Laboratorio de Electrónica II Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática. Guía de Prácticas

Transcripción

1 Guía de Prácticas

2 Práctica 0 Introducción al Manejo de una Herramienta de Simulación Electrónica Objetivo El objetivo de la presente práctica es la familiarización del alumno con el entorno de simulación que se va a utilizar durante las prácticas, Pspice 8.0 de Microsim. A lo largo de la práctica el alumno obtendrá la destreza para manejar el entorno de trabajo y realizará un ejemplo sencillo de su utilización. La práctica consiste en leer detenidamente el manual de Pspice para Windows y realizar los ejemplos que en él se proponen. Práctica Opcional Si el alumno dispone de tiempo suficiente en la primera sesión de prácticas (cada sesión dura 2 horas) implementará en el entrenador el circuito 2 del manual de Pspice para Windows y analizará el transitorio con ayuda del osciloscopio.

3 Práctica 1 El Amplificador Operacional Objetivo El objetivo de la presente práctica es aplicar los conceptos básicos sobre amplificadores operacionales que se ha estudiado en clase de teoría. A lo largo de la práctica el alumno obtendrá las características de transferencia de un amplificador operacional tanto mediante simulación como con el montaje del circuito en el entrenador. 1.- Estudio analítico de la característica de transferencia del circuito: Antes de simular y de realizar físicamente el circuito el alumno, como cualquier diseñador de circuitos electrónicos, debe realizar un análisis del circuito electrónico a implementar. El alumno debe analizar el circuito de la figura hallando analíticamente al valor de V O /V A para distintos valores de V B. Representar gráficamente la función de transferencia para V B = 0V y V B = 1V hallando los puntos en los cuales el amplificador operacional deja de comportarse de manera ideal. En todos los casos los valores de polarización del amplificador operacional son +10 y 10 voltios.

4 2.- Estudio con Pspice de la característica de transferencia de la configuración inversora: Simular la configuración inversora para V B con un valor fijo de 0V y V A variando de forma continua (realizando un DC Sweep ) hasta saturar claramente el amplificador operacional. Simular la configuración inversora para V B con un valor fijo de 1V y V A variando de forma continua (realizando un DC Sweep ) hasta saturar claramente el amplificador operacional. El modelo que define el amplificador operacional es el UA741. La patilla 2 es la entrada negativa (-); la patilla 3 es la entrada positiva (+); y la patilla 6 es la salida. La polarización se realiza por las patillas 4 y 7 a 10V y 10V respectivamente. El resto de patillas se dejan al aire. 3.- Implementación del circuito en el entrenador: Montar el circuito en configuración inversora en el entrenador. Obtener los valores de salida para distintos valores de V A fijando V B a 0V, representar estos valores gráficamente. Obtener los valores de salida para distintos valores de V A fijando V B a 1V, representar estos valores gráficamente. 4.- Comparación de los resultados experimentales: Si introducimos en un amplificador operacional (A.O.) una cierta tensión de entrada, a la salida obtendremos esa misma tensión de entrada multiplicada por la ganancia Vo=A(Vi). Por ejemplo. Si un A.O. tiene una ganancia de e introducimos una tensión de 1 voltio, se comprende fácilmente que a la salida no tendremos voltios, sino que la tensión de salida estará limitada por la tensión de alimentación, por consiguiente la máxima tensión de salida de un A.O. es la tensión de alimentación, más exactamente el 90% de dicha tensión de alimentación; cuando el A.O. está en esta situación se dice que está saturado. Compara y comenta los valores obtenidos en los puntos anteriores para ganancia, voltaje de saturación y limites de la zona lineal en los puntos anteriores.

5 Práctica 2 Filtro Pasa Baja Introducción En los sistemas de comunicaciones se emplean filtros para dejar pasar solo las frecuencias que contengan la información deseada y eliminar las restantes. Los filtros se utilizan para dejar pasar solamente las frecuencias que pudieran resultar de alguna utilidad y eliminar cualquier tipo de interferencia o ruido ajeno a ellas. Existen dos tipos de filtros: Filtros Pasivos: son aquellos tipos de filtros formados por combinaciones serie o paralelo de elementos R, L o C. Filtros activos: son aquellos que emplean dispositivos activos, por ejemplo transistores u amplificadores operacionales, junto con elementos R L C. En general se tienen los filtros de los siguientes tipos: 1. Pasa altas 2. Pasa bajas 3. Pasa bandas Para cada uno de estos filtros existen dos zonas principales, que se llaman banda de paso y la banda de atenuación. En la banda de paso, es donde las frecuencias pasan con un máximo de su valor, o hasta un valor de 70.71% con respecto a su original (la cual es la atenuación de 30 db). Los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo. La función de transferencia de un filtro paso bajo de primer orden corresponde a: Donde: la constante es una ponderación correspondiente a la ganancia del filtro, y la función de transferencia determina el comportamiento del filtro. En la función de transferencia anterior corresponde a la frecuencia de corte propia del filtro, es decir la frecuencia a partir de la cual el se empieza a atenuar la señal de entrada. De forma análoga al caso de primer orden, los filtros de pasa bajo de mayor orden también se caracterizan por su función de transferencia, por ejemplo la de un filtro paso bajo de segundo orden corresponde a: Donde: es la frecuencia natural del filtro y es el factor de amortiguamiento de este.

6 Filtro pasa bajas: Un filtro paso bajo corresponde a un filtro caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas, su funcionamiento es a base de un condensador y resistencia. Este tipo de filtro tiene la siguiente configuración: El condensador se comporta como una resistencia dependiente de la frecuencia por la relación de : Es decir, para frecuencias muy bajas el condensador al ser una resistencia muy alta, consume todo el voltaje, si se conecta la salida en paralelo al condensador se tendra el máximo de voltaje a la salida. Conforme aumentemos la frecuencia de la fuente el condensador disminuye su impedancia, con lo que el voltaje que disipa disminuye, hasta tender a cero. Este tipo de filtro tiene una grafica de respuesta en frecuencia: En cualquier frecuencia se puede determinar la salida de por medio de la regla divisora de voltaje: Expresado en magnitud y en fase: Entonces la magnitud queda expresada como:

7 A un angulo de fase : La frecuencia de corte se define como el punto de Vo=0.7071Vi Sustituyendo obtenemos que: 1.- Estudio analítico de la característica de transferencia del circuito: Antes de simular y de realizar físicamente el circuito el alumno, como cualquier diseñador de circuitos electrónicos, debe realizar un análisis del circuito electrónico a implementar. El alumno debe diseñar un filtro pasa baja con frecuencia de corte en 10 khz y ganancia 2. Para implementar el circuito el alumno puede utilizar cualquier valor de R y de C, sin embargo, en el laboratorio sólo se dispone de unos determinados valores de resistencias y condensador es, no se fabrican resistencias y condensador es de cualquier valor. Por lo que el alumno deberá seleccionar que valores de R y C de entre los disponibles utilizará. El alumno debe puede implementar un filtro de primer o de segundo orden. 2.- Estudio con Pspice de la característica de transferencia del filtro: Simular el filtro pasa baja para una frecuencia fija de 1kHz y una valor de señal de 1V (realizando un AC Sweep ) representar gráficamente tanto la señal de entrada como la señal de salida y comentar los resultados. Simular el filtro pasa baja para una frecuencia fija de 1kHz y una valor de señal de 2V, representar gráficamente tanto la señal de entrada como la señal de salida y comentar los resultados. 3.- Implementación del circuito en el entrenador: Montar el filtro pasa baja en el entrenador y obtener los valores de salida para distinta frecuencias y un valor de señal de 1V. Obtener la frecuencia de corte real del circuito en el entrenador, es decir, para qué frecuencia la salida ha perdido un 30% de su valor. 4.- Comparación de los resultados experimentales: Compara y comentar los valores obtenidos en los puntos anteriores.

8 Práctica 3 Lógica RTL Objetivo El objetivo de la presente práctica es aplicar los conceptos básicos sobre transistores a la amplificación y la electrónica digital. A lo largo de la práctica el alumno obtendrá las características de salida de un inversor RTL. 1.- Estudio analítico de la característica de transferencia del circuito: Antes de simular y de realizar físicamente el circuito el alumno debe realizar un análisis del circuito electrónico a implementar. Demostrar teóricamente que el circuito de la figura actúa como un inversor. Representar la función de transferencia y hallar analíticamente los puntos en los cuales el transistor cambia de estado. En todos los casos el 1 lógico corresponde a 10V y el 0 lógico a 0V. 2.- Estudio con Pspice de la característica del sumador: Comprobar los resultados mediante simulación con Pspice, realizando un barrido de 0 a 10V de la entrada. 3.- Implementación del circuito en el entrenador: Montar el circuito inversor en el entrenador. Obtener y representar gráficamente la función de transferencia del circuito. 4.- Comparación de los resultados experimentales: Compara y comentar los valores obtenidos en los puntos anteriores.

9 Práctica 4 Diseño de un Sumador de 2 bits Objetivo El objetivo de la presente práctica es realizar el diseño de un sistema combinacional de tipo aritmético, es decir, que procese información de tipo numérico. La primera parte de la práctica consiste en implementar un sumador binario completo, es decir un sumador de números de 1 bit que pueda recibir acarreo de entrada y pueda dar acarreo de salida. Para número decimales tenemos que tener en cuenta si nos llevamos 1 o más de la suma anterior (esto sería el acarreo de entrada) y si nuestra suma produce un 1 o más para la siguiente suma (esto sería el acarreo de salida). La única diferencia es que los números que se suman en digital son ceros o unos. La segunda parte de la práctica se implementa un sumador de números de 2 bits a partir de un sumador completo de números de un bit como indica la figura. A B Cin Sumador Completo R Cout A 0 B 0 A 1 B 1 Cin 0 Sumador Completo Cout 0 = Cin 1 Sumador Completo Cout 1 R 0 R Estudio analítico del circuito a implementar: Para implementar el circuito primero hay que realizar y simplificar la tabla de verdad del problema para poder obtener las puertas lógicas que implementan la funcionalidad. 2.- Implementación del circuito en el entrenador: Para implementar el circuito en el entrenador, cada una de las entradas será uno de los siwtches del entrenador y las salidas serán los LEDs del entrenador o en su

10 defecto un array de LEDs, Cuando un LED se ilumina significará que la salida es uno y en caso contrario que la salida es cero. Para implementar las puertas lógicas existen unos circuitos integrados (cucarachas) que poseen varias puertas lógicas en su interiro (NOT, AND, OR, NAND, XOR...) y que serán los utilizados para implementar el circuito NOTA: El profesor de laboratorio tiene que comprobar en el entrenador que la práctica funciona perfectamente. Cin 0 A 0 B 0 R 0 Cout

11 Práctica 5 Diseño de un Sistema Digital Secuencial Objetivo El objetivo de la presente práctica es realizar el diseño de un sistema secuencial utilizando biestables D disparados por flanco, dichos biestables mantienen el valor almacenados en ellos hasta la llegada del flanco de subida del reloj, en dicho momento almacenan el valor que se encuentra a la entrada del biestable. La práctica consiste en implementar un generador de secuencias de 3 bits, el cual dependiendo del valor de la entrada realizara dicha secuencia de manera ascendente o descendente. La secuencia a implementar es la siguiente: 0, 1, 2, 4, 3, 0, 1, 2,... cuando la entrada x = 0, y 0, 3, 4, 2, 1, 0, 3, 4,... cuando la entrada x= Se realizará la codificación de los estados (0, 1, 2, 3,..). Nótese que sólo hay cinco estados. 2.- Se realizará el diagrama de estados. 3.- Se codificará e implementará el diagrama de estados mediante puertas lógicas (AND, OR, XOR...) y biestables. 4. Se montará el circuito en el entrenador, la entrada x se conecta a uno de los siwtches y la salida (el estado) se conecta a los LEDs de la placa entrenadora. X Circuito Combinacional (Cálculo del siguiente estado) Siguiente Estado D Q clk Estado Actual NOTA: Preguntar al profesor de laboratorio los valores apropiados de clear y set para los biestables