Unidad de Aprendizaje Círcuitos Amplificadores

Etapa 4

Prodcuto Integrador de Aprendizaje

Maestra (Titular): Profra. Diana Belinda Valdés SánchezMaestro (Suplente): TSU. Eleazar W. B. Salazar Guerrero Alumnos: FLORES CARBAJAL JESUS ADOLFO 1810030 CASTILLO GARCIA KEVIN ALEJANDRO 1822753MONSIVAIS BALDERAS DANTE ALONSO 1802379TAMAYO GARCIA HUGO ENRIQUE 1805831Aula: 126 Grupo: 3J1

Especialidad: Electrónica industrialSemestre: 3ero Turno: Matutino

Ciudad de Monterrey, Nuevo León a 18 noviembre de 2016

Introducción a la actividad Practica-Teorica

Unidad de Aprendiazaje: Circuitos Amplificadores

EIAOUANLESCUELA INDUSTRIAL Y PREPARATORIA

TÉCNICA “ÁLVARO OBREGÓN”® UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN®

Competencia Global de la U.A.

Aplicar las características y parámetros que actúan sobre los Amplificadores para comprobar su funcionamiento mediante mediciones de voltaje, corriente y formas de onda en aparatos que aumentan señales eléctricas.

PIA: OPAM´s y Arduino

Elementos de compentencia:

C1. Identificar los circuitos con OPAM, para descrbir su funcionamiento en aparatos electronicos utilizados en la vida cotidiana.

C2. Armar circuitos con OPAM, para comprobar los parámetros de operación de los mismos mediante mediciones de voltaje, corriente y señales, en los circuitos realizados en prácticas.

C3. Realizar porgracion y armado de circuitos en los que se emplea el software y hardware de Arduino.

Tema de la Actividad Producto Integrador de Aprendizaje

Marco Teórico

Parte 1 (Circuito de accionamiento de un foco, con amplificación mediante un OPAM y los usos de una fotorresistencia) El Amplificador Operacional

Un amplificador operacional, a menudo conocido op-amp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas.

PRINCIPIOS BASICOS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES

El amplificador operacional ideal.-

Los fundamentos básicos del amplificador operacional ideal son relativamente fáciles. Quizás, lo mejor para entender el amplificador operacional ideal es olvidar todos los pensamientos convencionales sobre los componentes de los amplificadores, transistores, tubos u otros cualesquiera. En lugar de pensar en ellos, piensa en términos generales y considere el amplificador como una caja con sus terminales de entrada y salida. Trataremos, entonces, el amplificador en ese sentido ideal, e ignoraremos qué hay dentro de la caja.

Fig. 1

V0 = a Vd a = infinito Ri = infinito

Ro = 0 BW (ancho de banda) = infinito

V0 = 0 sí Vd = 0

En la figura 1 se muestra un amplificador idealizado. Es un dispositivo de acoplo directo con entrada diferencial, y un único terminal de salida. El amplificador sólo responde a la diferencia de tensión entre los dos terminales de entrada, no a su potencial común. Una señal positiva en la entrada inversora (-), produce una señal negativa a la salida, mientras que la misma señal en la entrada no inversora (+) produce una señal positiva en la salida. Con una tensión de entrada diferencial, Vd, la tensión de salida, Vo, será a Vd, donde a es la ganancia del amplificador. Ambos terminales de entrada del amplificador se utilizarán siempre independientemente de la aplicación. La señal de salida es de un sólo terminal y está referida a masa, por consiguiente, se utilizan tensiones de alimentación bipolares (±)

Teniendo en mente estas funciones de la entrada y salida, podemos definir ahora las propiedades del amplificador ideal. Son las siguientes:

1. La ganancia de tensión es infinita:

2. La resistencia de entrada es infinita:

3. La resistencia de salida es cero:

Ro = 0

4. El ancho de banda es infinito:

5. La tensión offset de entrada es cero:

V0 = 0 sí Vd = 0

A partir de estas características del AO, podemos deducir otras dos importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña.

Luego, en resumen:

A partir de estas características del AO, podemos deducir otras dos importantes propiedades adicionales. Puesto que, la ganancia en tensión es infinita, cualquier señal de salida que se desarrolle será el resultado de una señal de entrada infinitesimalmente pequeña. Luego, en resumen:

La tensión de entrada diferencial es nula.

También, si la resistencia de entrada es infinita. No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada

Estas dos propiedades pueden considerarse como axiomas, y se emplearán repetidamente en el análisis y diseño del circuito del AO. Una vez entendidas estas propiedades, se pude, lógicamente, deducir el funcionamiento de casi todos los circuitos amplificadores operacionales.

Configuraciones básicas del amplificador operacional

Los amplificadores operacionales se pueden conectar según dos circuitos amplificadores básicos: las configuraciones (1) inversora y (2) no inversora. Casi todos los demás circuitos con amplificadores operacionales están basados, de alguna forma, en estas dos configuraciones básicas. Además, existen variaciones estrechamente relacionadas de estos dos circuitos, más otro circuito básico que es una combinación de los dos primeros: el amplificador diferencial.

El amplificador inversor

La figura 2 ilustra la primera configuración básica del AO. El amplificador inversor. En este circuito, la entrada (+) está a masa, y la señal se aplica a la entrada (-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2.

Fig. 2

Aplicando las propiedades anteriormente establecidas del AO ideal, las características distintivas de este circuito se pueden analizar cómo sigue.

Puesto que el amplificador tiene ganancia infinita, desarrollará su tensión de salida, V0, con tensión de entrada nula. Ya que, la entrada diferencial de A es:

Vd = Vp - Vn, ==> Vd = 0.- Y si Vd = 0,

Entonces toda la tensión de entrada Vi, deberá aparecer en R1, obteniendo una corriente en R1

Vn está a un potencial cero, es un punto de tierra virtual

Toda la corriente I que circula por R1 pasará por R2, puesto que no se derivará ninguna corriente hacia la entrada del operacional (Impedancia infinita), así pues el producto de I por R2 será igual a - V0

Por lo que:

Luego la ganancia del amplificador inversor:

Deben observarse otras propiedades adicionales del amplificador inversor ideal. La ganancia se puede variar ajustando bien R1, o bien R2. Si R2 varía desde cero hasta infinito, la ganancia variará también desde cero hasta infinito, puesto que es directamente proporcional a R2. La impedancia de entrada es igual a R1, y Vi y R1

únicamente determinan la corriente I, por lo que la corriente que circula por R 2 es siempre I, para cualquier valor de dicha R2.

La entra del amplificador, o el punto de conexión de la entrada y las señales de realimentación, es un nudo de tensión nula, independientemente de la corriente I. Luego, esta conexión es un punto de tierra virtual, un punto en el que siempre habrá el mismo potencial que en la entrada (+). Por tanto, este punto en el que se suman las señales de salida y entrada, se conoce también como nudo suma. Esta última característica conduce al tercer axioma básico de los amplificadores operacionales, el cual se aplica a la operación en bucle cerrado:

En bucle cerrado, la entrada (-) será regulada al potencial de entrada (+) o de referencia.

Esta propiedad puede aún ser o no ser obvia, a partir de la teoría de tensión de entrada de diferencial nula. Es, sin embargo, muy útil para entender el circuito del AO, ver la entrada (+) como un terminal de referencia, el cual controlará el nivel que ambas entradas asumen. Luego esta tensión puede ser masa (como en la figura 2), o cualquier potencial que se desee.

El amplificador no inversor

La segunda configuración básica del AO ideal es el amplificador no inversor, mostrado en la figura 3. Este circuito ilustra claramente la validez del axioma 3.

Fig. 3

En este circuito, la tensión Vi se aplica a la entrada (+), y una fracción de la señal de salida, Vo, se aplica a la entrada (-) a través del divisor de tensión R 1 - R2. Puesto que, no fluye corriente de entrada en ningún terminal de entrada, y ya que Vd = 0, la tensión en R1 será igual a Vi. 

Así pues

 

Y como

Tendremos pues que:

Que si lo expresamos en términos de ganancia:

Que es la ecuación característica de ganancia para el amplificador no inversor ideal.

También se pueden deducir propiedades adicionales para esta configuración. El límite inferior de ganancia se produce cuando R2 = 0, lo que da lugar a una ganancia unidad.

En el amplificador inversor, la corriente a través de R1 siempre determina la corriente a través de R2, independientemente del valor de R2, esto también es cierto en el amplificador no inversor. Luego R2 puede utilizarse como un control de ganancia lineal, capaz de incrementar la ganancia desde el mínimo unidad hasta un máximo de infinito. La impedancia de entrada es infinita, puesto que se trata de un amplificador ideal.

Configuraciones basadas en los circuitos inversor y no inversor

El amplificador diferencial.-

Una tercera configuración del AO conocida como el amplificador diferencial, es una combinación de las dos configuraciones anteriores. Aunque está basado en

los otros dos circuitos, el amplificador diferencial tiene características únicas. Este circuito, mostrado en la figura 4, tiene aplicadas señales en ambos terminales de entrada, y utiliza la amplificación diferencial natural del amplificador operacional.

Fig. 4

Para comprender el circuito, primero se estudiarán las dos señales de entrada por separado, y después combinadas. Como siempre Vd = 0 y la corriente de entrada en los terminales es cero.

Recordar que Vd = V(+) - V(-) ==> V(-) = V(+)

La tensión a la salida debida a V1 la llamaremos V01

Y como V (-) = V (+)

La tensión de salida debida a V1 (suponiendo V2 = 0) valdrá:

Y la salida debida a V2 (suponiendo V1 = 0) será, usando la ecuación de la ganancia para el circuito inversor, V02

Y dado que, aplicando el teorema de la superposición la tensión de salida V0 = V01

+ V02 y haciendo que R3 sea igual a R1 y R4 igual a R2 tendremos que:

Por lo que concluiremos

Que expresando en términos de ganancia:

Que es la ganancia de la etapa para señales en modo diferencial

Esta configuración es única porque puede rechazar una señal común a ambas entradas. Esto se debe a la propiedad de tensión de entrada diferencial nula, que se explica a continuación.

En el caso de que las señales V1 y V2 sean idénticas, el análisis es sencillo. V1 se dividirá entre R1 y R2, apareciendo una menor tensión V (+) en R2. Debido a la ganancia infinita del amplificador, y a la tensión de entrada diferencial cero, una tensión igual V (-) debe aparecer en el nudo suma (-). Puesto que la red de resistencias R3 y R4 es igual a la red R1 y R2, y se aplica la misma tensión a ambos terminales de entrada, se concluye que Vo debe estar a potencial nulo para que V(-) se mantenga igual a V(+); Vo estará al mismo potencial que R2, el cual, de hecho está a masa. Está muy útil propiedad del amplificador diferencial, puede utilizarse para discriminar componentes de ruido en modo común no deseables, mientras que se amplifican las señales que aparecen de forma diferencial. Si se cumple la relación

La ganancia para señales en modo común es cero, puesto que, por definición, el amplificador no tiene ganancia cuando se aplican señales iguales a ambas entradas.

Las dos impedancias de entrada de la etapa son distintas. Para la entrada (+), la impedancia de entrada es R1 + R2. La impedancia para la entrada (-) es R3. La impedancia de entrada diferencial (para una fuente flotante) es la impedancia entre las entradas, es decir, R1+R3.

El sumador inversor

Utilizando la característica de tierra virtual en el nudo suma (-) del amplificador inversor, se obtiene una útil modificación, el sumador inversor, figura 5.

Fig. 5

En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V (+) está conectada a masa, por lo que la tensión V (-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente I1 circulará a través de RF y la llamaremos I2. Lo que ocurre en este caso es que la corriente I1 es la suma algebraica de las corrientes proporcionadas por V1, V2 y V3, es decir:

Y también

Como I1 = I2 concluiremos que:

Que establece que la tensión de salida es la suma algebraica invertida de las tensiones de entrada multiplicadas por un factor corrector, que el alumno puede observar que en el caso en que RF = RG1 = R G2 = R G3 ==> VOUT = - (V1 + V2 + V3)

La ganancia global del circuito la establece RF, la cual, en este sentido, se comporta como en el amplificador inversor básico. A las ganancias de los canales individuales se les aplica independientemente los factores de escala RG1, R G2, R G3,... etc. Del mismo modo, R G1, R G2 y R G3 son las impedancias de entrada de los respectivos canales.

Otra característica interesante de esta configuración es el hecho de que la mezcla de señales lineales, en el nodo suma, no produce interacción entre las entradas, puesto que todas las fuentes de señal alimentan el punto de tierra virtual. El circuito puede acomodar cualquier número de entradas añadiendo resistencias de entrada adicionales en el nodo suma.

Aunque los circuitos precedentes se han descrito en términos de entrada y de resistencias de realimentación, las resistencias se pueden reemplazar por elementos complejos, y los axiomas de los amplificadores operacionales se mantendrán como verdaderos. Dos circuitos que demuestran esto, son dos nuevas modificaciones del amplificador inversor.

El integrador

Se ha visto que ambas configuraciones básicas del AO actúan para mantener constantemente la corriente de realimentación, IF igual a IIN.

Fig. 6

Una modificación del amplificador inversor, el integrador, mostrado en la figura 6, se aprovecha de esta característica. Se aplica una tensión de entrada VIN, a RG, lo que da lugar a una corriente IIN.

Como ocurría en el amplificador inversor, V(-) = 0, puesto que V(+) = 0, y por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada Iin pasa hacia el condensador CF, llamaremos a esta corriente IF.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador CF. Por consiguiente, la corriente constante IF, en CF da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar CF por el lazo de realimentación.

La variación de tensión en CF es

Lo que hace que la salida varíe por unidad de tiempo según:

Como en otras configuraciones del amplificador inversor, la impedancia de entrada es simplemente RG

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

Por supuesto la rampa dependerá de los valores de la señal de entrada, de la resistencia y del condensador.

El diferenciador

Una segunda modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador mostrado en la figura 7.

Fig. 7

En este circuito, la posición de R y C están al revés que en el integrador, estando el elemento capacitativo en la red de entrada. Luego la corriente de entrada obtenida es proporcional a la tasa de variación de la tensión de entrada:

De nuevo diremos que la corriente de entrada IIN, circulará por RF, por lo que IF = IIN

Y puesto que VOUT= - IF RF Sustituyendo obtenemos

Obsérvese el siguiente diagrama de señales para este circuito

El seguidor de tensión

Una modificación especial del amplificador no inversor es la etapa de ganancia unidad mostrada en la figura 8

En este circuito, la resistencia de entrada se ha incrementado hasta infinito, y RF

es cero, y la realimentación es del 100%. V0 es entonces exactamente igual a Vi, dado que Es = 0. El circuito se conoce como "seguidor de emisor" puesto que la

salida es una réplica en fase con ganancia unidad de la tensión de entrada. La impedancia de entrada de esta etapa es también infinita.

Resumen de las configuraciones básicas del amplificador y sus características.

Todas las características de los circuitos que se han descrito son importantes, puesto que, son las bases para la completa fundamentación de la tecnología de los circuitos amplificadores operacionales. Los cinco criterios básicos que describen al amplificador ideal son fundamentales, y a partir de estos se desarrollan los tres principales axiomas de la teoría de los amplificadores operacionales, los cuales repetimos aquí:

1.- La tensión de entrada diferencial es nula

2.- No existe flujo de corriente en ninguno de los terminales de entrada

3.- En bucle cerrado, la entrada (-) será regulada al potencial de entrada (+) o de referencia.

Estos tres axiomas se han ilustrado en todos los circuitos básicos y sus variaciones. En la configuración inversora, los conceptos de corriente de entrada nula, y tensión de entrada diferencial cero, dan origen a los conceptos de nudo suma y tierra virtual, donde la entrada inversora se mantiene por realimentación al mismo potencial que la entrada no inversora a masa. Usando el concepto de la entrada no inversora como terminal de referencia, el amplificador no inversor y el seguidor de emisor ilustran como una tensión de entrada es indirectamente multiplicada a través de una realimentación negativa en la entrada inversora, la cual es forzada a seguir con un potencial idéntico. La configuración diferencial combina estos conceptos, ilustrando el ideal de la simultaneidad de la amplificación diferencial y del rechazo de la señal en modo común. Las variaciones del inversor ponen de nuevo de manifiesto los principios básicos. En todos estos circuitos, hemos visto también cómo el funcionamiento está solamente determinado por los componentes conectados externamente al amplificador.

Hasta este momento, hemos definido el AO en sentido ideal y hemos examinado sus configuraciones básicas. Con una definición adicional, la simbología del dispositivo, llegaremos al mundo real de los dispositivos prácticos, examinaremos sus desviaciones respecto al ideal, y veremos cómo superarlas.

SIMBOLO ESQUEMATICO DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL ESTANDAR Y SU USO.

Una herramienta adicional básica del AO es su símbolo esquemático. Este es fundamental, dado que un esquema correctamente dibujado nos dice mucho sobre

las funciones de un circuito. El símbolo más usado se muestra en la figura 9 con algunas aclaraciones anotadas.

El símbolo básico es un triángulo, el cual generalmente presupone amplificación. Las entradas están en la base del triángulo, y la salida en el ápice. De acuerdo con el convenio normal del flujo de señal, el símbolo se dibuja con el ápice (salida) a la derecha, pero puede alterarse si es necesario para clarificar otros detalles del circuito.

Usualmente, las dos entradas se dibujan como se indica en la figura; la entrada no inversora (+) es la inferior de las dos. Excepciones a esta regla se producen en circunstancias especiales, en las que podría ser difícil mantener el convenio estándar. Además, las dos entradas están claramente identificadas por los símbolos (+) y (-), los cuales se sitúan adyacentes a sus respectivos terminales dentro del cuerpo del triángulo.

Como se ve, los terminales de las tensiones de alimentación se dibujan, preferiblemente, por encima y debajo del triángulo. Estos pueden no ser mostrados en todos los casos (en favor de la simplicidad) pero siempre están implícitos. Generalmente, en croquis, basta con usar el símbolo de tres terminales para dar a entender el significado, sobreentendiendo las conexiones de alimentación.

Finalmente, el tipo o número del dispositivo utilizado se sitúa centrado en el interior del triángulo. Si el circuito es uno general, indicativo de un amplificador operacional cualquiera, se usa el símbolo A ( o A1, A2, étc.).

Fotorresistencia

Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado foto resistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependen resistor. Su cuerpo está formado por una célula foto receptora y dos patillas. En la siguiente imagen se muestra su símbolo eléctrico.

Funcionamiento

Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Una foto resistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Aplicación de circuitos con la utilización de fotorresistencia y amplificación en señales de salida

Circuito detector de oscuridad

Detector de oscuridad

Este es un circuito detector de oscuridad que utiliza como componente principal un LDR (fotorresistencia / foto resistor). Un LDR varía el valor de su resistencia dependiendo de la cantidad de iluminación que lo incida. A más iluminación, menor resistencia. Como componente de salida el circuito utiliza un relé que se activará, alimentando una carga (por ejemplo una lámpara)

El conjunto R2, VR1 (potenciómetro), R4 (LDR), forma un divisor de voltaje. El voltaje de salida de este divisor de voltaje se toma entre el LDR y el potenciómetro. Cuando el LDR esté iluminado, habrá un voltaje bajo en la base del transistor y éste no conducirá y no activará el relé. Cuando el LDR esté sin iluminación, el voltaje en la base del transistor subirá y este conducirá y activará el relé.

Como el nivel de iluminación sobre el LDR varía gradualmente, se utiliza un potenciómetro para ajustar el nivel adecuado de activación del relé. El diodo LED D1 indica que el circuito está en funcionamiento y el Diodo LED D3 se activa

cuando el nivel de luz va disminuyendo. El diodo D2 es para proteger el transistor cuando el relé se desconecte.

Detector de luz transistorizado

Detector de luz transistorizado

Este circuito detector de luz permite activar un dispositivo de iluminación por medio de relé cuando la intensidad de la luz del día ya no es suficiente. Se puede utilizar para iluminar la entrada principal de la casa, una vitrina de exhibición que debe mantenerse iluminada aún en la noche, una zona no segura en la noche, etc.

Funcionamiento del detector de Luz

El elemento sensor de la intensidad de luz es un LDR (foto resistor) cuya resistencia depende de la intensidad de luz que lo incide. A mayor cantidad de luz, menor resistencia en el LDR y viceversa. Para ajustar el nivel de luz, con el cual el

relé se debe activar para conectar la iluminación artificial, se utiliza el potenciómetro P.

Cuando el LDR está iluminado, su resistencia de éste es baja, el transistor T1, entra en corte, T2 se satura, quitando corriente de la base del transistor T3. T3 queda en corte y T4 también, por ser un transistor PNP. Esto causa que el relé no se active.

Cuando el LDR está en la obscuridad, su resistencia es alta, el transistor T1, entra en saturación, T2 entra en corte, permitiendo que el transistor T3 se sature.

Si el transistor T3 se satura, el transistor T4 también, activando el relé. El relé utiliza un diodo en paralelo para evitar quemar el transistor T4, cuando éste se desactive. El circuito esta graficado con una alimentación de 9 VDC, pero se puede alimentar con 12 VDC, cambiando el relé de por uno de 12 voltios.

Marco Practico de la Actividad

PARTE 1 Circuito de conmutación con relé, fotorresistencia y amplificación con OPAM

El objetivo del circuito consiste primero, en regular el la corriente de entrada, a 12 v, con el regular 7812, después de realizar eso es necesario conectarlo al siguiente circuito, el cual se activa con una fotorresistencia, después pasa por un potenciómetro que controla el flujo de la corriente, el OPAM, se encarga de amplificar la corriente de salida después pasa por varias resistencias, que reducen su voltaje, atraviesa un capacitor, que almacena la energía y luego la libera, pasa por el transistor 2N2222, el cual vuelve a amplificar la corriente, y atraviesa un diodo, el cual hace que la corriente pase por un sola dirección, finalmente llega a un relé el cual se encarga de funcionar como un switch, el cual hace prender un foco, el uso de la fotorresistencia cuando le llega la luz hacer que no pase nada de voltaje haciendo que el foco este apagado, pero cuando no ha luz, permite que se conduzca la corriente, accionando el relé y haciendo que se prenda el foco.

Marco Teórico

Parte 2 (Circuito controlado por arruino con accionamiento de matrices leds)

ArduinoArduino (en EEUU, Genuino a nivel internacional) es una compañía de hardware libre y una comunidad tecnológica que diseña y manufactura placas de desarrollo de hardware y software, compuesta respectivamente por circuitos impresos que integran un microcontrolador y un entorno de desarrollo (IDE), en donde se programa cada placa. Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinarios. Toda la plataforma, tanto para sus componentes de hardware como de software, son liberados con licencia de código abierto que permite libertad de acceso a ellos.

Funcionamiento

Como pasa con la mayoría de las placas microcontroladores las funciones de Arduino pueden resumirse en tres. En primera instancia, tenemos una interfaz de entrada, que puede estar directamente unida a los periféricos, o conectarse a ellos por puertos. El objetivo de esa interfaz de entrada es llevar la

información al microcontrolador, la pieza encargada de procesar esos datos. El mentado microcontrolador varía dependiendo de las necesidades del proyecto en el que se desea usar la placa, y hay una buena variedad de fabricantes y versiones disponibles.

Por último, tenemos una interfaz de salida, que lleva la información procesada a los periféricos encargadas de hacer el uso final de esos datos, que en algunos casos puede bien tratarse de otra placa en la que se centralizará y procesara nuevamente la información, o sencillamente, por ejemplo, una pantalla o un altavoz encargada de mostrar la versión final de los datos.

De nuevo, Arduino es un sistema, y no una placa única. Por esto, el funcionamiento concreto dependerá del proyecto. Así, en un móvil hecho con Arduino tendremos varios microcontroladores, encargados de las conexiones de red, los datos necesarios para la entrada de números y mostrar información en pantalla, entre otras cosas. Así mismo, un reloj hecho con Arduino solamente haría falta un chip que cuantifique la hora y la muestre en una pantalla.

Como ya hemos dicho, Arduino es casi sinónimo de hardware libre, y con eso, estamos hablando de una de las plataformas más complejas y variables que podrían existir.

Lenguajes de programación de Arduino

La plataforma Arduino se programa mediante el uso de un lenguaje propio basado en el lenguaje de programación de alto nivel Processing que es similar a C++.

Funciones básicas y operadores

Arduino está basado en C y soporta todas las funciones del estándar C y algunas de C++. A continuación se muestra un resumen con la estructura y sintaxis del lenguaje Arduino:

Sintaxis básica

Delimitadores:;, {}

Comentarios: //, /* */ Cabeceras: #define, #include Operadores aritméticos: +, -, *, /, % Asignación: = Operadores de comparación: ==, !=, <, >, <=, >= Operadores Booleanos: &&, ||, ! Operadores de acceso a punteros: *, & Operadores de bits: &, |, ^, ~, <<, >> Operadores compuestos:

o Incremento y decremento de variables: ++, --o Asignación y operación: +=, -=, *=, /=, &=, |=

Estructuras de control

Condicionales: if, if...else, switch case Bucles: for, while, do. while Bifurcaciones y saltos: break, continue, return, goto

Variables

En cuanto al tratamiento de las variables también comparte un gran parecido con el lenguaje C.

Constantes

HIGH/LOW: representan los niveles alto y bajo de las señales de entrada y salida. Los niveles altos son aquellos de 3 voltios o más.

INPUT/OUTPUT: entrada o salida. false (falso): Señal que representa al cero lógico. A diferencia de las

señales HIGH/LOW, su nombre se escribe en letra minúscula. true (verdadero): Señal cuya definición es más amplia que la de false.

Cualquier número entero diferente de cero es "verdadero", según el álgebra de Boole, como en el caso de -200, -1 o 1. Si es cero, es "falso".

Tipos de datos

void, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array.

Conversión entre tipos

Estas funciones reciben como argumento una variable de cualquier tipo y devuelven una variable convertida en el tipo deseado.

char(), byte(), int(), word(), long(), float()

Calificadores y ámbito de las variables

static, volatile, const.

Utilidades

sizeof()

Funciones básicasE/S digital

pinMode(pin, modo). digitalWrite(pin, valor). int digitalRead(pin).

E/S analógica

analogReference(tipo) int analogRead(pin) analogWrite(pin, valor)

E/S avanzada

shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor) unsigned long pulseIn(pin, valor)

Tiempo

unsigned long millis() unsigned long micros() delay(ms) delayMicroseconds(microsegundos)

Matemáticas

min(x, y), max(x, y), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, exponente), sqrt(x)

Trigonometría

sin(rad), cos(rad), tan(rad)

Números aleatorios

randomSeed(semilla), long random(máx), long random(mín, máx)

Bits y Bytes

lowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()

Interrupciones externas

attachInterrupt(interrupción, función, modo) detachInterrupt(interrupción)

Interrupciones

interrupts(), noInterrupts()

Comunicación por puerto serie

Las funciones de manejo del puerto serie deben ir precedidas de la palabra "Serial" aunque no necesitan ninguna declaración en la cabecera del programa. Por esto se consideran funciones base del lenguaje. Estas son las funciones para transmisión serial:

begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()

Manipulación de puertos

Los registros de puertos permiten la manipulación a más bajo nivel y de forma más rápida de los contactos de entrada/salida del microcontrolador de las placas Arduino. Los contactos eléctricos de las placas Arduino están repartidos entre los registros B(0-7), C (analógicos) y D(8-13). Mediante estas variables ser observado y modificado su estado:

DDR[B/C/D]: Data Direction Register (o dirección del registro de datos) del puerto B, C ó D. Es una variable de Lectura/Escritura que sirve para especificar cuales contactos serán usados como entrada y salida.

PORT[B/C/D]: Data Register (o registro de datos) del puerto B, C ó D. Es una variable de Lectura/Escritura.

PIN[B/C/D]: Input Pins Register (o registro de pines de entrada) del puerto B, C ó D. Variable de sólo lectura.

Por ejemplo, para especificar los contactos 9 a 13 como salidas y el 8 como entrada (puesto que el puerto D usa los pines de la placa Arduino 8 al 13 digitales) bastaría utilizar la siguiente asignación:

DDRD = B11111110;

Como se ha podido comprobar, el conocimiento del lenguaje C, permite la programación en Arduino debido a la similitud entre este y el lenguaje nativo del proyecto, lo que implica el aprendizaje de algunas funciones específicas de que dispone el lenguaje del proyecto para manejar los diferentes parámetros. Se pueden construir aplicaciones de cierta complejidad sin necesidad de muchos conceptos previos.

AVR Libc

Los programas compilados con Arduino (salvo en las placas con CorteX M3) se enlazan contra AVR Libc24 por lo que tienen acceso a algunas de sus funciones. AVR Libc es un proyecto de software libre con el objetivo de proporcionar una biblioteca C de alta calidad para utilizarse con el compilador GCC sobre microcontroladores Atmel AVR. Se compone de 3 partes:

avr-binutils avr-gcc avr-libc

La mayoría del lenguaje de programación Arduino está escrita con constantes y funciones de AVR y ciertas funcionalidades sólo se pueden obtener haciendo uso de AVR.

Interrupciones

Las señales de interrupción son las siguientes:

cli(): desactiva las interrupciones globales sei(): activa las interrupciones

Esto afectará al temporizador y a la comunicación serial. La función delayMicroseconds() desactiva las interrupciones cuando se ejecuta.

Temporizadores

La función de lay Microseconds () crea el menor retardo posible del lenguaje Arduino que ronda los 2μs. Para retardos más pequeños se debe utilizar la llamada de ensamblador 'nop' (no operación). Cada sentencia 'nop' se ejecutará en un ciclo de máquina (16 MHz) de aproximadamente 62,5ns.

Manipulación de puertos

La manipulación de puertos con código AVR es más rápida que utilizar la función digitalWrite() de Arduino.

Establecer Bits en variables

cbi y sbi son mecanismos estándar (AVR) para establecer o limpiar bits en PORT y otras variables.

Diferencias con Processing

La sintaxis del lenguaje de programación Arduino es una versión simplificada de C/C++ y tiene algunas diferencias respecto de Processing.Debido a que Arduino está basado en C/C++ mientras que Processing se basa en Java, existen varias diferencias en cuanto a la sintaxis de ambos lenguajes y el modo en que se programa:

ArreglosArduino Processing

int bar[8];bar[0] = 1;

int[] bar = new int[8];bar[0] = 1;

int foo[] = { 0, 1, 2 }; int foo[] = { 0, 1, 2 };o bien

int[] foo = { 0, 1, 2 };Impresión de cadenasArduino Processing

Serial.println("hello world"); println("hello world");

int i = 5; Serial.println(i);

int i = 5; println(i);

int i = 5; Serial.print("i = "); Serial.print(i); Serial.println();

int i="5"; println("i =" + i);

Ejemplo sencillo de programación en Arduino

El primer paso antes de comprobar que la instalación es correcta y empezar a trabajar con Arduino, es usar ejemplos prácticos que vienen disponibles con el dispositivo. Se recomienda abrir el ejemplo “led_blink” el cual crea una intermitencia por segundo en un led conectado en el pin 13.

El código necesario es el siguiente:

# define LED_PIN 13void setup () { // Activado del contacto 13 para salida digital pinMode (LED_PIN, OUTPUT);}// Bucle infinitovoid loop () { // Encendido del diodo LED enviando una señal alta digitalWrite (LED_PIN, HIGH); // Tiempo de espera de 1 segundo (1000 ms) delay (1000); // Apagado del diodo LED enviando una señal baja. digitalWrite (LED_PIN, LOW); // Tiempo de espera de 1 segundo delay (1000);}

Marco Practico de la Actividad

Parte 2 (Circuito controlado por Arduino con accionamiento de matrices leds)

El circuito consiste en accionar una matriz de leds, con el software de Arduino, primero se tuvo que instalar el programa y después los drivers, lo que se utilizo fue

una matriz con leds y controlador y el programa de Arduino. Una vez realizado esto, se empezó a instalar a codificar nuestro programa, el cual fue el siguiente:

/* Matriz de Desplazamiento LED 8x8

Usando Arduino UNO y el Controlador MAX7219

Libreria: MaxMatrix

Autor: J. Adolfo Flores C.

Conexiones del Arduino al Modulo MAX7219:

ARDUINIO MAX7219

10 CLK

9 CS

8 DIN

GND GND

5V VCC

Conexion de la cascada de MAX7219(1) al MAX7219(2)

MAX7219(1) MAX7219(2)

CLK CLK

CS CS

DOUT DIN

GND GND

VCC VCC

La cascada se hace conectano de los pines Superiores a los inferiores del modulo MAX7219

y los modulos se instalan de derecha a izquierda

*/

#include <MaxMatrix.h>

#include <avr/pgmspace.h>

PROGMEM unsigned char const CH[] = {

3, 8, B00000000, B00000000, B00000000, B00000000, B00000000, // space

1, 8, B01011111, B00000000, B00000000, B00000000, B00000000, // !

3, 8, B00000011, B00000000, B00000011, B00000000, B00000000, // "

5, 8, B00010100, B00111110, B00010100, B00111110, B00010100, // #

4, 8, B00100100, B01101010, B00101011, B00010010, B00000000, // $

5, 8, B01100011, B00010011, B00001000, B01100100, B01100011, // %

5, 8, B00110110, B01001001, B01010110, B00100000, B01010000, // &

1, 8, B00000011, B00000000, B00000000, B00000000, B00000000, // '

3, 8, B00011100, B00100010, B01000001, B00000000, B00000000, // (

3, 8, B01000001, B00100010, B00011100, B00000000, B00000000, // )

5, 8, B00101000, B00011000, B00001110, B00011000, B00101000, // *

5, 8, B00001000, B00001000, B00111110, B00001000, B00001000, // +

2, 8, B10110000, B01110000, B00000000, B00000000, B00000000, // ,

4, 8, B00001000, B00001000, B00001000, B00001000, B00000000, // -

2, 8, B01100000, B01100000, B00000000, B00000000, B00000000, // .

4, 8, B01100000, B00011000, B00000110, B00000001, B00000000, // /

4, 8, B00111110, B01000001, B01000001, B00111110, B00000000, // 0

3, 8, B01000010, B01111111, B01000000, B00000000, B00000000, // 1

4, 8, B01100010, B01010001, B01001001, B01000110, B00000000, // 2

4, 8, B00100010, B01000001, B01001001, B00110110, B00000000, // 3

4, 8, B00011000, B00010100, B00010010, B01111111, B00000000, // 4

4, 8, B00100111, B01000101, B01000101, B00111001, B00000000, // 5

4, 8, B00111110, B01001001, B01001001, B00110000, B00000000, // 6

4, 8, B01100001, B00010001, B00001001, B00000111, B00000000, // 7

4, 8, B00110110, B01001001, B01001001, B00110110, B00000000, // 8

4, 8, B00000110, B01001001, B01001001, B00111110, B00000000, // 9

2, 8, B01010000, B00000000, B00000000, B00000000, B00000000, // :

2, 8, B10000000, B01010000, B00000000, B00000000, B00000000, // ;

3, 8, B00010000, B00101000, B01000100, B00000000, B00000000, // <

3, 8, B00010100, B00010100, B00010100, B00000000, B00000000, // =

3, 8, B01000100, B00101000, B00010000, B00000000, B00000000, // >

4, 8, B00000010, B01011001, B00001001, B00000110, B00000000, // ?

5, 8, B00111110, B01001001, B01010101, B01011101, B00001110, // @

4, 8, B01111110, B00010001, B00010001, B01111110, B00000000, // A

4, 8, B01111111, B01001001, B01001001, B00110110, B00000000, // B

4, 8, B00111110, B01000001, B01000001, B00100010, B00000000, // C

4, 8, B01111111, B01000001, B01000001, B00111110, B00000000, // D

4, 8, B01111111, B01001001, B01001001, B01000001, B00000000, // E

4, 8, B01111111, B00001001, B00001001, B00000001, B00000000, // F

4, 8, B00111110, B01000001, B01001001, B01111010, B00000000, // G

4, 8, B01111111, B00001000, B00001000, B01111111, B00000000, // H

3, 8, B01000001, B01111111, B01000001, B00000000, B00000000, // I

4, 8, B00110000, B01000000, B01000001, B00111111, B00000000, // J

4, 8, B01111111, B00001000, B00010100, B01100011, B00000000, // K

4, 8, B01111111, B01000000, B01000000, B01000000, B00000000, // L

5, 8, B01111111, B00000010, B00001100, B00000010, B01111111, // M

5, 8, B01111111, B00000100, B00001000, B00010000, B01111111, // N

4, 8, B00111110, B01000001, B01000001, B00111110, B00000000, // O

4, 8, B01111111, B00001001, B00001001, B00000110, B00000000, // P

4, 8, B00111110, B01000001, B01000001, B10111110, B00000000, // Q

4, 8, B01111111, B00001001, B00001001, B01110110, B00000000, // R

4, 8, B01000110, B01001001, B01001001, B00110010, B00000000, // S

5, 8, B00000001, B00000001, B01111111, B00000001, B00000001, // T

4, 8, B00111111, B01000000, B01000000, B00111111, B00000000, // U

5, 8, B00001111, B00110000, B01000000, B00110000, B00001111, // V

5, 8, B00111111, B01000000, B00111000, B01000000, B00111111, // W

5, 8, B01100011, B00010100, B00001000, B00010100, B01100011, // X

5, 8, B00000111, B00001000, B01110000, B00001000, B00000111, // Y

4, 8, B01100001, B01010001, B01001001, B01000111, B00000000, // Z

2, 8, B01111111, B01000001, B00000000, B00000000, B00000000, // [

4, 8, B00000001, B00000110, B00011000, B01100000, B00000000, // \ backslash

2, 8, B01000001, B01111111, B00000000, B00000000, B00000000, // ]

3, 8, B00000010, B00000001, B00000010, B00000000, B00000000, // hat

4, 8, B01000000, B01000000, B01000000, B01000000, B00000000, // _

2, 8, B00000001, B00000010, B00000000, B00000000, B00000000, // `

4, 8, B00100000, B01010100, B01010100, B01111000, B00000000, // a

4, 8, B01111111, B01000100, B01000100, B00111000, B00000000, // b

4, 8, B00111000, B01000100, B01000100, B00101000, B00000000, // c

4, 8, B00111000, B01000100, B01000100, B01111111, B00000000, // d

4, 8, B00111000, B01010100, B01010100, B00011000, B00000000, // e

3, 8, B00000100, B01111110, B00000101, B00000000, B00000000, // f

4, 8, B10011000, B10100100, B10100100, B01111000, B00000000, // g

4, 8, B01111111, B00000100, B00000100, B01111000, B00000000, // h

3, 8, B01000100, B01111101, B01000000, B00000000, B00000000, // i

4, 8, B01000000, B10000000, B10000100, B01111101, B00000000, // j

4, 8, B01111111, B00010000, B00101000, B01000100, B00000000, // k

3, 8, B01000001, B01111111, B01000000, B00000000, B00000000, // l

5, 8, B01111100, B00000100, B01111100, B00000100, B01111000, // m

4, 8, B01111100, B00000100, B00000100, B01111000, B00000000, // n

4, 8, B00111000, B01000100, B01000100, B00111000, B00000000, // o

4, 8, B11111100, B00100100, B00100100, B00011000, B00000000, // p

4, 8, B00011000, B00100100, B00100100, B11111100, B00000000, // q

4, 8, B01111100, B00001000, B00000100, B00000100, B00000000, // r

4, 8, B01001000, B01010100, B01010100, B00100100, B00000000, // s

3, 8, B00000100, B00111111, B01000100, B00000000, B00000000, // t

4, 8, B00111100, B01000000, B01000000, B01111100, B00000000, // u

5, 8, B00011100, B00100000, B01000000, B00100000, B00011100, // v

5, 8, B00111100, B01000000, B00111100, B01000000, B00111100, // w

5, 8, B01000100, B00101000, B00010000, B00101000, B01000100, // x

4, 8, B10011100, B10100000, B10100000, B01111100, B00000000, // y

3, 8, B01100100, B01010100, B01001100, B00000000, B00000000, // z

3, 8, B00001000, B00110110, B01000001, B00000000, B00000000, // {

1, 8, B01111111, B00000000, B00000000, B00000000, B00000000, // |

3, 8, B01000001, B00110110, B00001000, B00000000, B00000000, // }

4, 8, B00001000, B00000100, B00001000, B00000100, B00000000, // ~

};

int data = 8; // DIN pin del modulo MAX7219

int load = 9; // CS pin del modulo MAX7219

int clock = 10; // CLK pin del modulo MAX7219

int maxInUse = 5; //Cambie este valor dependiendo del numero de matrices que use

MaxMatrix m(data, load, clock, maxInUse); // Define el modulo

byte buffer[10];

char mensaje1[] = " Holaaaaaa Areliiiiiiiii <3 <3 Como estas???"; //Escriba el mensaje a desplegar

char mensaje2[] = " Suerte con los examenes, cuidate muchooo <3 <3 :) ";

void setup(){

pinMode(8,OUTPUT); //Conexion a DIN

pinMode(9,OUTPUT); //Conexion a CS

pinMode(10,OUTPUT); //Conexion a CLK

m.init(); // inicializa el modulo

m.setIntensity(1); // intencidad de los puntos de la matriz, entre 1-5

Serial.begin(9600); // inicializa el puerto serial

}

void loop(){

byte c;

// Lee el mensaje que llega por el puerto serial

while (Serial.available() > 0){

byte c = Serial.read();

Serial.println(c, DEC);

printCharWithShift(c, 100);

}

delay(100); // Tiempo de inicio de un nuevo Ciclo de mensajes

m.shiftLeft(false, true);

// Despliega los mensajes almacenados en las variables

printStringWithShift(mensaje1, 80); // El ultimo termino se usa para la velocidad del mensaje

printStringWithShift(mensaje2, 50);

}

void printCharWithShift(char c, int shift_speed){ // Imprime caracteres

if (c < 32) return;

c -= 32;

memcpy_P(buffer, CH + 7*c, 7);

m.writeSprite(maxInUse*8, 0, buffer);

m.setColumn(maxInUse*8 + buffer[0], 0);

for (int i=0; i<buffer[0]+1; i++)

{

delay(shift_speed);

m.shiftLeft(false, false);

}

}

void printStringWithShift(char* s, int shift_speed){ // Imprime cadena de caracteres

while (*s != 0){

printCharWithShift(*s, shift_speed);

s++;

}

}

void printString(char* s) // Imprime cadena

{

int col = 0;

while (*s != 0)

{

if (*s < 32) continue;

char c = *s - 32;

memcpy_P(buffer, CH + 7*c, 7);

m.writeSprite(col, 0, buffer);

m.setColumn(col + buffer[0], 0);

col += buffer[0] + 1;

s++;

}

}

Una vez tenido el programa, se instalo en el arduino y se empezó a correr el programa, resultando de forma exitosa.

Síntesis resumida del reporte del PRODUCTO INTEGRADOR DE APRENDIZAJE.

Unidad de aprendizaje

Circuitos amplificadores Etapa Etapa 4

Nombre de la actividad

PIA Tema Amplificadores

Nombre de los Estudiantes

FLORES CARBAJAL JESUS ADOLFOCASTILLO GARCIA KEVIN ALEJANDRO

MONSIVAIS BALDERAS DANTE ALONSO

TAMAYO GARCIA HUGO ENRIQUE

Matrículas 1810030182275318023791805831

Grupo: 3J1 Aula: 126 Turno Matutino Nombre del Maestro:

TSU. Eleazar W. B. Salazar Guerrero Fecha: 18/NOV/2016

Competencia global de la unidad de aprendizaje (profesional)Aplicar las características y parámetros que actúan sobre los OPAMS para comprobar su funcionamiento mediante mediciones de voltaje, corriente y formas de onda en aparatos que aumentan señales eléctricas.

Identificar y aplicar la correcta programación en el software de Arduino para diversos fines, tanto experimentales como prácticos.

Competencia de la actividad (elemento de competencia)

Armar circuitos amplificadores para comprobar los parámetros de operación de los mismos mediante mediciones de voltaje, corriente y señales, en los circuitos realizados en prácticas.Realizar circuitos en los que sea necesario el uso del software de Arduino y emplearlo correctamente.

Describa los procedimientos implementados en la actividad:

EIAOUANLESCUELA INDUSTRIAL Y PREPARATORIA

TÉCNICA “ÁLVARO OBREGÓN”® UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN®

1º.Leer las instrucciones y analizar el circuito.2º.Armamos el circuito, como se indicaba colocando las terminales. 3º. Observamos que el circuito estuviera bien conectado. 4º. Accionamos el circuitpy obervamos los resultados obtenidos.

Escriba el resumen de lo entendido en la actividad:

En esta práctica tuvimos la oportunidad de aplicar todo que anteriormente aprendimos, el uso del FEt, así mismo se aplicaron conceptos básicos de programación, lo cual fue de mucha utilidad.

Escriba 3 resultados importantes obtenidos de la actividad:

1. La identificación de las diferentes configuraciones del OPAM2. La identificación de la amplificación realizada por un OPAM 3. Conocimiento de programación en Arduino.

Inserte un, video, foto, imagen, diagrama, representativo de la actividad:

Conclusión Personal:

Debemos de analizar los circuitos, después es muy necesario analizaros en nuestra mente, para poder comprenderlos, así mismo muchos de los errores cometidos pueden ser por no calibrar bien los instrumentos de medición, como el osciloscopio.

Autoevaluación:Cuando realices autoevaluación, ten en cuenta que mientras más alta evaluación te asignes, se te puede pedir que demuestres la competencia pasando al frente a explicar el tema tratado y tus compañeros evaluarán tu desempeño.

Si te asignas el nivel de logro 4 3 2 1 0

Te comprometes a lograr la calificación: 86-100 71-85 56-70 41-55 0-40

En caso de obtener una calificación inferior, se te asignará el nivel de logro que corresponda a la calificación obtenida, ya que esa calificación demuestra tu nivel de desempeño.

CRITERIOSNivel de

Logro

A1 En qué nivel de logro se te facilita seguir las instrucciones de la actividad. 4

A2 En qué nivel se te facilita el armado del circuito siguiendo un diagrama. 4

A3 En qué grado se te facilita relacionar la practica con circuitos de aplicación real. 4

A4 Como consideras la fiabilidad de tus mediciones en la actividad. 4

A5 En el trabajo en equipo cuál es tu nivel de aportación en el conocimiento de habilidades para solucionar problemas de la actividad.

4

Total de puntos de logro 20

Que acciones correctivas tomarías para mejorar tu nivel de desempeñoEs necesario que tengamos una mayor limpieza, y que tengamos una mayor organización a la hora que realicemos nuestras prácticas.

Semáforo de desempeño

COLOR

Valores 0 a 6 7 a 13 14 a 20