informe final de proyecto terminal interfono por internet...
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Informe Final de Proyecto Terminal
Interfono por Internet (Diseño, construcción y pruebas de
los circuitos analógicos de la interfaz)
Alumno:
del Ángel Osorno, Jaime
Profesor:
Dr. Miguel López Guerrero
Octubre 20, 2008
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ÍNDICE Índice ......................................................................................................... 1 Resumen .................................................................................................... 2 1. Descripción general del proyecto ...................................................... 2 2. Componentes del sistema ................................................................ 4
2.1 Amplificadores de señal pequeña ........................................... 4 2.1.1 Diseño de los amplificadores de voltaje ...................................... 4 2.1.2 Construcción del preamplificador ................................................ 6 2.1.3 Pruebas experimentales al preamplificador ................................. 6 2.1.4 Construcción del amplificador del micrófono ............................. 7 2.1.5 Pruebas experimentales al amplificador del micrófono ............... 8
2.2 Amplificador de potencia ....................................................... 8
2.2.1 Diseño del amplificador de potencia ........................................... 8 2.2.2 Construcción del amplificador de potencia ................................. 9 2.2.3 Pruebas experimentales al amplificador de potencia ................. 10
2.3 Filtro paso-bajas ................................................................... 11
2.3.1 Diseño del filtro ......................................................................... 11 2.3.2 Construcción del filtro ............................................................... 14 2.3.3 Pruebas experimentales al filtro ................................................. 15
2.4 Convertidor digital a analógico (DAC) ................................. 17
2.4.1 Diseño y construcción .................................................................. 17 2.4.2 Pruebas experimentales al DAC................................................... 18
2.5 Micrófono electret ................................................................ 19
2.5.1 Uso del EM-926 ........................................................................... 19 2.5.2 Pruebas experimentales al micrófono .......................................... 19
3. Evaluación del sistema ..................................................................... 19 4. Conclusiones .................................................................................... 21 Bibliografía .............................................................................................. 22
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Interfono por Internet (diseño, construcción y pruebas de los circuitos analógicos de la interfaz)
Resumen
Un interfono por Internet plantea la idea de un sistema capaz de permitir atender a la persona que llama a una puerta desde cualquier ubicación que cuente con una computadora conectada a Internet. Debido a la complejidad de un sistema con tales características, el diseño e implementación de este proyecto se ha divido en varios proyectos parciales de los cuales el presente trabajo es uno de ellos. En este Informe Final de Proyecto Terminal se reportan las experiencias con el diseño e implementación de los circuitos que realizarán la función del interfono tradicional. En particular se trata el problema de la adecuación de la señal proveniente del micrófono del interfono y de la que se envía al altavoz. Este informe presenta el diseño, construcción y pruebas de las diferentes etapas de esta parte del sistema. 1. Descripción general del proyecto En este trabajo se propone, diseña y prueba un interfono atendido a través de Internet. Este sistema tiene el propósito de permitir atender remotamente a una persona que se encuentre llamando a la puerta de una casa. La comunicación entre los dos usuarios del interfono se realizará a través de Internet, por lo que el sistema permitirá atender la puerta desde cualquier lugar que cuente con una computadora y conexión a Internet. El concepto de interfono por Internet que aquí se considera consiste de una serie de elementos que se describen a continuación.
1) El primer componente del sistema se instala en el hogar y es básicamente un interfono tradicional (micrófono, altavoz y timbre) conectado a través de una tarjeta de interfaz a una computadora con conexión a Internet. El interfono permite la comunicación con la persona que toca a la puerta. A su vez, la tarjeta de interfaz permite la comunicación entre el interfono y una computadora. Finalmente, la computadora permite la comunicación, a través de Internet, con otra persona en una localización distante. Hay varios elementos que se requieren desarrollar para implantar esta parte del sistema. Por un lado el interfono e interfaz consisten de una parte analógica y una digital que se requieren diseñar y desarrollar ya que no hay alguna solución existente que se pueda adaptar a esta necesidad. Asimismo, se requiere del desarrollo de los programas necesarios para coordinación y control de los componentes de esta parte del sistema. Este Proyecto Terminal se enfoca únicamente en el desarrollo de los circuitos analógicos de esta parte del sistema.
2) El segundo componente del sistema consiste en la Internet. Es a través de esta red
que se permitirá la comunicación entre la persona que toca a la puerta y la que atiende la llamada. Para hacer uso de la Internet se requiere del desarrollo de programas que permitan la comunicación entre computadoras.
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3) El tercer componente es la computadora desde la cual se atiende la puerta. Este componente hace uso de los accesorios que usualmente se encuentran disponibles en cualquier computadora tales como tarjeta de sonido, micrófono y audifonos. En esta parte del proyecto el problema principal es el desarrollo de los programas requeridos para establecer la comunicación.
La figura 1 ilustra la conexión entre los tres componentes del sistema que se describieron anteriormente.
Figura 1. Diagrama conceptual del interfono atendido por Internet.
El diseño y construcción del sistema planteado excede el alcance de un proyecto terminal por lo que se ha dividido en varias partes. Este informe final describe el diseño, elaboración y pruebas de algunos circuitos necesarios para la construcción del interfono atendido por Internet. La figura 2 ilustra otra forma en la que se puede dividir el sistema de acuerdo a la funcionalidad de cada una de sus partes. Con referencia a esta figura, este trabajo se enfoca únicamente en el desarrollo de los circuitos analógicos correspondientes a la interfaz analógica con el timbre, micrófono y altavoz, los cuales permiten la comunicación con la persona que llama a la puerta.
Figura 2. Diagrama a bloques del interfono atendido por Internet.
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En lugar de analizar el sistema en su conjunto, se decidió separar la presentación del material describiendo cada módulo por separado, para posteriormente irlos integrando al sistema. En la figura 3 se muestra la parte en la que se enfoca este trabajo. Ésta consiste principalmente en una serie de circuitos amplificadores, además de un filtro y un convertidor de digital a analógico.
Figura 3. Circuitos considerados en este informe.
Los elementos ilustrados en la figura 3 se revisaron a detalle con el fin de que cuando se complete el sistema esta parte sea fácilmente modificable en cualquier aspecto al tener pleno conocimiento de ella. Se hicieron pruebas a cada parte por separado y posteriormente en conjunto para corroborar su correcto funcionamiento. 2. Componentes del sistema 2.1 Amplificadores de señal pequeña El conocimiento del diseño de amplificadores de voltaje es una parte fundamental del proyecto ya que el sistema contiene al menos dos de ellos; uno para incrementar la amplitud de la señal proveniente del micrófono y otro que funciona como preamplificador para incrementar el voltaje proveniente del convertidor digital analógico. 2.1.1 Diseño de los amplificadores de voltaje La idea es realizar un circuito que amplifique una señal de corriente alterna; pero que además permita fácilmente la manipulación de este aumento o ganancia de voltaje. Al
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hablar de una fácil manipulación nos referimos al hecho de que se pueda controlar la ganancia con una resistencia variable, de una forma segura y sin contratiempos. Por lo anterior, un amplificador operacional configurado como amplificador inversor nos ofrece esa alternativa, además de que es muy sencillo de utilizar.
Figura 4. Amplificador operacional en configuración inversora.
En la figura 4 se muestra el circuito amplificador inversor que se desea construir. Se utilizará un amplificador operacional UA741CP que es de propósito general. El amplificador operacional seleccionado tiene una resistencia muy grande de entrada (típicamente 2MΩ) y muy pequeña de salida (típicamente 75Ω). El análisis correspondiente se muestra a continuación. El circuito de la figura 4 lo podemos ver como se muestra en la figura 5 dado que la terminal inversora se encuentra a tierra virtual.
Figura 5. Modelo aproximado del amplificador operacional.
De la figura 5 podemos decir que la ganancia de voltaje está en función de las impedancias que ahí se muestran y se puede deducir de la siguiente forma:
I1 = 1Z
Vin ; I2 =
Zr
Vo
I1 + I2 = 0 I1 = -I2
1Z
Vin =
Zr
Vo−
Y finalmente tenemos la siguiente ecuación para la ganancia:
G = Vin
Vo =
1Z
Zr−
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2.1.2 Construcción del preamplificador El primer amplificador de voltaje se construyó para funcionar como pre-amplificador ya que la señal proveniente del circuito convertidor digital a analógico varía entre 0 y -2 volts. Además, con el circuito preamplificador de ganancia variable se observó experimentalmente que se puede controlar mejor la potencia de salida a comparación de tratar de hacerlo directamente en el amplificador de potencia. La figura 6 muestra la posición que ocupa el circuito preamplificador en esta etapa del circuito.
Figura 6. Posición del pre-amplificador en el sistema.
Teniendo en cuenta lo anterior se construyó el circuito inversor amplificador de voltaje que se muestra en la figura 7. Con los valores mostrados en la figura se obtiene una ganancia de aproximadamente -15 aunque es conveniente que R2 sea una resistencia variable para poder controlar de forma sencilla el voltaje de salida de este preamplificador y así controlar la potencia de salida.
Figura 7. Circuito que se construyó experimentalmente.
2.1.3 Pruebas experimentales al preamplificador. En el circuito mostrado en la figura 7 se realizaron varias pruebas con una señal de entrada sinusoidal de 4 kHz con la idea de comprobar que funcione correctamente y que se obtenga y se mantenga la ganancia de voltaje en un valor constante mientras se utilizan distintos niveles de voltaje a la entrada. A la salida de este circuito se colocó una carga relativamente alta (1kΩ) para no demandar una alta corriente a la salida debido a que esta etapa es
únicamente un amplificador de voltaje.
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En la tabla 1 se muestran las mediciones obtenidas y podemos observar que la ganancia de
voltaje efectivamente se estableció alrededor de 15 y que este valor se mantuvo para
diferentes valores del voltaje de entrada.
Tabla 1. Mediciones obtenidas en las pruebas al preamplificador.
Voltaje de
Entrada (mVpp)
Voltaje de
Salida (Vpp)
Ganancia de
Voltaje
40 0.576 14.4
60 0.864 14.4
80 1.2 15
100 1.5 15
200 3 15
300 4.64 15.46
400 6.24 15.6
500 7.52 15.04
2.1.4 Construcción del amplificador del micrófono Este amplificador de voltaje se construyó de la misma forma que el pre-amplificador, pero
con la diferencia de que el propósito de esta parte es amplificar la señal proveniente del
micrófono (ver figura 8). En las pruebas se utilizó una ganancia de aproximadamente 20.
Figura 8. Posición del amplificador dentro del sistema.
Para obtener la ganancia de 20 se utilizó un potenciómetro de 20kΩ con una resistencia de 1kΩ como se muestra en la siguiente fórmula:
201
20
1
2 −=ΩΩ−=−=
k
k
R
RG
El circuito utilizado se ilustra en la figura 9.
8
Figura 9. Circuito del amplificador para el micrófono.
2.1.5 Pruebas experimentales al amplificador del micrófono
La tabla 2 muestra lista las pruebas realizadas al amplificador para verificar su correcto
funcionamiento.
Tabla 2. Mediciones en las pruebas al amplificador.
Voltaje de entrada (Vpp) Voltaje de salida (Vpp) Ganancia
0.5 10 20
0.75 14.8 19.73
1 18 18
Con la idea de ver el correcto funcionamiento del amplificador, se colocaron diferentes
voltajes a la entrada, entre 0 y 1 con lo que se descubrió que la ganancia quizá debe ser
menor de 20 para las pruebas en conjunto, ya que si no, el amplificador se saturará para
voltajes de entrada mayores que uno.
2.2 Amplificador de potencia. El diseño de los circuitos de interfaz incluye un amplificador de potencia, el cual nos brinda
la corriente necesaria para que la bocina pueda funcionar correctamente. Esto es debido a
que el amplificador de señal pequeña descrito anteriormente puede proporcionar un alta
ganancia de voltaje pero con una corriente muy pequeña de salida.
2.2.1 Diseño del amplificador de potencia A diferencia de los amplificadores anteriores, realizados con el amplificador operacional de
propósito general, el amplificador de potencia permite una corriente de salida relativamente
alta, lo que permite obtener una ganancia en potencia.
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El diseño de este amplificador de potencia se copió del manual de usos típicos del circuito
integrado LM386, el cual especifica que con el circuito mostrado en la figura 10 se
consigue una ganancia de entre 20 y 200.
Figura 10. Aplicación típica del LM386.
La variación de la ganancia, según el manual, puede controlarse de varias formas, entre las
que se encuentra el uso de una resistencia en serie con el capacitor de 10µF, o una
resistencia acoplada capacitivamente con la terminal uno a tierra. Sin embargo, al realizar
las pruebas correspondientes, no se consiguió una fácil manipulación de la ganancia,
además de que parecía imposible reconocer la señal de salida entre el ruido generado, por lo
que se decidió armar el circuito de la figura 12 el cual tiene una ganancia aproximadamente
unitaria y su salida, al menos visualmente, no tiene presencia apreciable de ruido.
2.2.2 Construcción del amplificador de potencia.
La posición de la etapa de amplificación de potencia dentro del sistema se muestra en la
figura 11. En pruebas experimentales se observó que la implementación del circuito
mostrado en la figura 10 introduce una gran cantidad de ruido en la señal. A fin de
disminuir el nivel de ruido se realizaron varias modificaciones al circuito. Una de las
modificaciones fue quitar el capacitor de 10µF entre las terminales 1 y 8 ya que al ponerlo
se saturaba el amplificador y la salida tenía mucho ruido. Otra modificación fue colocar un
capacitor de derivación de 1µF (BYPASS en la figura 10) ya que así se vio una gran
disminución en el nivel de ruido contenido en la señal de salida. Finalmente se utilizó el
circuito mostrado en la figura 12.
Figura 11. Posición del amplificador de potencia en el sistema.
En las pruebas al circuito se utilizó una resistencia de carga de 8 Ω en vez de la bocina.
Esto fue debido al hecho de que la bocina distorsiona a tal grado la señal de salida que era
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muy difícil observar la forma de onda en el osciloscopio y efectuar mediciones. Por otro
lado, el sonido que generaba la bocina resultaba ser muy molesto.
Figura 12. Circuito del amplificador de potencia.
Vale la pena mencionar que a pesar de que el circuito se implementó de acuerdo a las
especificaciones del producto LM386N-1, resultó muy difícil variar su ganancia utilizando
los métodos descrito en las hojas de datos. Por ello, se prefirió ajustar el circuito para
proporcionar una ganancia unitaria con bajos niveles de ruido. La potencia de salida se
controla a través de la etapa de preamplificación.
2.2.3 Pruebas experimentales al amplificador de potencia.
En la tabla 3 se listan las pruebas realizadas al circuito. Cada caso corresponde a un nivel
de voltaje de entrada. Se muestran también los resultados en términos de voltaje de salida y
ganancia. La polarización al circuito se realizó con 9 V.
Tabla 3. Pruebas y resultados experimentales con el amplificador de potencia.
Voltaje de
entrada(V)
Voltaje de
salida(V)
Ganancia
de voltaje
1 0.940 0.940
2 1.88 0.94
3 2.88 0.96
4 3.76 0.94
5 4.8 0.96
6 5.6 0.933
7 6.24 0.891
8 6.9 0.862
9 6.9 0.766
Como se puede ver en la tabla 3 se nota claramente que el circuito mantiene una ganancia
unitaria para la mayor parte de los valores del voltaje de entrada aunque ésta decae
visiblemente cuando el voltaje de entrada se acerca al voltaje de polarización. Al calcular la
potencia disipada en la carga se observa que ésta es adecuada para la aplicación
considerada.
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2.3 Filtro paso-bajas
Se consideró incorporar un filtro paso-bajas al sistema a fin de permitir el paso de
frecuencias menores de 1,600 Hz ya que la mayoría de las componentes de frecuencia de
voz son menores a este valor. Este filtro evita introducir al sistema componentes en
frecuencias que no correspondan a la señal deseada, además de que nos permite limitar la
señal en banda para el muestreo antes de pasar al convertidor analógico digital. El filtro es
de tipo Butterworth, de segundo orden.
2.3.1 Diseño del filtro
A continuación se describen los pasos en el diseño del filtro.
1. El primer paso es especificar los parámetros de diseño. La notación utilizará un
apostrofe para indicar que son parámetros de diseño sin normalizar. Estos valores se
listan a continuación.
La frecuencia de paso '
pω [rad/s] y la frecuencia de rechazo '
rω [rad/s]. Ambas
también pueden estar dadas en Hertz en vez de radianes por segundo (denotadas por '
pf y '
rf respectivamente).
Las ganancias en la banda de paso '
pH [dB] y en la banda de rechazo '
rH [dB].
Ambas provienen de la expresión 20log10 (Vsal/Vent) donde se suele tomar en cuenta
la convención de que, al aumentar la frecuencia, la banda de paso finaliza cuando el
voltaje de salida (Vsal) se reduce en 3 dB con respecto al de entrada (Vent).
Asimismo, la banda de rechazo inicia cuando Vsal se reduce en al menos un factor de
10 con respecto al de entrada Vent, es decir hay una atenuación de 20 decibeles. Se
puede diseñar para que este factor sea aun más grande utilizando filtros de mayor
orden.
2. El segundo paso es normalizar los valores anteriores como se muestra a
continuación.
1'' == ppp ωωω
1'' >= prr ωωω
][ 3 dBH p −=
dBHHHH prpr 3'' −<−+=
En este caso tenemos una frecuencia de paso '
pf =1500Hz y frecuencia de rechazo
'
rf =2000Hz por lo que los valores normalizados para frecuencia son fp=1 y
fr=1.3333333.
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Ahora para la banda de paso seleccionamos una ganancia aproximadamente unitaria
Vsal/Vent = 1.01 lo que origina una '
pH =0.0864 [dB] y para la banda de rechazo
Vsal/Vent = 0.1 lo que da '
rH = -20 [dB], por lo que los valores normalizados son
][ 3 dBH p −= y ][ 0864.23 dBH r −= .
En la figura 13 se ilustran los primeros 2 pasos para el diseño del filtro. En la figura
de la izquierda se tiene el filtro con los valores sin normalizar, para posteriormente
normalizar y encontrar el orden del filtro (figura de la derecha).
Figura 13. Ilustración de los pasos 1 y 2 para la construcción del filtro.
3. Una vez que tenemos los datos normalizados el tercer paso es encontrar el orden n
del filtro por medio de la siguiente fórmula
−−
=
r
p
Hr
Hp
w
wn
log*2
110
110log
)(1.0
)(1.0
.
En este caso se obtuvo n = 1.20028 por lo que se construirá un filtro de segundo
orden.
4. El cuarto paso es encontrar la función de transferencia con la siguiente fórmula
∏= ++
=2
12
2)]([
n
k kk
k
csBs
csH .
Como se obtuvo n=2 tenemos que k=1 y entonces
11
2
12)]([csBs
csH
++=
donde para filtros Butterworth ck=1 y además Bk está dada por
13
Bk= 2 sin
− πn
k
2
12
Por lo que B1 = 1.4142 para este caso y entonces la bien conocida función de
transferencia queda como sigue:
22
2
2
11
2
1
2
)77.9424)(1()77.9424)(4142.1(
)1()77.9424(01.1
)(
)()(
++=
++=
sscsBs
cAsH
pp
p
ωωω
61.439,826,88)65.328,13(
01.704,714,89)(
2 ++=
sssH
5. El quinto paso es encontrar el valor de los componentes (resistencias y capacitores)
con los que se construirá el circuito paso bajas, para lo cual igualamos la salida del
filtro paso bajas con la del circuito Delyiannis-Friend mostrado en la figura 14.
Figura 14. Circuito Delyiannis-Friend. (Y=Admitancia).
Las ecuaciones que describen la operación del circuito son:
232
2
31
1
13
4243215
12
11)
111(
11
;)(
RRRsC
RRsC
RR
Vin
Vsal
YYYYYYY
YY
Vin
Vsal
++++
−=
++++−
=
Trabajando un poco en la expresión del filtro, la ponemos de la forma de la función
de transferencia H(s):
21233212
2
21231
2
2
11
2
1
2
1)
111(
1
;)(
)()(
CCRRRRRC
ss
CCRRR
R
Vin
Vsal
csBs
cAsH
pp
p
++++
−
=++
=ωω
ω
Una vez en esta forma, igualamos los términos y obtenemos:
14
1
2
R
RA −=
)111
(1
3212
1RRRC
B p ++=ω
2123
2 1)(
CCRRp =ω
2.3.2 Construcción del filtro De las igualdades anteriores deducimos las siguientes fórmulas para obtener el valor de los
componentes. Primeramente se toma C2=KC1 donde K es un valor constante y se
recomienda utilizar pfnFC 101 = . Para este caso se propuso C1=10 [nF] y C2=2.5 [nF] por
lo que K=0.25.
Por otro lado, de las ecuaciones anteriores
2
13
22)(
1
KCRR
pω=
)1(2
)]1([4
1
2
222
3AKC
AKBBR
p
ppkpk
−
−−±=
ωωωω
Como se eligió una ganancia unitaria (A=-1) únicamente se tiene que calcular R2 ya que es
igual a R1. Aunque primero se necesita calcular R3 ya que se necesita para el cálculo de R2.
][ 27.005,15888.0
328,13
)1010()77.424,9(
)(2)(2)77.424,9(4142.1
92
22
3 Ω==−±
= −x
wwR
pp
][ 54.010,301033.3
152 Ω== −x
R
Con los valores anteriormente calculados se construyó el filtro pasa-bajas. Se utilizó el
amplificador operacional de propósito general UA741CP el cual tiene una alta impedancia
de entrada y una baja impedancia de salida. Debido a que los valores resultantes de los
componentes en el análisis teórico fueron los siguientes R1=29.87 [kΩ], R2=29.99 [kΩ], R3=14.89 [kΩ], C1=10.8 [nF] y C2=2.25 [nF], se utilizaron valores cercanos que fueran comercialmente disponibles con lo cual quedó el circuito mostrado en la figura 15.
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Figura 15. Circuito del filtro paso-bajas sintonizado a 1.6 [kHz].
Con el circuito de la figura 15 se realizaron algunas pruebas para verificar que, en efecto, el
diseño del filtro funcione correctamente a pesar de que los valores de resistencias y sobre
todo de capacitares no fueron exactamente los obtenidos en el diseño teórico.
2.3.3 Pruebas experimentales al filtro Para corroborara que la frecuencia de corte del filtro se encuentre entre 1,500 y 2,000 [Hz]
se realizó un barrido de frecuencias utilizando un Vent = 1 [V] con lo cual obtuvimos los
datos mostrados en la tabla 4.
Con ayuda de la tabla 4 nos percatamos de que la frecuencia que limita la banda de paso
está en 1600 [Hz] aproximadamente, ya que en esta frecuencia se está por debajo de los tres
decibeles que se utilizan comúnmente para definir la frecuencia de corte.
También gracias al barrido realizado desde 100 [Hz] hasta 5000 [Hz], podemos darnos
cuenta de que en 5 [kHz] la ganancia ya descendió 20 decibeles que indican que el filtro ha
atenuado correctamente las frecuencias altas.
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Tabla 4. Pruebas y resultados con el filtro paso-bajas.
Finalmente con la tabla 4 se obtuvo la grafica de la figura 16, la cual ilustra el
comportamiento del filtro paso bajas.
En la figura 16 se nota que en 5kHz ya bajo los 20dB, lo cual es bastante bueno, también
notamos que la ganancia del filtro efectivamente es unitaria.
-25
-20
-15
-10
-5
0
0 2 4 6
Gan
anci
a(d
B)
Frecuencia (kHz)
Figura 16. Resultados experimentales con el filtro paso-bajas diseñado.
f(kHz) Ganancia Ganancia(dB)
0.1 1 0
0.2 1 0
0.3 1 0
0.4 1 0
0.5 1 0
0.6 1 0
0.7 0.984 -0.14009803
0.8 0.984 -0.14009803
0.9 0.96 -0.35457534
1 0.936 -0.57448303
1.1 0.904 -0.87663139
1.2 0.872 -1.1896703
1.3 0.832 -1.59753347
1.4 0.792 -2.02549637
1.5 0.744 -2.56854129
1.6 0.688 -3.24823124
1.7 0.648 -3.76849988
f(kHz) Ganancia Ganancia(dB)
1.8 0.6 -4.43697499
1.9 0.56 -5.03623946
2 0.512 -5.81460078
2.1 0.476 -6.44786095
2.2 0.444 -7.0523406
2.3 0.404 -7.8723727
2.4 0.384 -8.31337551
2.5 0.36 -8.87394998
2.6 0.332 -9.57723833
2.7 0.308 -10.2289857
2.8 0.292 -10.692343
2.9 0.272 -11.3086219
3 0.256 -11.8352007
3.5 0.19 -14.424928
4 0.146 -16.7129429
4.5 0.117 -18.6362828
5 0.094 -20.5374429
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2.4 Convertidor digital a analógico (DAC) 2.4.1 Diseño y construcción
El circuito de aplicación de este convertidor se copió del manual del circuito DAC0808 (ver
figura 17). Este circuito estará conectado a un microcontrolador; pero dado que la parte
digital del proyecto global corresponde a otro Proyecto Terminal, en este proyecto
únicamente se simulará la presencia del microcontrolador a través de un DIP switch para
así poder concentrarnos en caracterizar el funcionamiento del convertidor.
El principio de funcionamiento de este convertidor se basa en un voltaje de referencia, el
cual es igual a la salida pero multiplicado por el número de bits que se encuentren en uno
para convertidores unipolares. En nuestro caso, como el convertidor es de 8 bits entonces
habrá 256 valores posibles y el paso de conversión igual a 82− del rango de conversión.
Las características principales de este circuito son las siguientes:
- Tiempo típico de conversión de 150 [ns]
- Voltaje de alimentación desde 4.5 [V] hasta 18 [V].
Figura 17. Aplicación típica del circuito DAC.
Como se utilizó un DIP switch, en vez del microcontrolador, se construyó el circuito
mostrado en la figura 18, en el cual se utilizó un voltaje de referencia de +9 [V] y voltajes
de polarización de +9 [V] y -9 [V]. Se utilizaron estos valores debido a que estos voltajes
son los que se consideraron en otras partes del proyecto.
18
Figura 18. Circuito de pruebas para caracterizar el DAC.
2.4.2 Pruebas experimentales al DAC Las pruebas experimentales realizadas con el circuito de la figura 18, se encuentran listadas
en la tabla 5 en donde también se muestran los valores resultantes de la conversión.
Tabla 5. Lista de las pruebas realizadas con el DAC.
Dato digital Valor analógico
0000 0000 -1.926
0000 0001 -1.92
0000 1000 -1.866
0001 0000 -1.806
0010 0010 -1.676
0100 1001 -1.37
1001 0111 -0.79
1010 1010 -0.636
1111 0101 -0.07
1111 1111 -0.0017
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Con las pruebas experimentales mostradas en la tabla 5 podemos ver que los voltajes
obtenidos de este circuito varían entre 0 (0.0017 [V] con todas las terminales de entrada en
1 lógico) y -2 [V] ( ]V[ 9692.1− con todas las terminales de entrada en 0 lógico)
aproximadamente.
2.5 Micrófono electret 2.5.1 Uso del EM-926 El micrófono utilizado en las pruebas es un micrófono de electrec (también llamado de
condensador). Este micrófono requiere de polarización externa y aunque se recomienda
alimentarlo con una pila de 1.5V, puede soportar una alimentación de hasta 10V. Sin
embargo, no es conveniente sobrealimentarlo, ya que esto disminuye su vida útil. Consume
una corriente de máximo 0.3 [mA]. Estos micrófonos tienen una respuesta en frecuencia
desde 30 [Hz] hasta 16,000 [Hz], lo cual lo hace bastante adecuado para aplicaciones de
audio.
Para probar el micrófono se construyó el circuito de la figura 19, tomando en cuenta las
especificaciones antes mencionadas y el circuito propuesto en la hoja de especificaciones.
Figura 19. Circuito utilizado para polarizar el micrófono.
2.5.2 Pruebas experimentales al micrófono Al micrófono únicamente se le aplicó la siguiente prueba. Con el circuito de la figura 19 se
observó la salida en el osciloscopio, dando como resultado una señal con un voltaje pico de
aproximadamente 300 [mV] cuando se hablaba fuerte en el micrófono.
3. Evaluación del sistema
Con el fin de probar los circuitos en conjunto, se elaboró el siguiente sistema, en el que
tienen participación todos los circuitos anteriormente revisados individualmente. El sistema
consiste en un micrófono, un amplificador, un filtro, un preamplificador, un amplificador
de potencia y finalmente una bocina.
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Figura 20. Sistema para comprobar funcionamiento en conjunto.
Con este sistema se puede comprobar el funcionamiento de cada circuito hablando por el
micrófono y escuchando la voz por la bocina. A mismo tiempo se puede controlar el nivel
de volumen por medio del preamplificador.
También se puso atención en el nivel de distorsión introducida en la señal de voz al pasar
por el filtro paso-bajas ya que éste tiene una frecuencia de corte de 1600 [Hz]. Sin embargo,
no hubo una distorsión significativa por lo que concluimos que los parámetros de diseño
del filtro fueron adecuados.
También con este sistema y como se muestra en la figura 21, podemos ver mejor la forma
en la que se controla la ganancia a través de las diferentes etapas del circuito para
finalmente escuchar la salida por medio de la bocina.
Figura 21. Circuito completo en la trayectoria micrófono-altavoz.
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Se realizaron un conjunto de pruebas experimentales con el circuito de la figura 21. Las
pruebas se listan en la tabla 6 y se realizaron en forma descrita a continuación.
Las mediciones mostradas en la primera y las segunda fila de la tabla 6 se tomaron
utilizando el osciloscopio, mientras se hablaba por el micrófono.
Las mediciones de la tercera fila se tomaron con el osciloscopio, pero utilizando un
generador de funciones en vez del micrófono, por lo que en la tercera fila se tenía una señal
sinusoidal periódica en vez de la voz.
Tabla 6. Pruebas realizadas con el circuito de la figura 21.
Señal al micrófono Amp. del mic.
(salida)
Filtro paso-bajas
(salida)
Preamp. salida
(salida)
Voz 192mV @ 137 Hz 712mV @ 137Hz
Voz 208mV @ 431Hz 216mV @ 423Hz
500mV @ 500Hz 16V @ 500Hz 14.8V @ 500Hz
En la primera fila de la tabla se ve el resultado de hablar por el micrófono y tomar
mediciones con el osciloscopio a la salida del filtro (columna 3) y a la salida del
preamplificador (columna 4). Así se verificó el correcto funcionamiento del
preamplificador al integrarlo al sistema. Podemos ver que el preamplificador de voltaje
originó una ganancia de 3.7 con resistencias de 5kΩ y 1kΩ para controlar la ganancia. La
teoría indica que con estos valores la ganancia debería de ser de 5. Pensamos que esta
discrepancia es debida por un lado, a la dificultad de medir señales de voltaje estables
cuando se tiene una señal de voz a la entrada y por otro, a la dificultad de fijar uno de los
valores requeridos a través de una resistencia variable de 100kΩ, que fue la que se utilizó. Utilizando el generador de funciones con 500mV en vez del micrófono se realizó la primera medición de la fila 3 de la tabla 6 (columna 1), con lo que se encontró que el amplificador de voltaje tiene una ganancia de 32 ya que al tomar la medida a su salida, el voltaje era de 16. Las pruebas se reportan por pares debido a que en el osciloscopio sólo se pueden ver dos salidas simultáneas, aun así podemos observar que el filtro tiene una ganancia entre 0.925 y 1.08 de las filas 2 y 3 de la tabla. 4. Conclusiones En este informe se describe el análisis, construcción y pruebas de los amplificadores necesarios para la construcción del interfono por Internet. Se logró así el desarrollo satisfactorio de esta parte del proyecto. Los amplificadores son muy importantes en cualquier proyecto de electrónica ya que constantemente se debilita la señal y es necesario amplificarla. Además, la utilización de
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algunos dispositivos como micrófonos hace indispensable el uso de estos elementos y este
proyecto sirvió para recordar y descubrir aspectos importantes en su diseño y uso.
El amplificador de potencia, quizá es el que presentó mayor dificultad, ya que se utilizó el
circuito de aplicación proporcionado por el fabricante sin mayores detalles. Se descubrió
que el circuito se saturaba constantemente. Cabe mencionar que haciéndolo funcionar a una
ganancia unitaria se logró que funcionara correctamente y utilizando un preamplificador
para su control se consiguió que esta parte del proyecto quedara lista para integrarse al resto
del sistema.
También se construyó y analizó un filtro paso-bajas con frecuencia de corte a 1.6 [kHz] que
funcionó correctamente. Este circuito se probó en conjunto con otros elementos de este
sistema y se comprobó que no distorsiona mucho la voz y que se pueden distinguir las
palabras filtradas sin ninguna dificultad.
Finalmente se construyó y revisó el funcionamiento de un DAC aunque debido a que no se
contó con la sección digital del sistema, no hicieron más pruebas. Sin embargo sí se
caracterizó el dispositivo en términos del rango de voltajes de conversión con los cuales se
tiene que trabajar.
Bibliografía Para la realización de este proyecto se utilizaron las siguientes fuentes de información:
1. Apuntes de clase de algunas Unidades de Enseñanza Aprendizaje impartidas en la
UAM-I.
2. Hojas de datos de los circuitos DAC0808, UA741 y LM386.
3. Informe final del Proyecto Terminal “Interfono por Internet: su diseño y protocolo de
pruebas”, López Acuña Osvaldo, Universidad Autónoma Metropolitana Unidad
Iztapalapa (2007). Asesor: Dr. Miguel López Guerrero.