Trabajo práctico 5: Amplificadores operacionales.

Objetivos:
Conocer el uso del Amplificador Operacional realimentado.
Conocer las tres de sus configuraciones básicas.
Evaluar sus características.
Informar adecuadamente la actividad desarrollada en este trabajo práctico.


Un amplificador operacional es un amplificador diferencial integrado, estos pueden ser utilizados a lazo abierto o lazo cerrado. Cuando empleamos un operacional a lazo cerrado (como indica el punto 1 del trabajo práctico) nos damos cuenta que la ganancia es resultado entre el cociente de la impedancia de realimentación (Rf) y la impedancia de entrada (Rs).

Para el punto 1 usamos un circuito integrado LM741, conectado de la siguiente forma:

Con respecto al potenciómetro atenuador, tuvimos que reemplazarlo por uno de 10KΩ, porque con el de 1KΩ el valor de V no llegaba a los valores máximos y mínimos de las mediciones (1V;-1V)

El LM741 tiene este formato:



Fotos del circuito armado en protoboard:

Para el punto 2 variamos la tensión de entrada mediante el potenciómetro del atenuador buscando los valores de Vs que vemos en la tabla de abajo; y conseguimos ciertos valores de tensión a la salida.

La tabla demuestra que el amplificador operacional es inversor, vemos como la tensión de salida esta invertida en fase con respecto a la de entrada.

Marcamos en un gráfico la tensión Vo y las zonas de amplificación lineal, de saturación y la tensión de offset.

Algunas imágenes de las mediciones:

En el punto 4 reformamos el circuito anterior para poder anular la tensión residual de offset. Para esto conectamos un potenciómetro de 10KΩ entre las patas 5 y 1 (offset null). Como en esta imagen:

Ahora, el tester marcó 0.024mV.





Ajustamos el generador de señales en 400mVpp 1KHz. Sigue invirtiendo en fase.


Capturas de la pantalla del osciloscopio:

La primera tiene la escala vertical en 100mV, y la segunda en 500mV. No quisimos utilizar diferentes escalas para las distintas señales, en la misma imagen, para que sea clara la amplificación.

Algunas otras imágenes, con el generador de señales ajustado a otras tensiones:



Cuando cambiamos el integrado por el TL081, la señal presentó una distorsión en el semiciclo negativo.



En el siguiente ejercicio aumentamos la frecuencia del generador a 1MHz, y comprobamos que la relacion R1/R2 no coincide en alta frecuencia.

Trabajo práctico 4: Monoestables

Objetivos:
Comprender el principio de funcionamiento de un temporizador.
Calcular sus parámetros.
Implementar distintos esquemas circuitales.
Observar la estabilidad de sus parámetros.
Informar adecuadamente la actividad desarrollada en este trabajo práctico.

Continuamos las prácticas correspondientes al circuito integrado 555; esta vez, en su modo de operación monoestable.
Esta conexión, a diferencia de la vista anteriormente, es no-redisparable. El capacitor está inicialmente descargado; al activar el circuito, este se carga hasta llegar a 2/3 de la tensión de entrada, y vuelve al estado inicial.
De esta manera, la carga solo recibe corriente cuando el capacitor se esta cargando. En este caso, la carga es un LED, el cual se mantendrá prendido durante un tiempo igual al tiempo de carga del capacitor.

El punto 1 nos pide que calculemos un temporizador de 5 segundos. Calculamos Ra para un capacitor de 1000µF de la siguiente forma:



Y armamos:


Comprobamos el correcto funcionamiento, el LED se mantiene prendido 5 segundos después de activado el pulsador.

También diseñamos el circuito del punto 3:


Y armamos la simulación en Proteus:


El circuito funciona correctamente. El led y el buzzer se prenden intermitentemente durante únicamente 5 segundos. Lo logramos mediante la conexión de un astable a la salida de un monoestable. Con el astable conseguimos la intermitencia, mientras que con el monoestable hacemos que esa intermitencia dure un tiempo determinado y se detenga; en este caso, 5 segundos.

Aquí hay una captura del circuito simulado en funcionamiento:

Trabajo práctico 3: Astables

Objetivos:

- Comprender el principio de funcionamiento de un generador de señal digital.

- Calcular sus parámetros.

- Implementar distintos esquemas circuitales.

- Observar la estabilidad de sus parámetros.

- Informar adecuadamente la actividad desarrollada en este trabajo práctico.

Para esta práctica utilizamos un circuito integrado 555. Este incorpora dentro de sí dos comparadores de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, divisor de voltaje resistor y un transistor de descarga.

El circuito que utilizamos para probar su funcionamiento fue el siguiente:

Para entenderlo, primero hay que conocer la función de cada terminal:

- Pin #1: Tierra o terminal común

- Pin #2: Disparo (Trigger). Aplicando un voltaje menor que 1/3 Vcc el comparador cambia de estado, hace set al flip flop y este a su vez hace que el voltaje de sea alto. Cuando el voltaje de salida esta alto el transistor de descarga esta O

- Pin #3: Salida

- Pin #4: Preset. Aplicando un voltaje bajo se consigue interrumpir el intervalo temporizador (timing cycle).

- Pin #5: Voltaje de control. El voltaje conectado a este terminal varia los valores de referencia, 2/3 Vcc y 1/3 Vcc, de los comparadores del circuito.

- Pin #6: Umbral (Theshold). Cuando se le aplica un voltaje mayor que 2/3 Vcc se hace reset del flip flop haciendo asi el voltaje de salida bajo. Cuando el Vo de salida esta bajo el transistor de descarga esta ON.

- Pin #7: Transistor de descarga. Cuando se activa esta transistor hay un paso de baja resistencia entre las patas 7 y 1.

- Pin #8: Vcc. Entrada de alimentación de todo el circuito integrado.

Para montar el circuito primero debimos calcular las resistencias Ra y Rb, y el capacitor C para un ciclo de trabajo de 40% de una frecuencia de 1KHz. Para ello utilizamos las siguientes ecuaciones:

Y procedimos de esta forma:

Todavía (13/5) no pudimos verificar el correcto funcionamiento del circuito con esos valores; habíamos comprado componentes de otros valores, basados en cálculos para un capacitor de 1 µF. El circuito con esos componentes no funcionó e hicimos los cálculos anteriores. Resta volver a montarlo con los nuevos componentes.

EDICIÓN 19/5:

Compramos las resistencias requeridas. Mañana, jueves, volvemos a montar el circuito.

EDICIÓN 27/5:

Montamos el nuevo circuito, funcionó correctamente; veamos algunas imágenes.

Esta es la señal que entrega el integrado, si colocamos el osciloscopio como carga:

En esta imagen se puede apreciar la forma de onda (cuadrada), que demuestra el correcto funcionamiento del circuito. El tiempo de duración del ciclo alto y del ciclo bajo esta dado por el tiempo de carga y descarga del capacitor. Estas duraciones son diferentes debido a que el capacitor se carga mediante dos resistencias, y se descarga por una sola.
También podemos ver, en la esquina superior derecha, que la frecuencia de oscilación no es de 1kHz. Corregimos este error variando las resistencias por otras de valores más bajos, el resultado fue el siguiente:


Logramos acercarnos un poco más al valor deseado. Con este nuevo circuito, medimos el ciclo de trabajo:


También podemos ver un pequeño error aquí, el ciclo de trabajo debería ser de 40%, y el osciloscopio mide 33.6%.

Recalculamos los valores para las frecuencias pedidas en el punto 7:



Para realizar el punto 8, debimos cambiar el capacitor, y así reducir el valor de las resistencias:


La frecuencia de salida, ahora es la siguiente:


Notamos que la frecuencia oscilaba; esto se debe a que el integrado genera picos de corriente, y el osciloscopio estaba logrando medirlos. Para disminuir esa variación de frecuencia, colocamos un capacitor en paralelo con la alimentación del circuito.

Capturas del circuito en todas sus etapas:

Trabajo práctico 2: Instrumentos

Este trabajo nos brindó práctica y conocimiento sobre el manejo de instrumentos tales como: la fuente de alimentación, el osciloscopio y el generador de señales.
Ya estábamos familiarizados con el uso de estos elementos; sin embargo, nunca utilizamos un osciloscopio de tipo digital. Por lo tanto aprendimos algunas cosas nuevas al respecto, e inclusive descubrimos funciones de las cuales en analógico carecía.
Aquí tienen una foto del osciloscopio digital junto con el generador de señales.


Empezamos probando los diferentes modos de conexión de la fuente (serie, serie simétrico y paralelo)

Aprendimos a setear el osciloscopio en su configuración original y a recalibrarlo mediante el botón AUTOSET, el cual "centra" o "focaliza" la señal, para su posterior calibración exacta o buscada.

Al conectar una resistencia de 4,7 Ohms/1 W a la fuente simétrica, comprobamos que su tensión de corte era de 2,5 V.

Con respecto al generador de señales, recordamos como definir el tipo de señal, la frecuencia y la amplitud (la cual hay que verificar con osciloscopio). Ajustamos una señal senoidal de 1kHz - 1Vpp; y luego otra triangular de 545Hz. Acá podemos ver unas imágenes.



Hicimos algunas mediciones de ciclo. Probando, también aprendimos a usar los cursores, los cuales no son necesarios en este caso, pero aprovechamos para utilizarlos.


En esta segunda foto tenemos los datos de período y ciclo desde el panel MEASURE.


También probamos cambiar el flanco a descendente. Esto permite seleccionar si la señal crece o decrece desde el punto marcado con el cursor del trigger (este es el triángulo horizontal de la derecha). Al aplicar esta función, la señal se presentó de la siguiente forma:


Movimos el cursor del trigger y notamos que al llevarlo más allá de los valores pico, la señal pierde la sincronización.

Trabajo práctico 1: Herramientas de diseño

Objetivos:
Utilizar una herramienta de diseño asistido para la confección de placas de circuito impreso (PCB).
Construir y armar una placa de circuito impreso que reúna ciertos requisitos.
Verificar mediante mediciones el funcionamiento de la placa.
Informar adecuadamente la actividad desarrollada en este trabajo práctico.


La herramienta que utilizamos fue el Protel 99 SE. Este es un software muy completo, que en este caso nos sirvió para dibujar un circuito esquemático y uno en PCB.

Estas son algunas imágenes de como fuimos avanzando en el proyecto. Se pueden apreciar correcciones de algunos errores, y mejoras en el circuito PCB.

Primero una imagen del circuito esquemático:

El dibujo esquemático no es solamente una herramienta visual, también es el medio por el cual el usuario programa, o define, la NetList. Esta es una forma escrita de ver el circuito, que también genera las rasts nets entre componentes cuando se trabaja en el PCB. Las rasts nets son lineas guia muy útiles a la hora de trackear.

Una vez terminado el esquemático, se debe hacer un procedimiento de búsqueda de errores llamado Electrical Rule Check (ERC). El cual es escencial antes de crear la NetList; de lo contrario, si el esquemático presenta errores, estos también aparecerán en la NetList, para luego arrastrarse al circuito PCB.

Con esta parte del trabajo práctico no tuvimos muchas complicaciones, y nos sirvió para empezar a manejarnos en el ambiente del programa. Lo más nuevo para nosotros fue el uso del BUS, el BUS ENTRY, y los NETLABELS, los cuales nos facilitaron la visualización del circuito.

Ahora una primer toma del circuito PCB:

Recién terminada la acomodación de componentes (para la cual nos fuimos guiando con la foto del circuito terminado del pdf), y con los primeros tracks. Todavía no escondíamos los strings.

En esta parte del proyecto aprendimos a manejarnos dentro de los distintos sectores de trabajo que presenta el programa. Estas son, primero, los layers o capas; nosotros utilizamos dos: el TopLayer, para colocar los componentes; y el BottomLayer, para realizar el trackeo o trazado de pistas. A estos les sigue el Mechanical1, donde colocamos las cotas (que se verán en la siguiente imagen). Luego viene el KeepOutLayer, aquí limitamos la plaqueta. Y para terminar, el MultiLayer, donde colocamos los agujeros pasantes.

Un avance:

Ya con el trackeo casi terminado, cotas, strings hide, y redimensionada la plaqueta a tamaños convencionales.

Con respecto al trazado de pistas, intentamos usar el sistema de auto route del Protel, pero no nos fue útil, debido a que nos brindaba un resultado con necesidad de muchos puentes (siempre mas de 30).

Esta herramienta se maneja con condiciones y reglas, a las cuales se puede acceder desde la pestaña "Design". Se puede ser muy preciso si uno sabe manejarlas.

También se pueden crear reglas para el trackeo manual. Por ejemplo, se puede especificar que los tracks de GND y VDD se creen automaticamente de 40 mils. Nosotros lo hicimos manualmente.

Primer gran cambio:

Disconformes con la cantidad de puentes, reacomodamos algunos componentes y volvimos a trackear.

Foto del circuito PCB terminado:


Listado de componentes a utilizar:


La hoja de datos del microcontrolador es la siguiente:

PIC16F84A

Nos contactamos con tres empresas que hacen circuitos impresos: DAI ICHI, MAYER y SEI. Preguntamos por un presupuesto para 25 unidades, sin detalles, aguardamos sus respuestas.

Links útiles:
MAYER: http://www.mayerpcb.com.ar/ mayer@pcb.com.ar
SEI: http://www.seicircuits.com.ar/ info@seicircuits.com
DAI ICHI: http://www.dai-ichi.com.ar/ ventas@dai-ichi.com.ar

Recibimos respuestas de MAYER y de DAI ICHI.
MAYER nos envió un archivo .doc con la siguiente información:


El documento completo se puede descargar de acá:
Cotización MAYER
(megaupload)

Tiene unas notas interesantes, se dieron cuenta que somos inexpertos y nos hicieron algunas correcciones. También establece condiciones de pago, aclara el valor del dólar a la hora de la cotización, y demás.

De DAI ICHI recibimos un pdf con un presupuesto de acuerdo a la siguiente ficha técnica:


También subimos el archivo completo acá:
Cotización DAI ICHI
(megaupload)

Como en el anterior, este hace aclaraciones sobre el precio (valor tomado del dólar, IVA, etc.), la forma de pago y el plazo de entrega.

EDICIÓN 26/5:
Hoy es la fecha de entrega de la plaqueta terminada, lamentablemente no llegamos a finalizarla. Tuvimos problemas al hacer las perforaciones y perdimos lo realizado.
También tuvimos problemas relacionados con la impresión, no pudimos hacerlo en nuestras casas y tuvimos que enviarlo a una imprenta.
Hoy vamos a volver a imprimir, planchar, y mandar al ácido. Esperamos mañana poder volver a agujerear y eliminar los bordes excedentes de la plaqueta.

EDICION 08/6

La plaqueta estaba finalizada hace 5 dias, nos surgio un problema con un componente. Se solucionara mañana en el laboratorio. Sin considerar esto la plaqueta esta terminada.

Fotos varias:






Un video de la plaqueta en funcionamiento, con un programa de prueba: