Práctica 1 - Departamento de Ingeniería Electrónica

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSE DE SUCRE”
VICERRECTORADO BARQUISIMETO
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
LABORATORIO II DE ELECTRÓNICA
1
PRÁCTICA Nº 1
INTEGRADORES Y DIFERENCIADORES.
PREPARACIÓN TEÓRICA
1.1.- INTRODUCCIÓN
Las operaciones de integración y diferenciación de señales eléctricas, son
fundamentales en la generación y procesamiento de formas de onda. Diversos
circuitos con redes RC y elementos discretos e integrados se emplean
usualmente para ejecutar estas operaciones y a menudo, se combinan sus
características para lograr efectos especiales.
1.2.- OBJETIVOS
- Analizar y verificar las operaciones de integración y diferenciación de señales
eléctricas con redes RC y circuitos con elementos discretos e integrados.
- Analizar y graficar las funciones de transferencia de los diversos circuitos
considerados.
- Identificar las características y limitaciones de los diversos montajes al ser
empleados como filtros.
- Calcular y establecer la relación entre la constante de tiempo de los circuitos
integradores y diferenciadores RC y los efectos obtenidos en el dominio del
tiempo y de la frecuencia.
1.1.- CIRCUITOS RC CON ELEMENTOS DISCRETOS.
A.- EFECTO INTEGRATIVO Y FILTRAJE PASA-BAJO.
La Fig. 1.1 ilustra el esquema de una red RC con elementos discretos que
puede ser empleada para producir efectos de integración o de filtraje del tipo
pasa-bajo en ciertas aplicaciones y rangos limitados de frecuencia.
R
Vo
Vi
C
1kHz
Figura 1.1
ACTIVIDADES
- Deduzca y calcule la tensión de salida (Vo) del circuito de la figura 1.1
cuando la tensión de entrada (Vi) es una onda sinusoidal de 2V de
amplitud de pico, con un período de repetición de 100 µs , si R=100K y
C=0.01 µF .
-
Grafique las señales Vi y Vo del punto anterior una debajo de la otra.
Emplee una escala de tiempo adecuada. Muestre por lo menos un par
de ciclos.
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- Deduzca, calcule y grafique la función de transferencia Vo/Vi del circuito
-
-
de la Fig. 1.1 tanto en amplitud como en fase. Emplee una escala de
frecuencia adecuada.
Grafique las tensiones de entrada (Vi) y salida (Vo) del mismo circuito
cuando se utiliza una onda cuadrada de 2 V de amplitud de pico y un
período de 100 µs como excitación (Vi). Asuma operación de estado
estable.
Explique el efecto del circuito sobre una señal sinusoidal aplicada como
entrada, cuya frecuencia puede ajustarse en el rango f1=1/10 τ y
f2=1/0.1 τ , si τ =RC.
B.- EFECTOS DERIVATIVOS Y FILTRAJE PASA-ALTO.
La figura 1.2 muestra el esquema de una red RC que puede ser empleada para
lograr un efecto derivativo o un filtrado pasa-alto según la señal de entrada y el
correspondiente rango de frecuencia de la misma.
C
Vo
Vi
R
1kHz
Figura 1.2
ACTIVIDADES
- Deduzca y calcule la tensión de salida del circuito de la figura 1.2, si la
tensión de entrada es una onda sinusoidal de 2V de amplitud de pico y
500Hz de frecuencia. Asuma R=91K y C=0.02 µF .
- Dibuje secuencialmente las señales de entrada (Vi) y salida (Vo)
correspondientes al punto anterior.
- Deduzca, calcule y grafique la función de transferencia Vo/Vi del circuito
-
de la figura 1.2. Seleccione una escala de frecuencia adecuada.
Grafique aproximadamente la tensión de salida (Vo) si la entrada (Vi) es
una onda cuadrada y a) τ =0.1T y b) τ =10T.
- Explique el comportamiento del circuito de la figura 1.2 cuando la señal
de entrada (Vi) es una onda sinusoidal de 2V de amplitud de pico y cuya
frecuencia puede ajustarse en el rango f1= 1/10 τ hasta f2=1/0.1 τ
1.2.-APLICACIONES DE LAS REDES RC
A.- CIRCUITO DE INICIALIZACIÓN.
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La figura 1.3 ilustra el esquema de un circuito con un AO que emplea una red
RC de temporización para producir una señal de inicialización (reset de inicia)
de una duración de 5s tan pronto se conecta la fuente DC al circuito.
12V
12V
D1
R
11
4
2+
3
D2
LED1
1
LM324
Rd
-12V
C
12V
Vx
Figura 1.3
ACTIVIDADES
- Explique el funcionamiento del circuito de la fig. 1.3.
- Calcule los valores de R y C para lograr el tiempo deseado si el AO
utilizado es el LM324, con alimentación dual de +V=12V y –V=-12V.
Asuma que Vx=5V y que la corriente del LED rojo es de 10mA.
- Explique el efecto logrado al intercambiar las posiciones de R y C
(cambie también el diodo).
B.- CONFORMADOR DE SEÑALES
La figura 1.4 corresponde al esquema de un circuito con AOs y una red RC
cuyo efecto combinado permite obtener un tren rectangular de pulsos de la
misma frecuencia de señal de entrada.
Vi
Re
12V
D1
12V
+
400 Hz
U1A
LM324
-12V
U1B
+ LM324
R
C
12V
Vx
-
-
Rd
-12V
D1
LED1
D2
LED1
Figura 1.4
Explique el funcionamiento del circuito de la fig. 1.4.
Si la señal de entrada es una onda triangular de 2V de amplitud de pico
y 400Hz de frecuencia, determine los valores de R y C para obtener
como salida, un tren de pulsos de la misma frecuencia, pero de un ciclo
útil de 25%. Asuma fuentes de 12V y Vx=2V. La corriente en los LEDs
es de 15mA.
Dibuje las señales Vi y Vo del punto anterior.
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-
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Explique el efecto obtenido al intercambiar las posiciones de R y C
(cambie también el diodo) en el circuito de la fig. 1.4. Dibuje formas de
onda.
1.3.- BIBLIOGRAFÍA.
1.- Milman-Halkias. Integrated Electronics. McGraw-Hill, 1972.
2.- Deboo-Burrous. Integrated Circuits and Semiconductor Devices: Theory and
Applications. McGraw-Hill, 1971.
3.- Robert Coughlin. Circuitos Integrados Lineles. Prentice Hall, 1987.
4.-Stout and Kaufman. Operational Amplifier Circuit Design. McGraw-Hill, 1976.
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PRÁCTICA N° 1
INTEGRADORES Y DIFERENCIADORES
TRABAJO DE LABORATORIO.
1.1.- OBJETIVOS:
En este práctica el estudiante procederá a:
- Efectuar varios montajes de circuitos para verificar las operaciones de
integración y diferenciación de señales eléctricas.
- Comprobar el efecto de filtraje pasa-bajo y pasa-alto logrado mediante el
empleo de redes RC.
- Establecer las características, alcances y limitaciones de los distintos
circuitos.
- Determinar las ventajas y desventajas del empleo de redes RC en
aplicaciones prácticas con elementos discretos e integrados.
1.2.- MATERIAL REQUERIDO:
-
Un amplificador operacional LM324.
Una década de resistencias.
Una década de condensadores.
Dos potenciómetros: 100K, 1M.
Dos diodos LEDs, uno rojo y otro verde.
Cinco resistencias de ¼ w: 3x10K, 2x100K.
Un generador de señales (Wavetek).
Un osciloscopio dual.
Un protoboard.
Puntas de prueba, cables y demás elementos de conexión.
1.3.- EFECTO INTEGRATIVO Y FILTRAJE PASA-BAJO.
La fig. Nº 1.1 ilustra el esquema de una red RC que presenta un efecto
integrativo y un comportamiento de filtro pasa-bajo para determinados rangos
de frecuencia y condiciones de operación según la señal empleada.
R1
Vi
Vo
Rp
C
1kHz
Figura 1.1
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ACTIVIDADES:
1.- Monte el circuito de la Fig. 1.1 con R1=10K Ω , Rp=100k Ω y C=3.3 nF .
2.-Ajuste el generador Vi (Wavetek) para obtener una onda sinusoidal de 2V de
amplitud de pico, 330 µs de período y cero nivel DC.
3.- Varie Rp hasta que τ =RC=330 µs y dibuje las señales de entrada (Vi) y
salida (Vo) secuencialmente.
4.- Ajuste gradualmente la frecuencia de la señal de entrada hasta que τ =20T
y dibuje Vi y Vo.
5.- Repita el apartado 4 con τ =0.05T.
6.- Seleccione una onda cuadrada de 2 V de pico y 330 µs de periodo y repita
los apartados 3,4 y 5.
7.- Explique los resultados anteriores y las posibles diferencias con respecto a
las predicciones teóricas.
8.- Indique las características y limitaciones del circuito en estudio para operar
como integrador práctico y como filtro pasa-bajo.
1.4.-EFECTO DERIVATIVO Y FILTRAJE PASA-ALTO.
1.- Monte el circuito de la figura 1.2 con R1=10K Ω , Rp=100k Ω y C=3.3 nF .
2.- Repita los puntos 2 a 7 del apartado anterior, pero en lugar de una onda
cuadrada, cuando corresponda, emplee una onda triangular y use τ =666T y
τ =0.0015T para los apartados 4 y 5 respectivamente.
3.-Indique las características y limitaciones del circuito en estudio. Señale
algunas de las ventajas y desventajas del mismo para operar como
diferenciador práctico o filtro pasa-alto.
C
Vi
Vo
Rp
1kHz
R1
Figura 1.2
1.5.- CIRCUITO DE INICIALIZACION.
El circuito de la figura 1.3 permite generar un pulso de inicialización (reset de
inicio) de duración ajustable, inmediatamente después de conectar la fuente
DC.
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12V
12V
D1
R
11
4
2+
3
D2
LED1
1
Rd
LM324
-12V
C
12V
Vx
Figura 1.3
ACTIVIDADES:
1.- Monte el circuito de la Fig. Nº 1.3. Emplee un AO LM324 y seleccione los
demás elementos de modo que el pulso de inicio dure 5 segundos y la corriente
en el LED rojo, sea de 10 mA. Asume que la tensión de referencia Vx=5V.
2.- Ajuste Vx a tres (3) valores diferentes y tome nota de los resultados.
Compárelos con los valores calculados teóricamente.
3.- Explique la función del diodo en paralelo con la resistencia.
4.- Intercambie la posición del condensador y la red resistencia-diodo y repita el
punto 2.
5.-Mencione algunas aplicaciones prácticas de los circuitos de inicialización
considerados.
1.6.- CONFORMADOR DE SEÑALES.
El circuito de la Fig. 1.4 permite obtener un tren de pulsos rectangulares de la
misma frecuencia de la señal de entrada cuyo ciclo útil es ajustable en un
amplio rango.
Vc
Vi
400 Hz
Re
12V
+V
+
U1A
LM324
12V
+V
U1B
+ LM324
D1
R
C
12V
3
2
+V
-V
-12V
-V
-12V
1
Vo
Rd
LED1
LED2
Vx
Figura 1.4
ACTIVIDADES:
1.- Ajuste el generador para obtener una señal triangular de 2V de pico y
400Hz de frecuencia.
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2.- Monte el circuito de la Fig. 1.4 con los elementos seleccionados de modo
que se obtenga un tren de pulsos rectangulares de 75% de ciclo útil (referido al
tiempo en alto). Asuma un ajuste del potenciómetro de forma que Vx=2V.
Asegúrese que la corriente en los leds no sea mayor de 15 mA.
3.-Dibuje las señales Vi, Vc y Vo secuencialmente.
4.- Varíe la amplitud y frecuencia de la señal de entrada Vi, anote y explique los
resultados.
5.- Seleccione una señal sinusoidal y observe los resultados.
6.- Invierta las posiciones del condensador y la red diodo-resistencia y ajuste
Vx para conseguir 75% de ciclo de trabajo. Repita los puntos 2,3 ,4 y 5
anteriores.
7.- Indique las limitaciones básicas de los dos últimos circuitos desde el punto
de vista práctico.