Aprovechamiento de ordenadores para automatizar prácticas de laboratorio EUETIT ELO Tarde

ÍNDICE 1. Introducción a los conversores A/D y D/A....3 1.1 Introducción...3 1.2 Diferencial vs. Single ended...3 1.3 Convertidor A/D...4 1.4 Amplificador de entrada...4 1.5 Throughput...5 1.6 Burst Mode Sampling...6 1.7 Disparadores...6 1.8 Salidas analógicas...7 1.9 Métodos de transferencia de datos....8 1.10 Calibrado analógico...8 1.11 Entrada y salida digital...9 1.12 Contadores / Timers...9 1.13 Sumario...9 2. Alternativas comerciales... 10 2.1 Tarjeta 12 Bit AD/DA...10 2.1.1 Características de la tarjeta de 12 bits A/D-D/A:...10 2.2 Tarjeta Multi I/O 8255/8253...10 2.2.1 Características de la tarjeta Multi-8255 I/O:...11 2.3 ScienceWorkshop 750 con USB Interface...11 2.3.1 Características de conexión externa:...11 2.3.2 Características:...12 3. Introducción......15 3.1 Objetivos del proyecto...15 4. Diseño del hardware... 17 4.1 Circuito para el tratamiento de señales analógicas....17 4.1.1 Listado de componentes:...17 4.1.2 Cambios en el diseño...20 4.1.3 Calibración del osciloscopio digital...22 4.1.3.1 Estudio en modo AC...22 4.1.3.2 Estudio en modo DC...23 4.2 Circuito amplificador...24 4.2.1 Listado de componentes:...24 4.2.2 Cambios en el diseño...26 4.3 Fuente de alimentación...28 4.3.1 Lista de componentes...28 4.3.2 Algunas variaciones interesantes....30 4.4 Lista de materiales del proyecto...30 4.4.1 Circuito de tratamiento de señales analógicas....30 4.4.2 Circuito amplificador...30 4.4.3 Fuente de alimentación...31 4.4.5 Varios...31 5. Diseño del Software... 31 6. Resultados......35 6.1 Resultados de la práctica 1 (Circuito R-C)...35 6.1.1 Método operativo...35 6.2 Resultados de la práctica 2 (Circuito R-l)...41 1-60

6.2.1 Base teórica de la práctica...43 6.3 Resultados de la práctica 3 (Transformador)...44 6.3.1 Parte A. Secundario con circuito abierto...44 6.3.2 Parte B. Secundario con carga R...45 7. Conclusiones......46 7.1 Pasos efectuados...46 7.2 Conclusiones...46 7.3 Mejoras futuras...47 8. Comparación de precios para viabilidad...48 9. Apéndice del proyecto... 49 9.1 Práctica 1 (Circuito R-C)...49 9.2 Práctica 2 (Circuito R-L)...52 9.3 Práctica 3 (Transformador)...55 10. BIBLIOGRAFÍA......60 2-60

1. Introducción a los conversores A/D y D/A. 1.1 Introducción Los interfaces de adquisición de datos nos ayudan a medir la información presentada por ambas señales digitales y analógicos. Las señales digitales pueden venir por una variedad de fuentes, como interruptores, contactos o interfaces compatibles TTL. Con el interface apropiado pueden leerse directamente y procesarse por el ordenador. Las señales analógicas vienen de instrumentos, sensores y transductores que convierten cosas como presión, posición o temperatura en voltajes estándar. Las señales analógicas no se pueden leer y procesar directamente por los ordenadores, primero deben convertirse en un número digital. Este proceso es denominado conversión digital o A/D. El proceso complementario, de conversión de digital a analógica o D/A, cambia el dato digital en un voltaje analógico o señales estándar. Muchos interfaces tienen ambos convertidores, A/D y D/A. Esto permite computerizar medidas y controlar tanto procesos industriales como experimentos de laboratorio. 1.2 Diferencial vs. Single ended El número de canales de entrada determina el número de elementos que pueden conectarse a una interface. Los canales de entrada pueden ser Diferencial o Single ended. Una medida de entrada single ended mide el voltaje entre los canales que entran y la masa del convertidor A/D. Cada canal interno utiliza un interface con un dispositivo diferente. Para medir un dispositivo debe tener una señal de salida que puede tomar como referencia la masa del interface. Estos dispositivos son a menudo referenciados como una variable, condensadores unidos, aislante o baterías. Una entrada diferencial mide el voltaje entre dos líneas de entrada. Esto requiere dos canales de entrada por dispositivo pero tienen dos ventajas por encima de las entradas single ended. La entradas diferenciales son apropiadas para medir dispositivos que no pueden tomar como referencia la masa del convertidor A/D. La entrada diferencial también puede cancelar el ruido en modo común o la interferencia de motores, la energía de la líneas AC, u otras fuentes eléctricas o mecánicas que inyectan ruido en los transductores o en los cables al convertidor A/D. Midiendo la diferencia entre dos entradas, los ruidos externos comunes en ambos pueden ser rechazados. 3-60

1.3 Convertidor A/D El convertidor A/D convierte la señal de entrada en un valor digital. La precisión de la conversión depende de la resolución lineal del conversor. Los errores de ganancia y offset del amplificador de entrada también afectan a la precisión. La resolución es el número de niveles utilizados para representar el rango analógico de entrada. Por ejemplo 14 bits reales convertidos, pueden ser 214 estados diferentes y así se divide el rango de entrada en 16,384 partes. Más bits producen una resolución exponencial. La ganancia de entrada, o amplificación, puede incrementar la resolución aparente de señales que tienen una amplitud máxima menor que la entrada del convertidor A/D. La linealidad es una medida de como los niveles se propagan dentro del rango de entrada. La no linealidad diferencial es el error entre niveles adyacentes. Si esto es mayor que 1 LSB (Least Significant Bit, bit menos significativo)algunos de los niveles digitales no ha sido utilizados. En este caso la resolución real del conversor es menor que la longitud del valor digitalizado. La no linealidad integral nos da la diferencia entre el nivel digitalizado y el nivel ideal. Un convertidor ideal tendría una integral no lineal de 1/2 LSB. 1.4 Amplificador de entrada El amplificador de entrada se utiliza para amortiguar la señal de entrada y para proporcionar ganancia a la misma. La ganancia para cada canal de entrada está normalmente fijada, de esta manera la señal de entrada utiliza tanto como le es posible el rango del convertidor A/D. Cuando la ganancia crece el efecto del rango de entrada se ve a través del convertidor A/D como decrece haciendo que cada nivel de digitalización sea más fino. Por ejemplo, 12 bits A/D se pueden digitalizar en una señal con una ganancia de 4 con la misma resolución que 14 bits A/D con una ganancia de 1. El amplificador de entrada afecta directamente a la precisión de la forma de onda digitalizada, debería proporcionar la misma representación en el convertidor A/D. La precisión de la ganancia debería venir especificada como un porcentaje bajo de la ganancia total. El ruido del amplificador y el voltaje de offset deben ser también bajos. El ruido del amplificador está normalmente referido a la entrada. Para encontrar el nivel de sonido en el amplificador, esta especificación debería multiplicarse por la ganancia. El voltaje de offset puede ser especificado referido a la entrada o al convertidor A/D. Si se especifica 4-60

en la entrada, debe ser multiplicado por la ganancia. El offset se especifica normalmente en LSB cuando es medido en el convertidor A/D. 1.5 Throughput Tres elementos especifican el throughput A/D: tiempo de conversión, tiempo de adquisición y tiempo de transferencia. El tiempo de conversión es el tiempo requerido por el convertidor A/D para producir un valor digital que corresponda a una entrada analógica. El tiempo de adquisición corresponde al tiempo que necesita el circuito analógico asociado para adquirir una señal. El tiempo de transferencia corresponde al tiempo necesario para transferir un dato desde el interface a la memoria del ordenador. Throughput es el ratio en el cual los tres son completados. Throughput es normalmente el factor más importante a la hora de escoger un interface de adquisición de datos. El teorema de Nyquist especifica que un valor de entrada podría ser muestreado dos veces más rápido que las entradas de un componente de alta frecuencia. Por ejemplo para precisar una señal de 1KHz el mínimo throughput A/D es de 2KHz, esto evita el aliasing en la señal. El aliasing ocurre cuando un componente de alta frecuencia aparece en lo valores digitales como bajas frecuencias erróneas. Muchos transductores actúan como un filtro paso-bajo limitando el ancho de banda de la señal medida. En muchas aplicaciones sobre el muestreo es suficiente reducir el aliasing a niveles aceptables. Para reducir los requerimientos de la velocidad de muestreo, el filtro paso-bajo puede limitar el ancho de banda de la señal que estamos midiendo. Este filtro puede alcanzar desde un filtro capacitor resistor simple, hasta muchos filtros activos multipolo. La elección depende en la frecuencia de distribución de la señal de entrada y el correspondiente muestreo utilizado. Muchas circuitos de entrada analógicos multicanal comparten un convertidor A/D común. A mayor número de circuitos de entrada menor canal throughput. Si tu deseas hacer un muestreo de 10 canales a 10KHz cada uno necesitas el sistema de adquisición de datos con un throughput de al menos de 100KHz. 5-60

1.6 Burst Mode Sampling Durante un típico proceso de adquisición de datos uno o más canales se leen en los intervalos marcados. Una lectura de todos ellos es lo que se llama un scan. El tiempo entre scans es llamado intervalo de scan y se mide por el ratio de muestreo del canal. Normalmente se utilizan ambas, las distribuidas o burst mode sampling. El sistema de adquisición de datos más antiguo proporciona un modo de muestreo distribuido. Este método de muestreo divide el intervalo de scan entre el número de canales. Este tiempo se utiliza como tiempo entre conversiones. Esto puede resultar una desviación significante entre canal y scan. La desviación hace más difícil interpretar un dato y utilizar amplificadores simultáneos sample & hold debido a los largos tiempos de hold requeridos. Burst Mode Sampling (a veces referido como muestreo pseudo-simultáneo) secuencia a través de los canales en el scan al ratio más rápido posible, esto minimiza el tiempo de desviación entre canales y en algunas aplicaciones permite al dato ser tratado en todos los canales que son muestreados simultáneamente, además el ratio de muestreo es controlado por el tiempo de intervalo de scan, este método permite amplificadores simultáneos sample & hold para coger datos en el mínimo tiempo. El diagrama de tiempos Burst vs Distribuido compara los dos esquemas. 1.7 Disparadores Los disparadores permiten un suceso externo para controlar el conjunto de datos, en algunos casos se reduce la cantidad de datos que pueden ser tratados o utilizados en otros casos puede ser el único camino para agrupar los datos de interés. El disparador flexible permite almacenar datos antes y después. Las fuentes de ayuda del disparador son los voltajes analógicos, los patrones digitales y las señales TTL. Los disparadores de voltaje analógico causan un disparador como resultado de un voltaje analógico, esto permite cambios físicos como la temperatura, presión, tensión que causan el disparador. Los disparadores de voltaje analógico pueden utilizar cualquier canal con cualquier ganancia y proporcionar una elección de diferentes condiciones de disparador tales como el voltaje del canal sobre un nivel, debajo de un nivel, fuera de dos niveles, entre dos niveles, cuando el nivel crece y cuando el nivel baja. El disparador de patrón digital se vuelve válido cuando un bit del patrón en un puerto digital se une a un patrón almacenado. Esto permite que la adquisición sea controlada 6-60

desde ciertos estados del controlador o desde combinaciones de fuentes de entrada digitales. Las señales del disparador TTL son normalmente las entradas compatibles TTL del límite sensitivo. Esto permite el cierre de un relé, o presionar un botón que sea el disparador. Idealmente la entrada tendrá histéresis para prevenir múltiples disparadores de un borde lento y sencillo. 1.8 Salidas analógicas. Las salidas analógicas son utilizadas por el interface para proveer niveles de voltaje D/C (continuo) o formas de onda arbitrarias. Los niveles de salida son marcados por el convertidor D/A. Los convertidores bipolares D/A dan voltajes de salida que son el voltaje de referencia. Los convertidores unipolares D/A sacan rangos de voltaje desde 0 hasta el voltaje de referencia. En ambos casos el convertidor D/A saca la fracción del voltaje de referencia que la palabra digital representa. Las teclas de especificación para D/A son el tiempo de establecimiento, la linealidad y voltaje de referencia. El tiempo de establecimiento es el periodo que un convertidor D/A necesita para realizar la precisión de ratio después de recibir un cambio en una salida completa. Mientras la salida de un convertidor D/A empieza a cambiar, tan pronto como recibe un nuevo dato, la salida no garantiza alcanzar el nivel actual hasta después del tiempo de establecimiento. Este tiempo es en el peor de los casos: más pequeño que los cambios completos marcados en un tiempo menor. La linealidad se refiere a la habilidad de la D/A para dividir con precisión para dividir con precisión la referencia en los niveles tal y como la linealidad de A/D hace con los señales de entrada. El voltaje de referencia establece el rango del voltaje de salida posible. Un nivel de salida digital simple proporciona un voltaje de salida DC (continuo). Para simular una forma de onda de salida DC de la D/A se modifica la frecuencia. Esto produce una forma de onda de salida que va de un nivel a otro nivel. Si se necesita los pasos pueden ser suavizados con un filtro paso-bajo. Para precisar la generación de la forma de onda el convertidor D/A debe ser actualizado en tiempo real, esto requiere un tiempo de señal para actualizar la D/A y un método de transferencia de datos que puede garantizar que la D/A tenga un dato preparado para cada actualización. 7-60

1.9 Métodos de transferencia de datos. La transferencia de datos en un PC es generalmente representada con ambos Polled, el conductor de interrupción o transferencia de DMA. El modo Polled se usa por muchas placas simples o cuando el ordenador no tiene interrupción o fuentes de DMA disponibles. En el modo Polled el programa pregunta a la placa para ver si el valor está disponible, de la A/D, o puede ser aceptado por la D/A, y entonces un valor se transfiere en ese instante. Este modo requiere un tiempo de computación considerable y el software puede hacer pocas cosas más excepto chequear el dato de adquisición. A menos que la placa tenga un FIFO sustancial o el ratio del dato sea muy lento, el dato no será transferido sin perder algún valor. Los valores son perdidos por una ineludible interrupción del sistema que pausa la transferencia del modo Polled. El modo de interrupción aleja con el excedente del polling de la tarjeta y permite al ordenador representar otras operaciones mientras el proceso de adquisición de datos ocurre. Cuando un dato está disponible una interrupción notifica al ordenador para transferir el dato. Como el modo Polled, la falta de dato puede ocurrir durante la interrupción del sistema sin un FIFO. DMA, o memoria directa de acceso, utiliza la transferencia del dato directamente a o desde la memoria del ordenador y de la tarjeta de adquisición de datos con la intervención del ordenador. Este método provee el más alto throughput con la sola limitación del tamaño del buffer de la DMA. Mientras que este no es afectado por el sistema de interrupción este método de transferencia puede garantizar la no pérdida del dato. Para transferencias largas de DMA puede perderse durante la reconfiguración del controlador DMA a menos que la placa tenga un FIFO sustancial o un modo dual de DMA. 1.10 Calibrado analógico Para mantener la precisión de A/D, del amplificar de entrada y del circuito D/A se requiere una calibración periódica. Esto pone a 0 el teclado del rango del convertidor y compensa la tendencia en circuitos analógicos para cambiar las características o fluctuaciones sobre el tiempo. Históricamente los potenciómetros se utilizaban para calibraciones y siguen siendo muy utilizados. Estos realizan la necesaria calibración pero son susceptibles a vibraciones y requieren acceso al interface para representar la calibración. La mejor aproximación sin 8-60

tocar es utilizar DAC s en el interface para calibrar electrónicamente los componentes analógicos. Los valores de calibración pueden ser almacenados y actualizados sin nunca tener acceso a la placa. La calibración con DAC no se ve afectada por vibraciones y no puede ser accidentalmente cambiada. 1.11 Entrada y salida digital La sección de entrada y salida digital del interface de adquisición de datos proporciona controles de nivel TTL bi-direccionales y puertos que pueden ser configurados y leídos por el ordenador. Estos son utilizados para controlar dispositivos o monitorizar el cierre de interruptores o contactos. A veces se proporciona una manecilla para permitir la comunicación con los dispositivos. 1.12 Contadores / Timers Para representar múltiples conversiones a intervalos de tiempo predefinidos, las placas de adquisición de datos son equipadas con contadores y timers. Los contadores y timers se utilizan para controlar ambas A/D y D/A conversión de datos. Ellas trabajan contando una frecuencia fija precisa. El oscilador está provisto de un interface o algunas fuentes externas. Esta frecuencia de reloj determina la granularidad de las configuraciones disponibles. Frecuencias altas ofrecen una granularidad fina. Algunas placas proporcionan canales de contadores y timers para el usuario. Estos pueden ser extremadamente flexibles y utilizados en docenas de configuraciones. Algunas aplicaciones incluyen generadores de reloj externos, anchos de pulso y mediciones de frecuencia, y timing para complicados disparadores externos. Ellos pueden usarse individualmente o en combinación con otros contadores, usando fuentes de reloj externas o internas. 1.13 Sumario Un interface de adquisición de datos puede ser utilizado por un PC para utilizar un rango de medidas y controlar funciones. Este par de cosas de fácil utilización que vienen con los drivers suministrados proporcionan un solución efectiva en coste para analizar los requerimientos de muchas aplicaciones. 9-60

2. Alternativas comerciales En este apartado veremos las diferentes soluciones que existen para las diferentes partes de nuestro proyecto. Podemos observar dos tipos diferentes de tarjetas de adquisición de datos: 2.1 Tarjeta 12 Bit AD/DA Es una tarjeta de alta precisión en sistemas de conversión de datos para PC/XT, PC/AT, o ordenadores compatibles. Contiene una canal de 12 bits D/A y 16 canales también de 12 bits A/D. En los jumpers de la tarjeta se puede seleccionar si el canal de entrada o de salida es unipolar o bipolar. 2.1.1 Características de la tarjeta de 12 bits A/D-D/A: Incluye 16 canales de entrada de 12 bits más un canal de salida de 12 bits. El rango de voltaje de entrada y salida puede ser unipolar: 0V-5V o bipolar: -5V-+5V. Tiempo de conversión de la entra 60µseg.(cada canal). Tiempo de configuración de la salida 500 nseg. No linealidad de la salida 0,2%. Puerto I/O de dirección seleccionable. 2.2 Tarjeta Multi I/O 8255/8253 La tarjeta de multiple I/O 8255 es un interface periférico programable para PC o ordenadores compatibles. El interface de la tarjeta proporciona hasta 192 líneas programables de I/O paralelas y 6 contadores de 16 bits independientes. La tarjeta se conecta en un slot ISA short estándar de 8 bits y cintas conectores para periféricos externos. Hay 4 conectores de cinta de 50 pins, cada uno contiene la señal de 2 8255, más uno de 34 pins para el par de 8253 contadores/timer. La tarjeta también se suministra con una cinta conector 50 pins para el conector de 50 pins D por cada par de 8255, y cinta conector de 34 pins para el conector de 37 pins D de la señal del 8253. Cada conector se monta en una placa slot estándar de expansión. 10-60

Hay 4 tarjetas en este rango con una selección de 2 x 8255 hasta una masiva de 8 x 8255. Todas las tarjetas están preparadas con 2x8253. 2.2.1 Características de la tarjeta Multi-8255 I/O: Solución económica para I/O digital con función de timer. Los puertos de la Multiple 8255 dan hasta 192 líneas de datos I/O programables. Dos chips 8253 contadores/timer que dan 6 contadores independientes. Configuraciones alternativas de I/O para asistir la compatibilidad o habilitar el uso de múltiples tarjetas. Seleccionable, interna o externa, fuente de reloj para cada uno de los 3 contadores (2.35MHz Max. ratio del contador). A continuación veremos la solución comercial que existe para la totalidad de nuestro sistema. 2.3 ScienceWorkshop 750 con USB Interface 2.3.1 Características de conexión externa: USB Interface 250,000 muestras por segundo Generador de funciones de 1,5W insertado Osciloscopio en tiempo real compatible, de hasta 40 estructuras/sec Un diseño industrial suave, y generador de funciones insertado, el ScienceWorkshop 750 Interface representa un avance significativo en los interfaces de ordenadores para los estudiantes en los laboratorios de física. Para introducir el ScienceWorkshop 750 Interface en tu laboratorio, tu puede cubrir conceptos y experimentos en mecánica, ondas y sonidos, óptica, electrónica, nuclear y termodinámica, todo con un interface y tu ordenador. Es virtual y completa el plan de estudios de física con una caja. 11-60

2.3.2 Características: USB Interface Ratio de muestreo de 250KHz: Con el ScienceWorkshop 750 Interface, tu puedes muestrear a 250,000 Hz en un canal analógico. Tú verás realmente, el osciloscopio en tiempo real y un increíble sensor de datos. Conexión USB: La transferencia de datos por USB permite mayores rangos de muestreo (hasta 250,000 muestras/seg) durante largos periodos de tiempo y los rangos de cuadros que logra el osciloscopio a tiempo real son de 30-40 cuadros por segundo (depende de la velocidad del ordenador). Generador de funciones de 1,5W insertado: Los experimentos de bajo voltaje tales como ondas de conducción y circuitos básicos pueden ser representados utilizando el jack de salida del generador de señal del ScienceWorkshop 750. Cualquier experimento que requiera una frecuencia de hasta 50KHz y 1,5 W (300mA) de salida puede ejecutarse sin un amplificador adicional. 4 Canales digitales: 0.1 mseg de precisión del tiempo digital. 1 mm 3 Canales analógicos: Hasta 250,000 muestras por segundo (canal simple) Proporciona un osciloscopio en tiempo real de 20KHz (hasta 40 cuadros por segundo) Tres entradas analógicas de ±10 V eliminan la necesidad de crear un cero artificial como 0-5 V interfaces. Todas las entradas tienen ganancia 1, 10, o 100 y pueden ser single-ended o diferencial. Cada canal está digitalmente controlado para asegurar que una entrada cero resulta leer un cero en la pantalla del ordenador. Reduce el ruido y datos con mas precisión Cuando se muestrea en rangos menores de 100Hz, el ruido del circuito puede ser visible en el gráfico del dato. El 750 Interface, sin embargo, proporciona 8X simplificaciones para reducir el ruido y suavizar las curvas de datos para sensores de temperatura y otros sensores de rango de muestreo bajo. Osciloscopio de 20KHz: Con el 750 incrementamos el rango de muestreo, el osciloscopio se convierte en un scope de tiempo real con rangos de refresco hasta 40 cuadros por segundo. 12-60

Plug and Play : La conexión USB permite al 750 Interface ser conectado al ordenador en cualquier momento. Memoria Flash: El sistema operativo del interface y el patrón de la forma de onda son almacenados en memoria flash que permite actualizar campos fácilmente cuando una nueva versión del sistema y un patrón de forma de onda están disponibles. Simplemente descargas la actualización de la web de PASCO, lo instalas y ya estás preparado para seguir. Incluye: ScienceWorkshop 750 Interface Box Guía de usuario y comienzo rápido Cable USB Especificaciones: Alimentación de12 VDC a 20 VDC y 2 A, jack 2.1 mm Conexión al ordenador compatibilidad USB 1.1 Canales digitales 4 canales digitales idénticos de I/O. Niveles compatibles TTL con 8 ma máximo de intensidad. Tiempo de transición de entrada lógica máximo: 500 ns Entradas protegidas de Descargas Electrostáticas (ESD) Contorno sensitivo y muestreado a 10 KHz (100 ms). (resolución del sensor Motion 1 ms) Canales de entrada analógica 3 canales idénticos con diferentes entradas y 1MΩ de impedancia Rango de voltaje de entrada máximo ±10V (rango de voltaje de entrada absoluto ±12V) Entrada protegida de ESD similar a la de los canales digitales 3 configuraciones de ganancia de voltaje en cada canal analógico: 1, 10 y 100 Señal de ancho de banda pequeño hasta ADC: 1Mhz para ganancia de1,800 KHz para ganancia de 10 y 120 KHz para ganancia de 100; el amplificador de entrada suaviza el rango: 1.2 V/ms (el ancho de banda se determina por el rango de muestreo de ADC) Conversión Analógica-Digital 5 fuentes de entrada para el ADC de 12-bit: canales A-C y salida analógica, voltaje y corriente. Resolución del voltaje en la entrada del ADC: 4.88 mv (0.488 mv con una ganancia de 10, 0.049 mv con una ganancia de 100) 13-60

Resolución de la medición de intensidad: 244 ma, donde cada voltio medido representa 50mA Precisión del voltaje de offset < ±3 mv. (Para medir el voltaje de fondo de escala (o 1V con una ganancia de 10, etc.) el error total será menor que ±15 mv, considerando el error de ganancia en la entrada del amplificador) Rango del ratio de muestreo: una vez cada 3,600 segundos 250 KHz( el tiempo de conversión entre canales consecutivos en rebosar es 2.9ms) 8X simplificaciones para una mayor precisión en los ratios de muestreo menor o igual que 100Hz. Salida analógica rangos de valor DC: -4.9976 V a +5.0000 V en escalones de 2.44 mv. Precisión en el conector DIN: (±3.6 mv ±0.1% fondo escala) Rangos de ajuste de amplitud pico a pico para formas de onda AC: 0 V a ±5 V en escalones de 2.44 mv Rangos de frecuencia de la forma de onda AC: 1mHz (0.001Hz)-50 KHz, ±0.01% Máxima amplificación de salida en la banana jack: sobre 300 ma a ±5 V, intensidad limitada a 300 ma ±12 ma. 14-60

3. Introducción 3.1 Objetivos del proyecto Nuestro proyecto pretende construir montajes de laboratorio controlados de manera automática y con adquisición de datos por ordenador, utilizando componentes electrónicos y informáticos obsoletos o de bajo coste. El objetivo del proyecto pretende reutilizar de la mejor manera posible aquellos equipos informáticos que han quedado obsoletos. El campo donde la utilización de estos equipos más se requiere es el académico, en primer lugar porque siempre cuenta con recursos limitados a la hora de comprar material de laboratorio y en segundo lugar porque el material utilizado en el mundo académico perdura en el tiempo con breves cambios o modificaciones a los que los PCs reutilizados pueden responder con facilidad. Para desarrollar nuestro proyecto hemos seguido las siguientes pautas: 1.- Para el comienzo del proyecto nos es imprescindible obtener un PC con las características apropiadas: Una torre con: Placa base que soporte placas PCI y un procesador 486 de no menos de 100Mhz o cualquier placa superior. Memoria RAM de entre 8 y 64 MB. Disco duro no superior a 1Ghz para placas con procesador 486 y cualquier valor de HD para placas superiores. Unidad CD-ROM que utilizaremos para la introducción del software necesario. Dos tarjetas de sonido de capacidades entre 16 y 64 bits, las cuales serán utilizadas para la entrada y salida de señal. La torre deberá llevar un espacio disponible de las dimensiones del CD-ROM que utilizaremos para colocar el interface de nuestro osciloscopio. Un monitor. Un teclado. Un mouse. 15-60

2.- Configurar el hardware de manera que no haya conflictos internos. La configuración consiste en la colocación de todo el hardware que necesitamos dentro de la torre del PC, cada elemento de hardware deberá ir colocado en el slot que le pertenece. Podemos tener dos variantes debido a los ordenadores que utilizamos, slots PCI y slots ISA. Cuando hablamos de slots PCI nos referimos a slots actuales, pero también nos podemos encontrar conviviendo en la misma placa unos slots anteriores a los PCI, llamados ISA. Una vez los dispositivos hardware ya están colocados pasamos a configurarlos, es decir, determinamos las características necesarias para su correcto funcionamiento y para que no haya conflictos con el resto de dispositivos hardware. 3.- Recabar información respecto al diseño de circuitos que nos permitan realizar la captación de señal y el tratamiento de la misma. La información que debemos buscar viene directamente relacionada con las operaciones que queremos que realicen nuestros sistemas electrónicos. Haciendo un pequeño análisis podemos ver que necesitaremos 3 tipos diferentes de sistemas. En primer lugar un dispositivo que nos permita captar y tratar una señal analógica, para convertirla en digital, que será lo que nosotros veremos a través del monitor del PC. En segundo lugar un sistema que nos amplifique la señal en el caso de que esta sea débil, o la atenúa en el caso de que sea fuerte. Para acabar, un dispositivo que nos alimente con el valor necesario cada unos de los sistemas que lo necesiten. 4.- Dotar al PC del software necesario para probar los circuitos diseñados. Deberemos instalar el software que nos permita la comprobación de los dispositivos que vamos a construir. 5.- Montar los circuitos con el método wire-up y probar su funcionamiento. En primer lugar realizaremos el montaje de los circuitos en modo wire-up, este consiste en la colocación de todos los elementos del circuito en una placa de wire-up y mediante una herramienta especial enrollaremos los cables de conexión en cada uno de los terminales de los elementos apropiados. 16-60

6.- Habilitar los espacios donde serán colocados los circuitos. Prepararemos cajas y plataformas donde irán introducidos los circuitos, se mecanizarán las placas de sujeción y mediante la apropiada tornillería colocaremos los circuitos de manera firme y robusta. 7.- Montar los circuitos probados y asegurados con puntos de soldadura en el recinto preparado para su próximo funcionamiento. Una vez los circuitos se han montado con wire-up y se han probado, pasamos a soldar los terminales de manera que el circuito sea definitivo. Después de estos pasos previos, introducimos los circuitos en la ubicación determinada para cada uno de ellos. 8.- Mecanizar la placa de plástico del frontal del PC para el interface del osciloscopio. Realizaremos unos orificios en los que colocaremos las conexiones BNC y los interruptores necesarios, todos estos componentes formarán parte de la interface del osciloscopio. 9.- Puesta en marcha de todo el sistema y realización de varias prácticas demostrativas para la validación del proyecto. Conectaremos todo el sistema a la red eléctrica y comprobaremos que todo funciona correctamente, para ello realizaremos las 3 prácticas que se adjuntan en apartado de apéndices. 4. Diseño del hardware 4.1 Circuito para el tratamiento de señales analógicas. El sistema para el tratamiento de señales analógicas consta de dos circuitos idénticos para así tener dos canales de entrada claramente diferenciados. 4.1.1 Listado de componentes: 2 conmutadores simples ICH1 e ICH2. 1 conmutador doble I_PROT. 2 BNC, CH1 y CH2. 2 condensadores de 0,01nF, C1 y C4. 2 resistencias de 1MΩ, R1 y R7. 17-60

2 condensadores de 20pF, C2 y C5. 2 resistencias de 47KΩ, R2 y R8. 2 resistencias de 4,7KΩ, R3 y R9. 6 diodos 1N914, D1, D2, D3, D4, D5 y D6. 1 placa de wire-up 4 conectores de 4 pins (macho y hembra). La disposición de los circuitos es la siguiente: Fig.1 Fig.2 18-60

Aprovechamiento de ordenadores para automatizar prácticas de laboratorio En la figura 1 podemos observar los dos circuitos idénticos que nos permitirán la lectura de los dos canales analógico. Los conectores que podemos ver a izquierda corresponden al interface de nuestro osciloscopio digital. Tenemos los siguientes elementos. Un conmutador ICH2 que actúa sobre el CH2 y que nos permite utilizar este en modo AC o DC, dependiendo de nuestras necesidades. Una entrada se señal representada con un BNC, a la que llamaremos CH2. Otro conmutador ICH1 que actúa sobre el CH1 y que nos permite utilizar este en modo AC o DC, dependiendo también de nuestras necesidades. Otra entrada de señal BNC, denominada CH1. Un conmutador I_PROT de encendido y apagado de la protección (diodos). En el interior del PC nos quedan los dos circuitos de tratamiento de señal, la salida de los cuales llevamos a la tarjeta de sonido que nos hará la transformación A/D y nos permitirá ver el resultado en la pantalla del ordenador. En la figura 2 se muestra como están dispuestos físicamente los dos circuitos en la placa de wire-up y donde va conectado cada uno de los terminales. En la siguiente imagen podemos apreciar el circuito real. 19-60

4.1.2 Cambios en el diseño En un primer momento el esquema que iba a encargarse del tratamiento de las señales analógicas era el circuito de la figura 3. Fig.3 Este circuito fue montado primeramente con el modo wire-up y probado. En la prueba a la que fue sometido observamos que había dos señales cuando nosotros sólo introducíamos una, había una señal que se acoplaba a la nuestra y no sabíamos de donde provenía. Después de varios cambios sin poder llegar a desacoplar las señales probamos de quitar el integrado, para realizar esta operación hicimos un puente en las patillas correspondientes del zócalo. De esta manera pudimos observar que el integrado primeramente recomendado no hacía bien su función, ya que él o alguno de los componentes que necesitaba producían el acoplamiento. Una vez descubierto esto quitamos el integrado y todo aquello que se utilizaba debido a su presencia. El circuito se simplificó considerablemente quedando de la siguiente manera. Fig.4 20-60

El circuito de la figura 4 es el que finalmente hemos utilizado para el tratamiento de señales analógicas. En primer lugar observamos un condensador C1 en la entrada de la señal, este condensador nos elimina la componente continua de la señal. Seguidamente podemos ver una resistencia R1 y un condensador C2 en paralelo y conectados a tierra, esta estructura es la de un filtro paso bajo de 1º orden. A continuación tenemos otro filtro formado por dos elementos, por una banda una resistencia R2 y por la otra un condensador C3 en paralelo, esta disposición corresponde a la de un filtro paso alto. Para finalizar comentaremos la estructura de diodos que hay en la parte final, estos hacen de protección ya que no dejan pasar valores de tensión entro el rango 0 y +12V, este rango de debe a que la resistencia R3 está colocada en una posición que evita el funcionamiento del diodo D3. Si por el contrario esta resistencia R3 no estuviera, el rango de salida sería de +12V a 12V. A continuación presentamos esta proposición en el esquema de la figura 5. Fig.5 En este circuito podemos observar que la resistencia R3 no está y de este modo podríamos obtener el rango anteriormente comentado. Como hemos podido comprobar este circuito tiene varias características que lo hacen muy versátil y útil para otras aplicaciones. 21-60

4.1.3 Calibración del osciloscopio digital Para calibrar el osciloscopio digital se ha necesitado el siguiente material: Un osciloscopio analógico. Un generador de funciones. Dos cables BNC-BNC. Un PC con el software xscope. Un circuito electrónico para el tratamiento de la señal analógica. Una vez se dispone de todo el material, comienza la obtención de datos para cada uno de los estados AC y DC. El procedimiento para la obtención de datos es el siguiente. Se han utilizado 3 tipos de frecuencias, una baja (50Hz), una media (500Hz) y una alta (3Khz en AC y hasta 6KHz en DC), cuando se habla de frecuencia baja, media y alta nos referimos a aquellas frecuencias para las que el diseño del circuito electrónico responde con garantía o con un % de error bajo. Una vez las frecuencias han sido determinadas, se pasa a un procedimiento de señal-captura, que consiste en ir variando la tensión poco a poco con la misma frecuencia y viendo como responde cada uno de los dispositivos, osciloscopio (analógico) y PC (digital). Con todos los datos que se van obteniendo alimentaremos una tabla a partir de la cual podremos obtener las gráficas que nos compararán los dos sistemas, el analógico y el digital. Para ver la linealidad del sistema digital respecto al analógico también se puede optar por dejar un voltaje fijo y ver como cambia este voltaje a medida que cambiamos la frecuencia. Los datos que de aquí se obtienen pueden alimentar otra tabla a partir de la cual se podrá obtener una gráfica para observar dicha linealidad. Pasamos a comentar los valores obtenidos en nuestro ensayo. 4.1.3.1 Estudio en modo AC En primer lugar se ha realizado un ensayo a una frecuencia fija de 50Hz, se ha ido variando el voltaje desde 0,1V a 0,9V y hemos obtenido una recta de pendiente positiva con un factor de correlación R 2 = 0.9988. 22-60

A continuación hemos realizado el mismo ensayo pero esta vez con una frecuencia fija de 500Hz y con la misma variación de voltaje de 0,1V a 0.9V y hemos obtenido una recta de pendiente positiva con un factor de correlación R 2 = 0.9984. Hemos acabado estos ensayos de proporcionalidad con una frecuencia fija de 3KHz y con la misma variación de voltaje de 0,1V a 0.9V y hemos obtenido una recta de pendiente positiva con un factor de correlación R 2 = 0.9992. Viendo que la proporcionalidad en estos dos ensayos a frecuencia fija y con variación de voltaje es evidente pasamos a ver la linealidad con un voltaje fijo y una variación de frecuencia, el procedimiento seguido ha sido el siguiente. En primer lugar hemos fijado un voltaje bajo de 0,3V y hemos ido variando la frecuencia desde 100Hz hasta 4KHz. Hemos observado que la linealidad se aprecia a partir de 400Hz, esta es la frecuencia de corte y por tanto hasta este valor no hay linealidad. A continuación marcamos un valor alto de voltaje 0,9V, variamos la frecuencia desde 100Hz a 4Khz y observamos que la linealidad se empieza a dar a partir de 400Hz aunque aun hay pequeñas variaciones hasta llegar a los 4Khz. La conclusión a la que hemos llegado es que el comportamiento del osciloscopio digital en régimen AC no es todo lo bueno que se esperaba debido a que la el comportamiento del condensador C3 (filtro paso alto) a bajas frecuencias actúa, amortiguando el valor de salida, pero a altas frecuencias por la característica de los condensadores actúa como un cortocircuito y por tanto a mayor señal de entrada mayor, más estable y más proporcional la señal de salida, por este motivo no recomendamos comparar datos con frecuencias diferentes y sólo utilizarlo para tomar magnitudes relativas, como por ejemplo las que hemos tomado en la práctica LC. 4.1.3.2 Estudio en modo DC Para este ensayo el dispositivo del PC trabaja en modo DC. Se han realizado dos tipos diferentes de ensayo uno a frecuencia fija y otro a voltaje fijo. Para el primer ensayo hemos cogido una frecuencia fija de 500Hz y se ha ido variando el voltaje de 0,1V a 0,9V, dándonos unos valores que han permitido dibujar una recta de pendiente positivo con una factor de correlación de R 2 = 0.9999. Como se puede observar la proporcionalidad que existe entre el dispositivo analógico y el digital es casi perfecta. 23-60

El segundo ensayo ha venido marcado por un valor de tensión fijo de 0,4V, a partir de aquí hemos ido variando la frecuencia de 30 Hz a 6Khz y hemos observado que la linealidad se mantiene tanto a bajas frecuencias como a altas. La conclusión es que cada voltio son 111,81 unidades digitales. Este modo puede utilizarse con total garantía tanto para comparar datos a diferentes frecuencias como para tomar magnitudes relativas. 4.2 Circuito amplificador El sistema de amplificación consta de dos circuitos idénticos para así tener la posibilidad de amplificar los dos canales de los que disponemos. 4.2.1 Listado de componentes: Una placa de wire-up. 3 conectores de 4 pins (macho y hembra). 2 resistencias de 100KΩ, R4 y R9. 2 resistencias de 10KΩ, R5 y R10. 2 condensadores de 10µF, C1 y C7. 2 integrados TDA2003. 2 condensadores de 100nF, C3 y C9. 2 condensadores de 220µF, C2 y C8. 2 condensadores de 470µF, C6 y C12. 2 resistencias de 220Ω, R1 y R6. 2 resistencias de 22Ω, R2 y R7. 2 condensadores de 1000µF, C4 y C10. 2 condensadores de 100nF, C5 y C11. 2 resistencias 1Ω, R3 y R8. 24-60

Aprovechamiento de ordenadores para automatizar prácticas de laboratorio La disposición de los circuitos es la siguiente: Fig.6 En la figura 6 podemos observar los dos circuitos de amplificación de señal, la disposición es la misma que ocupan los circuitos en la realidad (físicamente), los vemos en la siguiente imagen. 25-60

tratada. Disponemos de un conector de entrada de señal y un conector de salida de la señal 4.2.2 Cambios en el diseño En la figura 7 podemos ver el amplificador que diseñamos al principio para desarrollar las funciones deseadas. C1= 10µF ; C2=220µF ; C4=1000µF ; C6=470µF Fig.7 Este amplificador funcionaba correctamente salvo en ciertas ocasiones cuando la señal de entrada al amplificador era demasiado fuerte y el integrado TDA2003 se nos saturaba. Por este motivo evolucionamos el diseño al esquema de la figura 8. 26-60

C1= 10µF ; C2=220µF ; C4=1000µF ; C6=470µF Fig.8 En primer lugar observamos que en la entrada hay dos resistencias puestas en paralelo, estas nos dividen la tensión de entrada de manera que el integrado TDA 2003 no se satura. El integrado TDA2003 está alimentado por una tensión de +12V, esta se filtra a través de los condensadores C2 y C3. A continuación el condensador C1 se encarga de quitar la componente continua de la señal, esta entra en el integrado por la entrada no inversora. De la salida se toma una parte de la señal para realimentar el sistema por medio de la entrada inversora. A la señal completa de salida se le quita la componente continua mediante el condensador C4 y se le aplica ya al altavoz de salida, la impedancia de este debe ser de 4Ω para que nos de una potencia esperada de 8W, si por el contrario ponemos una impedancia de 8Ω la potencia que obtendremos a la salida será de 4W. 27-60

4.3 Fuente de alimentación 4.3.1 Lista de componentes. C1= 2200µF/35V (electrolítico). C3,C4= 100nF (poliéster). C7= 220µF/25V (electrolítico). IC= LM7812 (el 12 corresponde a la tensión que queremos de salida que queremos). Puente de diodos de 1,5A Transformador de 15VA y un secundario de 18V, para una tensión de salida de 12V. Como podemos ver en la imagen superior, contamos con un transformador este está compuesto por un trafo de 15VA con primario 220V AC ( el secundario variará dependiendo de las tensiones de salida, para unas tensiones de p.e. ±15V hasta ±12 bastará con secundario de 18V-0-18V. Para tensiones inferiores a ±12V (±9 y±5v) bastará con un trafo de secundario 12V-0-12V. En todo caso siempre deberá ser una potencia de 15VA. Dado que nosotros queremos una salida de +12V utilizaremos un trafo de 18V y 15VA. El puente rectificador será un puente de diodos de 1,5A para aprovechar al máximo las prestaciones de los estabilizadores de tensión. El circuito de alimentación a +Vcc consta de los condensadores C1, C3, C4 y C7 y el integrado IC1(78xx). El condensador C1 se comporta como condensador de aplanamiento de alta capacidad (2200µF) y también sirve para filtrar las bajas frecuencias (BF) de la señal rectificada por el puente de diodos. C3 y C4 con valores de 100nF forman parte de 28-60

Aprovechamiento de ordenadores para automatizar prácticas de laboratorio un filtro de alta frecuencia (AF) y C7 (220µF) forma el filtro de media frecuencia (MF). El circuito estabilizador IC1 es el responsable de la completa estabilización de la tensión, es decir, nos mantiene la tensión de salida constante sea cual sea la carga que conectemos. En un primer momento lo hemos colocado sin disipador de calor pero viendo que después de funcionar durante un tiempo se calienta y pierde funcionalidad lo más aconsejable es que se le coloque el dicho disipador de calor, para evitar daños por exceso de calor en el circuito. El aspecto físico y real de la fuente de alimentación y del transformador se muestra en las próximas dos imágenes. 29-60

4.3.2 Algunas variaciones interesantes. Podríamos hacer el mismo circuito para conseguir una alimentación negativa, sólo tendríamos que cambiar el estabilizador IC1 por IC2(79xx). De la misma forma, es decir, con un simple cambio podríamos tener conseguir una fuente de alimentación de dos tensiones positivas, simplemente deberíamos intercambiar los terminales positivo y negativo del circuito compuesto por el estabilizador 79xx. Otra opción sería conseguir diferentes tensiones de estabilización para cada circuito. 4.4 Lista de materiales del proyecto 4.4.1 Circuito de tratamiento de señales analógicas. 2 conmutadores simples ICH1 e ICH2. 1 conmutador doble I_PROT. 2 BNC, CH1 y CH2. 2 condensadores de 0,01nF, C1 y C4. 2 resistencias de 1MΩ, R1 y R7. 2 condensadores de 20pF, C2 y C5. 2 resistencias de 47KΩ, R2 y R8. 2 resistencias de 4,7KΩ, R3 y R9. 6 diodos 1N914, D1, D2, D3, D4, D5 y D6. 1 placa de wire-up 4 conectores de 4 pins (macho y hembra). 4.4.2 Circuito amplificador Una placa de wire-up. 3 conectores de 4 pins (macho y hembra). 2 resistencias de 100KΩ, R4 y R9. 2 resistencias de 10KΩ, R5 y R10. 2 condensadores de 10µF, C1 y C7. 2 integrados TDA2003. 2 condensadores de 100nF, C3 y C9. 30-60

2 condensadores de 220µF, C2 y C8. 2 condensadores de 470µF, C6 y C12. 2 resistencias de 220Ω, R1 y R6. 2 resistencias de 22Ω, R2 y R7. 2 condensadores de 1000µF, C4 y C10. 2 condensadores de 100nF, C5 y C11. 2 resistencias 1Ω, R3 y R8. 4.4.3 Fuente de alimentación C1= 2200µF/35V (electrolítico). C3,C4= 100nF (poliéster). C7= 220µF/25V (electrolítico). IC= LM7812 (el 12 corresponde a la tensión que queremos de salida que queremos). Puente de diodos de 1,5A Transformador de 15VA y un secundario de 18V, para una tensión de salida de 12V. 1 conector 4 pins (macho-hembra). 4.4.5 Varios. Una tarjeta de sonido. Un PC. Tornillería variada. 5. Diseño del Software El software utilizado en el proyecto ha sido una de las piezas clave en la misión de llevar a buen puerto el proyecto. El software ha sido el paso previo en cada uno de nuestros objetivos. 31-60

El software en el que pensamos en un primer momento fue el sistema operativo, pensamos en la opción de Linux ya que este presenta las siguientes características que son de nuestro interés: Su utilización no requiere el pago de ninguna licencia. Se puede instalar en todas las máquinas que se necesite. El control de hardware se realiza mediante módulos de núcleo. El sistema operativo facilita mucho la gestión de los módulos, permitiendo por ejemplo la utilización de dos tarjetas de sonido simultáneamente. Tradición de software libre en el mundo UNIX, resulta muy fácil encontrar software que se adapte a nuestras necesidades y que su código sea abierto. Una vez el sistema operativo estuvo instalado, venía el momento de instalar todo el software necesario para ir probando nuestros montajes y para posteriormente ejecutar el proyecto. Los programas que forman parte de este proyecto son: Xoscope: Programa que simula el funcionamiento de un osciloscopio. o Tiene código abierto. Podemos modificarlo sin limitaciones, adaptarlo a nuestras necesidades o corregir BUGS sin depender del autor. o Se ajusta a nuestros requisitos. Un programa de generación de funciones de onda. o Hecho por nosotros o Utilizamos la toolkit GTK+, el entorno RAD (Rapid Aplication Display) GLADE. o Funciona sobre cualquier plataforma UNIX con drivers OSS. OSS (Open Sound System). o Está disponible como módulos para Linux. o Es libre. o Tiene un amplio soporte para numerosas tarjetas de sonido. o Proporciona una API (Aplication Programming Interface) muy bien documentada y unificada para diferentes dispositivos. Gmix o Es una aplicación que nos permite controlar los parámetros de entrada y salida de la tarjeta de sonido. o Es libre. 32-60

A continuación veremos el interface del Xoscope en la figura 9, del generador de funciones en la figura 10 y del Gmix en la figura 11. Fig.9 Fig.10 33-60

Fig.11 34-60

Aprovechamiento de ordenadores para automatizar prácticas de laboratorio 6. Resultados 6.1 Resultados de la práctica 1 (Circuito R-C) 6.1.1 Método operativo Se conecta el generador de funciones a baja frecuencia en el osciloscopio digital y visualizamos una onda cuadrada. 1. Montamos el circuito R-C. 35-60

2. Fijamos el valor de la resistencia en la posición 10(1,18 KΩ ) y la frecuencia en el intervalo 100Hz y 1kHz. Conectamos el osciloscopio alternativamente al condensador y a la resistencia y captamos las formas de onda de un periodo para las frecuencias 300 y 500 Hz y 1, 2 y 3 Khz. En total hemos captado 10 gráficas (cinco para la resistencia y cinco para el condensador). Comparamos las parejas correspondientes y explicar que se observa. Resistencia a 300Hz. Condensador a 300Hz. Como podemos observar en las gráficas cuando el condensador está cargándose por la resistencia no circula intensidad, una vez el condensador esta cargado este se 36-60

descarga produciendo un pico de intensidad en la resistencia. A esta frecuencia de 300Hz el condensador se descarga completamente y la resistencia llega a 0 después de pasar por su punto máximo. Resistencia a 500Hz. Condensador a 500Hz. A 500Hz vemos como el condensador va cargándose y descargándose más rápidamente pero la resistencia sigue llegando a 0 después de pasar por su punto máximo. 37-60

Resistencia a 1Khz. Condensador a 1Khz. A 1Khz la frecuencia hace que el condensador ya no se descargue completamente produciendo en la resistencia una caída después de su punto máximo que no llega a 0. 38-60

Resistencia a 2Khz. Condensador a 2Khz. A 2Khz el comportamiento empeora, vemos como el condensador tiene ya un proceso de carga y descarga demasiado rápido y esto hace que antes de que antes de que la resistencia llegue a 0 ya vuelve a tener un flujo de intensidad importante. 39-60

Resistencia a 3Khz. Condensador a 3Khz. A 3Khz se da la peor situación que hemos medido en esta práctica haciendo que el condensador no se descargue ni en un 50% de su capacidad y produzca así una curva de la resistencia casi plana si exageramos mucho la situación. A partir de aquí seguirían unas cuestiones planteadas al alumno para reforzar el fenómeno visto en esta práctica. 40-60

6.2 Resultados de la práctica 2 (Circuito R-l) Estudiaremos el comportamiento de un circuito R-L. Utilizando el siguiente montaje, completamos la tabla adjunta con los valores obtenidos empíricamente. R= 100Ω y N=900. Frecuencia (Hz) V NA Analógico (V) V NA Digital V NB Analógico (V) V NB Digital 200 0,09 10,5 0,36 33,5 210 0,1 11,5 0,36 34,5 225 0,11 12,5 0,38 35,5 240 0,12 13,5 0,38 35,5 250 0,12 13,5 0,38 35,5 275 0,13 15,5 0,38 37,5 300 0,14 17,5 0,38 38,5 350 0,17 20,5 0,4 40,5 450 0,22 27,5 0,43 43,5 600 0,3 36,5 0,46 47,5 1000 0,5 55,5 0,65 57 Calcula L utilizando los valores obtenidos en la tabla. Analógico ω=2πf ω -2 (V NB / V NA ) 2 1256,63706 6,33257E-07 16 1319,46891 5,74383E-07 12,96 1413,71669 5,00352E-07 11,9338843 1507,96447 4,39762E-07 10,02777778 1570,79633 4,05285E-07 10,02777778 1727,87596 3,34946E-07 8,544378698 1884,95559 2,81448E-07 7,367346939 2199,11486 2,06778E-07 5,53633218 2827,43339 1,25088E-07 3,820247934 3769,91118 7,03619E-08 2,351111111 6283,18531 2,53303E-08 1,69 41-60

18 Valores analógicos 16 14 12 10 8 6 4 2 0 y = 2E+07x + 0,9531 R 2 = 0,9897 0 1E-07 2E-07 3E-07 4E-07 5E-07 6E-07 7E-07 Digital ω=2πf ω -2 (V NB / V NA ) 2 1256,63706 6,3326E-07 10,1791383 1319,46891 5,7438E-07 9 1413,71669 5,0035E-07 8,0656 1507,96447 4,3976E-07 6,91495199 1570,79633 4,0528E-07 6,91495199 1727,87596 3,3495E-07 5,85327784 1884,95559 2,8145E-07 4,84 2199,11486 2,0678E-07 3,90303391 2827,43339 1,2509E-07 2,50214876 3769,91118 7,0362E-08 1,69356352 6283,18531 2,533E-08 1,05478451 12 Valores digitales 10 8 6 4 2 y = 1E+07x + 0,7192 R 2 = 0,9973 0 0 1E-07 2E-07 3E-07 4E-07 5E-07 6E-07 7E-07 42-60

6.2.1 Base teórica de la práctica Dado el siguiente esquema deducimos una serie de expresiones. 2 2 Z = R + ( Lω ) I I V = Z NB VNA = Lω VNB VNA Z R 2 1 = VNB = VNA VNB = 1+ ( ) V 2 NA Z Lω Lω L ω V V NA Nb 2 2 R = 1+ ω L 2 Una vez tenemos la recta de regresión nos disponemos a calcular la L. Analógico: V V NA Nb 2 7 = 0,9531+ 2 10 ω 2 2 R L = 2 10 7 R L = = 22, 36mH 7 2 10 Digital: V V NA Nb 2 7 = 0,7192+ 1 10 ω 2 2 R L = 1 10 7 L = R = 31, 62mH 7 1 10 43-60

6.3 Resultados de la práctica 3 (Transformador) Estudiaremos el fenómeno de la inducción electromagnética. 6.3.1 Parte A. Secundario con circuito abierto Dado el siguiente montaje, rellenaremos la tabla adjunta con los valores obtenidos empíricamente. Datos: f=50hz. y circuito abierto N N' V A A Analógico V A A Digital V B B Analógico V B B Digital 450 450 0,27 11,5 0,23 8,5 450 900 0,27 11,5 0,46 16,5 450 1800 0,27 11,5 0,85 33,5 900 450 1 43,5 0,4 17,5 1800 450 2,2 105 0,5 20,5 Calculamos: N'/N V B B / V A A Analógico V B B / V A A Digital 1 0,851851852 0,739130435 2 1,703703704 1,434782609 4 3,148148148 2,913043478 0,5 0,4 0,402298851 0,25 0,227272727 0,195238095 44-60

6.3.2 Parte B. Secundario con carga R Dado el siguiente montaje, rellenaremos la tabla adjunta con los valores obtenidos empíricamente. Datos: f=50hz., R= 100Ω y N=N =1800 vueltas. R' V A A Analógico V A A Digital V B B Analógico V B B Digital 0,26 11,5 0 0 1500 0,28 11,5 2,4 87 800 0,32 13,5 1,8 66,5 80 0,44 18,5 0,32 11,5 Calculamos: I=V A A / R Analógico I=V A A / R Digital I =V B B / R Analógico I =V B B / R Digital 2,6 115 0 0 2,8 115 1,6 58 3,2 135 2,25 83,125 4,4 185 4 143,75 A medida que aumentamos la intensidad en el secundario, la conocida expresión I 1 N 1 = I 2 N 2 tiende a cumplirse, ya que nos acercamos a las condiciones en que es válida. 45-60

7. Conclusiones 7.1 Pasos efectuados 1. Montaje de un PC, instalación de hardware y software. 2. Diseño y realización del circuito amplificador con circuito fuente de alimentación. 3. Diseño y realización del filtro de señales analógicas para captar la señal de la tarjeta de sonido. 4. Acomodación del circuito en el interior del PC. 5. Mecanización, diseño de la caja y rotulación. 6. Realización de un programa generador de ondas. 7. Diseño de una interface gráfica para el generador. 8. Selección de programas ya hechos (Xoscope, Gmix) instalación y puesta a punto. 9. Realización de una serie de pruebas de calibración. 10. Puesta a punto de montajes experimentales. 11. Realización y prueba de guiones de prácticas. 7.2 Conclusiones Estudio de la viabilidad de sustituir equipos comerciales por equipamiento de bajo coste. Entrada analógica. o A partir de 5kHz empiezan a haber acoplamientos en la tarjeta de sonido. Se ha comprobado fehacientemente que es la tarjeta. o El límite inferior de funcionamiento es de unos 10 Hz. o El software empleado tiene una resolución de 8 bits, que es suficiente para las aplicaciones que se pretenden. Salida analógica o De momento se han utilizado de 8 bits: las ondas son de forma satisfactoria tal y como se ha comprobado en un osciloscopio convencional. o La amplificación típica de los equipos de audio en los que stá inspirado nuestro diseño es suficientemente potente para las aplicaciones del laboratorio. 46-60

Montajes o Las prácticas de circuitos se pueden realizar satisfactoriamente con el rango de frecuencias proporcionado por el equipo. Las posibilidades del software, (memoria, captura de pantalla) añaden una mejora en la realización de las prácticas. A pesar de las prestaciones inferiores en algunos aspectos (límite superior de frecuencia, etc.) y algunas limitaciones, la relación entre posibilidades y coste es suficientemente buena como para considerar su implementación. 7.3 Mejoras futuras Colocación en el exterior del potenciómetro que hay en la salida del circuito de tratamiento de la señal analógica. Optimizar el filtro pasa bajo del circuito de tratamiento de la señal analógica. Modificar el software Xoscope para poder calibrar el eje Y. Estudio y mejora del filtro paso alto del circuito de filtrado de señal analógica (condensador C3). Prácticas de ondas (sonido) o Descomposición de Fourier de un sonido. o Interferencias. o Ondas estacionarias. Introducción de aplicación con señales débiles. I/O Digital. 47-60

8. Comparación de precios para viabilidad A continuación haremos una breve comparación entre la solución comercial que más se adapta a nuestro proyecto y nuestro propio proyecto. En la tabla que ha continuación mostramos aparece reflejado un desglose de los diferentes materiales que se han utilizado y su precio de coste. TOTAL CON IVA UNID. CONCEPTO 2 BLS/5 RESIS PR25 1/4W 10K 0,04 2 BLS/5 RESIS PR25 1/4W 100K 0,04 1 COND ELECTR RAD 85 C 35V 2200 UF 16X30 R-7'5 0,51 3 COND ELECTR RAD 85 C 25V 220UF 8X12 R-3'5 0,17 1 POSITIVE VOLTAGE REGULATOR 12V 1A TO-220 0,21 2 COND ELECTR RAD 85 C 63V 10 UF 5X11 R-2 0,05 2 COND ELECTR RAD 85 C 25V 470 UF 10X16 R-5 0,22 2 COND ELECTR RAD 85 C 25V 1000 UF 12X20 R-5 0,37 2 RESIS PM25 220H 1/4W 1% 0,03 2 BLS/5 RESIS PR25 1/4W 22H 0,03 2 BLS/5 RESIS PR25 1/4W 1H 0,03 2 10W AUDIO APLIFIER TO-220/5 1,78 1 CROVISA TRAFO C820 18V 2A 22,27 1 (2W04)BRIDG RECTIFIER 2A 400 V REDONDO 0,30 2 CONECTOR BNC HEMBRA PANEL REDONDO 1,47 2 PIHER COND CER PL 100V 22PF 0,04 2 PIHER COND CER PL 100V 0,01nF 0,03 2 BLS/5 RESIS PR25 1/4W 1M 0,03 2 BLS/5 RESIS PR25 1/4W 4K7 0,03 2 RESIS PR50 47K 1/2W 5% 0,02 6 SI.SS. 100V 0,2A. DO-35 0,06 8 BLS/25 TERMINAL PARA CONECTOR HEMBRA 2,54MM 0,10 8 BLS/3 CONEC POSTE MACHO 4PIN C.I. PASO 2,54 RECTO POLAR 0,67 2 BLS/1 CONMUTADOR MINI 1,43 1 BLS/1 CONMUTADOR MINIATURA 0,79 4 REPRO PLACA STAN CT-4 PASO 2,54 78X90 1MM 6,31 1 PENTIUM 100MHZ 64MB RAM 71,91 1 TARJETA DE SONIDO 27,84 1 TORNILLERIA VARIADA 2,32 TOTAL MATERIAL 139,09 10 HORAS DE MONTAJE 348,00 TOTAL PRESUPUESTO 487,09 Por otro lado tenemos el precio del elemento comercial que cumple con todos los requerimientos. ScienceWorkshop 750 con USB interface de la casa Pasco, valorado en 2.000. 48-60

9. Apéndice del proyecto 9.1 Práctica 1 (Circuito R-C) 1. OBJETIVO En esta práctica se pretende analizar el comportamiento de los condensadores en un circuito de corriente alterna utilizando el osciloscopio. Estudiaremos la carga y descarga de un condensador. 2. LISTA DE MATERIAL. 1 potenciómetro (2,2KΩ) 1 condensador (100nF) 1 osciloscopio 1 generador de señal 2 sondas coaxiales 2 cables clavija-pinza 1 cable BNC-BNC 3. FUNDAMENTO TEÓRICO En aplicar una tensión a un condensador, la diferencia de potencial a los bornes del mismo no es instantáneamente igual al valor del voltaje aplicado, porque necesita un tiempo para cargarse. R i (t) v (t) V o V(t) C 49-60

La diferencia de potencial y la intensidad de corriente que pasa por el condensador en la carga y en la descarga, están relacionados de la siguiente manera: Carga: V = V o (1 e t/r ) i = i o e t/r (1) Descarga: V= V o e t/r i = - i o e t/r (2) Dónde: I o = V o / R i r = RC (3) Gráfica de la carga del condensador Cuanto más grande es el producto RC más lento es la carga del condensador. 50-60