INGENIERÍA BIOMÉDICA GUÍA DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DIGITAL Y MICROCONTROLADORES Elaborado por: Róbinson Alberto Torres Villa Escuela de Ingeniería de Antioquia (EIA) Universidad CES Envigado-Antioquia 2010
Tabla de contenido 1. Introducción... 3 2. Objetivos... 4 2.1 Objetivo General... 4 2.2 Objetivos específicos... 4 3 Formato de presentación del informe... 5 3.1 Informe técnico... 5 3.2 Contenido del informe... 5 3.2.1 Página de titulo... 6 3.2.2 Introducción... 6 3.2.3 Métodos de investigación... 6 3.2.4 Resultados obtenidos... 7 3.2.5 Análisis de resultados... 8 3.2.6 Solución a las preguntas... 9 4 Guía de prácticas... 10 4.1 Compuertas digitales... 10 4.1.1 Objetivo... 10 4.1.2 Preinforme... 10 4.1.3 Desarrollo... 10 4.1.4 Informe... 11 4.2 Sistema digital en FPGA... Error! Marcador no definido. 4.2.1 Objetivo... Error! Marcador no definido. 4.2.2 Preinforme... Error! Marcador no definido. 4.2.3 Desarrollo... Error! Marcador no definido. 4.2.4 Informe... Error! Marcador no definido. 4.3 Sistema digital combinacional... Error! Marcador no definido. 4.3.1 Objetivo... Error! Marcador no definido. 4.3.2 Preinforme... Error! Marcador no definido. 4.3.3 Desarrollo... Error! Marcador no definido. 4.3.4 Informe... Error! Marcador no definido. 4.4 Sistema digital secuencial... Error! Marcador no definido. 4.4.1 Objetivo... Error! Marcador no definido. 4.4.2 Preinforme... Error! Marcador no definido. 4.4.3 Desarrollo... Error! Marcador no definido. 4.4.4 Informe... Error! Marcador no definido. 4.5 Microcontroladores (programación en lenguaje ensamblador) Error! Marcador no definido. 4.5.1 Objetivo... Error! Marcador no definido. 4.5.2 Preinforme... Error! Marcador no definido. 4.5.3 Desarrollo... Error! Marcador no definido. 4.5.4 Informe... Error! Marcador no definido. 4.6 Sistema basado en microcontroladores... Error! Marcador no definido. 4.6.1 Objetivo... Error! Marcador no definido. 4.6.2 Preinforme... Error! Marcador no definido. 4.6.3 Desarrollo... Error! Marcador no definido. 4.6.4 Informe... Error! Marcador no definido.
1. Introducción El diseño de los sistemas digitales y las aplicaciones basadas en microcontroladores, son elementos fundamentales en la línea de Bioinstrumentación y procesamiento de señales del programa de Ingeniería Biomédica, de la Escuela de Ingeniería de Antioquia y la Universidad CES. De igual forma el trabajo experimental en los distintos laboratorios contribuye a la formación de competencias en el futuro ingeniero biomédico. De esta manera se presenta a continuación una guía de laboratorios que cumple con los dos propósitos fundamentales, contribuir en la formación en la línea de Bioinstrumentación y procesamiento de señales y aportar elementos para la formación integral de los estudiantes. En esta guía se complementan los conocimientos adquiridos en el curso de Electrónica digital y microcontroladores con una serie de prácticas que estimulan el ingenio, la creatividad, el trabajo en equipo, la responsabilidad y el sentido ético de las soluciones y aplicaciones propuestas. Como bases fundamentales para el desarrollo de las prácticas que se presentan a continuación se requiere el análisis, el diseño, la simulación asistida por computador y la experimentación directa en el laboratorio.
2. Objetivos 2.1 Objetivo General Desarrollar habilidades generales en el campo de la Electrónica digital y microcontroladores que contribuyan a la formación de competencias en la línea de Bioinstrumentación y procesamiento de señales del programa de Ingeniería Biomédica. 2.2 Objetivos específicos 2.2.1 Clasificar las diferentes compuertas digitales de acuerdo a su respuesta lógica. 2.2.2 Implementar un sistema combinacional básico en una FPGA. 2.2.3 Diseñar un sistema digital basado en lógica combinacional 2.2.4 Diseñar un sistema digital basado en lógica secuencial. 2.2.5 Implementar una aplicación básica con microcontroladores programados en lenguaje ensamblador. 2.2.6 Implementar una aplicación completa de microcontroladores (programación + hardware).
3 Formato de presentación del informe 3.1 Informe técnico Generalmente los datos obtenidos en un experimento se resumen en informes técnicos. Estos se deben escribir en forma impersonal, por lo cual se deben evitar pronombres personales. El informe debe escribirse asumiendo que el lector, cualquiera que este sea, no está familiarizado con el tema tratado; de esta manera el informe será comprensible por sí mismo. El estudiante frecuentemente escribe un reporte que no se puede seguir sin un conocimiento previo del tópico tratado, lo cual debe evitarse a toda costa. Un buen informe debe ser: ordenado, preciso, conciso y gramaticalmente correcto, teniendo particular cuidado con las fallas de ortografía. La presentación correcta de un informe incluye: Emplee de hojas de papel blanco tamaño carta (no se debe utilizar papel cuadriculado ni rayado). Se debe dejar un margen aproximadamente de 3 cm con respecto a cada lado de la hoja, aunque lo ideal es observar las normas que para tal efecto ha promulgado el ICONTEC. Uso de escritura en letra de molde, con tinta y de un tamaño suficientemente grande de tal manera que se entienda fácilmente. En su defecto, se podrá utilizar máquina de escribir o manuscrito en letra de imprenta. Emplee de papel únicamente por un solo lado. Elaboración de dibujos, diagramas, ilustraciones y curvas empleando elemento de dibujo. No se permiten dibujos a mano alzada. Las curvas deben hacerse con curvígrafo, o en su defecto, se aceptaran las gráficas impresas realizadas por un programa computacional. Asignación de un titulo ilustrativo (pie de figura) a todo dibujo, diagrama o curva que aparezca en el informe. Paginación adecuada y, en lo posible, encuadernado convenientemente. 3.2 Contenido del informe La magnitud del informe depende del tipo de experiencia que se esté reportando. Para que el informe presentado alcance los objetivos que se esperan de él, además de impecable y ordenado debe incorporar lo siguiente: Pagina de titulo. Introducción. Método utilizado en la investigación: Procedimiento. Diagrama circuital Resultados obtenidos Datos de las placas de los instrumentos empleados. Datos observados y calculados. Ejemplo de los cálculos efectuados.
Histogramas, tablas, curvas. Análisis de los resultados. Solución a las preguntas. Conclusiones. 3.2.1 Página de titulo Sobre esta hoja se debe escribir lo siguiente: Titulo de la práctica y su número correspondiente. Nombre completo y número del documento de cada uno de los estudiantes que realizaron la práctica. Nombre de la asignatura para la cual realizaron la práctica. Nombre de profesor encargado de evaluar el informe. Fecha de la presentación del informe. Nombre de la universidad, Facultad y Departamento académico al cual pertenecen los estudiantes que realizaron la práctica. Nombre del municipio en el cual se encuentra localizada la Universidad. 3.2.2 Introducción La introducción debe ser un conjunto de frases encaminadas directamente a la descripción corta, clara y concisa del trabajo realizado durante el experimento, investigación o práctica. 3.2.3 Métodos de investigación 3.2.3.1 Procedimiento La descripción debe ser comprensiva pero breve. La enumeración y narración detallada de operaciones mecánicas múltiples y la secuencia de operaciones tales como desconexión y conexión, lectura de instrumentos y similares debe evitarse. Sin embargo, cuando un método especifico de operación mecánica o la secuencia de operaciones de un proceso es indispensable para la certificar la validez o precisión de los datos de prueba es conveniente incluir los detalles principales de la descripción. 3.2.3.2 Diagrama de circuitos Los diagramas de los circuitos se deben poner dentro de la descripción del procedimiento en forma tal que contribuyan a su claridad. Estos diagramas deben mostrar claramente todos los interruptores, circuitos de protección para los instrumentos, potenciómetros, resistencia de carga y todos lo demás dispositivos que fueron empleados en el experimento. Así mismo, debe indicarse claramente la magnitud del tipo de voltaje aplicado (AC o DC). Cada diagrama
debe tener un número de identificación con el fin de referirse a él en la descripción de procedimiento. 3.2.4 Resultados obtenidos 3.2.4.1 Datos de las placas de los aparatos En esta sección se escribirán los datos de las placas de los aparatos o instrumentos utilizados tales como: marca, modelo, numero de serie, numero de clasificación interna dentro del laboratorio y, en general, cualquier otro dato que pueda ser relevante. 3.2.4.2 Datos observados y calculados En lo posible todos los datos observados y calculados se deben tabular. No obstante, la exactitud de dichos datos debe comprobarse antes de tabularlos. Todos los datos relacionados entre sí, observados y calculados se deben incluir en una misma tabla. Los títulos y subtítulos identificaran los datos o conjuntos de estos, independientemente de que estén o no tabulados. EJEMPLO: En un circuito de varias mallas la corriente en cualquier rama se puede conocer mediante el uso de un amperímetro. Por otra parte, los valores teóricos de estas corrientes se pueden hallar por medio de ecuaciones simultáneas de mallas utilizando los valores conocidos de las resistencias de las ramas y el valor medido del voltaje aplicado. Los datos obtenidos se pueden presentar en la en la siguiente forma: Rama Corriente medida Corriente calculada % de desviación 1 8,2 ma 8,5 ma -3,5% 2 0,3 ma 0,0 ma - 3 17,5 ma 16,0 ma 9,4% El porcentaje de desviación es cien veces la relación entre la diferencia de los valores medidos y calculado y uno de dichos valores. Usualmente, el valor computado teórico se toma como el termino común del denominador en la relación antes mencionada, cuando se trata de un experimento basado en principios ya aceptados (paradigmas) como ciertos. Cuando se está probando experimentalmente una teoría, el valor común es aquel que se ha medido. Observe que si el denominador (termino patrón) es cero el valor porcentual de desviación es infinito, lo cual no tiene sentido. En este caso, el pequeño valor de la corriente medida nos indica una buena correspondencia con los valores teóricos. El valor porcentual de
desviación se indica con signo negativo o positivo dependiendo de sí el valor medido está por encima o por debajo del valor común. Cuando el procedimiento subdivide el experimento en partes para cada una de estas debe haber unas pocas palabras descriptivas. 3.2.4.3 Ejemplo de los cálculos Esta sección consta de un ejemplo de cálculo completo para cada tipo incluido en la solución de los problemas del experimento. Estos ejemplos de cálculo se deben mostrar primero en forma literal y cada símbolo se debe definir apropiadamente, para luego hacer el reemplazo numérico. 3.2.4.4 Curvas Todas las curvas deben cumplir las siguientes especificaciones: Dibujarse preferencialmente en el primer cuadrante. Dejar libres los márgenes blancos de las hojas de papel especial. En general, trazar los ejes coordenados dejando espacio conveniente desde el margen. Dibujar la variable independiente como abscisa y la dependiente como ordenada. En general, comenzar la escala de la variable dependiente en cero; La variable independiente no necesariamente tiene que comenzar en ese valor. Escoger escalas que sean fáciles de usar y que permitan dibujar cuidadosa y claramente los puntos de mayor importancia de acuerdo con los datos obtenidos. Indicar los puntos obtenidos a partir de los datos experimentales por puntos sobresalientes o por círculos muy pequeños. Dibujar una curva promedio a través de los puntos excepto cuando previamente se conocen discontinuidades de la curva. Escribir el titulo resaltado que contenga toda la información pertinente a cada curva. Sobre la misma hoja dibujar solamente curvas relacionadas. Colocar en el informe las hojas con curvas en tal forma que se puedan leer con comodidad en la posición normal o, cuando mas, mediante una rotación de 90º en el sentido horario. 3.2.5 Análisis de resultados En un informe técnico el análisis de los resultados es quizás la parte más importante; Como su nombre lo indica debe contener una discusión completa
de los resultados que refleje el experimento hecho por el estudiante. Cuando sea aplicación de un estudio, esta sección debe contener los efectos relacionados con los resultados en la siguiente forma: Errores resultantes de las aproximaciones debidas a las restricciones físicas. Errores de manejo de los aparatos y de paralaje cuando los instrumentos son analógicos. Errores en los instrumentos debido a descalibraciones o falta de patronamiento. Dentro de la discusión se debe incluir una comparación de los resultados obtenidos con aquellos razonablemente esperados según la teoría relacionada con el experimento. Más aun, si la teoría es aparentemente contradictoria, se deben discutir las razones probables de este hecho. Cuando los resultados se dan en forma grafica, como en el caso de histogramas o curvas, se debe explicar la configuración de ellos. No es suficiente, por ejemplo, anotar que una curva dada tiene una pendiente positiva. Debe explicarse la razón por la cual la pendiente es así. Si la pendiente no es constante, esto es, si la grafica no es una línea recta, se debe justificar la no-linealidad. Las conclusiones originales como consecuencia de los procesos de laboratorio y un estudio de los resultados obtenidos se deben incluir en esta parte del informe. Además, toda la crítica constructiva relacionada con el tema en cuestión. 3.2.6 Solución a las preguntas En esta sección se deben responder clara y concisamente cada una de las preguntas y problemas incluidos como parte de la práctica de laboratorio.
4 Guía de prácticas 4.1 Compuertas digitales 4.1.1 Objetivo Clasificar las diferentes compuertas digitales de acuerdo a su respuesta lógica. 4.1.2 Preinforme 4.1.2.1 Consulte la hoja de características de cada uno de los circuitos integrados que se muestran a continuación: 7400, 74LS00, 74F00, (son lo mismo). 7402, 74LS02, 74HS02. 7404, 74LS04, 74HS04. 7408, 74LS08, 74HS08. 7432, 74LS32, 74HS32. 7486, 74LS86, 74HS86. 4.1.2.2 Identifique plenamente las compuertas digitales presentes en cada circuito integrado y construya la tabla de verdad de cada uno de ellos. 4.1.2.3 Identifique la forma de alimentar los circuitos integrados, además del valor del voltaje de alimentación. 4.1.2.4 Planifique una estrategia para comprobar la tabla de verdad con cada una de las compuertas que trae cada circuito integrado. 4.1.2.5 Investigue cómo funciona una punta de comprobación lógica. 4.1.2.6 Investigue cómo funciona un probador automático de circuitos integrados digitales. 4.1.3 Desarrollo El siguiente procedimiento debe ser seguido para todos los circuitos integrados: 4.1.3.1 Alimente el circuito integrado, según lo consultado en el preinforme.
4.1.3.2 Compruebe la tabla de verdad de todas las compuertas del circuito integrado, según la estrategia planteada, empleando una punta de comprobación lógica. 4.1.3.3 Anote las observaciones y la tabla de verdad de cada compuerta. 4.1.3.4 Una vez finalizada la comprobación del circuito integrado, realice una comprobación automática con el probador de circuitos integrados digitales que posee el laboratorio. 4.1.4 Informe 4.1.4.1 Para cada circuito integrado escriba las conclusiones y resultados encontrados por medio del a comprobación manual y automática de las compuertas verificadas. 4.1.4.2 Plantee una estrategia para la construcción de un dispositivo automático para la verificación de circuitos integrados digitales como el empleado en la práctica