Práctica 1 Conversión Analógica Digital

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1 Práctica 1 Conversión Analógica Digital Universidad de San Carlos de Guatemala, Facultad de Ingeniería, Escuela de Mecánica Eléctrica, Laboratorio de Electrónica 4, Primer Semestre 2017 OBJETIVOS Comprender el funcionamiento de un conversor analógico digital. Entender el conversor analógico digital mediante la técnica RCTIME. Mostrar un ejemplo práctico de un ADC. MARCO TEÓRICO Técnica RCTIME La figura 1 muestra el circuito RC en dos versiones y adicionalmente un resistor de 220Ω con un propósito especial conectado directamente a un pin de propósito general de algún dispositivo. En esta práctica se usará la versión (A) del circuito. Figura 2. Carga y descarga de un capacitor Cuando un dispositivo no cuenta con un ADC o todos sus ADC están ocupados, es posible utilizar una técnica llamada RCTIME por Parallax, una compañía que fabrica microcontroladores y tarjetas de desarrollo PBASIC. En efecto, la técnica consiste en utilizar un circuito RC y medir el tiempo que tarda en descargarse el capacitor (Figura 2), de esta forma es posible medir resistencia o capacitancia. Como puede observarse la constante τ = RC [s] posee unidades de tiempo, si se varía un parámetro como la resistencia, el tiempo también varía. La ecuación de descarga de un capacitor depende de la constante τ = RC por lo que la carga y descarga también es afectada. EC. 1 V cap = Ve t/rc Figura 1. Circuito RC para RCTIME El algoritmo para realizar la conversión analógica digital se describe pocos sencillos pasos. Se selecciona cualquier pin I/O de un microcontrolador. 1. Se configura el pin como salida digital y se escribe en él un nivel lógico alto 1 (5V o 3.3V). 2. Se mantiene en estado alto un periodo pequeño que se debe determinar para alcanzar la carga máxima del capacitor. 3. Se configura el pin como entrada digital (alta impedancia, no pull-up o pull-down). 4. Inmediatamente al paso anterior, se procede a contar el tiempo mientas el pin se mantenga en estado lógico alto 1. Repetir todos los pasos mantendrá una constante obtención de muestras. No obstante, en el paso 4, el pin del microcontrolador leerá 1 hasta que se alcance el umbral TTL como se muestra la Figura 3.

2 Figura 3. Niveles lógicos TTL Figura 4.. Circuito equivalente Sensor MQ-2 Una aplicación RCTIME con un sensor tipo resistivo Sensor de Gas MQ-5 La línea de Sensores MQ-X sirven para medir distintos tipos gases, no obstante existe algo de dificultad si se desea calibrar el dispositivos para mediciones más precisas. La calibración debe realizarse en presencia del gas deseado en una cantidad específica. Además hay que tomar en cuenta factores en el ambiente como la humedad puesto que puede cambiar la medición del gas cuando se calibra. Dónde R s es la resistencia del sensor MQ-2 y R L = 1KΩ. V ADC = Ec. 2 R L R L + R s V CC Despejando para R s se obtiene: Ec. 3 R s = R L ( V cc V ADC 1) = 1kΩ ( V CC V ADC 1) Figura 3. Curvas características del Sensor MQ- 2 Como la mayoría no posee un laboratorio sofisticado para aislar y concentrar los niveles de gas. Se explica un método ingenioso para poder realizar mediciones con estos sensores. Utilizando un modelo matemático de regresión potencial se estima la curva del gas del sensor utilizado con la información de su hoja de especificaciones (datasheet). Con lo anterior expuesto el objetivo es obtener una ecuación que relacione la medición del sensor con la presencia del gas en cuestión; los resultados de las mediciones serán aproximaciones, pero suficientes. Ejemplo para obtener la relación no lineal del sensor MQ-2 Para no exponer el diagrama circuital del sensor MQ, se expone un sencillo circuito equivalente que es el divisor de tensión típico. A partir de la curva característica para CO, se obtienen los siguientes puntos: Tabla I. Puntos de la curva CO Razón Rs/Ro Concentración (PPM)

3 De tal forma se procede a graficar todos puntos de la tabla anterior y los resultados se observan en la Figura 5. Figura 5. Regresión Potencial MQ-2 En una tabla tabular los resultados obtenidos. Resistencia Conteo R1 Cnt1 R2 Cnt2 A partir de los datos anteriores, obtener una ecuación que relacione el valor analógico de resistencia con el valor digitalizado del conteo. Parte 2 Con una Raspberry Pi y un sensor de gas MQ-5 y la técnica RCTIME, automatizar la tarea de medir el valor del gas LPG, gas natural o gases de carbón en unidades PPM en tiempo real, es obligatorio usar el lenguaje programación Python; guiarse con el ejemplo del sensor MQ-2. Utilizar una interfaz de línea de comandos o gráfica para mostrar los resultados. Si y = PPM y x = R s R o se realiza la sustitución y se obtiene: Ec. 4 PPM = 33,409 ( R s ) R o R o : Se define como la resistencia R s = R o a una concentración de gas 1000ppm de H 2 con humedad relativa a 33% y una temperatura de 22ºC. Para evitar complicaciones con la definición anterior se mantendrá PPM en términos de R o. Qué sucede si se sustituye Ec. 3 en Ec. 4? y Por qué razón se realizaría eso? Esta práctica consiste en: DESCRIPCIÓN Parte 1 Realizar con un microcontrolador cualquiera un conversor analógico digital utilizando la técnica RCTIME, con el circuito de la Figura 1. Tomar 15 muestras y cada muestra con un valor R diferente, mantener constante C = 4.7μF y la resistencia de 220Ω. Deben utilizar obligatoriamente leguaje C. Para esta práctica se requiere utilizar Raspberry Pi con conexión de forma remota para evitar los innecesarios mouse, teclado y pantalla externa. NOTA: El sensor de gas MQ-5, se los prestará su auxiliar del curso. Cuando estén haciendo su práctica en el Laboratorio, así como las herramientas de software para Raspberry Pi que necesitan. Como buenos ingenieros deben documentarse del sensor MQ-5, para comprender su funcionamiento. Y realizar el modelo matemático de forma adecuada. Parte 3 Realice lo que a continuación se describe: Responda: Qué tipo de sensores se pueden utilizar con la técnica RCTIME? Cuál es el tiempo mínimo necesario que se debe mantener un pin I/O en estado alto (paso 2)? Demuéstrelo. Muestrear, cuantizar y codificar en que parte de RCTIME están implícitas o explicitas? Cuáles son ventajas y desventajas de digitalizar señales? Escriba al menos 5. Por qué se utiliza una regresión potencial para modelar los sensores MQ-x?

4 Escriba los parámetros principales del sensor MQ- 5 según el datasheet. Explique con sus palabras como es posible realizar una conversión analógica digital mediante la técnica RCTIME. Investigue lo siguiente: Descripción y etapas del ADC. Parámetros de los circuitos ADC. Describir el proceso teórico de una conversión analógica digital. Encuentre una técnica similar al RCTIME para realizar conversiones analógicas digitales. FORMATO DE ENTREGA Entregar la hoja de calificación que se encuentra al final del documento y todo lo que se le solicita engrapado. Investigaciones a mano. Entregar el circuito en Protoboard, se puede adelantar fuera del Laboratorio.

5 UNIVERSIDAD SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA MECANICA ELECTRICA LABORATORIO DE ELECTRONICA ELECTRONICA 4 PRIMER SEMESTRE 2017 #GRUPO: DÍA: HORA: Práctica 1: Hoja de Calificación Nombres Completos Carnet Asistencia Para uso exclusivo del Auxiliar HORA QUE ENTREGÓ Nombre de auxiliar que recibe la práctica, firma y sello. USO EXCLUSIVO AUXILIAR DEL CURSO Desarmó el circuito frente al auxiliar Nota Estudiante 1 /100 Nota Estudiante 2 /100 Nota Estudiante 3 /100