manual de prácticas de control digital

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR

de la Región de los Llanos

CUADERNO DE PRÁCTICAS DE

LABORATORIO PARA LA ASIGNATURA DE

“CONTROL DIGITAL”

MATERIAL (INTEGRADO, RECOPILADO O ELABORADO) POR:

ING. JESUS LEONEL ARCE VALDEZ

Cd. Guadalupe Victoria, Dgo., MAYO del 2012

CONTENIDO

Página

Prefacio 1

Práctica No. 1: Muestreadores y retenedores 3

Práctica No. 2: Convertidor analógico digital discreto 10

Práctica No. 3: Convertidor analógico digital integrado 15

Práctica No. 4: Convertidor digital analógico integrado 26

Práctica No. 5: Convertidor analógico digital con retroalimentación 31

Práctica No. 6: Contador inflarrojo 36

Práctica No. 7: Motores a pasos 42

Formato para la elaboración de prácticas 45

Estructura básica del reporte 55

ii

Prefacio

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.

1

PRACTICAS A REALIZAR DURANTE EL CURSO.

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PRACTICA No. 1:

MUESTREADORES Y RETENEDORES

1. INTRODUCCIÓN

En esta práctica se empezara a tratar con los conceptos del muestreo y retención de una

señal con la finalidad de ir entendiendo dichos conceptos en una manera práctica.

En esta ocasión el alumno puede observar de manera clara el proceso de muestrear un

señal y a su vez después de un tiempo de retención reconstruir la señal, estos principios son

la base para posteriormente poder realizar controles digitales completos.

2. OBJETIVO (COMPETENCIA)

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.

3. FUNDAMENTO

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

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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.

x * (t) x(kt)

z

Figura 1.2

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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 fig. 1.3 se representa 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).

4. PROCEDIMIENTO (DESCRIPCIÓN)

4.1 EQUIPO NECESARIO

1 C.I. LM5551 C.I. LM7411 C.I. CD4016 (CMOS) Switch Bidireccional.1 C.I. CD4069 (CMOS) Inversor Lógico.2 Resistencias de 100 Ω a ½ W.1 Resistencia de 0.27 k Ω a ½ W.1 Resistencia de 1 k Ω a ½ W.1 Resistencia de 2.2 k Ω a ½ W.1 Potenciómetro de 50 k Ω.1 Capacitor de 2.2 nF.1 Capacitor de 1 nF.

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1 Capacitor de 0.1 µF.2 Capacitores de 100uF electrolíticos.1 Fuente Bipolar.1 Generador de funciones.1 Osciloscopio.

4.2 MATERIAL DE APOYO

Simuladores de circuitos electrónicos.

4.3 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Desarrollo.

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)

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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.

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).

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7. Grafique las señales para cada punto y anote los rangos de funcionamiento de cada una de las etapas, es m u y i m po r ta n te ll e g ar a u n a co n clu s ió n p r á c t ic a d e po r qu e c o n este t ip o d e ci rc ui to n o se pu e d e ll e g ar a m u es t r e a r s e ñ a l es de c u a l q ui er fr e cu e nci a o amp li t ud .

8. Retire la resistencia R5 de 0.27KΩ 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

5. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

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. 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.

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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.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. Franklin G., F. Powel J.Digital Control of Dynamic SysytemsAddison- Wesley Publishing Company1975

2. Smith C. L.Digital Computer Process ControlIntex Educational Publishers1972

3. Cadzow J., Martens H.Discrete Time and Computer Control SystemsPrentice Hall Inc.1970

4. Kuo B. C.

Digital Control SystemsHolt Rinehort and Winston, New York1980

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PRACTICA No. 2:

Convertidor análogo digital discreto

1. INTRODUCCIÓN

En esta práctica se sigue conociendo los conceptos básicos que aplican en el control digital

para tal efecto se realiza un convertidor análogo digital discreto.


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.

3. FUNDAMENTO

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

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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.



1 C.I. LM339 Comparadores de voltaje1 C.I. CD4069 (MOS) Inversor Lógico1 Transistor BC5472 Resistencias de 39 KΩ a ½ W.3 Resistencias de 22 KΩ a ½ W.4 Resistencias de 10 KΩ a ½ W.1 Resistencia de 5.6 KΩ a ½ W.4 Resistencias de 2.2 KΩ a ½ W.4 Resistencias de 1KΩ a ½ W.2 Potenciómetros de 50 KΩ4 Leds1 Fuente de voltaje1 Multímetro


Simuladores de circuitos electrónicos


Desarrollo.

1. Construya el circuito de la figura 2.1 alimentándolo con un voltaje aproximado Vcc = 10v. Dicho valor será modificado atraves 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.

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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.

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Figura 2.1


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. Que tiempo total requiere este sistema para realizar la conversión. Consultar

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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. Que 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.





4. Kuo B. C.


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PRACTICA No. 3:

Convertidor analógico digital integrado

1. INTRODUCCIÓN

En esta práctica además de conocer un circuito integrado con el cual realizar directamente la conversión analógica digital se verá una aplicación real en la cual se pueden utilizar este conocimiento.


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.

3. FUNDAMENTO

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.

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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.

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.

Figura 3.3

El ajuste del voltaje de referencia del convertidor se realizará a través de un 16

divisor de voltaje que debe proporcionar la mitad del voltaje máximo de conversión, en este caso 2.5V.



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 Ω a ½ W.

8 Resistencias de 470 Ω a ½ W.

1 Resistencia de 1 K Ω a ½ W.

4 Resistencias de 10 K Ω a ½ W.

1 Resistencia de 39 K Ω a ½ W.

1 Resistencia de 100 a ½ W.

1 Potenciómetros de 50 K Ω

1 Capacitor de 1 µF

2 Capacitor de 0.01 µF

1 Capacitor de 220 pF

8 Leds

1 Fuente de voltaje

1 Generador de Funciones

1 Multímetro

1 Osciloscopio




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Desarrollo.

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. Varié 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

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Tabla 3.1

8. 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

9. 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.

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

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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.





4. Kuo B. C.


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PRACTICA No. 4:

Convertidor digital analógico integrado.

1. INTRODUCCIÓN

El trabajo que se realizara será el proceso inverso de el de las últimas dos practicas, esto es importante ya que cuando se realice un control digital completo los procesos de conversión digital analógica y viceversa esta implícitos pero es necesario que los alumnos conozcan desde su base dichos procesos para poder hacer un mejor uso de ellos.


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.

3. FUNDAMENTO

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 2n 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

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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.



1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analógico.1 C.I. 74LS393.1 C.I. LM741.1 Resistencia de 4.7 KΩ a ½ W.1 Resistencias de 1 KΩ a ½ W.1 Potenciómetro de 50 KΩ.1 Capacitor de 1 nF.1 Fuente bipolar.1 Generador de Funciones1 Osciloscopio.Agregue el material adicional para implementar los diseños.




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Desarrollo.

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

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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.

Figura 4.3 señal escalera


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 qué variaciones se deben hacer al circuito para generar una señal

triangular.

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4. Kuo B. C.


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PRACTICA No. 5:

Convertidor analógico digital con retroalimentación

1. INTRODUCCIÓN

En esta práctica se trabajara aun en un convertidor analógico digital como en las primeras practicas pero ahora con la diferencia de que tenemos una retroalimentación.Al incluir este elemento de gran importancia podemos ir visualizando el esquema final al realizar un control completo de un sistema ya que sin la retroalimentación simplemente no existiría el control.


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

Comprender el funcionamiento de las etapas que lo componen.

3. FUNDAMENTO

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

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El circuito consta de un contador binario ascendente que genera una cuenta binaria con 2n 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 volt aje 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.



1 C.I. LM339 Comparador de Voltaje1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analógico1 C.I. LM741 Amplificador Operacional1 C.I. 74LS393 Contador Binario1 C.I. 74LS00 Compuerta NAND12 Resistencias de 1 KΩ a ½ W.1 Resistencia de valor definido por la ganancia del Amplificador Operacional (R4) aproximadamente 4.7KΩ.2 Potenciómetros de 50 KΩ.1 Capacitor de 1 nF.1 Push Button normalmente abierto8 Leds.1 Fuente de voltaje bipolar.1 Generador de Funciones.1 Osciloscopio.

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Desarrollo.

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 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.

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.


1. Cuál es el rango de cuantización y el error máximo que puede presentarse en este circuito.

2. Es constante el tiempo de conversión para cualquier valor de voltaje de entrada?

3. Cuál es el tiempo mínimo y el tiempo máximo que emplearía el

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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. Que pasaría si el voltaje de entrada fuera una señal senoidal en lugar de ser

un voltaje constante.

Figura 5.2

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4. Kuo B. C.


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PRACTICA No. 6:

Contador inflarrojo.

1. INTRODUCCIÓN

Esta práctica nos introduce al uso de el led inflarrojo y de cómo en algún momento

podemos utilizarlo.

Tal vez sea una práctica sencilla pero es de mucha utilidad y puede tener diversas

aplicaciones tanto en los diferentes proyectos de clases o en la vida cotidiana.


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.

3. FUNDAMENTO

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.

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1 Led IR. Diodo emisor de luz inflarroja.1 Fototransistor ST8005 o MRD300 o PT331C1 C.I. 74LS08 Compuerta lógica AND1 C.I. 74LS14 Inversor Schimth Trigger1 C.I. 74LS32 Compuerta lógica OR2 C.I. 74LS48 Decodificador BCD 7 segmentos1 C.I. 74LS393 Contador digital de 8 bits2 Display de 7 segmentos de cátodo común1 Resistencia de 100 Ω a ½ W1 Resistencia de 470 Ω a ½ W1 Resistencia de 1 K Ω a ½ W1 Resistencia de 10 K Ω a ½ W1 Switch Push Button1 Fuente de voltaje1 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




Desarrollo.

1. Arme el circuito mostrado en la figura 6.1 alimentándolo con un voltaje de 5Vcd. Asegúrese que la orientación del led IR este en línea directa con el fototransistor y que no exista ningún elemento que pudiera obstruir el haz de luz inflarroja.

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Figura 6.1

Figura 6.2

Figura 6.3

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2. Compruebe que las conexiones del fototransistor y de los display son correctas basándose en los diagramas de las figuras 6.2 y 6.3.

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.


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 la región de operación en la que se encuentra al cambiar de estado.

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



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4. Kuo B. C.


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PRACTICA No. 7:

Motores a pasos

1. INTRODUCCIÓN

En esta práctica se pondrá en ejecución varios de los conocimientos adquiridos a lo largo de

las clases de todo el semestre.

En esta práctica controlaremos un motor a pasos el cual nos puede servir para muchas

aplicaciones y al igual que la practica anterior los podemos utilizar para los proyectos de las

diferentes asignaturas.


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

3. FUNDAMENTO

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.

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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.

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.

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Figura 7.2



3 Resistencias de 56 Ω a ½ W.3 Diodos 1N40013 Transistores TIP31A1 Motor de pasos.Elementos necesarios para la implementación del diseño.1 Fuente de voltaje.1 Osciloscopio.




Desarrollo.

1. Diseñar un circuito que genere una secuencia como la mostrada en la figura 38

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.

Figura 7.3

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.

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Figura 7.4


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

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características y su forma de funcionamiento.





4. Kuo B. C.


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FORMATO PARA LA ELABORACIÓN DE PRÁCTICAS

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Guía para la presentación de reportes escritos

La presente guía norma los aspectos de forma y contenido que deben acatarse para la redacción y presentación de los informes de las prácticas.

Los reportes escritos deben ser entregados en el lugar, hora y fecha establecidos para tal efecto.

1.- Formato de presentación

Se presentará el trabajo hecho por completo en computadora. El tipo de letra será arial y su tamaño 12. No son válidas notas hechas a mano ni papeles (copias u otros) pegados

sobre el reporte, a menos que se indique lo contrario. El interlineado será 1.5. Se deben numerar las hojas en la esquina inferior derecha, viéndose la

página en posición vertical, independientemente si la hoja está impresa horizontalmente.

El informe debe tener una buena presentación en cuanto a orden y limpieza.

Cuide la redacción y la ortografía. Estructure el contenido, éste debe seguir una secuencia lógica en la

exposición de las ideas. Las fórmulas que aparecen en el informe se deben numerar indicando

primero el capítulo o sección a la que pertenecen y después el número de la fórmula, tal como se muestra en el siguiente ejemplo:

Todo lo que sean expresiones gráficas tales como: gráficos, curvas, diagramas, esquemas y fotos serán denominados bajo el término de figuras.

Redacte en impersonal pretérito. Por ejemplo: se midió, se ajustó, se observó, etc. Recuerde que cuando escribe el informe, todo lo reportado pertenece al pasado.

Todas las figuras deben numerarse siguiendo la misma estructura que para fórmulas y rotularse debajo de la figura correspondiente como se muestra a continuación:

Figura 2.1dos espacios (Título de la Figura, letra tamaño 10)

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Utilice negrita en Figura y su número.

Todas las tablas deben numerarse y rotularse sobre el borde superior de la tabla en cuestión, véase el siguiente ejemplo:

Tabla 2.1dos espacios (Título de la Tabla, letra tamaño 11) Use negrita en Tabla y su número

Tabla Letra dentro de la tabla en tamaño 10

A cada figura o tabla debe hacerse referencia en el texto, es decir debe ser citada y comentada antes de que ésta aparezca.

Si la tabla es muy grande y no cabe en una sola página, hay dos opciones.a. Disminuir la letra y números del contenido de la tabla a un tamaño aceptable.

b. Seccionar la tabla en diferentes páginas. En este caso, las secciones de las páginas siguientes deben contener el mismo encabezado que la sección inicial.

Note que el encabezado NO es lo mismo que el título de la tabla.

Si las secciones siguientes se titulan con el mismo número de tabla debe indicarse por ejemplo:

Tabla 2.5 Título de la tabla, continuación

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ESTRUCTURA BÁSICA DEL REPORTE.

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REPORTE DE PRÁCTICA:

[Titulo de la Práctica].

PROFESOR:

Ing. Jesús Leonel Arce Valdez.

ALUMNOS:

[Integrantes del Equipo].

[Lugar y fecha de entrega].

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Estructura del Reporte

Portada.

El alumno debe usar el formato de portada presentado anteriormente, o el indicado por el catedrático.

Índice.

El índice será una lista de palabras o frases ('encabezados') e indicadores asociados que permite la ubicación de dichos temas dentro del material expuesto en la práctica a realizar. Nota: Las páginas de la portada y el índice no se numeran.

Práctica.

Dentro de esta sección del reporte el alumno deberá incluir el nombre de la práctica así como su objetivo, esta información está dispuesta en la siguiente sección del formato.

Introducción.

Se trata de un pequeño texto que introduce al lector al contenido del documento. Después de leer la introducción debe quedar claro cuál fue el objetivo del experimento y cuáles fueron los resultados obtenidos. Esta sección debe ser breve y en ningún caso debe exceder una página.

Marco Teórico.

En este apartado se pretende que el alumno realice una investigación referente al tema propuesto en la práctica, con el objetivo de tener los conocimientos básicos para realizar la práctica.

Desarrollo.

En el desarrollo de la práctica se deben plasmar todas las evidencias, tales como procedimientos realizados, operaciones, gráficos, figuras, etc. Las figuras, formulas y gráficos utilizados dentro del reporte deben estar rotulados en su parte inferior o lateral en el caso de las formulas, para así facilitar su referencia dentro de los escritos.

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Resultados.

Dentro de esta sección del reporte de práctica el alumno contestara una serie de preguntas para así comprobar que de verdad realizo la práctica y presento cierto interés en ella así como en sus resultados. Las preguntas están indicadas dentro de cada práctica y se detallaran en la siguiente sección de este formato.

Conclusiones.

Es una síntesis de los aspectos más relevantes tratados en el análisis anterior. Al igual que en el análisis de resultados, las conclusiones deben basarse en hechos comprobados y además se debe integrar las observaciones notadas en la realización de la practica.

Bibliografía.

Esta sección se refiere a la o las fuentes de consulta para la realización de dicha práctica, esta deberá ser presentada conforme la siguiente normalización, ejemplo: [1] Hayt W., Kemmerly, J. Análisis de Circuitos en Ingeniería, 5a ed., Mc Graw-Hill Co., México, 1993.

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manual de prácticas de control digital

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