FRECUENCMETRO DIGITAL

El ejercicio consiste en el diseo y montaje de un circuito medidor de frecuencia hasta 9.99 KHz, cuyo funcionamiento permite condensar en un dispositivo prctico, algunos conceptos aprendidos tanto en los circuitos combinacionales como en los secuenciales. Para el caso, el dispositivo ser de 4 dgitos, es decir se requiere utilizar 4 visualizadores de 7 segmentos convencionales.

El sistema propuesto deber refrescar la informacin cada segundo, de manera que se tenga percepcin de las variaciones de la misma si se presenta. Este dispositivo tiene aplicacin real en la prctica de la electrnica y resulta muy til en el diagnstico de sistemas electrnicos durante los procedimientos de reparacin o correccin de fallas en el campo laboral.

Etapas del Sistema

Para definir el diseo es necesario diferenciar una serie de bloques o etapas de circuitos que van a realizar cada una de las funciones del sistema completo, de la siguiente manera:

1. Fuente de alimentacin. Par el caso, de 5V DC2. Circuito acondicionador de la seal a medir 3. Circuito contador de los pulsos de la seal a medir4. Circuito de almacenamiento del valor de la frecuencia. Registros5. Circuito conversor a 7 segmentos6. Circuito para visualizacin de 4 dgitos7. Circuito base de tiempo8. Circuito de control de lectura y almacenamiento.

Funcionamiento.

La forma de realizar la medida se fundamenta en el concepto de la frecuencia, es decir, el nmero de ciclos por segundo de una seal. Bajo este parmetro, el propsito del diseo debe realizar un conteo de los ciclos de la seal a medir, durante un segundo para posteriormente grabarla y visualizarla en los displays. Esta funcin se puede realizar muy fcilmente por medio de contadores digitales; obviamente, si la seal no es cuadrada, se deber realizar previamente un acondicionamiento de la misma para que la seal pueda ser identificada por los ellos. Para el almacenamiento del valor total obtenido al cabo del espacio de tiempo de un segundo se utilizarn registros de carga por flanco, pues la lectura deber ser instantnea.Estos registros deben realizar la toma de la lectura una vez haya transcurrido el tiempo de un segundo y el dato lo deben enviar a los conversores a 7 segmentos y stos a su vez, a los visualizadores, pero es necesario que estn bloqueados pues, no deben permitir visualizar la seal durante el tiempo en que se est realizando el conteo, pues los valores estarn cambiando en forma permanente.

Una vez recogido el dato al finalizar el segundo, se debe proceder a iniciar un nuevo conteo. Mientras se realiza ese nuevo conteo, los registros no estarn tomando lectura de los valores que arrojan los contadores, sino que tendrn almacenado y visualizado el dato de la lectura anterior. Como el proceso de toma del valor final al cabo del tiempo de conteo es tan corto, este puede ser de 0,1 o 0,2 segundos.

Una vez almacenada y visualizada la lectura final luego de un segundo, los contadores deben regresar a cero para reiniciar un nuevo conteo. Mientras tanto, los registros estarn enviando a los conversores a 7 segmentos y stos a los visualizadores el dato que grabaron al finalizar el tiempo de conteo. Para colocar los contadores en ceros, se pueden utilizar los que tienen pin de RESET, o en su defecto verificar la forma de ponerlos a cero segn el tipo de contador que se utilice.

Con los contadores en ceros, el sistema queda listo para realizar un nuevo conteo.

DESCRIPCIN:

Circuito Acondicionador de la seal a medir.

Para el caso se ha considerado una seal senoidal alterna entre 0 y 9.999 Hz. Por esta razn, es necesario tomar la seal, pasarla por un circuito rectificador de media onda, es decir, un diodo que podra ser el 1N4148. Para efectos de asegurar la seal, conviene colocar una resistencia de 1K tanto a la entrada como a la salida del diodo, conectadas a la tierra del sistema.

Circuito Contador de los pulsos de la seal a medir

Para el ejercicio, se propone utilizar los contadores de dcada referencia 74190 que tienen varias caractersticas particulares:

Pin 4 para el bloqueo o inhabilitacin con cero Pin 5 para conteo ascendente o descendente. Para el caso debe estar en 0 para conteo ascendente Pin 11 de carga con cero (load), para recoger los valores en los cuales se quiera inicializar el contador. Estos valores se pueden colocar en los pines 9, 10, 1 y 15 D, C, B, A. Para el caso, el pin 11 se puede utilizar como RESET, colocando estos pines a tierra y envindole un cero instantneo para la carga de todos en cero. El pin 13 se utiliza para la conexin en cascada de varios contadores. El pin 14 es el de reloj y en el contador del dgito de las unidades ser el que recibe la seal procesada que se va a medir. En los otros 3 contadores, recibir en cascada la seal del pin 13 (Ripple Clock), del contador anterior. Los pines de salida QD, QC, QB, QA para salida hacia los conversores a 7 segmentos.

Circuito de almacenamiento del valor de la frecuencia. Registros

Para realizar esta funcin, se pueden utilizar cualquier tipo de registros de carga por flanco; este hecho es muy importante ya que de esta manera se logra la carga del valor obtenido por los contadores, en forma instantnea.

En nuestro ejemplo, utilizaremos 4 registros universales 74LS194. Estos registros permiten la carga tanto en serie, como en paralelo de datos de 4 bits.

En este caso, conviene configurarlos para carga en paralelo, pues la lectura debe de ser inmediata. Para ello, conviene analizar detenidamente el diseo lgico de este registro:

Est constituido por 4 flip-flops, uno para cada uno de los 4 bits que maneja, y un circuito de control para las diferentes configuraciones tanto para carga en serie con desplazamiento hacia la derecha o hacia la izquierda, como en paralelo. Este circuito es muy sencillo y consta de 4 multiplexores de 4 a 1 as:

De esta forma, un registro universal permite la carga tanto en serie hacia la dercha como hacia la izquierda, o en paralelo.Este integrado normalmente se representa y se configura de la siguiente manera para carga en paralelo:

Circuito conversor a 7 segmentos

Se trata simplemente de un integrado 7447 o 7448 que toman cada dgito en BCD y lo adaptan para los visualizadores de 7 segmentos. A partir de 4 entradas, decodifican a 7 salidas para cada uno de los 7 segmentos de cada dgito.

Circuito Base de Tiempo:

Tiene como finalidad definir dos tiempos especficos:

El primero para la lectura de los pulsos durante 1 segundo El segundo, ms corto, de 0,1 o o,2 segundos, para tomar lectura y del valor adquirido por los contadores en el primer tiempo e inmediatamente proceder a colocar los contadores en ceros

Este circuito se puede desarrollar a partir de un integrado LM555 configurado para arrojar la base de tiempo descrita, es decir, como se muestra en la figura:

La forma como se deben calcular los elementos que van a determinar el funcionamiento del integrado en la forma esperada, es decir las resistencias RA, la RB, el condensador y la configuracin de este integrado es como sigue:

Circuito de control de lectura y almacenamiento.

Est constituido sencillamente por un par de inversores que a partir de la base de tiempo que se acaba de definir, gobiernan tanto a los registros para que almacenen la informacin, como a los contadores para ponerlos a cero e iniciar un nuevo proceso de conteo.

Su funcin es permitir que los contadores realicen el proceso de conteo de la frecuencia a medir, durante un segundo. Estos, nunca estarn deshabilitados sino que permanentemente estarn habilitados en condicin de funcionamiento manteniendo el pin 4 a tierra. Para realizar la lectura del ltimo dato obtenido por los contadores en los registros, debe tenerse en cuenta que stos son de carga por flanco de subida debern recibir este flanco; por esa razn, se ha colocado un primer inversor, para que al flanco de bajada del circuito de base de tiempo, se produzca un flanco de subida en los registros. A continuacin, se debe colocar un segundo inversor en serie con el anterior para que se produzca un nivel bajo en el pin LOAD que equvale a RESET en los contadores pero con un tiempo de retardo respecto del flanco de carga de los registros, igual al que requiera el inversor para colocarlo en su salida. Este intervalo es de nano segundos. As, el borrado de los contadores se producir unos nano segundos despus de que los registros hayan almacenado el dato. Este tiempo se puede retardar colocando ms inversores si es necesario. Como se ver, con 0,1 o 0,2 segundos en nivel bajo, se tiene un tiempo suficiente para que se realice la funcin de RESET en los contadores.

Vale la pea anotar que durante el tiempo de conteo los contadores permanecen con el pin de RESET a nivel 1, es decir fuera de servicio en su funcin y los registros estarn mostrando el dato del segundo anterior. La lectura en los displays se actualizar cada 1,2 segundos.

Tambin se debe tener en cuenta que conviene colocar resistencias de 1K a la salida de los inversores para obligar la seal emitida por ellos. El sistema completo con toda su circuitera y conexionado se muestra en el esquema que aparece a contimuacin; en l, se peueden diferenciar todos y cada uno de los componentes del diseo y tambin cada una de las etapas que lo constituyen.

La visualizacin se realiza con displays de 7 segmentos del leds convencionales. De esta manera, y resulta muy fcil la lectura actualizada de la frecuencia, permitiendo obtener claridad sobre las variaciones de la frecuencia si stas ocurren con un refresco de la informacin cada 1,2 segundos.

Circuito completo del frecuencmetro digital

Diseo del Tacmetro Digital:

TACMETRO DIGITAL

A partir del circuito anterior, es muy fcil obtener un circuito para medir las revoluciones por minuto a un motor.

Se trata simplemente de cambiar la seal a medir por los pulsos obtenidos desde un opto-acoplador, que para el caso ser un foto-sensor que obtiene seales luminosas de un disco perforado que se monta sobre el eje del motor al cual se le desea medir su velocidad, en este caso en RPM.

El opto-acoplador ser el ECG-3100 que tiene la siguiente disposicin:

Al disponer sobre el eje al cual se le va a medir la velocidad un disco con un orificio, habra que tomar lectura durante un minuto.

Este hecho resulta imprctico por cuanto no se podran observar las variaciones de velocidad que ocurran durante el minuto que habra que permanecer tomando lectura.Una forma prctica de lograr obtener el valor de la lectura de un minuto solamente en un segundo es aumentar 60 veces el valor recogido en cada revolucin del eje en cuestin.

Para obviar ese inconveniente, se practican 60 orificios al disco y en lecturas de 1 segundo se obtiene el resultado esperado, es decir, las RPM. De una toma de lectura de un segundo se obtienen las revoluciones de un minuto.

De esta manera, el mismo circuito del frecuencmetro se puede utilizar para medir las RPM de un eje en movimiento para una velocidad hasta de 9.999 R.P.M.El circuito definitivo para el tacmetro queda como sigue: