practicas control digital 2015-2

Autores: M. en TI. Jorge Buenda Gmez Ing. Nicols Calva Tapia M. en C. Leopoldo Martn del Campo R. Fecha de Elaboracin: 2000 Fecha de Revisin: Enero 2015

Universidad Nacional Autnoma de Mxico

Facultad de Estudios Superiores Cuautitln

Departamento: Ingeniera

Seccin: Electrnica

Laboratorio de Control Digital

Asignatura: Control Digital Clave Asignatura: 1820

Clave Carrera: 116

Facultad de Estudios Superiores Cuautitln UNAM

ndice I

ndice I Prlogo II Reglamento V Prctica 1 Muestreadores y Retenedores 1 1.6. Efectos de cuantizacin y muestreo

Prctica 2 Convertidor Analgico Digital Discreto 6

1.6. Efectos de cuantizacin y muestreo

Prctica 3 Convertidor Analgico Digital Integrado 10

2.1. Discretizacin de sistemas continuos

Prctica 4 Convertidor Digital Analgico Integrado 18

4. Diseo de sistemas de control digital a partir de funciones de transferencia discretas

Prctica 5 Convertidor Analgico Digital con Realimentacin 22

5.3. Realimentacin de la salida

Prctica 6 Contador Infrarrojo 25

6.4. Ejemplos de aplicacin

Prctica 7 Control de Velocidad de Motor de CD por Modulacin PWM 29

6.3. Sensores, actuadores y dispositivos auxiliares.

Prctica 8 Motores de Pasos 33 6.4. Ejemplos de aplicacin

Prctica 9 Motores de Pasos con Control Programado 37 6.4. Ejemplos de aplicacin

Prctica 10 Anlisis y Simulacin de Sistema Digital con Matlab 44 6.4. Ejemplos de aplicacin


ndice


Prlogo II

Objetivo del curso

Familiarizar al alumno con los principales mtodos de anlisis y diseo de los sistemas de control digital, as como con la realizacin prctica de los algoritmos de control que con mayor frecuencia se emplean.

Objetivos del Laboratorio

Analizar y comprobar los tres procesos empleados en la digitalizacin de las seales analgicas: muestreo, retencin y cuantizacin.

Comprobar las diferentes formas de conversin analgica digital (CAD) y la conversin digital analgica (CDA) as como emplear sensores de seales fsicas a travs de transductores e implementarlos en un sistema de control digital.

Implementar el control de motores para la construccin de maquinas herramientas y robots. Introduccin En el laboratorio de Control Digital los alumnos debern realizar la comprobacin de los conceptos tericos ms relevantes utilizados para la digitalizacin de seales analgicas. Este proceso de digitalizacin es muy importante ya que la mayora del procesamiento actual se realiza a travs de sistemas digitales o de computadoras debido a la flexibilidad y capacidad de manipulacin de la informacin de los sistemas de cmputo. En la actualidad el procesamiento de seales se realiza de forma digital, debido a la gran versatilidad y potencia de los sistemas digitales, ya sea en forma de microprocesadores, microcontroladores, computadoras y otros. Sin embargo, la generacin de seales del mundo real sigue siendo analgica, seales como la voz, el audio, el video, la temperatura, la presin, la posicin de un motor, etc., son indiscutiblemente seales analgicas y es por ello que siempre estarn presentes los circuitos electrnicos de conversin analgica digital y de conversin digital analgica. Para llevar a cabo esta transformacin de seal analgica a seal digital (discretizacin), se requieren 3 procesos independientes que son:

Muestreo

Retencin

Cuantizacin Estos 3 procesos se pueden implementar de forma prctica a travs de circuitos electrnicos, que permiten analizar los parmetros de funcionamiento ms representativos de la discretizacin de seales. Otro de los elementos importantes en el proceso de control es la adquisicin de datos a travs de convertidores analgico digital (CAD) y convertidores digital analgico (CDA), tanto discretos como integrados ya que son la interfaz directa entre el mundo real, bsicamente analgico, y el sistema de control, bsicamente digital.


Prlogo


Prlogo III

Dentro de las prcticas se visualiza y comprueba el funcionamiento de algunos convertidores bsicos, necesarios para comprender la influencia de estos circuitos dentro de los sistemas de adquisicin de datos comerciales (DAQ) y su aplicacin en la captura de seales procedentes de sensores. En estas prcticas se incluye el control de motores de corriente directa y de motores de pasos necesarios para la implementacin de sistemas mecnicos industriales o de robots. El control se realiza utilizando sistemas digitales integrados tales como los microcontroladores y sistemas digitales discretos diseados especficamente para la aplicacin planteada. Tambin se incluye en estas prcticas la utilizacin de software de simulacin que permite al alumno analizar un siatema sin la necesidad de tenerlo fsicamente, para poder comprobar de forma rpida los conceptos tericos de controladores y otras funciones. Finalmente el alumno deber comprender la necesidad de interaccin entre las diferentes reas de la Ingeniera para llevar a la prctica un sistema de control digital real. Entre estas reas se distinguen:

Electrnica

Control Analgico

Control Digital

Diseo Lgico

Computacin

Diseo de Software

Electrnica de Potencia

Mecnica

Motores

y algunas reas adicionales. Instrucciones para la elaboracin del reporte Ser necesario incluir en cada actividad previa y reporte de prctica, una portada (obligatoria) como la mostrada a continuacin. Para la presentacin del reporte se deber cumplir con los requisitos indicados en cada una de las prcticas, incluyendo:

Actividades previas

U. N. A. M. F. E. S. C.

Laboratorio de : ________________________________________ Grupo: ________________________________________ Profesor: ________________________________________ Alumno: ________________________________________ Nombre de Prctica: ________________________________________ No. de Prctica: ________________________________________ Fecha de realizacin: ________________________________________ Fecha de entrega: ________________________________________ Semestre: ________________________________________


Prlogo IV

Introduccin

Procedimiento experimental

Circuito armado

Tablas de datos

Mediciones

Grficas

Comentarios

Observaciones

Esquemas

Diagramas

Cuestionario

Conclusiones

y en general todos los elementos solicitados dentro del desarrollo de la prctica. Los criterios de evaluacin para el laboratorio son los siguientes: C1 (Criterio de evaluacin 1): Reporte entregado con todos los puntos indicados (40%) C2 (Criterio de evaluacin 3): Desarrollo y funcionalidad de la prctica (30%) C3 (Criterio de evaluacin 4): Actividades Previas (20%) C4 (Criterio de evaluacin 2): Habilidad en el armado circuitos (10%) Bibliografa 1. Powel J., Franklin G., F. (1975), Digital Control of Dynamic Sysytems: Addison- Wesley Publishing

Company

2. Smith C. L. (1972), Digital Computer Process Control: Intex Educational Publishers 3. Cadzow J., Martens H. (1970), Discrete Time and Computer Control Systems: Prentice Hall Inc. 4. Kuo, Benjamin C. (2003), Sistemas de Control Digital: Mxico: CECSA, 5 Edicion 5. Ogata, Katsuhiko (1996), Sistemas de Control en Tiempo Discreto: Mxico: Prentice Hall,

Hispanoamericana, 2 Edicin 6. Dorf, Richard C, Bishop, Robert H. (2005), Sistemas de Control Moderno: Espaa: PEARSON Prentice Hall,

10 Edicin 7. Houpis, Constantine H., Lamont Gary B., (1985), Digital Control Systems.: USA: Mc Graw Hill 8. Gmez Campomanes Jos. (2007), Problemas resueltos de Control Digital : Mxico: Thomson Paraninfo

S.A. 9. Basaez Villaluenga Luis., (2002), Control Digital: Problemas. : Espaa: Universidad Politcnica de

Catalua.

10. Bolzern Paolo., (2009), Fundamentos de Control Automtico. : Espaa: Mc Graw Hill Interamericana.

11. Barambones Oscar., (2004), Sistemas Digitales de Control. : Espaa: Universidad del pas Vasco.


Reglamento Interno del Laboratorio de Comunicaciones, Control y Electrnica V

1. Dentro del laboratorio queda estrictamente prohibido.

a. Correr, jugar, gritar o hacer cualquier otra clase de desorden. b. Dejar basura en las mesas de trabajo y/o pisos. c. Sentarse sobre las mesas d. Fumar, Introducir alimentos y/o bebidas. e. Utilizar cualquier objeto ajeno a las prcticas de laboratorio, tales como: celulares o equipos de

sonido (aun con audfonos) excepto algn equipo para realizar las prcticas f. La presencia de personas ajenas en los horarios de laboratorio. g. Dejar los bancos en desorden. h. Mover equipos o quitar accesorios de una mesa de trabajo a otra sin el consentimiento previo del

profesor de laboratorio en turno. i. Usar o manipular el equipo sin el conocimiento previo del profesor. j. Rayar las mesas del laboratorio. k. Energizar algn circuito sin antes verificar que las conexiones sean las correctas (polaridad de las

fuentes de voltaje, multmetros, etc.). l. Hacer cambios en las conexiones o desconectar equipo estando ste energizado. m. Hacer trabajos pesados (taladrar, martillar, etc.) en las mesas de las prcticas.

2. El alumno verificar las caractersticas de los dispositivos electrnicos con el manual. 3. Es responsabilidad del alumno revisar las condiciones del equipo del laboratorio al inicio de cada prctica y

reportar cualquier anomala que pudiera existir (prendido, daado, sin funcionar, maltratado, etc.) al profesor del laboratorio correspondiente.

4. Es requisito indispensable para la realizacin de las prcticas, que el alumno cuente con su manual

completo y actualizado al semestre en curso, los cuales podrn obtener en: http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria.

5. El alumno deber traer su circuito armado para poder realizar la prctica, de no ser as no podr realizar

dicha prctica (donde aplique) y tendr una evaluacin de cero. 6. Para desarrollar trabajos, o proyectos en las instalaciones de los laboratorios, es requisito indispensable

que est presente el profesor responsable, en caso contrario no podrn hacer uso de las instalaciones. 7. Correo electrnico del buzn para quejas y sugerencias para cualquier asunto relacionado con los

Laboratorios ([email protected]) 8. La evaluacin del laboratorio, ser en base a lo siguiente:

A - (Aprobado); Cuando el promedio total de todas las prcticas de laboratorio sea mayor o igual a 6 siempre y cuando tengan el 90% de asistencia y el 80% de prcticas acreditadas en base a los criterios de evaluacin.

NA - (No Aprobado); No se cumpli con los requisitos mnimos establecidos en el punto anterior. NP - (No Present); con o sin asistencia pero que no haya entregado reporte alguno.

Laboratorio de Control Digital REGLAMENTO INTERNO DE LOS LABORATORIOS DE

COMUNICACIONES, CONTROL, SISTEMAS ANLOGICOS

Y SISTEMAS DIGITALES


Reglamento Interno del Laboratorio de Comunicaciones, Control y Electrnica VI

9. Los casos no previstos en el presente reglamento sern resueltos por el Jefe de Seccin. NOTA: En caso de incurrir en faltas a las disposiciones anteriores, el alumno ser acreedor a las siguientes

sanciones por parte del profesor de laboratorio segn sea el caso y la gravedad, baja temporal o baja definitiva del grupo de laboratorio al que est inscrito


Prctica 1 Muestreadores y Retenedores 1

x(t) x*(t) t=kT

Muestreador

p

T

Tema: 1.6. Efectos de cuantizacin y muestreo Objetivos

El alumno implementar un dispositivo de muestreo y un dispositivo de retencin para comprobar dos de los procesos empleados en la discretizacin de seales analgicas.

El alumno analizar las variaciones que se producen en ambos procesos al cambiar los parmetros del sistema para diferentes seales de entrada.

Introduccin 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 seales que intervienen en el proceso son seales analgicas que deben ser transformadas a seales discretas para poder ser empleadas de forma adecuada dentro de este tipo de sistemas. Para lograr la discretizacin de las seales, se debe aplicar primero el proceso de muestreo y obtener as una seal formada nicamente por las muestras discretas en tiempo de la seal analgica. El proceso de muestreo puede representarse a travs de un interruptor que se cierra cada t = kT segundos durante un tiempo de muestreo (p), generndose una seal de muestreo como la mostrada en la figura 1.1.

t = Instante de muestreo

k = 0, 1, 2, 3, n

T = Periodo de muestreo

p = Tiempo de muestreo

Figura 1.1

La ecuacin t = kT describe al muestreo peridico ya que las muestras estn equiespaciadas, es decir las muestras son tomadas en instantes de tiempo que son mltiplos enteros del periodo de muestreo. Tambin existen otros tipos de muestreo empleados para diferentes propsitos, los cuales se describen con ecuaciones similares a la mostrada anteriormente. La entrada de este interruptor es una seal analgica y la salida es una seal muestreada como se puede observar en la figura 1.2.

Figura 1.2


Prctica 1 Muestreadores y Retenedores



Portadora

Moduladora

a

Seal Muestreada x*(t) Tren de impulsos unitarios

Seal Analgica

Otra forma de representar el proceso de muestreo es a travs de un modulador en amplitud, que realiza la modulacin de un tren de impulsos unitarios discretos generados en los instantes kT que se emplean como seal portadora y la seal analgica que se desea muestrear que se emplea como seal moduladora, obtenindose como salida los pulsos discretos pero modulados en amplitud por la seal de entrada, a esta salida se le denomina la seal muestreada, tal y como se observa en la figura 1.3.

Figura 1.3

La operacin que realiza el modulador puede representarse matemticamente a travs del producto del tren de impulsos unitarios y la seal analgica de entrada dando como resultado la siguiente expresin que define a la seal muestreada.

0

)()()(*k

txkTttx

Si a esta expresin se le aplica la transformada de Laplace y se toman las consideraciones necesarias, se obtiene la transformada Z de la funcin x(t).

0

)()(k

kzkTxzX

Otro dispositivo empleado en la digitalizacin de las seales analgicas para utilizarlas en los sistemas de datos muestreados, es el retenedor, el cual tiene la funcin de reconstruir la seal muestreada a partir de los valores de las muestras generadas por el muestreador, empleando para ello, polinomios de diferentes grados. Entre los ms empleados estn los retenedores de orden cero y de primer orden. Este proceso tambin se emplea para que los cuantizadores tengan en su entrada una seal constante que representa a la muestra actual y puedan tener el tiempo suficiente para realizar la conversin de cdigo ya que la muestra original que se obtiene del muestreador tiene una duracin muy corta.

Seal Muestreada Seal Retenida

Figura 1.4

Modulador en Amplitud

Retenedor de orden cero Zoh



Este circuito integrado es de tecnologa CMOS y deber ser manejado con las precauciones necesarias para evitar que sufra daos.

En la figura 1.4 se presenta un retenedor de orden cero Zoh y las formas de onda de su entrada y su salida.

En esta prctica se implementarn 2 circuitos que realizan las funciones de muestreo y retencin respectivamente. Estos circuitos se implementan a travs de circuitos analgicos y amplificadores operacionales para poder visualizar las funciones que se realizan en estos 2 procesos, pero haciendo la anotacin de que en los sistemas de control digital estas funciones se realizan a travs de los convertidores analgico digitales que contienen de manera intrnseca a dichas funciones de muestreo y retencin (S/H, Sample and Hold). Actividades previas a la realizacin de la prctica

1. El alumno deber realizar la lectura de la prctica. 2. El alumno realizar la simulacin de los circuitos del procedimiento experimental considerando las

figuras 1.5 y 1.7 en el simulador Proteus siguiendo los pasos del desarrollo. Considere emplear el circuito DG417 en sustitucin del circuito DG201 de la prctica, considerando que las terminales de ambos circuitos difieren en posicin.

3. Entregar los resultados de la simulacin de forma impresa al profesor al inicio de la sesin de laboratorio.

4. El alumno investigar el concepto de teorema de muestreo de Nyquist. Material 1 C.I. LM555 1 C.I. UA741 1 C.I. DG201 Switch Analgico CMOS SPST

2 Resistencias de 0.1 k a W.

1 Resistencia de 10 k a W.

1 Resistencia de 2.2 k a W.

1 Potencimetro de 50 k. 1 Capacitor de 1 nF. 1 Capacitor de 22 nF.

1 Capacitor de 0.1 F. 2 Capacitor de 100 F electroltico. Equipo 1 Fuente bipolar. 1 Generador de funciones. 1 Multmetro 1 Osciloscopio. Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 1.5, el cual realiza la operacin de muestreo sobre la seal Ve(t) y

genera una seal muestreada Ve*(t), este circuito consta de las siguientes partes:

Generador de pulsos de muestreo en configuracin astable.

Interruptor analgico (interruptor bidireccional) controlado por pulsos. 2. Calibre el generador de funciones con una seal Ve(t) = 2.5 Sen 6283.18 t. 3. Pruebe el sistema por partes, verificando el correcto funcionamiento de cada una de ellas.



Generador de pulsos de muestreo. (Terminal 3 del LM555)

Interruptor analgico (interruptor bidireccional) controlado por pulsos. (Terminal 3 del DG201)

4. Compruebe y explique el funcionamiento del proceso de muestreo para las seales de entrada

triangular y cuadrada adems de la seal senoidal del punto anterior.

Figura 1.5

5. Mida los valores de periodo de muestreo (T) y el tiempo de muestreo (p) mnimo y mximo de la seal

de salida del generador de pulsos variando el potencimetro P1 a su valor mnimo y a su valor mximo. 6. Indique cual es la frecuencia de muestreo mnima y mxima que se puede obtener con este circuito. 7. Empleando el teorema de Nyquist determine la frecuencia mxima de la seal de entrada Ve(t) que

puede ser muestreada con este sistema. 8. Vare la frecuencia de la seal senoidal a un valor en el rango de 30KHz a 50KHz y observe el

comportamiento simultneo de las seales de entrada Ve(t) y de salida Ve*(t), ajuste el valor de frecuencia para obtener un proceso de muestreo equivalente.(Aliasing o Seal de salida que no es muestreada adecuadamente debido a que no se toman las muestras necesarias para representarla). Grafique las seales para cada punto y anote los rangos de funcionamiento de cada una de las etapas, es muy importante llegar a una conclusin prctica de porque con este tipo de circuito no se puede llegar a muestrear seales de cualquier frecuencia o amplitud.

9. Retire la resistencia R3 de 10 K que est conectada a la terminal 3 del interruptor analgico, ya que afecta el comportamiento del circuito retenedor que se adicionar a la salida del muestreador y regrese la seal de entrada a su valor de amplitud y frecuencia original Ve(t) = 2.5 Sen 6283.18 t.

10. Aada el circuito de la figura 1.6 a la salida del circuito de la figura 1.5, el cual realizar la funcin de retencin y observe la seal de salida Vs(t) del circuito 1.6 y como se relaciona con la entrada Ve(t). Anote los comentarios en cuanto a las formas obtenidas as como las grficas correspondientes, haciendo las pruebas tambin para seales de diferentes tipos y frecuencias (triangular y cuadrada).

Este circuito integrado es de tecnologa CMOS y deber ser manejado con las precauciones necesarias para evitar que sufra daos.



Figura 1.6

Cuestionario 1. Investigue el concepto de Aliasing y explique la relacin que tienen con respecto al muestreo de seales

analgicas. 2. Obtenga la funcin de transferencia en Laplace del retenedor empleado en la prctica (figura 1.6)

indicando de que tipo es y explicando su funcionamiento. 3. Calcule el valor de la constante de tiempo del retenedor y el tiempo de carga del capacitor al 98% de su

valor de carga final. 4. Verifique que se cumple la relacin de tiempos siguiente, para el punto de mxima frecuencia de

muestreo.

5 < < 5. Explique de manera grfica lo que sucedera si la frecuencia de muestreo es elevada y la constante de

tiempo RC del retenedor es mayor al periodo de muestreo T. 6. Describa los procesos de muestreo de orden mltiple, de ritmo mltiple y aleatorio. 7. Calcule los parmetros de tiempo del oscilador en modo astable implementado con el circuito LM555

de la prctica y comprelos con los obtenidos prcticamente. Para este paso refirase a la hoja tcnica del dispositivo LM555 donde se especifican las ecuaciones de funcionamiento.



Tema 1.6. Efectos de cuantizacin y muestreo Objetivos

El alumno construir un convertidor analgico digital de aproximaciones sucesivas con elementos discretos.

El alumno analizar las caractersticas de funcionamiento y verificar los clculos tericos con mediciones sobre el circuito.

El alumno generar la curva de cuantizacin prctica. Introduccin 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 seal analgica de entrada en los diferentes instantes definidos por el periodo de muestreo, pero dichos valores son an valores analgicos en amplitud aunque discretos en tiempo y no son directamente utilizables por una computadora digital, por lo tanto es necesario cuantizar dichos valores analgicos a travs de convertidores analgico digitales que transforman el valor analgico de entrada a un cdigo binario compatible con los sistemas digitales. Un convertidor analgico digital (CAD) procesa un voltaje analgico de entrada y despus de cierta cantidad de tiempo, denominado tiempo de conversin, produce un cdigo digital de salida con un determinado nmero de bits como se muestra en la figura 2.1.

Figura 2.1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16


Prctica 2 Convertidor Analgico Digital Discreto

Cdigo binario en 4 bits: 0011 0000 0011 1001 1010 0111 0101 1000 1101 1110 1010 1000 1100



Este proceso est sujeto a errores debido al mtodo de conversin, a los componentes empleados y a otras fuentes externas al proceso. El proceso de conversin analgico digital generalmente es ms complejo y tardado que el proceso de conversin digital analgico y para realizarlo se emplean varios mtodos entre los que podemos nombrar: aproximaciones sucesivas, rampa digital, rampa analgica, de rfaga y doble rampa como los ms usuales. El circuito implementado en la prctica realiza la conversin por el mtodo de aproximaciones sucesivas en forma analgica, empleando para ello circuitos comparadores de voltaje, mallas de resistencias e inversores lgicos. Material 1 C.I. LM339 Comparadores de voltaje 1 C.I. CD4069 (CMOS) Inversor Lgico 1 Transistor BC547

2 Resistencias de 39 K a W.



1 Resistencia de 5.6 K a W.

8 Resistencias de 1K a W.

2 Potencimetros de 50 K 4 Leds Equipo 1 Fuente de voltaje 1 Multmetro 1 Osciloscopio Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno deber realizar la lectura de la prctica. 2. El alumno realizar el clculo de los voltajes en cada una de las dos entradas de los cuatro

comparadores del circuito de la figura 2.2 as como el cdigo binario de salida para un voltaje de entrada de 6.3 V. Considere que el voltaje mximo de entrada es de 8 V.

3. Adjunte todos los clculos realizados para el anlisis y entrguelo a su profesor de laboratorio. Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 2.2 alimentndolo con un voltaje aproximado de VCC = 10 V. Dicho

valor ser modificado posteriormente a travs del procedimiento del inciso 3. 2. Vare el voltaje de entrada analgico Ve(t), a travs del potencimetro P2, para que encienda alguno de

los leds. Reajuste el nivel de la fuente de voltaje VCC hasta obtener 8V en la salida del inversor que tienen encendido el led.

3. El reajuste de la fuente de voltaje VCC es muy importante debido a que representa el valor de voltaje mximo de conversin y debido a ello, este valor deber mantenerse fijo durante el desarrollo de la prctica, pues las mediciones y ajustes posteriores seran incorrectos si dicha fuente tuviera una variacin.

4. Ajuste el voltaje de referencia Vref en el emisor del transistor BC547, a travs del potencimetro P1, hasta obtener 4 V, lo que representa la mitad del voltaje mximo de conversin.



5. Ajuste el potencimetro P2 hasta obtener un voltaje de 4.8 V en la entrada Ve(t) y compruebe que el cdigo binario en las 4 salidas del circuito es (1101), tambin 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.

6. Anote las posibles variaciones de los niveles de voltaje, si las variaciones son grandes entonces existe un error en el armado del circuito.

7. Genere la curva de cuantizacin (Ve(t) contra cdigo binario) empleando 16 niveles, variando el potencimetro P2 desde 0 V. hasta 8 V, indicando en una tabla el nivel de voltaje analgico de entrada Ve (t) y el correspondiente cdigo binario proporcionado por el circuito.

8. Dibuje las grficas de cuantizacin real, obtenida del circuito de prueba y la grfica de cuantizacin ideal, en la misma grfica y con el mismo sistema de coordenadas.

9. Compare ambas grficas y comente acerca de los errores que presenta el circuito con respecto a linealidad, exactitud y errores en el proceso de conversin.

Cuestionario 1. Calcule el rango de cuantizacin (q) promedio del convertidor implementado en la prctica. 2. Qu tiempo total requiere este sistema para realizar la conversin. Consultar manuales y anotar los

tiempos de respuesta de cada uno de los circuitos que intervienen en el proceso, calculando posteriormente el tiempo total de conversin.

3. Qu tiempo requerira un circuito similar al implementado si la conversin se realizara en 8 bits y comprelo con el tiempo de conversin de 2 convertidores analgico digitales comerciales de 8 bits. Anote sus comentarios con respecto a esta comparacin, incluya la hoja de datos de los convertidores consultados sealando el parmetro de tiempo de conversin sobre la hoja.

4. Son iguales o diferentes los tiempos de conversin necesarios para convertir los voltajes de 3.5 V. y de 7.2 V. en el circuito de prueba de la prctica, justifique su respuesta.

5. Explique a travs de una tabla de verdad la forma en que el mtodo de aproximaciones sucesivas realiza la conversin a cdigo binario empleando como voltaje de entrada Ve = 4.8 V.



Figura 2.2



Tema 2.1. Discretizacin de sistemas continuos Objetivos

El alumno comprobar experimentalmente el funcionamiento de un convertidor analgico digital que emplea el mtodo de conversin de aproximaciones sucesivas.

El alumno realizar la programacin del microcontrolador PIC16F690 para hacer uso del mdulo de conversin analgico digital.

El alumno construir una interfaz para medir temperatura, empleando el microcontrolador PIC16F690, el sensor de temperatura LM35D y una pantalla LCD para mostrar el resultado de la conversin analgica digital en diferentes escalas de temperatura.

Introduccin Los convertidores analgico digitales (CAD), emplean varios mtodos de conversin que presentan diferentes caractersticas: velocidad, precisin, rango de voltaje de entrada, nmero de bits, rango de cuantizacin y algunas otras. La seleccin del tipo de convertidor analgico digital para una cierta aplicacin, depende de muchos factores que hay que determinar a partir del sistema fsico. En esta prctica se comprobar el funcionamiento del mdulo del convertidor analgico digital del PIC16F690 y se implementar un circuito para medir temperatura. La seal de temperatura que se va a medir debe registrarse a travs de un transductor (sensor de temperatura), el cual transforma la temperatura del sensor a un voltaje directamente proporcional y despus, a travs de un acondicionador de seal se ajustan las caractersticas elctricas (nivel de voltaje, corriente, impedancia, etc.), para poder procesar la informacin analgica y convertirla a un cdigo 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 alimentacin +Vs desde 4V hasta 20V. En la figura 3.2 se muestra su representacin esquemtica y su diagrama de conexin con vista inferior. El proceso de conversin se realizar a travs del mdulo del convertidor analgico digital que viene integrado dentro del PIC16F690 el cual utiliza el mtodo de conversin de aproximaciones sucesivas, proporcionando un cdigo binario de salida en formato de 8 o 10 bits, seleccionado mediante programacin, que representa la conversin del voltaje analgico de entrada.

Seal Acondicionada (Voltaje)

Seal Analgica (Voltaje)

Seal Digital (Cdigo Binario) Temperatura


Prctica 3 Convertidor Analgico Digital Integrado

Sistema Fsico Transductor (Sensor

de Temperatura)

Acondicionador

de Seal

Convertidor

Analgico Digital



En esta prctica el valor de salida ser convertido a diferentes escalas de temperatura a travs del software del microcontrolador y se mostrar en una pantalla de cristal lquido (LCD) controlada por el microcontrolador.

Figura 3.2

El sensor propuesto LM35D puede medir temperaturas de 0C hasta 100C, por lo que se tendr un rango de voltaje de 0V a 1000mV. Debido a que el convertidor se emplear con un voltaje de referencia mximo de 5V entonces se requiere que la seal de salida del sensor se amplifique 5 veces para obtener un rango de 0V a 5V, lo que nos dar un cdigo binario de salida del convertidor de 00 0000 0000 a 11 1111 1111 (0 a 1023) de acuerdo a las siguiente relacin:

= Av k T Dnde: Vin Voltaje de entrada al convertidor analgico digital del PIC. Av Ganancia de voltaje del amplificador, en este caso Av = 5 k Constante de conversin del sensor de temperatura, para el sensor empleado k = 10 mV/C T Temperatura a medir en C. Material 1 Microcontrolador PIC16F690 1 LM35D Sensor de temperatura de precisin 1 LM358 Amplificador operacional de baja potencia 1 Transistor TIP 31 1 Tira de 16 conectores rectos (headers rectos) 1 Pantalla LCD de 16x2 (JHD-162A)

1 Resistencia de 82 a W.

2 Resistencia de 1 K a W.



1 Resistencia de 100 a W.

1 Potencimetro de 5 K

1 Capacitor de 1 F 1 Push Button normalmente abierto 1 motor de CD (ventilador) de 12V Equipo 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Generador de funciones 1 Multmetro 1 Osciloscopio



Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. Con el material mostrado en la figura 3.3 (a), se realizar la soldadura de la tira de conectores rectos o

headers rectos a la pantalla LCD, de modo que se tenga lo mostrado en la figura 3.3 (b). 3. El alumno realizar la edicin y compilacin del cdigo mostrado en la figura 3.4 utilizando el

compilador C CCS para microcontroladores PIC, que puede ser descargado de Internet, para programar el microcontrolador PIC16F690.

4. Investigar las equivalencias y formas de conversin entre las siguientes escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine y Raumur.

5. Realizar la simulacin de todos los puntos del desarrollo experimental en el programa Proteus, usando el archivo con extensin hex que obtuvo al compilar el cdigo.

( a ) ( b )

Figura 3.3 Procedimiento Experimental 1. Programe el microcontrolador PIC16F690 con el archivo con extensin hex que se obtuvo al compilar el

cdigo de la figura 3.4.

Figura 3.4



Figura 3.4 (continuacin)



Figura 3.4 (continuacin) 2. Implemente el circuito de la figura 3.5 donde la etiqueta Vin indica el voltaje analgico de entrada al

PIC16F690. El resultado de la conversin de voltaje deber mostrase en la pantalla LCD como se observa en el ejemplo de la figura 3.6.

3. Varie el potencimetro P1 para ajustar el nivel de contraste de la pantalla LCD. 4. Mida con el multmetro el voltaje en la salida del potencimetro P2, el cual representa el voltaje

analgico Vin que se desea convertir a digital. 5. Vare el potencimetro P2 para cambiar el valor de la conversin y completar la tabla 3.1. Para cualquier

valor de temperatura superior a 30C, el ventilador deber accionarse. Para valores de 30C o menores, el ventilador deber permanecer apagado.



Figura 3.5

Figura 3.6 Ejemplo de visualizacin en pantalla LCD.

Valor de conversin requerido en decimal

ADC

Vin (V) necesario

1

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Tabla 3.1



6. Sustituya el potencimetro P2 por el circuito de la figura 3.7, el cual proporcionar una seal de voltaje directamente proporcional a la temperatura medida por el sensor LM35D con una ganancia Av = 5. Con esta modificacin se obtiene un circuito que funciona como un termmetro digital.

Figura 3.7

7. Sin tocar el sensor de temperatura, registre en la primera posicin de la tabla 3.2 los datos mostrados

en la pantalla LCD, estos valores corresponden a la temperatura ambiente. 8. Utilizando el termmetro digital, tome 5 mediciones ms de temperatura de diferentes objetos y

regstrelas en la tabla 3.2, donde se muestren todos los datos obtenidos.

Objeto Valor de conversin Vin (V) Temperatura (C)

Temperatura Ambiente

Tabla 3.2

9. Modifique el cdigo mostrado en la figura 3.4 para que el sistema sea capaz de mostrar el dato de

temperatura en una de las distintas escalas, de las cuales se realiz una investigacin en las actividades previas. La escala mostrada deber cambiar cada vez que se presione el botn selector que se aprecia en la figura 3.8.



Figura 3.8 10. Utilizando los mismos 5 objetos del punto 7 del desarrollo, registre las mediciones de temperatura para

cada una de las escalas de temperatura que acaba de programar y mustrelas en la tabla 3.3.

Objeto Celsius (C) Fahrenheit (F) Kelvin (K) Rankine (R) Raumur (Re)

Tabla 3.3

Cuestionario 1. Usando los valores de voltaje Vin y el cdigo generado de la tabla 3.1, dibuje la curva de cuantizacin

real (Q). Considere que no tiene los 1024 valores y por lo tanto solo se puede hacer una interpolacin de valores.

2. Determine el rango de cuantizacin terico considerando que la amplitud mxima de la seal de entrada es de 5V. Compruebe los valores digitales de la tabla 3.1 calculando el cociente entre el Vin y q.

3. Explique el principio de funcionamiento del actuador electrnico (transistor Q1) necesario para activar al motor de corriente directa conectado en la terminal RA5 del PIC.

4. Compruebe que las mediciones realizadas en las diferentes escalas de la tabla 3.3 concuerdan con los valores tericos.



Tema 4. Diseo de sistemas de control digital a partir de funciones de transferencia discretas Objetivos

El alumno comprobar el funcionamiento de un convertidor digital analgico integrado que emplea el mtodo de conversin de red de escalera R-2R.

El alumno emplear el convertidor digital analgico MC1408 para generar seales analgicas a partir de circuitos digitales.

Introduccin Un convertidor digital analgico (CDA) es un dispositivo que transforma un dato binario de "n" bits en un voltaje analgico Vs(t), el cual es directamente proporcional a la entrada digital, la salida generalmente se obtiene a travs de una corriente que puede ser transformada posteriormente a voltaje. El voltaje analgico obtenido en la salida tiene la caracterstica de no ser continuo en amplitud pues su variacin se realiza en escalones discretos de voltaje debido a que la entrada digital solo tiene un nmero finito de combinaciones para n bits con lo cual se tendrn a la salida 2n posibles valores analgicos de voltaje. Para realizar los procesos de conversin digital analgico se emplean una serie de mtodos que generalmente incluyen amplificadores operacionales para sumar voltajes o corrientes proporcionales a cada uno de los bits que conforman al nmero binario de entrada, es por eso que a estos mtodos se les denomina de corrientes o voltajes ponderados. Estos dispositivos CDA se emplean para interconectar a los sistemas digitales con los procesos reales que requieren seales analgicas para su funcionamiento. El convertidor digital analgico integrado que se emplear en esta prctica es el MC1408 que tiene un largo de palabra de 8 bits y emplea el mtodo de conversin de red de escalera R-2R con salida de corriente.

Figura 4.1

Vref

Vs(t)

2R 2R 2R 2R 2R

R

Rf

R R 2R

OPAMP+

-

OUT

D3 D2 D1 D0


Prctica 4 Convertidor Digital Analgico Integrado



En la prctica se utilizar un circuito contador binario natural de 8 bits que proporcionar la entrada digital al convertidor y este generar una seal rampa negativa que se invertir a travs de un amplificador operacional convertidor de corriente a voltaje. Material 1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analgico. 1 C.I. 74LS393. 1 C.I. LM741.



1 Potencimetro de 50 K. 1 Capacitor de 1 nF. Equipo 1 Fuente bipolar. 1 Generador de funciones 1 Multmetro 1 Osciloscopio. Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. Realice la simulacin del circuito de la figura 4.2 en el programa Proteus y obtenga la seal diente de

sierra positiva generada en la salida del convertidor. Al realizar esta simulacin debe sustituir el circuito MC1408 por el DAC0800, el cual tiene el mismo funcionamiento y la misma distribucin de terminales.

3. Realice la simulacin del circuito modificado para obtener la salida de escalera mostrada en la figura 4.4.

Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 4.2. 2. La seal de reloj (terminal 13 del contador), es una seal cuadrada de 10KHz, 5Vpp de amplitud y no

debe tener parte negativa. Esto se puede lograr obteniendo dicha seal de la salida del generador de pulsos TTL o de la salida normal del generador de funciones pero agregndole un offset de 2.5V, para que siempre este sobre el nivel de tierra.

3. Pruebe el funcionamiento del circuito verificando:

Funcionamiento del contador binario considerando que el bit del pin 12 es el menos significativo.

La generacin de la seal diente de sierra positiva en la terminal 6 del Amplificador Operacional.



Figura 4.2

4. Ajuste el potencimetro P1 hasta tener una amplitud de 4 V de voltaje pico, en la seal diente de sierra,

como se muestra en la figura 4.3, si no se logra alcanzar el nivel de voltaje indicado, sustituya la resistencia de realimentacin del operacional para lograr obtener dicho valor.

Figura 4.3 Seal Diente de Sierra positiva

5. Modifique el circuito de la figura 4.2 eliminando las conexiones de las terminales B8 a B4 del

convertidor de tal forma que se genere una seal de 100 Hz y con un voltaje pico de 4 V como la mostrada en la figura 4.4.

Figura 4.4 Seal Escalera

6. Explique el efecto que tuvo la eliminacin de esas terminales en la forma de onda y en el nmero de escalones.

7. Explique por qu se dejaron conectados los bits B3, B2 y B1 para generar este tipo de seal y no otro grupo de 3 bits o bits no consecutivos.

CLK1

Q03

Q14

Q25

Q36

MR2

U1:A

74LS393

CLK13

Q011

Q110

Q29

Q38

MR12

U1:B

74LS393

B26

VREF(+)14

V-3

THRSH CTRL VLC 1

IOUT2

B15

IOUT4

B37

B48

B59

B610

B711

B812

V+13

VREF(-)15

COMP16

U2

R11k

C1

1nF50%

P150k

+5

+5

CLK

R2 4.7k

-12

3

2

6

74

U3

LM741

Vs( t )

-12

+5

MC1408

4 V

3T 2T T 4T

2T T

4 V

4T 3T



Cuestionario 1. Explique el mtodo de conversin digital analgico denominado red de escalera R-2R, mostrado en la

figura 4.1. 2. Como es el tiempo de conversin del circuito para diferentes valores de entrada digitales y justifique su

respuesta. 3. Qu rango de cuantizacin tiene el convertidor usado considerando los lmites de entrada digitales y el

voltaje de salida del circuito? Calclelo empleando la frmula de cuantizacin. 4. Mencione que modificaciones deberan hacerse en el circuito para obtener una seal como la mostrada

en la figura 4.5.

Figura 4.5 Seal Triangular



Voltaje analgico Cdigo Digital

Tema 5.3. Realimentacin de la salida Objetivos

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

Comprender el funcionamiento de las etapas que lo componen. Introduccin De entre los mtodos empleados para realizar la conversin CAD, uno de los ms comunes es el mtodo de rampa digital, el cual emplea un convertidor CDA que transforma el cdigo binario de salida de un contador en una rampa discreta que es realimentada hacia la entrada del circuito y comparada contra el voltaje analgico de entrada que se desea convertir.

Figura 5.1 El circuito consta de un contador binario ascendente que genera una cuenta binaria con 2n combinaciones para "n" bits de conversin, en la realimentacin se cuenta con un CDA que convierte la cuenta binaria en una rampa discreta, la cual ser invertida y amplificada para acondicionarla al nivel adecuado y de acuerdo al rango mximo del voltaje de entrada que se va a convertir. A travs de un comparador se determina el instante en que la rampa discreta alcanza al nivel del voltaje de entrada analgico y produce un pulso bajo en su salida que inhibe a la compuerta lgica NAND evitando que la seal de reloj llegue al circuito de conteo y por lo tanto, el contador digital se detiene. El nmero digital presente en los leds de salida, representa el nmero de pulsos necesarios para que la rampa digital alcance el voltaje analgico de entrada y por lo tanto la conversin digital de dicho voltaje. Es importante hacer notar que una vez que se detiene el contador por la inhibicin del reloj, el contador deber inicializarse para poder realizar otra conversin, puesto que la rampa deber comenzar nuevamente desde cero.


Prctica 5 Convertidor Analgico Digital con Realimentacin

Contador Binario de n bits

Convertidor Digital Analgico de n bits

Generador de Rampa Discreta

Comparador de Nivel Sistema de Control de Paro del Contador



Material 1 C.I. LM339 Comparador de Voltaje 1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analgico 1 C.I. LM741 Amplificador Operacional 1 C.I. 74LS393 Contador Binario 1 C.I. 74LS00 Compuerta NAND



1 Resistencia de 4.7K a W.

2 Potencimetros de 50 K. 1 Capacitor de 1 nF. 1 Push Button normalmente abierto 1 Barra de 8 o 10 Leds. Equipo 1 Fuente de voltaje bipolar. 1 Generador de funciones. 1 Multmetro 1 Osciloscopio. Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. Realice la simulacin del circuito de la figura 5.2 en el programa Proteus de acuerdo al procedimiento

experimental y entregue los resultados a su profesor de laboratorio. 3. Para realizar la simulacin debe omitirse la resistencia R4 de la barra de leds. Procedimiento Experimental 1. Implemente el circuito de la figura 5.2. 2. Pruebe el funcionamiento del circuito por partes comenzando a partir de la compuerta NAND. 3. Para realizar estas pruebas elimine la conexin entre el comparador y la terminal 2 de la NAND, conecte

la terminal 2 de la NAND a 5 V, y posteriormente compruebe:

La operacin de la NAND como inversor.

La operacin correcta del contador en forma ascendente.

La generacin de la seal rampa discreta en la salida del LM741, ajustando el potencimetro P2 hasta obtener una seal rampa sin deformaciones con una amplitud de 10 V.

La operacin del comparador para diferentes niveles de entrada en Ve (potencimetro P1), considerando un rango de 0 a 10 V.

Finalmente reconecte la terminal 2 de la NAND a la salida del comparador. 4. Pruebe el funcionamiento total del circuito. 5. Genere la tabla y la curva de cuantizacin indicando el valor del voltaje de entrada analgico (Ve), el

cdigo binario generado por el circuito y el cdigo terico. Obtenga 16 mediciones distribuidas en todo el rango de voltaje de entrada.

6. Despus de tomar cada lectura borre la informacin de salida presionando el botn. 7. Comente acerca de los errores que presenta el circuito en cuanto a linealidad, exactitud y errores del

proceso de conversin.



Figura 5.2 Cuestionario 1. Cul es el rango de cuantizacin y el error mximo que puede presentarse en este circuito. 2. Explique de que depende el tiempo que le toma al circuito realizar la conversin. 3. Calcule el tiempo mnimo y el tiempo mximo que empleara el sistema de la figura 5.2 para realizar la

conversin. 4. Indique 2 formas con las cuales se puede reducir el tiempo promedio de conversin del circuito. 5. Que sucedera si el voltaje de entrada fuera mayor que el voltaje mximo alcanzado por la rampa

discreta.



Tema 6.4. Ejemplos de aplicacin Objetivos

El alumno implementar un dispositivo de deteccin y conteo haciendo uso de dispositivos emisores y receptores de luz infrarroja.

El alumno utilizar dispositivos opto electrnicos que son empleados en sistemas de control para deteccin o aislamiento.

Introduccin

Los fototransistores al igual que los diodos de emisin infrarroja (IR) son dispositivos de estado slido que operan mediante un haz de flujo radiante, donde el diodo IR al ser polarizado directamente radia energa en forma de fotones en una frecuencia dependiente del material utilizado en la fabricacin del dispositivo, para el caso de la prctica, en el rango de las frecuencias de la luz infrarroja. El fototransistor que sirve de receptor, est formado por una unin p-n colector- base, que es fotosensitiva en el rango de las frecuencias de la luz infrarroja y a travs de la cual genera una corriente proporcional a la incidencia de luz. Algunas reas de aplicacin de los diodos infrarrojos y los fototransistores incluyen lectura de tarjetas, controles de iluminacin, indicadores de nivel, aislamiento ptico, sensores de velocidad, telemetra, etc. Material 1 Led IR333C. Diodo emisor de luz infrarroja 1 PT331C Fototransistor infrarrojo 1 C.I. 74LS08 Compuerta lgica AND 1 C.I. 74LS14 Inversor Schimth Trigger 1 C.I. 74LS32 Compuerta lgica OR 2 C.I. 74LS48 Decodificador BCD 7 segmentos 1 C.I. 74LS393 Contador digital de 8 bits 2 Display de 7 segmentos de ctodo comn

2 Resistencias de 100 a W

1 Resistencia de 330 a W

1 Resistencia de 1 K a W

1 Resistencia de 10 K a W 1 Switch Push Button normalmente abierto Nota: Si se dispone de displays de 7 segmentos de nodo comn, entonces se pueden sustituir los C.I 74LS48

por C.I. 74LS47


Prctica 6 Contador Infrarrojo



Equipo 1 Fuente de voltaje 1 Generador de funciones 1 Multmetro 1 Osciloscopio Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. Realice la simulacin del circuito de la figura 6.8 en el programa Proteus de acuerdo al procedimiento

experimental y entregue los resultados a su profesor de laboratorio. 3. Para simular el diodo IR y el fototransistor puede utilizar el elemento llamado "Optocoupler" del

simulador y un interruptor para simular la obstruccin del rayo de luz hacia el fototransistor como se muestra en la figura 6.1.

Figura 6.1

Procedimiento Experimental 1. Arme el circuito mostrado en la figura 6.2 alimentndolo con un voltaje de 5V. 2. Compruebe que las conexiones de cada display son correctas basndose en el diagrama de la figura 6.3. 3. Con una seal de reloj de 5Hz compruebe el funcionamiento correcto del circuito de conteo en ambos

display y genere una seal de reset en cualquier instante del conteo.

Figura 6.2 4. Implemente el circuito de la figura 6.4 guindose con los diagramas de la figura 6.5. 5. Asegrese que la orientacin del led IR est en lnea directa con el fototransistor y que no exista ningn

elemento que pudiera obstruir el haz de luz infrarroja como se muestra en la figura 6.6.



Figura 6.3 Display de 7 segmentos ctodo comn

Figura 6.4

Transistor Infrarrojo PT331C LED Infrarrojo IR333C

Figura 6.5

Figura 6.6

6. Conecte la salida del circuito de deteccin de luz infrarroja a la terminal 1 del 74LS393 desconectando previamente la seal de reloj como se muestra en la figura 6.7.

7. Interrumpa el haz infrarrojo y observe en el osciloscopio, con una escala de tiempo por divisin entre 200 y 500 ms, la seal de salida del fototransistor. Tambin observe el comportamiento del circuito contador. Anote sus comentarios.



Figura 6.7

8. Inserte la compuerta 74LS14 entre la salida del detector infrarrojo y la entrada 1 del contador 74LS393

para tener el circuito de la figura 6.8.

Figura 6.8

9. Conecte uno de los canales del osciloscopio en el colector del fototransistor y el otro canal a la salida de

la compuerta (pin 2). 10. Observe las seales en los dos canales del osciloscopio y comprelas. No olvide anotar sus comentarios

de lo observado en el osciloscopio y del comportamiento del display. Cuestionario 1. En base a sus observaciones de la prctica, explique cul es la funcin del C.I. Schmitt Trigger y si es

posible omitirlo del diseo. 2. Describa el funcionamiento del fototransistor y las regiones de operacin en las que se encuentra al

cambiar de estado. 3. Explique en forma detallada el funcionamiento del circuito y sugiera alguna aplicacin prctica de este. 4. Explique los conceptos de ngulo de dispersin (lbulo de emisin) y longitud de onda de un led IR. 5. Investigue en la hoja tcnica los valores del ngulo de dispersin y la longitud de onda del led IR de la

prctica. Incluya la grficas de distribucin espectral.



Tema 6.3. Sensores, actuadores y dispositivos auxiliares Objetivos

El alumno implementar un control de velocidad para un motor de CD por medio de un modulador por ancho de pulsos, PWM.

El alumno comprobar la variacin del voltaje medio y la corriente media de una seal PWM. Introduccin En el diseo de los sistemas de control digital convergen muchas de las disciplinas del rea electrnica puesto que se requiere el empleo de los sensores, los actuadores y otros dispositivos que permitan llevar a la prctica tanto los algoritmos de control como las interfaces de potencia. Uno de los dispositivos que con mayor frecuencia se utiliza en los sistemas de control es el motor de CD , el cual se emplea para realizar control de posicin o de velocidad. La forma tradicional de control de velocidad para motores de CD era la variacin del nivel de alimentacin de voltaje como se muestra en la figura 7.1, pero se tiene la desventaja de que a niveles de voltaje pequeos, se reduce significativamente el torque del motor, adems siempre se presenta una zona muerta debido a la inercia del rotor, entre ms grande es el motor, ms grande es la zona muerta.

Figura 7.1 Otro punto importante es que si queremos controlar el motor a travs de sistemas digitales, la variacin directa de voltaje tiene algunos problemas de implementacin ya que se tendra que proporcionar a travs de convertidores CDA y etapas de potencia. Para controlar la velocidad de estos motores a travs de sistemas de control digital se empleaba el mtodo de control directo por nivel de alimentacin de CD, en este mtodo se emplea una seal de solo 2 niveles que activa e inactiva el motor, tal como se muestra en la figura 7.2. Proporcionando un control de velocidad limitado ya que el motor solo puede girar a una sola velocidad y su control solo poda lograrse con controladores ON OFF que se activaban por un tiempo predeterminado.


Prctica 7 Control de Velocidad de Motor de CD por Modulacin PWM

Voltaje

Velocidad

Voltaje

Torque



Figura 7.2 Seal de 2 niveles discretos

En forma ms reciente se emplea la modulacin por ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation) la cual utiliza el mismo tipo de seal pero el ancho de activacin es variable, lo cual produce una variacin en el voltaje medio aplicado al motor de CD y por lo tanto funciona como una variacin en el nivel de CD de la seal como se muestra en la figura 7.3.

Figura 7.3 Seal de 2 niveles discretos con PWM Material 1 C.I. LM358 1 C.I. LM339 1 C.I. LM741 1 Transistor TIP31 1 Diodo rectificador 1N4001 2 Diodos Zener 1N4731 2 Potencimetros de 20k 2 Resistencias de 10k a watt 3 Resistencias de 1k a watt 1 Resistencia de 47 a watt 2 Capacitores de 0.1F 1 Motor de CD de 12V Equipo 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Osciloscopio 1 Multmetro Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. El alumno realizar la simulacin del circuito empleando el software de Proteus y deber entregar los

resultados a su profesor. 3. Investigar las ecuaciones de funcionamiento de un oscilador de onda cuadrada como el mostrado en la

parte izquierda del circuito de la figura 7.4.

V C.D.



Procedimiento Experimental 1. Arme el circuito que se muestra en la figura 7.4 teniendo cuidado de polarizar correctamente los

circuitos.

Figura 7.4

2. Utilizando el canal A del osciloscopio en acoplo de CD, mida el voltaje Vs1 y compruebe el

funcionamiento apropiado del circuito oscilador. 3. Usando el canal B del osciloscopio, tambin en acoplo de CD, observe la seal de salida Vs2 y comprela

con la seal del circuito oscilador. Dibuje ambas seales en una sola grfica, acotando sus niveles de voltaje y frecuencia. No olvide anotar sus comentarios.

4. Ajuste la frecuencia de la onda de salida Vs1 a 2kHz por medio del potencimetro P1. 5. Arme el circuito de la figura 7.5 y use como seal de entrada la salida Vs2.

Figura 7.5

6. Mida y dibuje la seal de salida Vs3, vare el nivel de voltaje de CD de entrada por medio del potencimetro P2 y observe las variaciones de la salida. Anote sus comentarios explicando el comportamiento de dicha seal.



7. Adicione la resistencia R6, el transistor Q1 y el motor de CD para obtener el circuito total que se muestra en la figura 7.6.

Figura 7.6 8. Reduzca el voltaje de entrada de CD del potencimetro P2 hasta cero y aumntelo poco a poco hasta

obtener el voltaje mnimo de arranque del motor. 9. Haciendo uso del multmetro, mida el voltaje y la corriente promedios suministrados al motor en el

momento del arranque. 10. Repita el punto anterior pero esta vez obtenga los datos de velocidad mxima de giro del motor. 11. Observando la seal Vs3 en el osciloscopio y variando el potencimetro P2 registre el comportamiento

del voltaje medio alimentado al motor de CD. 12. Explique la relacin que existe entre la variacin de la anchura de la seal PWM con el voltaje medio

alimentado al motor de CD. Cuestionario 1. Determine la funcin de transferencia del circuito integrador mostrado en la parte derecha de la figura

7.4 y calcule su frecuencia de corte. 2. En base a la frecuencia de operacin que se indica en el punto 4 del desarrollo, determine la ganancia

de voltaje del amplificador integrador utilizado. 3. Describa las caractersticas de una seal de tipo PWM y sus usos ms comunes. 4. Explique, qu funcin cumple el transistor empleado en el circuito? y mencione la manera en que

opera. 5. Qu sucedera si se retirara el diodo rectificador del circuito? Utilice una grfica donde describa este

nuevo comportamiento. 6. Que funcin realizan los 2 diodos zener colocados a la salida del oscilador.


Prctica 8 Motores de Pasos 33


Disear un sistema digital implementado con elementos discretos para controlar un motor de pasos.

Controlar la velocidad, sentido de giro y posicin angular. Introduccin El motor de pasos, figura 8.1, es un dispositivo capaz de transformar pulsos elctricos digitales en un movimiento rotacional discreto de su eje, por cada pulso insertado el motor gira un ngulo fijo, establecido por el nmero de bobinas del estator, el tipo de motor y la secuencia de alimentacin de dichas bobinas.

Figura 8.1

El ngulo de rotacin del eje, es directamente proporcional al nmero de pulsos insertados a las bobinas y la velocidad de rotacin es dependiente de la frecuencia de dichos pulsos .Los motores por pasos son simples de operar en una configuracin de lazo abierto y debido a su tamao proporcionan un excelente torque a baja velocidad . El resultado de este movimiento es un posicionamiento preciso y confiable ya que hay una relacin directa entre el nmero de pulsos insertados y el ngulo 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 accin importantes y en la actualidad podemos encontrar estos motores en unidades de disco flexible, unidades de disco duro, impresoras, en gran variedad de mquinas 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 crculo como se muestra en la figura 8.2. Cuando se energizan los electromagnetos secuencialmente, se crea un campo magntico que ocasiona una reaccin de orientacin del rotor con los polos del electroimn, lo cual hace girar al rotor en el sentido de la activacin de los campos magnticos hasta alcanzar una posicin de alineacin con el campo magntico generado, permaneciendo en la posicin de alineacin hasta que se active otro campo magntico adyacente.


Prctica 8 Motores de Pasos



Este tipo de motores tiene un ngulo de paso, el cual est determinado por el fabricante y nos indica cual va a ser el desplazamiento angular del rotor al aplicarle un pulso, los ngulos de paso ms comunes van desde 0.9 por pulso hasta 15 por pulso en los motores ms simples. En nuestro caso el motor utilizado tiene un ngulo de paso de 15 por pulso, es decir que es necesario dar 24 pulsos para tener una revolucin completa.

Figura 8.2 Material

3 Resistencias de 56 a W. 3 Diodos 1N4001 3 Transistores TIP31 1 Motor de pasos. Elementos necesarios para la implementacin del diseo. Equipo 1 Fuente de voltaje. 1 Multmetro 1 Osciloscopio. Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. El alumno disear un circuito secuencial digital que genere una secuencia como la mostrada en la

figura 8.3 considerando que la frecuencia de los pulsos debe ser variable, de modo que haga girar al motor de manera continua y con velocidad variable.

3. El circuito digital generado deber ser diseado solo con circuitos lgicos discretos tales como : compuertas, flip- flops, multiplexores, etc., no se aceptarn diseos realizados con dispositivos lgicos programables tales como: Memorias, PICs, PICAXE, Arduino, Gals, etc.

4. Simular en el software Proteus el circuito diseado y entregar los resultados a su profesor.

Rotor

Bobinas del Estator

N

S

Pulso de Alimentacin



FASE 1

FASE 2

FASE 3

Los niveles de voltaje son TTL.

t

V

Figura 8.3 Procedimiento Experimental

1. Implementar la etapa de potencia mostrada en la figura 8.4, la cual sirve para proporcionar la corriente

necesaria a las bobinas del motor de pasos a partir de las seales digitales de baja potencia. 2. Conecte las 3 salidas del circuito diseado a las 3 fases de la etapa de potencia. 3. Conecte los 3 colectores de la etapa de potencia a cada una de las 3 bobinas del motor de pasos y

conecte el cuarto cable (cable negro) al voltaje de 8V. como se muestra en la figura 8.5. 4. Pruebe el funcionamiento correcto del motor de pasos. 5. Visualice en el osciloscopio dos fases consecutivas del motor y grafique ambas seales, anotando el

valor del periodo para una frecuencia de reloj de 10 Hz del circuito secuencial. 6. Aumente la velocidad de giro hasta que el motor pierda la sincrona y anote el valor de la frecuencia de

entrada y el periodo de la seal de una de las fases donde se produce ese efecto. 7. Modifique el circuito para que el motor gire solamente una vuelta completa (24 pulsos) cuando se le

indique a travs de una seal de inicio. 8. Entregar la informacin correspondiente al diseo, implementacin, material y pruebas realizadas sobre

los circuitos diseados.

Figura 8.4



Figura 8.5 Cuestionario 1. En forma de bloque explique los elementos bsicos que debe tener un circuito de control que permita al

usuario establecer el nmero de pulsos especfico que desee hacer girar al motor, esto es, los elementos para construir un controlador de posicin angular.

2. Calcule la velocidad angular mxima del motor en funcin del periodo medido para una de las fases y el nmero de pulsos necesarios para dar una vuelta.

3. Investigar en los manuales de circuitos integrados lineales de diversos fabricantes, un circuito que realice la funcin de controlador de motor de pasos e incluir en el reporte copias de las especificaciones.

4. Investigue los diferentes tipos de motores de pasos, indicando sus caractersticas y su forma de funcionamiento.


Prctica 9 Motores de Pasos con Control Programado 37


Controlar el sentido de giro y posicin angular de un motor de pasos utilizando los modos de operacin a paso completo y medio paso.

Implementar un sistema con un motor a pasos de tipo bipolar empleando un sistema de control basado en un microcontrolador.

Introduccin Los motores a pasos son dispositivos electromecnicos que convierten una serie de impulsos elctricos en desplazamientos angulares discretos. Un ejemplo de estos motores se puede observar en la figura 9.1. Estos motores presentan la ventaja de tener alta precisin y repetitividad en cuanto al posicionamiento por lo que son ideales para la construccin de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

Figura 9.1

La caracterstica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90 hasta pequeos movimientos de tan solo 1.8, es decir, que se necesitarn 4 pasos en el primer caso (90) y 200 para el segundo caso (1.8), para completar un giro completo de 360. Para mantener la marcha del motor es necesario cambiar peridicamente la combinacin de voltajes en sus terminales, como se ilustra en la figura 9.2.

Figura 9.2


Prctica 9 Motores de Pasos con Control Programado



El ngulo de rotacin del eje, es directamente proporcional a la secuencia de pulsos insertados a las bobinas y la velocidad de rotacin es dependiente de la frecuencia de dichos pulsos. Los motores a pasos son simples de operar en una configuracin de lazo abierto y debido a su tamao proporcionan un excelente torque a baja velocidad. En combinacin con circuitos de control, adems del movimiento ilustrado en la figura 9.2, conocido como paso completo (full step), es posible lograr movimientos an ms precisos. Este otro modo de operacin se conoce como movimiento de medio paso (half step). Para lograrlo, se polarizan las bobinas de a una y de a dos intercaladamente, como se muestra en la figura 9.3. Se observa que tambin incluye los 4 pasos del modo full step. Obviamente esos son los momentos en que hay dos bobinas polarizadas, en los otros 4 pasos, solo se polariza una bobina. La ventaja de este mecanismo respecto del modo Full step es que se pueden realizar movimientos de giro ms finos.

Figura 9.3

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 accin importantes y en la actualidad podemos encontrar estos motores en unidades de discos pticos, unidades de disco duro, impresoras, en gran variedad de mquinas herramientas y son dispositivos fundamentales para proporcionar movimiento a los robots. Material 1 Microcontrolador PIC16F690 1 Controlador dual de puente completo L298N 1 Pantalla LCD de 16x2

5 Resistencias de 1 K a W

1 Potencimetro de 5 K

2 Capacitores de 0.1 F 2 Push Button normalmente abiertos 8 Diodos 1N4004 1 Motor bipolar de pasos Equipo 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Multmetro 1 Osciloscopio.



Actividades previas a la realizacin de la prctica 1. El alumno realizar la lectura de la prctica. 2. El alumno realizar la edicin y compilacin del cdigo mostrado en la figura 9.4 para programar el

microcontrolador PIC16F690. 3. Realizar la simulacin de todos los puntos del desarrollo experimental en el programa Proteus, usando

el archivo con extensin hex que obtuvo al compilar el cdigo. 4. Investigar la forma en que se pueden identificar las terminales de un motor a pasos y cul es la

clasificacin a la que pertenece. Procedimiento Experimental

1. Implementar el sistema de control para motores bipolares a pasos mostrado en la figura 9.6.

Figura 9.4



Figura 9.4 (continuacin)



Figura 9.4 (continuacin) 2. Conecte las salidas de las fases del circuito a las conexiones del motor de pasos siguiendo el orden

indicado considerando la figura 9.5.

Figura 9.5

3. Pruebe el funcionamiento correcto de los modos de operacin del motor, que son giro continuo a derecha o izquierda de acuerdo a la tabla 9.1.

L4 L2 L3 L1

Observe que las terminales de control no estn en orden consecutivo



Full/Half Izquierda Derecha Funcin

1 0 1 Giro a la izquierda paso completo

1 1 0 Giro a la derecha paso completo

X 1 1 Motor detenido

Tabla 9.1

Figura 9.6

4. Compruebe que al presionar cada uno de los Push Button se realiza una vuelta completa a la izquierda y a la derecha respectivamente.

5. Modifique el programa de control para que el motor realice las mismas funciones descritas en el punto 3 del desarrollo en modo de medio paso (HALF step), utilizando la terminal Full/Half con un valor de 0 para seleccionar la funcin de medio paso como se ve en la tabla 9.2.


Prctica 9 Motores de Pasos con Control Programado

practicas control digital 2015-2

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