Trabajo Práctico 8: Termómetro

 En esta práctica de laboratorio nos dedicaremos a hacer, por medio de un microcontrolador, un termómetro digital.
 Como todo el mundo debería saber, un termómetro es un instrumento de medición de temperatura que, si bien en un principio funcionaban gracias al efecto de la dilatación, actualmente se pueden hacer digitales (como el que se hará en esta práctica).
 Éste tipo de termómetro, posee dos tipos de escalas de temperatura (°C y °F), se puede variar su rango de medición, es decir, puede medirse entre -50°C a 50°C, o de 0°C a 99°C. El único inconveniente que posee es que debe ser calibrado por única vez la primera vez que se enciende.
Éste termómetro permite navegar entre menúes, haciendo mas fácil la configuración del mismo. Para ésto consta de 5 pulsadores, y 2 LEDs de señalización. Además de cuenta con 2 displays de 7 segmentos que permiten saber en que modo se encuentra la configuración actual.

Para realizar la programación, hay que configurar uno de los timers del programador, y hay que crear 3 timers lógicos. (El timer del micro es el que se usará de referencia para poder setear los demás timers).

timers lógicos: Como se dijo anteriormente, el termómetro cuenta con 3. A continuación se explicará brevemente la función de cada uno:

Tmed: Es el timer de medición. Define cada cuanto tiempo se realiza la medición, y por lo tanto, cada cuanto tiempo "llegan datos nuevos, para que luego se muestren en el display".

Tbuzz: Éste timer solo tiene la función de definir cuanto tiempo estará prendido el buzzer (que genera un pequeño pitido), cada vez que se aprieta un botón.

Tpoll: Posee una gran importancia ya que define en que modo de los menúes se está, además que define cuando tiene que sonar el buzzer.

Los timers también son los responsables de realizar un proceso llamado multiplexado. 
 Como éste termómetro posee 2 displays, entonces lo que se hace no es conectarlos directamente al micocontrolador, sino, para ocupar menos conexiones lo que se hace es, se conectan los dos a un solo lugar, pero se va encendiendo y apagando tan rápido los displays, que da la sensación que están los dos prendidos a la vez. (Para lograr ésto, y que el ojo no lo note, se tiene que encender y apagar los displays unas 25 veces por segundo o más).

Trabajo práctico 7: Restador

Trabajo Práctico 7

Restador

Introducción teórica:

Los amplificadores operacionales como bien se dijo en el trabajo anterior, pueden ser conectados en diferentes configuraciones y para realizar distintas operaciones matemáticas, variando la tensión salida en función de la de entrada.

Durante el desarrollo de esta práctica se armó un circuito utilizando un operacional conectado en la configuración de RESTADOR.

¿Qué hace un circuito restador?

Variará la tensión de salida en función de la diferencia de tensión entre las dos entradas, y no respecto de masa. Es un circuito de amplificador diferencial. Si bien podría amplificar o atenuar, sería absurdo utilizar un amplificador operacional para atenuar una señal. El valor de la amplificación estará dado por la relación entre 2 resistencias del circuito (se detallará más adelante).

Desarrollo de la práctica:

Simularemos tener un transductor de temperatura resistivo, o sea un sensor de temperatura o termómetro que transformará una variación de temperatura en una variación de tensión por medio de un termistor. Se plantea que este termistor produce una respuesta en tensión como la indicada en la figura:

Como podemos ver, trabajaremos con un rango de entre 30 y 40°C, es decir una variación de 10°C, y el termistor deberá transformarla en una variación de tensión de entre 1 y 3 Volts, conformando un rango de 2 Volts.

Dicha variación de temperatura será difícil de lograr en la práctica para realizar mediciones. El termistor no hace más que variar la resistencia entre sus terminales proporcionalmente con la temperatura, así que lo simularemos con un preset de 1KΩ en serie con 363Ω (eso cumplirá la misma función que un termistor para lo que lo necesitamos y el resultado será el mismo).

Vc (30ºC) = 1V

Vc (40ºC) = 3V

La función que cumplirá el circuito operacional será de amplificar esta diferencia de 2V a 5V, y llevar el valor mínimo de medición a 0V, a esto ultimo se lo suele llamar "levantar el cero". De esta forma, cuando a la entrada se mida 1V, a la salida habrá 0V, y cuando a la entrada se midan 2V, a la salida habrán 5V, adaptándose la escala.

Vo (30ºC) = 0V

V0 (40ºC) = 5V

Esta aplicación es muy utilizada en conversión analógica-digital con la finalidad de obtener la mejor resolución.

A continuación se detalla el circuito esquemático del restador a utilizar:

La tensión de salida Vo será:

                                  Rf

                        Vo = -----  (Vc – Vref)

                                  R1

(Nótese que dentro de los paréntesis, el valor que se resta es el de Vref porque es el que en el circuito está entrando al operacional por el terminal negativo).

1) Realizar los cálculos necesarios para determinar los valores de los componentes faltantes:

Partimos de la base que cuando la Rtd mida los supuestos 30°C, Vc deberá estar en 1V, y la salida deberá estar en 0V. Que la salida tenga nivel 0V significa que a la entrada no hay diferencia de potencial, ya que de ser así la amplificaría, por lo tanto deducimos que Vref será igual a 1V de modo que:

(Vc - Vref) = 0V = (1V - 1V)

Vref es una tensión de referencia, la que variará será Vc, por lo tanto cuando Vc esté en 3V (en el mayor valor de medición posible por la Rtd) la diferencia de tensión a la entrada será:

(Vc - Vref) = (3V - 1V) = 2V

Sabemos que para el mayor valor de tensión a la entrada, a la salida tendremos 5V por lo establecido anteriormente. Esto le dará más resolución al sistema. Solo resta averiguar los valores de Rf y R1 para armar el circuito. Es muy simple, sólo hay que reemplazar los datos recién obtenidos, en la fórmula de tensión de salida del restador:

                                Vo = (Rf / R1)  (Vc – Vref)

                                                                                                 

               Vo(40°C) = 5V =  (Rf / R1)  (3V – 1V) = (Rf / R1) . 2V

                                      5V / 2V = Rf / R1

                                         5 / 2 = Rf / R1

                                              

Llegamos a la conclusión que la relación entre Rf y R1 es de 5/2. Por lo tanto elegiremos los valores para estas resistencias basándonos en los valores comerciales existentes (estimando, lo más aproximado posible, probando distintas combinaciones hasta encontrar una lo suficientemente adecuada).

Por ejemplo una combinación utilizable sería:

                                               56K

                                              --------  = 2,545454 = 5/2 (aprox.)

                                               22K

2) Armar el circuito con los valores calculados:

3) Con Vc = 1V, ajustamos R3 para lograr Vo = 0V. Esta situación simula una temperatura de 30ºC.

Si ajustamos Vc = 3V, variando Rf, alcanzaremos una Vo = 5V. Esta situación simula una temperatura de 40ºC.

Para realizar las mediciones utilizamos un multímetro ya que se trata de niveles de tensión continua.

Primero calibramos el preset que representa la Rtd (termistor) para ajustar Vc = 1V

Luego ajustamos el preset R3, hasta medir que Vref = 1V

La diferencia entre estas dos tensiones debería ser de 0V

Y por lo tanto, en estas condiciones, al medir la salida deberíamos tener un valor cercano a 0V

(Hay que tener en cuenta que cualquier variación a la entrada, que produzca una diferencia de tensión, por más mínima que sea, a la salida será amplificada, por eso y por las tolerancias de los componentes es probable que la escala no esté ajustada con una precisión perfecta) En este caso a la salida medimos 0,7V en lugar de 0V exactos.

Esta situación simula una temperatura de 30°C.


A continuación un video demostrativo:

Para simular una temperatura de 40°C, variaremos Vc hasta llevarlo a 3V (por medio del preset Rtd). Cabe aclarar que según el material de la herramienta que utilicemos para ajustar el preset, si éste es metálico, inyectará ruido al circuito y las mediciones se volverán inexactas mientras éstos estén en contacto.

La tensión Vref debe permanecer en 1V ya que es de referencia. La diferencia entre Vc y Vref debería ser ahora de 2V

Y por último, si las resistencias estaban bien calculadas para una amplificación de 5/2, a la salida deberíamos medir aproximadamente 5V.

Comprobamos entonces que el circuito restador funciona correctamente.

4) Realizar una gráfica de Vo(Vc)

       Vc = 1 V       -->  Vo = 0,7 V        (30°C)

       Vc = 1,53 V  -->  Vo = 1,34 V

       Vc = 1,97 V  -->  Vo = 2,44 V

       Vc = 2,48 V  -->  Vo = 3,76 V

       Vc = 2,89 V  -->  Vo = 5,25 V     (40°C)

Materiales utilizados durante la práctica:

> 1 Circuito Integrado LM741

> 1 Protoboard

> Resistores:
    - 2 de 56K    - 2 de 22K

    - 1 de 33 Ω

    - 1 de 330 Ω

    - 1 de 120 Ω

    - 1 de 560 Ω

> 2 Presets de 1K
> 2 Capacitores de 10 uF x 25 V Electrolíticos.

> 2 Capacitores de 100 nF Cerámicos.

Hojas de datos del circuito integrado LM741:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/LM741.pdf

Trabajo práctico 6: Amplificadores Operacionales

Un amplificador operacional , es un circuito integrado que posee dos entradas y una salida. Reciben éste nombre debido a que, de a cuerdo a la forma en la que se lo conecte, pueden realizar circuitos que realizan operaciones matematicas tales como  sumadores, restadores, integradores, comparadores, Etc.
En 1965, la compañía Fairchild Semiconductor introdujo en el mercado el uA709, el primer amplificador operacional monolítico ampliamente usado. Aunque disfrutó de un gran éxito, esta primero generación de amplificadores operacionales tenía muchas desventajas. Este hecho condujo a fabricar un amplificador operacional mejorado, el uA741. Debido a que es muy barato y sencillo de usar, el uA741 ha tenido un enorme éxito. Otros diseños del 741 han aparecido a partir de entonces en el mercado. Por ejemplo, Motorola produce el MC1741, National Semiconductor el LM741 y Texas Instruments el SN72741. Todos estos amplificadores operacionales son equivalentes al uA741, ya que tienen las mismas especificaciones en sus hojas de características. Para simplificar el nombre, la mayoría de la gente ha evitado los prefijos y a este amplificador operacional de gran uso se le llama simplemente 741.

Materiales a utilizar:

1 Circuito Integrado LM741

1 Circuito Integrado TL081

Resistores varios

2 Capacitores de 100 uF x 25 V Electrolíticos.

2 Capacitores de 100 nF Cerámicos.

Actividades: 

1) armar el circuito del amplificador inversor

 

2) Ajustar el generador de señales de tal forma que entregue una tensión contínua. Usar el control de Offset para variar la tensión proporcionada. Usar el multimetro para medir las tensiones Vs y Vo del circuito. Resumir las mediciones realizadas completando la siguiente tabla:

3) Graficar la tensión de salida Vo en función de la de entrada Vs. Marcar en éste gráfico la zona de amplificación lineal , de saturación y la tensión de offset.

4) Reformar el circuito anterior con el objetivo de anular la tensión resudual de offset a la salida del amplificador. Armar el circuito y verificar que la tensión de salida pueda ser anulada.
 En éste caso, no hizo falta anular la tensión de offset, debido a que la misma era tan chica que era despreciable. Incluso el armado del circuito para anular la tensión de offset, lo aumentaba.

5) Dibujar el circuito y colocar sobre el mismo gráfico el valor medido. Explicar porque un resistor en el terminal no inversor ayuda a disminuir esa tensión y no influye en el cálculo de la ganancia de tensión del amplificador.

En caso de tener que realizar el circuito para eliminar el offset sería el siguiente

Éste circuito no afecta en nada a la amplificación del equipo, ya que la misma depende puramente de la red de realimentación, es decir, de R1 y R2.

6) Ajustar el generador para que entregue una señal senoidal Vs=50 mVpp (pico a pico) con una frecuencia de 1 KHz. Verificar que la fase de la señal de entrada es opuesta a la de salida y que la ganancia de tensión se mantiene constante a pesar de imponerle una señal senoidal de 1 KHz.

7) Reemplazar el LM741 por un TL081. Comentar si existe alguna diferencia en el funcionamiento del circuito.

Al ver las imagenes, se puede decir que la diferencia es tan poca que es despreciable. (solo 12mV en la salida).

Amplificador no inversor:

10)   Usando un amplificador operacional, diseñar un amplificador no inversor que gane en tensión 26 dB sobre una carga de 1 Kohm, en un rango de frecuencias que va desde continua hasta 1 KHz. La tensión máxima de entrada es de 1 Vpp. Explicar los criterios usados para la elección de los componentes externos.

entonces, si Av = 20 veces;

11) Armar el amplificador diseñado en el punto anterior y verificar esa ganancia. Resumir las mediciones obtenidas en un cuadro donde se lean los valores medidos con los calculados expresando las ganancias en veces y en dB.

Circuito funcionando:
 Av calculada: 20 veces                     Av real: 23,63 veces.
Av calculada: 26Db                           Av real: 27, 47Db

12) Dibujar el circuito esquemático.