pulsos para tener una revolución completa.

Figura 7.2 Material y Equipo

3 Resistencias de 56 a ½ W. 3 Diodos 1N4001 3 Transistores TIP31A 1 Motor de pasos. Elementos necesarios para la implementación del diseño. 1 Fuente de voltaje. 1 Osciloscopio. Procedimiento Experimental 1. Diseñar un circuito que genere una secuencia como la mostrada en la figura 7.3 y conectarlo a la etapa

de potencia del motor de pasos figura 7.4, para hacer girar al motor de manera continua. Para la implementación de este diseño se pueden usar circuitos secuenciales individuales (Flip - Flops) o circuitos integrados de cualquier tipo.

FASE 1

FASE 2

FASE 3

Los niveles de voltaje son TTL.

t

V

Figura 7.3

Rotor

Bobinas del Estator

N

S

Pulso de Alimentación



2. Implementar la etapa de potencia mostrada en la figura 7.4, la cual sirve para proporcionar corriente a

las bobinas del motor de pasos a partir de las señales digitales de baja potencia. 3. Modificar el circuito para que el motor gire solamente una vuelta completa (24 pulsos) cuando se le

indique a través de una señal de inicio. 4. Entregar la información correspondiente al diseño, implementación, material y pruebas realizadas sobre

los circuitos diseñados.

Figura 7.4 Cuestionario 1. En forma de bloque explique los elementos básicos que debe tener un circuito de control que permita al

usuario establecer el número de pulsos específico que desee hacer girar al motor, esto es los elementos para construir un controlador de posición angular.

2. Investigar en los manuales de circuitos integrados lineales de diversos fabricantes, un circuito que realice la función de controlador de motor de pasos e incluir en el reporte copias de las especificaciones.

3. Investigue los diferentes tipos de motores de pasos, indicando sus características y su forma de funcionamiento.

Q1

TIP31

Q2

TIP31

Q3

TIP31

R1

56 Ω

R2

56 Ω

R3

56 Ω

D1 D1N4001

D2 D1N4001

D3 D1N4001

FASE 1

FASE 3

FASE 2

+8V

Cable Naranja

Cable Rojo

Cable Café

Cable Negro Conectar al Circuito de Control

Conectar al Motor de Pasos

Control Digital 2012-1

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