memoria voltimetro

Desarrollo y construcción de prototipos electrónicos

Desarrollo y Construcción de Prototipos Electrónicos

Autores: Aitor Oñederra y Oskar Ferreiro


ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN...........................................................PÁG.3 2. ESQUEMA DEL CIRCUITO .........................................PÁG.4 3. FUNCIONAMIENTO .....................................................PÁG.4 4. CARACTERÍSTICAS DE LOS PRINCIPALES COMPONENTES......................................PÁG.7 5. MONTAJE FLORERO .................................................PÁG.10 6. CIRCUITO EN EL CAPTURE......................................PÁG.12 7. COMPONENTES UTILIZADOS ..................................PÁG.13 8. SITUACIÓN DE LOS COMPONENTES......................PÁG.13 9. FOTOLITOS ................................................................PÁG.14 10. PROBLEMAS Y OBSERVACIONES.........................PÁG.16 11. ANEXO I: CARACTERISTICAS DEL 2N2907A ........PÁG.18 12. ANEXO II: CARACTERISTICAS DEL CA3162..........PÁG.23 13. ANEXO III: CARACTERISTICAS DEL CA3161 ........PÁG.26


1.- Introducción

El voltímetro diseñado, puede medir tensiones comprendidas entre -99mv y 999mv, pudiendo ser utilizado para la medición de pequeñas señales, de sensores o de otra fuente de pequeña tensión.

Dicho circuito tiene la misión de actuar como un módulo de conversión Analógico – Digital “universal”, que convierte niveles de voltaje analógico a valores digitales bajo los parámetros de la lógica TTL.

En general, con este circuito convertidor se podrá medir cualquier variable física que se encuentre en la naturaleza o proceso de producción, tan sólo necesitamos emplear el transductor adecuado para cada caso, y acondicionar su señal eléctrica para no exceder los niveles de voltaje que requiere el módulo concertador analógico a digital, ya que éste se encuentra diseñado para operar dentro de un rango establecido de voltaje. En la figura 2, vemos el diagrama interno del circuito convertidor ADC CA3161E.

El ADC que es empleado en este circuito, trabaja mediante la técnica de conversión conocida como de “doble rampa”, en la cual el proceso de conversión requiere de dos etapas. En la primer etapa, un condensador tiene que ser cargado a cierto nivel de voltaje que corresponde con el valor que tiene que ser convertido. Para ello, un contador interno del propio ADC fija un tiempo establecido y cuando éste ha expirado, termina la primer parte y comienza la segunda parte del proceso. En la segunda parte del proceso, el contador interno del ADC vuelve a activarse, pero ahora para contabilizar el tiempo en que tarda el condensador en descargarse, ese tiempo tiene un valor proporcional al valor final de la conversión.


2.- Esquema del circuito

Figura 3 – Diagrama esquemático del módulo convertidor ADC 3.- Funcionamiento

El elemento principal del módulo convertidor ADC es el circuito integrado identificado como IC1, cuya matrícula es CA3162E y se trata, precisamente, del circuito integrado que se encarga de convertir los valores analógicos de voltaje en sus correspondientes combinaciones binarias, en la figura 2 se muestra el detalle del circuito IC1.

El circuito identificado como IC2, que posee la matrícula CA3161E, es de un circuito complementario que auxilia al IC1 en la conversión analógico a digital, el circuito IC2 es un decodificador que interpreta las combinaciones binarias y enciende los segmentos de los displays de acuerdo con el valor que corresponda, formando números que podemos leer.

Ver figura 3.

El proceso de conversión analógico a digital comienza en el circuito IC1, al cual se le hace llegar el valor analógico de voltaje a través del conector CN1 en el cual se encuentran las terminales 10 y 11 de IC1 (observe el diagrama de la figura 3), este voltaje comienza a cargar el condensador C1 que está conectado en la Terminal 12 de IC1, y tiene la función de predeterminar el rango de tiempo en el cual se realizará la conversión analógico a digital, lo que da origen a la primera etapa de la conversión. Al finalizar la primera etapa, el bloque que tiene a las terminales 10 y 11 de IC1 (observe la


figura 2), las desconecta del condensador C1 dando comienzo a la segunda etapa de la conversión. Ahora es conectado hacia el condensador una fuente de corriente constante, pero con polaridad opuesta a la anterior, esto es con motivo de provocar la descarga del condensador C1, a la vez el contador que fue restaurado a su posición original al comienzo de la segunda etapa, lleva el conteo de tiempo que origina la descarga del condensador hasta el valor de 0 voltios, el contador en esta segunda etapa se encuentra acoplado a un multiplexor con salidas BCD, las cuales muestran el valor del conteo cuando el condensador ha sido descargado totalmente, el valor que muestran las salidas BCD es proporcional al valor correspondiente a la digitalización del valor analógico, pero este dato se muestra mediante una combinación binaria de 4 bits. En la figura 4 vemos el circuito impreso del módulo convertidor analógico digital.

El contador interno del circuito IC1 es controlado por un oscilador que aporta la llamada frecuencia de muestreo, la Terminal 6 del circuito IC1 llamada “control de conversión” es en donde se fijan las condiciones de operación del oscilador interno del convertidor, de acuerdo a lo siguiente:

Si se le mete 5V a la patilla 6 de IC1, se establecerá un muestreo de alta velocidad.

Si se le hace llegar 0V a la terminal 6 de IC1, se fija una frecuencia de muestreo baja.

Si se le hace llegar 1.2V a la terminal 6 de IC1, se elimina la frecuencia de muestreo

Como se puede observar, tiene la posibilidad de desplegar sólo un dígito, pero nuestro convertidor es de 3 dígitos. Esto es posible debido a que, dentro del circuito IC1, el multiplexor contador va desplegando un solo dígito a la vez comenzando por el menos significativo (unidades), y al mismo tiempo que la información BCD se hace llegar al decodificador que se encuentra en el circuito IC2. A través de la terminal 4 del IC1 se activa la base del transistor Q1 que le hace llegar el voltaje de VCC a la terminal ánodo común del Display correspondiente, provocando el encendido de sus segmentos que corresponden con el valor que se tiene que mostrar en el display identificado como DS1, manteniendo apagados los otros 2 displays. Posteriormente, para mostrar la información de las decenas, ahora se envía la correspondiente información BCD al decodificador del circuito IC2, al mismo tiempo a través de la terminal 3 de IC1 se activa la base del transistor PNP identificado como Q2, provocando que se apaguen los otros 2 displays y mostrando los segmentos iluminados el display identificado como DS2. Por último, para mostrar la información de las centenas se envía la correspondiente información BCD al decodificador del circuito IC2, al mismo tiempo a través de la terminal 4 de IC1 se activa la base del transistor PNP identificado como Q2, provocando que se apaguen los otros 2 displays y mostrando los segmentos iluminados el display identificado como DS3.

Cuando se termina el proceso, se vuelve a repetir nuevamente mostrando primeramente la información a través del display de las unidades DS1, posteriormente por el display de las decenas DS2, y por último en el display de las centenas DS3, pero como este proceso se lleva a cabo a una frecuencia de aproximadamente 500Hz, da el efecto óptico de que los displays se encuentran permanentemente iluminados. Los


displays DS1, DS2 y DS3 son del tipo ánodo común. El rango de operación del módulo convertidor ADC va de 0V a 999mV


4.-Características de los componentes

Display de 7 segmentos:

La G corresponde al común. Cada patilla se corresponde con un segmento, al cual debemos aplicar una tensión positiva o neutra, según sea ánodo o cátodo común. Si es ánodo común habrá que introducir una señal de 0V, mientras que en cátodo común habrá que aplicar una señal positiva.

Características

Solidez: excelente Angulo de visibilidad: 150 grados Consumo por segmento: 150 mW Vida media en horas: 100000 Luminosidad: buena Facilidad de montaje: excelente Vcc (general): 1'5 V

La Vcc depende del color del LED. Para un color rojo:

Vcc: 1'7 V Vcc (máx): 2 V

Es aconsejable no sobrepasar la Vcc recomendada, ya que si se alcanza la Vcc máxima se puede destruir el segmento


Transistor 2N2907A:

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.

Transistor NPN Transistor PNP

En nuestro caso hemos usado el 2N2907A, dicho transistor es PNP. Aquí podemos observar su curva característica.

Para más información acerca de este transistor acuda al (anexo I)


CA3162E: Conversosr analógico-digital. La conversión se realiza por doble rampa para

obtener una mayor precisión. Posee salidas BCD, entrada diferencial y un reloj interno que no requiere de una red externa RC. Es posible inhibir la conversión conservando el resultado anterior que es almacenado en una memoria interna. Características: Vcc......................................................................................................5V ±0,5V Impedancia de entrada .........................................................................180MΩ Velocidades de conversión ...........................................................4Hz y 96Hz Corriente de polarización........................................................................17mA Tensión máxima permisible en cada uno de los terminales....................15V Rango de temperatura de operación ..............................................0°C a 75°C

Para más información acerca de este integrado ver (anexo II)


CA3161E:

Este circuito integrado no dispone de mucha más información.

Para más información acerca del circuito integrado CA3161 ver (Anexo III.)

5.Montaje florero La primera parte de la construcción del prototipo, fue la del montaje florero.

En esta fase, nuestro objetivo, era la de construir el voltímetro mediante el cableado de éste. El cable utilizado, consistía en un hilo de cobre recubierto de un esmalte aislante, pero autosoldable, el cual desaparecía mediante la inyección de calor, el cual se administraba junto con el estaño, metal utilizado para las soldaduras de este tipo de montaje.

Los pasos que hemos seguido para realizar el montaje han sido los siguientes:

• Realizar la lista de materiales.

• Pedir los materiales.

• Una vez recibidos, cortar la matriz a la medida necesaria, limarla para eliminar posibles rebabas.

• Cuando la matriz este lista, colocar los componentes en los lugares donde se van a soldar.

• Con cuidado dar la vuelta a la matriz y soldar una patilla de cada componente para que no se muevan de su sitio.

• Hacer las conexiones con el hilo de cobre mencionado con anterioridad.

• Realizar las comprobaciones pertinentes para verificar su funcionamiento.


En el apartado de comprobar el funcionamiento, hemos seguido unas fases bien definidas, que son las siguientes:

• Revisión visual detallada del prototipo.

• Comprobación de las continuidades con el polímetro.

• Sin colocar ningún componente, conectar la alimentación y comprobar el consumo de corriente.

• Comprobar las alimentaciones y las masas en los puntos correspondientes con el osciloscopio.

• Quitar la alimentación y colocar los componentes.

• Alimentar y comprobar de nuevo el consumo de corriente.

• Comprobar de nuevo las tensiones en los puntos críticos.

• Y por último, comprobar el funcionamiento del prototipo.


6.Circuito en el Capture

VC

C

2 1

12

02

GND7

LIN

10

HIN

11V

CC

14

2 2

15

2 3

16G

AD

J13

INTC

AP

12

ZE

RO

AD

J8

ZE

RO

AD

J9

H/B

P6

LSD

5

MS

D4

NS

D3

U4

CA

3162

211

222

236

207

GND8

e9

d10

c11

b12

a13

g14

f15

VCC16

U5

CA

3161

VISUALIZACIÓN

VOLTIMETRO

VC

CQ

1

2N29

07

Q2

2N29

07

Q3

2N29

07

VCC

VC

C

11

22

GG

3 3

44

55

66

77

88

G.G.

U2

11

22

GG

33

4 4

55

66

77

88

G.G.

U3

C1

CA

P

11

22

GG

33

4 4

55

66

77

88

G.G.

U1

1 2 3J3 CO

N3

R3

RE

SIS

TOR

R4

RE

SIS

TOR

VC

C

12

J1 CO

N2

FUENTE DE ALIMENTACIÓN


7. Componentes utilizados Item Quantity Reference Part

______________________________________________

1 1 C1 CAP

2 1 C2 CAPACITOR

3 1 J1 CON2

4 1 J3 CON3

5 3 Q1,Q2,Q3 2N2907

6 2 R1,R2 RESISTOR VAR

7 2 R3,R4 RESISTOR

8 3 U1,U2,U3 DISPLAY

9 1 U4 CA3162

10 1 U5 CA3161

8. Situación de los componentes Item Part Reference X Y

______________________________________________________________________

1 2N2907 Q1 5.80 1.90

2 2N2907 Q2 7.10 1.90

3 2N2907 Q3 8.20 1.90

4 CA3161 U5 4.40 3.80

5 CA3162 U4 2.30 3.80

6 CAPACITOR C2 0.70 4.10

7 CAP C1 2.00 2.50

8 CON2 J1 1.10 2.40

9 CON3 J3 2.70 5.70

10 DISPLAY U2 6.90 2.70

11 DISPLAY U3 8.00 2.70

12 DISPLAY U1 5.60 2.70

13 RESISTOR VAR R1 1.60 4.50

14 RESISTOR VAR R2 0.90 4.50

15 RESISTOR R3 1.70 5.60

16 RESISTOR R4 1.70 6.10


9. Fotolito TOP


BOTTOM


10. Observaciones y problemas - Despues de montar el circuito florero y hacer comprobaciones, nos hemos dado cuenta que teníamos el colector del transistor conectado a 5V cuando debería estar el emisor - Hemos encontrado varios errores en las conexiones:

• El cable del anodo al colector del primer display no hacía contacto • La patilla 2 y el anodo del primer display estában unidas por una mancha que

habia en la placa. • Hemos tenido problemas con las conexiones a los zócalos. • El segmento “e” de los displays no se enciende en ninguno. Hemos comprobado

que haya tensión en la patilla 9 del CA3161E, aunque llaga la señal no se enciende. El problema era que la patilla 9 del decodificador no funcionaba bien. - En la patilla de “HOLD” hemos metido 0V, así tiene una conversión lenta, con 5V la velocidad de conversión es alta y con 1’2V no hace caso a los cambios en la entrada pero no es la causa de no parase en un valor fijo. - Para mantener en un valor fijoy ajustarlo hemos conectado a “0” la patilla 10 del

CA3162. - Estos son los datos en el montaje florero: Consumo sin componentes⇒ 0mA Consumo con componentes⇒4mA - En el diseño del Capture le hemos conectado un divisor de tensión para la patilla 6 del integrado CA3162. Lo hemos conectado a un conector de tres patillas para que podamos elegir la velocidad del testeo del voltímetro. - Después de diseñar el circuito en el Capture hemos empezado a hacer los footprint de los conectores y displays. - Al hacer el layout con los footprints que hay en las librerías del layout las pistas salían por la cara de arriba de las patillas de loas circuitos integrados y al ser difícil el soldar así, cambiamos los footprint poniendo que solo se pudieran rutear por la parte de abajo. - Esto nos daba otro problema, al poner este tipo de footprint para el programa era de montaje superficial y pasaba pistas por la cara de arriba donde tenía que ir el componente. - Lo que hicimos fue rutearlo automáticamente y luego mover las pistas donde no hacían contacto con las pistas que no convenía. - Despues de sacar el fotolito e imprimirlo en la PCB, mirando continuidades, consumo, etc. nos dimos cuenta que dos pistas se habían juntado y que era muy dificil arreglarlo tuvimos que hacer otra vez el diseño en el Layout.


- En el nuevo diseño nos dimos cuenta que la patilla 4 del CA316 tenía que ir a la base del transistor de MSB e iba al la base del LSB y la patilla 5 que debería ir a MSB iba a la LSB. Lo que hemos hecho a sido cortar las pistas y con el cable barnizado hacer bien las conexiones.


11. ANEXO I: Caracteristicas del 2N2907A


12. ANEXO II: Caracteristicas del CA3162


13. ANEXO III: Caracteristicas del CA3161

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