(PUNTO NO

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL.
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA.
“IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA
ELECTRONICO DIGITAL PARA MEDIR LA
VELOCIDAD Y DIRECCION DEL VIENTO”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN AERONAUTICA PRESENTAN:
VALVERDE FLORES MARCO ANTONIO.
SANDOVAL GONZALEZ JESUS ALBERTO.
ASESORES
M. EN C. JORGE SANDOVAL LEZAMA.
M. EN C. FELIPE GONZALEZ LEON.
México D.F., febrero de 2015
I
II
IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA ELECTRONICO DIGITAL PARA
MEDIR LA VELOCIDAD Y DIRECCION DEL VIENTO.
Que para obtener el titulo de Ingeniero en Aeronáutica presentan:
Valverde Flores Marco Antonio.
Sandoval González Jesús Alberto.
RESUMEN.
El desarrollo de las operaciones aéreas depende básicamente,
de las
facilidades otorgadas por las autoridades aeronáuticas en cada aeródromo, y
específicamente para el despegue y aterrizaje que representan los factores más
críticos en una operación es necesario conocer las variables climáticas persistentes
en el momento, como son
la temperatura, la humedad relativa, la presión, la
velocidad y dirección del viento, por lo que es necesario contar con el equipo
correspondiente para el conocimiento de tales parámetros; desafortunadamente en
ese rubro nuestra dependencia de tecnología extranjera es total, tanto para la
adquisición, como para el mantenimiento de los equipos, misma que representa
elevados costos; ya que hasta la fecha ninguna empresa nacional ha tomado en
sus manos tal responsabilidad, por lo que resulta imperante la necesidad de
implementar un sistema electrónico digital eficaz y económico, desarrollado con
tecnología nacional, que cubra esa necesidad.
1
OBJETIVO.
Se ha implementado un sistema electrónico para medir variables climáticas
como son: la velocidad y dirección del viento , estas variables son sensadas a
través de fotodetectores convirtiendo los valores analógicos de la velocidad de giro
y la posición de las veletas en palabras digitales de 4 bits las cuales después de
ser procesadas mediante lógica digital TTL serán desplegadas en pantallas
digitales de 7 segmentos con valores digitalizados con una resolución para el caso
del anemómetro de 1 m/s y en el caso de la veleta de 10 grados.
La medición precisa de variables climáticas, examen cuidadoso de los
fenómenos que producen dichos cambios y del modelo matemático que los
representa. La interpretación más adecuada será aquella que presente una
variación lineal con respecto al parámetro que se toma como base, de no ser así
debe buscarse la linealización de parámetros.
La interpretación de las variables ayudará al especialista en el campo de la
meteorología a predecir cual será el estado climático en un tiempo posterior.
2
INDICE GENERAL.
PAGINA.
RESUMEN.
1
OBJETIVO.
2
CAPITULO
1. FAMILIAS LOGICAS DE CIRCUITOS INTEGRADOS.
7
8-11
1.1.
INTRODUCCION.
1.2.
FAMILIAS LOGICAS DIGITALES IC
11-16
1.3.
LOGICAS POSITIVA Y NEGATIVA
16-27
1.4.
CARACTERISTICAS DE LAS FAMILIAS LOGICAS IC
27-30
1.5.
LA COMPUERTA AND.
30-32
1.6.
LA COMPUERTA OR.
32-35
1.7.
LA COMPUERTA NOT.
36-37
1.8.
CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES.
37-39
40
2. DIODOS.
2.1.
EL SIMBOLO ELECTRICO.
41
2.2.
LA CURVA DEL DIODO.
41
2.3.
LA ZONA DIRECTA.
41
2.3.1.
Tensión umbral.
41
2.3.2.
Dispositivo no lineal.
42
2.3.3.
Resistencia interna.
42
2.3.4.
Máxima corriente continúa con polarización
43
directa.
2.3.5.
Disipación máxima de potencia.
43-44
2.4.
LA ZONA INVERSA.
44
2.5.
EL DIODO IDEAL.
44
3
CAPITULO.
PAGINA.
3. DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS
45
3.1.
DIODO EMISOR DE LUZ.
46-47
3.2.
FOTODIODO
47-48
3.3.
OPTOACOPLADOR.
48-50
4. CONVERSOR ANALOGICO DIGITAL.
51-53
4.1.
RESOLUCION Y EXACTITUD DEL A/D
53-54
4.2.
TIEMPO DE CONVERSION tc.
54-55
5. CONVERSION DE DIGITAL A ANALOGICO.
56-58
5.1.
VALORES DE ENTRADA.
58-59
5.2.
RESOLUCION (TAMAÑO DE ETAPA)
59-60
5.3.
CODIGO DE ENTRADA BCD.
60
5.4.
DAC MULTIPLICATIVOS.
61
5.5.
ESPECIFICACIONES DAC.
5.6.
APLICACIONES DAC
6. SENSORES DE POSICION.
61-62
63
64
6.1.
POTENCIOMETRO ANGULAR.
65
6.2.
ENCODERS.
66
6.2.1.
Encoders incrementales.
67-69
6.2.2.
Encoders absolutos.
70-73
7. CONTADORES Y REGISTROS.
7.1.
CONTADORES ASINCRONOS (DE RIZO).
7.1.1.
Número MOD.
7.1.2.
División de frecuencias.
74
75
75
76-77
7.2.
CONTADORES CON NUMEROS MOD < 2N.
77-79
7.3.
CONTADORES ASINCRONOS CI (IC).
79-81
4
CAPITULO.
PAGINA.
7.4.
CONTADORES ASINCRONOS DESCENDENTES.
81-83
7.5.
DEMORA EN LA PROPAGACION DE CONTADORES DE
83-85
ONDAS.
7.6.
DECODIFICACION DE UN CONTADOR.
85-86
7.6.1.
Decodificación alta-activa.
86
7.6.2.
Decodificación del contador BCD.
87
7.7.
CONTADORES BCD CON TRANSMISION EN CASCADA.
87-89
7.8.
CONTADORES DE REGISTROS DE CAMBIOS.
89-90
7.8.1.
Contador en forma de anillo.
8. INSTRUMENTOS DE MEDICION.
90-92
93
8.1.
INTRODUCCION.
94
8.2.
VELOCIDAD DEL VIENTO.
8.3.
ANEMOMETROS ROTATIVOS DE CUBETAS.
97
8.4.
ANEMOMETROS CON PALETAS DE ORIENTACIÓN Y
97
95-96
HELICES CON MONTURA FIJA.
8.5.
TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD DEL VIENTO.
8.6.
DIRECCION DEL VIENTO.
98-100
100
8.6.1.
Paletas de viento.
100-101
8.6.2.
Anemómetros de hélice con montura fija.
102
8.6.3.
Transductores de dirección del viento.
102
8.6.4.
Ubicación y exposición de los instrumentos de
103-104
medición del viento.
8.7.
DESEMPEÑO DEL SISTEMA.
8.7.1.
8.8.
105
Exactitud del sistema.
CARACTERISTICAS DE LAS
105-106
RESPUESTAS DE LOS
107-108
SENSORES METEOROLOGICOS IN SITU.
5
CAPITULO.
9. DESARROLLO DEL PROYECTO.
PAGINA.
109
9.1.
ANEMOMETRO.
110-117
9.2.
FUNCIONAMIENTO DEL ANEMOMETRO.
118-123
9.3.
VELETA.
123-132
9.4.
FUNCIONAMIENTO DE LA VELETA.
133-137
10.
CONCLUSIONES.
GLOSARIO DE ABREVIATURAS.
ANEXOS.
BIBLIOGRAFIA.
138
139
140-189
190
6
1. FAMILIAS LOGICAS DE CIRCUITOS
INTEGRADOS.
7
1.1.
INTRODUCCION
Los circuitos digitales en forma invariable se construyen con circuitos
integrados. Un circuito integrado (abreviado IC) es un cristal semiconductor
pequeño de silicio, llamado pastilla, que contiene componentes eléctricos
como transistores, diodos, resistores y capacitores. Los diversos componentes
están interconectados dentro de la pastilla para formar un circuito electrónico.
La pastilla se monta en un paquete de metal o plástico y se sueldan
conexiones a las clavijas externas para formar el IC. Los circuitos integrados
difieren
de
otros
circuitos
electrónicos
compuestos
de
componentes
desprendibles en que los componentes, individuales de un IC no pueden
separarse o desconectarse y el circuito en el interior del paquete es accesible
sólo a través de las clavijas externas.
Los circuitos ¡integrados se obtienen en dos tipos de paquetes: el paquete
plano y el paquete dual en línea (DIP) como se muestra en la Fig. 1.1.
FIGURA 1.1.
PAQUETE DE CIRCUITOS INTEGRADOS.
8
El paquete dual en línea es el tipo de mayor uso debido a su precio bajo y
fácil instalación en tableros para conexionar circuitos. La envolvente del
paquete IC se hace de plástico o cerámica. La mayoría de los paquetes tienen
tamaño estándar y el número de clavijas varía desde 8 a 64. Cada IC tiene una
denominación numérica impresa en la superficie del paquete para su
identificación. Cada vendedor publica un libro o catálogo con ¡información que
proporciona los datos necesarios que conciernen a los diversos productos.
El tamaño de los paquetes IC es muy pequeño. Por ejemplo: cuatro
compuertas AND están encerradas dentro de un paquete dual en línea de 14
clavijas con dimensiones de 20 X 8 X 3 milímetros. Un microprocesador entero
se encuentra dentro de un paquete dual en línea de 40 clavijas con
dimensiones de 50 X I5 X 4 milímetros.
Aparte de una reducción sustancial en tamaño, los IC ofrecen otras
ventajas y beneficios en comparación con los circuitos electrónicos hechos de
componentes discretos. El costo de los IC es muy bajo, lo que los hace
económicos para su utilización. Su consumo reducido de potencia hace que el
sistema digital tenga una operación más económica. Tiene una alta
confiabilidad contra fallas de modo que el sistema digital necesita menos
reparaciones. La velocidad de operación es más alta, lo cual los hace
adecuados para operaciones de alta velocidad.
9
El uso de los IC reduce el número de conexiones de alambrado externas,
debido a que muchas de las conexiones están en el interior del paquete.
Debido a todas estas ventajas, los sistemas digitales siempre se construyen
con circuitos integrados.
Los circuitos integrados se clasifican en dos categorías generales, lineales y
digitales. Los IC lineales operan con señales continuas para proporcionar
funciones electrónicas como amplificadores y comparadores de voltaje. Los
circuitos integrados digitales operan con señales binarias y están hechos de
compuertas digitales interconectadas. Aquí el interés se centra sólo en los
circuitos integrados digitales. Conforme ha mejorado la tecnología de los IC,
el número de compuertas que pueden colocarse dentro de una sola pastilla de
silicio ha aumentado en forma considerable. La diferenciación entre los IC que
tienen unas cuantas compuertas internas y los que tienen decenas o cientos de
compuertas; se hace por una referencia acostumbrada de que un paquete es
un dispositivo de pequeña, mediana o gran escala de integración. Varias
compuertas lógicas en un solo paquete hacen un dispositivo con integración a
pequeña escala (SSI).
Para calificar como un dispositivo de integración a media escala (MSI), el IC
debe realizar una función lógica completa y tener una complejidad de 10 a
100 compuertas. Un dispositivo de integración a gran escala (LSI) lleva a cabo
una función lógica con más de 100 compuertas.
10
También hay dispositivos de integración a muy alta escala (VLSI) que
contienen miles de compuertas en una sola pastilla. Muchos de los diagramas
de circuitos digitales que se consideran en este capitulo se muestran en detalle
hasta las compuertas individuales y sus conexiones. Dichos diagramas son
útiles para demostrar la construcción lógica de una función particular.
Sin embargo, debe tenerse en cuenta que en la práctica, la función puede
obtenerse por un dispositivo MSI o LSI, y el usuario tiene acceso a las entradas
y salidas externas pero no a las entradas y salidas de las compuertas
intermedias. Por ejemplo un diseñador que desea incorporar un registro en su
sistema es más probable que escoja una función de esta clase de un circuito
MSI disponible, en lugar de diseñarlo con circuitos digitales individuales como
puede mostrarse en un diagrama.
1.2.
FAMILIAS LOGICAS DIGITALES IC
Se estableció que los circuitos digitales se construyen en forma invariable
con IC. Las compuertas digitales IC se clasifican no sólo por su operación
lógica, sino también por la familia de circuitos lógicos a las cuales pertenecen.
Cada familia lógica tiene su propio circuito electrónico básico con el cual se
desarrollan circuitos y funciones digitales más complejos. El circuito básico de
cada familia es una compuerta NAND o bien una compuerta NOR.
Los componentes electrónicos que se emplean en la construcción del
circuito básico por lo general se utilizan para nombrar la familla lógica.
11
En el comercio se han introducido muchas familias lógicas diferentes de IC
digitales. Las que han alcanzado un amplio uso popular se listan a
continuación.
TTL
Lógica de transistor-transistor
ECL
Lógica de emisor acoplado
MOS
Semiconductor de óxido metálico
CMOS Semiconductor complementario de óxido metálico
I2 L
Lógica de inyección integrada
La lógica TTL tiene una lista extensa de funciones digitales y hoy día es la
familia lógica más popular.
La lógica ECL se utiliza en sistemas que requieren operaciones de alta
velocidad. Las MOS e /2 L se usan en circuitos que requieren alta densidad de
componentes y la CMOS se emplea en sistemas que necesitan bajo consumo de
potencia.
Debido a la alta densidad con la cual pueden fabricarse los transistores en
MOS e IL, estas dos familias son las que más se utilizan para las funciones LSI.
Las otras tres familias, TTL, ECL, y CMOS, tienen dispositivos LSI y también
un gran número de dispositivos MSI y SSI.
Los dispositivos SSI son los que incluyen un pequeño número de
compuertas o flip-flops en un paquete IC.
12
El límite del número de circuitos en los dispositivos SSI es el número de
clavijas en el paquete. Por ejemplo:, un paquete de 14 clavijas puede
acomodar sólo cuatro compuertas de dos entradas, debido a que cada
compuerta requiere tres clavijas externas, dos para cada una de las entradas y
una para la salida, con un total de 12 clavijas.
Las dos clavijas restantes se necesitan para suministrar potencia a los
circuitos. Algunos circuitos típicos SSI se muestran en la Fig. 1.2. Cada IC se
encapsula un paquete de 14 o 16 clavijas.
Las clavijas se numeran a lo largo de los dos lados del paquete y especifican
las conexiones que pueden hacerse.
13
FIGURA 1.2 EJEMPLOS DE ALGUNAS COMPUERTAS LOGICAS.
14
Las compuertas dibujadas dentro de los IC son sólo para información y no
pueden verse debido a que el paquete IC real aparece como se muestra en la
Figura 1.1.
Los IC de la familia TTL por lo común se distinguen por designaciones
numéricas como las series 5400 y 7400. La primera tiene amplios márgenes de
temperatura de operación, adecuados para uso militar y, la segunda tiene
márgenes más reducidos de temperatura, adecuados para uso industrial. La
designación numérica de la serie 7400 significa que los paquetes IC están
numerados como 7400, 7401, 7402, etc. Algunos proveedores ponen a la
disposición IC de la familia TTL con denominaciones numéricas diferentes,
como las series 9000 u 8000.
En la Figura 1.2a se muestran dos circuitos TTL SSI. La serie 7404
proporciona seis (hexa) inversores en un paquete. La serie 7400 proporciona
cuatro (cuádruple) puertas NAND de dos entradas. Las terminales marcadas Vcc
y GND son las clavijas de suministro de potencia que requieren un voltaje de 5
volts para la operación apropiada.
El tipo más común de ECL se designa como la serie 10000. En la Fig. 1.2b
se muestran dos circuitos ECL. La serie 10102 proporciona compuertas NOR de
dos entradas. Una compuerta ECL puede tener dos salidas, una para la función
NOR y otra para la función 0 (clavija 9 del 10102IC). El 10107 proporciona tres
compuertas excluyentes OR.
15
Aquí hay de nuevo dos salidas para cada compuerta; la otra salida de la
función excluyente NOR o de equivalencia. Las compuertas ECL tienen tres
terminales para suministro de potencia. VCC1 y VCC2 por lo común se conectan a
tierra y VEE a un suministro de - 5.2 volt.
Los circuitos CMOS de la serie 4000 se muestran en la Fig. 1.2c Sólo pueden
acomodarse en el 4002 dos compuertas NOR de cuatro entradas, debido a la
limitación de clavijas. El tipo 4059 proporciona seis compuertas buffer. Ambos
ICS tienen dos terminales sin uso marcadas NC (no conexión). La terminal
marcada Vss requiere un voltaje en el suministro de potencia de 3 a 15 volts, en
tanto Vss por lo común se conecta a tierra.
1.3.
LOGICAS POSITIVA Y NEGATIVA
La señal binaria en la entrada o salida de cualquier compuerta puede tener
uno de dos valores, excepto durante la transición. Un valor de la señal
representa la lógica 1 y el otro, la lógica 0. Ya que se asignan dos valores de
señal a dos valores lógicos, existen dos diferentes asignaciones de señales a
lógica. Debido al principio de dualidad de álgebra booleana, un intercambio en
la asignación del valor de señal resulta en el implante de una función dual.
Considérense los dos valores de una señal binaria tal como se muestra en la
Fig. 1.3 un valor debe ser más alto que el otro, ya que los dos valores deben
ser diferentes con objeto de distinguir entre ellos.
16
Se designa el nivel alto por H y el nivel bajo por L. Hay dos elecciones para
la asignación del valor de lógica. La elección del nivel alto H para que
represente la lógica 1, como se muestra en la Fig. 1.3a, define un sistema de
lógica positiva. La elección del nivel bajo L para representar la lógica 1, como
se muestra en la Fig. 1.3b, define un sistema de lógica negativa. Los términos
positiva y negativa algunas veces pueden ser engañosos, ya que ambas señales
de valor pueden ser positivas o negativas. No es la polaridad de la señal la que
determina el tipo de lógica, sino más bien la asignación de valores lógicos de
acuerdo con las amplitudes relativas de las señales.
FIGURA 1.3 ASIGNACION DE AMPLITUD Y TIPO DE SEÑAL LOGICA.
Las hojas de datos de los circuitos integrados definen las funciones digitales
no en términos de la lógica 0, sino más bien en términos de los niveles H y L.
Se deja al usuario decidir la asignación de una lógica positiva o negativa. Los
voltajes de alto nivel y bajo nivel para las tres familias lógicas digitales IC se
listan en la Tabla 1.1.
17
En cada familia, hay unos márgenes de valores de voltaje que el circuito
reconocerá como nivel alto o bajo. El valor típico es el que más se encuentra
por lo común. En la tabla también se listan los requisitos del suministro de
voltaje para cada familia como una referencia.
Tipo de familia
IC
Voltaje de suministro
(V)
TTL
ECL
CMOS
Lógica positiva:
Lógica
negativa:
VCC = 5
VEE = -5.2
VDD = 3 - 10
Alto nivel de
(V)
Márgenes
2.4 – 5
-0.95 - -0.7
VDD
voltaje
típico
3.5
-0.8
VDD
Lógica
1
0
Bajo nivel de voltaje
Márgenes
0 - -0.4
-1.9 - -1.6
0 – 0.5
típico
0.2
-1.8
0
Lógica
1
Lógica
0
Lógica
TABLA No 1.1 NIVELES DE H Y L EN LAS FAMILIAS LOGICAS IC.
La familia TTL tiene valores típicos de H =3.5 volts y L = 0.2 volts. La
familia ECL tiene dos valores negativos, con H = -0.8 volts y L = -1.8 volts.
Obsérvese que aunque ambos niveles son negativos, el más elevado es -0.8.
Las compuertas CMOS pueden usar un voltaje de suministro VDD en cualquier
parte entre 3 y 1 5 volts: en forma típica, utilizan ya sea 5 o 10 volts. Los
valores de seña! en las CMOS son de una función del voltaje de suministro con
H = VDD Y L = 0 volts. Las asignaciones de polaridad para lógica positiva y
negativa también se indican en la tabla.
18
A la luz de esta exposición, es necesario justificar los símbolos lógicos
usados para los IC que se listan en la Fig. 1-1.Tómese, por ejemplo, una de las
compuertas del IC 7400.
Esta compuerta se muestra en forma de diagrama de bloques en la Fig.
1.3.1.(b). La tabla de verdad del fabricante para esta compuerta dada en una
hoja de datos se muestra en la Fig. 1.3.1(a).
En esta tabla se especifica el comportamiento físico de la compuerta, con H
de 3.5 volts en forma típica y L de 0.2 volts. Esta compuerta física puede
funcionar ya sea como compuerta NAND o NOR, dependiendo de la asignación
de polaridad.
19
FIGURA 1.3.1 DEMOSTRACION DE LA LOGICA POSITIVA Y NEGATIVA.
En la tabla de verdad de !a Fig. 1.3.1(c) se supone la asignación de lógica
positiva con H = 1 y L = 0. Al verificar esta tabla de verdad en la Fig.1.3.1, se
reconoce como una compuerta NAND. El símbolo gráfico para una compuerta
NAND de lógica positiva se muestra en la Fig. 1.3.1 (b) y es similar a la que se
adoptó con anterioridad.
Ahora considérese la asignación de lógica negativa a esta compuerta física
con L = 1 y H = 0. El resultado es la tabla de verdad que se muestra en la Fig.
1.3.1 (e).
20
Puede reconocerse que esta tabla representa la función NOR aún cuando
sus entradas están listadas hacia atrás. El símbolo gráfico para una compuerta
NOR de lógica negativa se muestra en la Fig. 1.3.1 (f). El pequeño triángulo en
los alambres de entrada y salida designan un indicador de polaridad. La
presencia de este indicador de polaridad a lo largo de una terminal indica que
se asigna una lógica negativa a la terminal. Por tanto, la misma compuerta
física puede funcionar ya sea como una NAND de lógica positiva o como una
NOR de lógica negativa.
De manera semejante, es posible mostrar que una NOR de lógica positiva
es la misma compuerta física que una NAND de lógica negativa. La misma
relación es válida entre las compuertas AND y OR o entre las compuertas
excluyente-OR y equivalencia. En cualquier caso, si se supone lógica negativa
en cualquier terminal de entrada o salida, es necesario incluir el símbolo del
triángulo ¡indicador de polaridad junto a la terminal.
La conversión de lógica positiva en lógica negativa y viceversa es en esencia
una operación que cambia los 1 en 0 y los 0 en 1, tanto en las entradas como
en las salidas de una computadora. Ya que esta operación produce el dual de
una función, el cambio de todas las terminales de una polaridad a la otra
resulta en tomar la dual de la función.
El resultado de esta conversión es que todas las operaciones AND se
convierten en operación OR (o símbolos gráficos) y viceversa.
21
Además, no debe olvidarse incluir el indicador de polaridad en los símbolos
gráficos cuando se supone lógica negativa.
El pequeño triángulo que representa un indicador de polaridad y el pequeño
círculo que representa una complementación tienen efectos similares pero
diferente significados. Por tanto, puede reemplazarse uno por otro, pero la
interpretación es diferente.
Un círculo seguido por un triángulo, como en la Figura 1.3.1(f), representa
una complementación seguida por un indicador de polaridad de lógica negativa.
Los dos se cancelan uno a otro y ambos pueden eliminarse. Pero si se eliminan
ambos, entonces las entradas y salidas de la compuerta representarán
polaridades diferentes.
Las características de las familias IC de lógica digital por lo común se
comparan por el análisis de circuito de la compuerta, básica en cada familia.
Los parámetros más importantes que se evalúan y comparan con la salida en
abanico (multiplicidad de conexiones en la salida), disipación de potencia,
retardo de propagación y margen de ruido.
El abanico de salida especifica el número de cargas estándar que pueden
impulsar la salida de una compuerta sin menoscabar su operación normal.
Una carga estándar por lo común se define como la cantidad de corriente
necesaria por una entrada de otra compuerta en la misma familia IC.
Algunas veces el término cargado se usa en lugar de abanico de salida.
22
Este término se deriva del hecho de que la salida de una compuerta puede
suministrar una cantidad limitada de corriente, arriba de la cual cesa su
operación apropiada y se dice que está sobrecargada. La salida de una
compuerta por lo general se conecta a las entradas de otras compuertas
similares. Cada entrada consume una cierta cantidad de potencia de la entrada
de la compuerta, de modo que cada conexión adicional se agrega a la carga de
la compuerta. Las "reglas de carga" por lo común se listan para una familia de
circuitos digitales estándar. Estas reglas especifican la máxima cantidad de
carga permitida para cada salida de cada circuito. El exceder la carga máxima
especificada puede causar un mal funcionamiento debido a que el circuito no
puede suministrar !a potencia demandada de él. El abanico de salida es el
número máximo de entradas (a otros circuitos) que pueden conectarse a la
salida de una compuerta y se expresa por un número.
Las capacidades del abanico de salida de una compuerta pueden
considerarse cuando se simplifican las funciones booleanas. Debe tenerse
cuidado de no desarrollar expresiones que resulten en una compuerta
sobrecargada.
Los amplificadores no ¡inversores o buffer algunas veces se emplean para
proporcionar capacidades adicionales de impulsión para cargas pesadas.
La disipación de potencia es la potencia suministrada requerida para operar
la compuerta. Este parámetro se expresa en miliwatts (Mw.) y representa la
potencia real disipada en la compuerta.
23
El número que representa este parámetro no incluye la potencia
suministrada
por
otra
compuerta;
más
bien,
representa
la
potencia
suministrada a la compuerta por el suministro de potencia. Un IC con cuatro
compuertas requerirá, de su suministro de potencia, cuatro veces la potencia
disipada por cada compuerta.
En un sistema dado, puede haber muchos IC y, la potencia requerida por
cada IC debe considerarse. La disipación total de potencia en un sistema es la
suma total de la potencia disipada en todos los IC.
El retardo de propagación es el retardo de tiempo de transición promedio
para que una señal se propague desde la entrada a la salida cuando la señal
binaria cambia el valor. Las señales a través de una compuerta toman cierta
cantidad de tiempo para propagarse desde las entradas a la salida.
Este intervalo de tiempo se define como el retardo de propagación de la
compuerta. El retardo de propagación se expresa en nanosegundos (ns) y, un
ns es igual a 109 de un segundo.
24
FIGURA No. 1.3.2 COMPUERTAS LOGICAS DIGITALES.
Las señales que viajan de las entradas de un circuito digital a sus salidas
pasan a través de las compuertas es el retardo total de propagación del
circuito.
25
Cuando la velocidad de operación es importante, cada compuerta debe
tener un pequeño retardo de propagación y el circuito digital debe tener un
número mínimo de compuertas en serie entre las entradas y las salidas.
En la mayoría de los circuitos digitales las señales de entrada se aplican en
forma simultánea a más de una compuerta. Todas las compuertas que reciben
sus entradas exclusivamente desde las entradas externas, constituyen el primer
nivel lógico del circuito. Las compuertas que reciben cuando menos una
entrada de una salida de una compuerta del primer nivel lógico se considera
que están en el segundo nivel lógico, y en forma semejante, para el tercer nivel
y los más altos. El retardo total de propagación del circuito es igual al retardo
de propagación de una compuerta multiplicado por el número de niveles lógicos
en el circuito. Luego, una reducción en el número de niveles lógicos produce
una reducción del retardo de señal y en circuitos más rápido.
La reducción del retardo de propagación en los circuitos puede ser más
importante que la reducción en el número total de compuertas s¡ la velocidad
de operación es un factor principal.
El margen de ruido es el máximo voltaje de ruido añadido a la señal de
entrada de un circuito digital que no causa un cambio indeseable en la salida
del circuito.
Hay dos tipos de ruido que considerar: el ruido CC es causado por una
deriva en los niveles de voltaje de una señal. El ruido CA es un pulso aleatorio
que puede crearse por otras señales de interrupción.
26
Por eso, el ruido es un término que se utiliza para denominar una señal
indeseable que está superpuesta sobre la señal normal de operación. La
capacidad de los circuitos para operar en forma confiable en un ambiente de
ruido es importante en muchas aplicaciones. El margen de ruido se expresa en
volts (V) y representa la señal de ruido máximo que puede tolerarse por la
compuerta.
1.4.
CARACTERISTICAS DE LAS FAMILIAS LOGICAS IC
El circuito básico de la familia lógica TTL es la compuerta NAND. Hay
muchas versiones de la TTL y tres de ellas se citan en la Taba 1.4. En esta
tabla se dan las características generales de las familias lógicas IC. Los valores
que se listan son representativos en una base de comparación. Para cualquier
familia o versión, los valores pueden tener cierta variación.
La compuerta estándar TTL fue la primera versión de la familia TTL.
Conforme progresó la tecnología, se agregaron mejoras adicionales. La TTL
Schottky es una última mejora que reduce el retardo de propagación, pero
resulta en un aumento de la disipación de potencia. La versión TTL Schottky de
baja potencia sacrifica cierta velocidad para reducir la disipación de potencia.
Tiene el mismo retardo de propagación que la TTL estándar, pero la
disipación de potencia se reduce en forma considerable.
El abanico de salida de la TTL estándar es 10, pero la versión Schottky de
baja potencia tiene un abanico de salida de 20.
27
Bajo ciertas condiciones las otras versiones también pueden tener un
abanico de salida de 20. El margen de ruido es menor que 0.4, con un valor
típico de 1 V.
El circuito básico de la familia ECL es la compuerta NOR. La ventaja especial
de las compuertas ECL es su bajo retardo de propagación. Algunas versiones
ECL pueden tener un retardo de propagación tan bajo como 0.5 ns.
La disipación de potencia en las compuertas ECL es comparativamente alta
y el margen de ruido bajo. Estos dos parámetros imponen una desventaja
cuando se elige la ECL sobre las otras familias lógicas. Sin embargo, debido a
su bajo retardo de propagación, la ECL ofrece la velocidad más alta entre todas
tas famillas y es la elección final para sistemas muy rápidos.
El circuito más bajo de la CMOS es el inversor por el cual ambas compuertas
NAND y NOR pueden construirse. La ventaja especial del CMOS es su disipación
de potencia en extremo baja. Bajo condiciones estáticas, la disipación de
potencia de la compuerta CMOS es despreciable, con promedios de cerca de
10nw.
Cuando la señal de la compuerta cambia de estado, hay una disipación
dinámica de potencia que es proporcional a la frecuencia a la cual se ejerce el
circuito. El número que se lista en la tabla es un valor típico de la disipación
dinámica de potencia en las compuertas CMOS.
Una desventaja principal de la compuerta CMOS es su alto retardo de
propagación.
28
Esto significa que no es práctica para utilizarse en sistemas que requieren
operaciones a alta velocidad. Los parámetros característicos de la compuerta
CMOS dependen del voltaje de suministro de potencia
DD
que se use. La
disipación de potencia aumenta conforme aumenta el voltaje de suministro. El
retardo de propagación disminuye con el incremento en el voltaje de
suministro, y el margen de ruido se estima que es alrededor del 40% del valor
del voltaje de suministro.
Familia Lógica
Abanico de
IC
salida
Disipación de
Potencia (mW)
Retardo de
propagación (ns)
Margen de
ruido (V)
Estándar TTL
10
10
10
0.4
Schottky TTL
10
22
3
0.4
Schottky TTL
20
2
10
0.4
ECL
25
25
2
0.2
CMOS
0.50
0.1
25
3
Baja potencia
TABLA 1.4. CARACTERISTICAS PRINCIPALES DE LAS DIFERENTES
FAMILIAS.
Las compuertas lógicas operan con números binarios. Por esta razón, a
las compuertas lógicas serán altos o bajos. En este capitulo un alto voltaje
significara un 1 binario y un bajo voltaje se significara un 0 binario. Recordar
que las compuertas
lógicas
son circuitos
electrónicos. Estos circuitos
electrónicos responderán a altos voltajes (llamados “1” –unos-) o bajo voltaje
(tierra) (llamados “0” ceros-).
29
Todos los sistemas digitales se construyen
usando solo 3 compuertas
lógicas básicas. A estas compuertas lógicas se les conoce como la compuerta
and, la compuerta or y la compuerta not. En este capitulo se trata con estas
importantes compuertas lógicas básicas.
1.5.
LA COMPUERTA AND.
La compuerta and se le llama la compuerta “todo o nada”. El esquema de
la figura 1.5a muestra la idea de la compuerta and.
encenderá solo cuando
cerrados.
ambos interruptores
En la figura 1.5b
La lámpara (y) se
de entrada
(a y b) están
se muestran todas las posibles combinaciones
para los interruptores a y b. A la tabla en esta figura
se le
llama
tabla
verdadera. La tabla de verdad muestra que la salida (y) es habilitada solo
cuando ambas entradas estén cerradas.
B
A
Y
+
-
FIGURA 1.5a CIRCUITO AND USANDO CONMUTADORES
30
CONMUTADORES DE ENTRADA.
B
ABIERTO
ABIERTO
CERRADO
CERRADO
LUZ DE SALIDA
A
Y
ABIERTO
SALIDA
ABIERTA
CERRADO
NO
NO
NO
SI
FIGURA 1.5b.
ENTRADAS
SALIDAS
“0”= BAJO VOLTAJE
“1”= ALTO VOLTAJE
B
0
0
1
1
A
0
1
0
1
Y
0
0
0
1
E
N
T
R
A
D
A
A
Y
B
El álgebra boleana es una forma de lógica simbólica que muestra como
operan
los circuitos lógicos. Una expresión boleana es un “método
taquigráfico” de mostrar lo que sucede en un circuito lógico. La expresión
boleana para el circuito de la figura 1.5 es:
AB=Y
Esta expresión boleana se lee como A y B igual a la salida y. Algunas veces
el punto (.) no
se emplea en la expresión boleana, así que la expresión
boleana para la compuerta and de dos entradas seria:
AB = Y
31
S
A
L
I
D
A
Esta expresión boleana se lee A y B igual a la salida
Representa la función lógica
y. El punto (.)
and en álgebra boleana, no la multiplicación
como en el álgebra regular.
Las leyes del álgebra boleana gobiernan la operación de las compuertas
and, las leyes formales para la función and son:
A0=0
A1=0
  A =A
A A = 0
Esta barra sobre la variable significa no A o el opuesto de A.
1.6.
LA COMPUERTA OR.
A la compuerta or se le llama compuerta de “cualquiera o todo “.
El esquema de la figura 1.6 muestra la idea de la compuerta or. La lámpara
(y) se encenderá cuando cualquier interruptor A o B este cerrado. La lámpara
también se encenderá cuando los dos interruptores
A y B estén cerrados.
La lámpara (y) no se encenderá cuando ambos interruptores se encuentran
abiertos, en la figura 1.6 La tabla de verdad muestra en detalle la función
or del circuito de interruptor y lámpara.
FIGURA 1.6 COMPUERTA OR
32
La salida del circuito or estará habilitada cuando alguno o todos de los
interruptores este cerrado.
El símbolo lógico convencional para la compuerta or se muestra en la figura
1.6.1, la compuerta or tiene diferente forma. La compuerta or tiene dos
entradas, llamadas A y B. A la salida se le llama Y.
La expresión boleana “taquigráfica” para esta función or está dada por A
+ B = Y. Nótese que el signo (+) significa or en álgebra boleana.
La expresión (A + B = Y) se lee como A or B igual a la salida Y. El signo
mas no significa suma como en el álgebra regular.
FIGURA 1.6.1 SIMBOLO DE LA COMPUERTA OR
La tabla de verdad para la compuerta or
de dos entradas se muestra en
la tabla 1.6 Las variables de entrada (A y B) se muestran a la izquierda. La
salida resultante se muestra en la columna de la derecha de la tabla.
33
CONMUTADORES SALIDA DE
ENTRADA LUMINOSA.
B
A
ENTRADAS
Y
ABIERTO
ABIERTO
NO
ABIERTO
CERRADO
SI
CERRADO
ABIERTO
SI
CERRADO
CERRADO
SI
SALIDA
B
A
Y
0
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
1
0 = BAJO VOLTAJE FIG.3.8b
1 = ALTO VOLTAJE
TABLA DE VERDAD PARA OR.
TABLA 1.6.
La compuerta or es habilitada (la salida es 1) cada vez que aparece un 1
en alguna o todas
las entradas.
Igual que anteriormente, un 0 se define
como bajo voltaje (tierra). Un 1 en la tabla de verdad representa alto
voltaje (+5v).
La expresión boleana para una compuerta or de tres entradas esta en la
figura 1.6.2 La expresión se lee A or B or C igual a al salida Y. De nuevo, el
signo más, significa a la función or.
A+B+C =Y
FIGURA 1.6.2 EXPRESION BOOLEANA DE TRES VARIABLES
En la figura 1.6.2 se ve el símbolo lógico para una compuerta or de tres
entradas.
34
Las entradas A, B y C se muestran a la izquierda del símbolo. La salida y se
muestra ala derecha del símbolo or. Este símbolo representa algún circuito
que realiza la función or.
FIGURA 1.6.3 COMPUERTA OR DE TRES ENTRADAS
En la figura 1.6.4 se muestra una tabla de verdad para la compuerta lógica
or de tres entradas. Las variables (A, B, C) se muestran a la izquierda de la
tabla. La salida (Y) se representa en la columna de la derecha. Cada vez que
aparezca un 1 en cualquier entrada, la salida será 1.
FIGURA 1.6.4 TABLA DE VERDAD PARA LA COMPUERTA OR
35
1.7.
LA COMPUERTA NOT.
A la compuerta not también se le conoce como inversor. La compuerta
not, o inversor, es una compuerta no usual.
solamente una entrada
La compuerta not
y una salida. En la figura 1.7 a
tiene
se muestra el
símbolo lógico para el inversor o compuerta not.
FIGURA 1.7 COMPUERTA NOT.
El proceso de la inversión es simple. La figura 1.7 b muestra la tabla de
verdad para la compuerta not.
La entrada es cambiada por su opuesto. Si la entrada es 0, la compuerta
not dará su complemento u opuesto que es 1. Si la entrada en la compuerta
not es 1, el circuito dará 0. Esta inversión, significa la misma cosa.
La expresión boleana para la inversión se muestra en la figura 1.7 c la
expresión A = A se lee como A es igual a la salida
no A. La barra sobre la A
significa complemento de A. La figura 1.7 d ilustra lo que sucedería si se
usaran dos inversores.
36
Las expresiones booleanas
están escritas
sobre las líneas
que se
encuentran entre los inversores. La entrada A, es invertida A (no A).
Ā se invierte de nuevo para dar a (no no A). La a doblemente invertida (A)
es igual a la a original, como se muestra en la figura 1.7 d.
En la región sombreada bajo los inversores, un bit 0 es la entrada. El bit
0 es complementado a 1.
El bit 1 es complementado nuevamente a 0. Cuando una señal digital
pasa a través de dos inversores, recupera su forma original.
Las leyes del álgebra-booleana gobiernan las acciones del inversor o
compuerta not. Las leyes formales del álgebra booleana para la compuerta
not son como sigue.
Ō=1
SI A = 1 ENTONCES Ā = 0
SI A = 0 ENTONCES Ā = 1
Ā=A
1.8.
CIRCUITOS INTEGRADOS DIGITALES
En el capitulo anterior se presentaron las diversas familias lógicas digitales
IC. En este capítulo se presentan los circuitos electrónicos básicos en cada
familia lógica digital IC y se analiza su operación eléctrica. Las familias lógicas
digitales IC que se consideran aquí son:
RTL
Lógica de resistor-transistor
DTL
Lógica diodo-transistor
I2L
Lógica integrada-inyección
37
TTL
Lógica transistor-transistor
ECL
Lógica emisor-acoplado
MOS
Semiconductor metal-óxido
CMOS
Semiconductor metal-óxido complementario
Las primeras dos, RTL y DTL, tienen sólo importancia histórica ya que rara
vez se usan en los nuevos diseños. La RTL fue la primera familia comercial de
uso extenso. Se incluye aquí porque representa un punto de partida útil para
explicar la operación básica de las compuertas digitales. Los circuitos DTL han
sido reemplazados en forma gradual por los TTL. De hecho, la compuerta TTL
es una modificación de la compuerta DTL. La operación de la compuerta TTL
será más fácil de entender después de que se exponga la compuerta DTL.
Estas familias tienen un gran número de circuitos SSI, al igual que circuitos MSI
y LSI. Las familias I2L y MOS tienen mucho uso para construir funciones LSI.
El circuito básico en cada familia lógica digital IC es ya sea una compuerta
NAND o NOR, El circuito básico es el bloque primario de construcción mediante
el cual se obtienen funciones más complejas. Un seguro RS se construye
mediante dos compuertas NAND o dos NOR conectadas lomo a lomo. Se
obtiene un flip-flop maestro-esclavo mediante la interconexión de cerca de
diez compuertas básicas. Se obtiene un registro mediante la interconexión de
flip-flops y compuertas básicas.
Cada familia lógica IC tiene disponible un catálogo de paquetes de circuitos
integrados que proporcionan las diversas funciones lógicas digitales.
38
Las diferencias entre las funciones lógicas disponibles para cada familia
lógica no radican mucho en la función que logran sino en las características de
la compuerta básica mediante la cual se ha -construido la función.
Las compuertas NAND y NOR en forma usual se definen por las funciones
booleanas que implementen en términos de variables binarias. Cuando se
analizan como circuitos electrónicos, es más conveniente investigar sus
relaciones de entrada-salida en términos de dos niveles de voltaje; un nivel
alto (H) y un nivel bajo (L) (véase la Fig. 1.3). Las variables binarias toman los
valores 1 y 0. Cuando se adopta la lógica positiva, al nivel alto de voltaje se
asigna el valor binario de 1, y al nivel bajo de voltaje un valor binario 0.
39
2. DIODOS.
40
2.1.
EL SIMBOLO ELECTRICO.
Algunos dispositivos electrónicos son lineales: es decir, su corriente es
directamente proporcional a su tensión. La razón por la cual se les llama
lineales es que la representación de la corriente en función de la tensión es una
línea recta. Un diodo es diferente. Debido a la barrera de potencial existente,
no se comporta como lo hace una resistencia, la representación de la corriente
en función de la tensión para un diodo es una curva y por lo tanto no es lineal.
2.2.
LA CURVA DEL DIODO.
Cuando un fabricante diseña un diodo para convertir corriente alterna en
corriente continua, el diodo recibe el nombre de diodo rectificador. Una de sus
aplicaciones principales de halla en las fuentes de alimentación, circuitos que
convierten la tensión alterna de la red en tensión continua.
2.3.
LA ZONA DIRECTA.
2.3.1.
Tensión umbral.
La tensión para la que la corriente empieza a aumentar rápidamente se
llama tensión umbral del diodo. Para un diodo de silicio, la tensión umbral
puede aproximarse a la barrera de potencial, aproximadamente 0.7 V.
Un diodo de germanio, por otra parte tiene una tensión umbral de
aproximadamente 0.3 V.
41
2.3.2.
Dispositivo no lineal.
Un diodo es un dispositivo no lineal. Por debajo de 0.7 V, por el diodo
circula muy poca corriente. Por encima de los 0.7 V, la corriente aumenta
rápidamente. Este efecto es muy diferente al que se da en una resistencia
en la que la corriente aumenta en proporción directa a la tensión. La razón
de que el diodo sea diferente es que este tiene una barrera de potencial
producida en su zona de deplexión.
2.3.3.
Resistencia interna.
Para tensiones mayores que la tensión umbral, la corriente del diodo
aumenta rápidamente. Esto quiere decir que aumentos pequeños en la
tensión del diodo originaran grandes aumentos en su corriente. La causa es
la siguiente: después de superada la barrera de potencial, lo único que se
opone a la corriente es la resistencia de las zonas p y n.
A la suma de estas resistencias se le llama resistencia interna del
diodo. O sea,
rB = rP + rN
El valor de la resistencia interna depende del nivel de dopado y del
tamaño de las zonas p y n. Normalmente, la resistencia interna de los
diodos rectificadores es menor de 1 ohm.
42
2.3.4.
Máxima corriente continúa con polarización directa.
Si la corriente en un diodo es demasiado grande, el calor excesivo
destruirá el diodo. Basta acercarse al valor del calor máximo, aun cuando no
se alcance, para acortar la vida del diodo y degradar otras propiedades. Por
esta razón, la hoja de características que proporcionan los fabricantes
especifica la corriente máxima que un Diodo puede soportar sin peligro de
acortar su vida o degradar sus propiedades.
La corriente máxima con polarización directa es una de las limitaciones
dadas en una hoja de características. Esta corriente puede aparecer como IF
(máx.),
I0, etc., dependiendo del fabricante. Por ejemplo un 1N456 tiene una
corriente máxima de 135 mA. Este dato significa que puede conducir con
seguridad un a corriente continua con polarización directa igual a 135 mA.
2.3.5.
Disipación máxima de potencia.
La disipación máxima de potencia esta estrechamente relacionada con
la máxima corriente continua con polarización directa. Como sucede con
una resistencia, un diodo tiene una limitación de potencia.
Esta indica cuanta potencia puede disipar el diodo sin peligro de
acortar su vida ni degradar sus propiedades. Cuando la corriente es
continua, el producto de la tensión en el diodo y la corriente en el diodo es
igual a la potencia disipada por este.
43
Con diodos rectificadores, normalmente no se emplea la limitación
máxima de potencia, ya que toda la información acerca de la destrucción
(por calor) del diodo ya está contenida en el límite máximo de corriente.
2.4.
LA ZONA INVERSA.
Cuando un diodo se polariza en inverso, fluye una pequeña corriente de
fugas. Midiendo la tensión y la corriente del diodo puede trazarse la curva para
la polarización inversa. La corriente del diodo es muy pequeña para todas las
tensiones inversas menores que la tensión de ruptura. En la ruptura la corriente
aumenta rápidamente con pequeños incrementos de tensión.
2.5.
EL DIODO IDEAL.
Un diodo rectificador conduce bien en la zona directa y se conduce mal en
la zona inversa. En teoría un diodo rectificador se comporta como un conductor
perfecto (resistencia cero) cuando tiene polarización directa, y la hace como un
aislante perfecto (resistencia infinita) cuando tiene polarización inversa.
Un interruptor tiene resistencia cero al estar cerrado, y resistencia infinita al
estar abierto. Por tanto un diodo ideal actúa como un interruptor que se cierra
al tener polarización directa y se abre con polarización inversa.
44
3. DISPOSITIVOS OPTOELECTRONICOS.
45
La optoelectronica es la tecnología que combina la óptica con la electrónica.
Este sugestivo campo incluye muchos dispositivos basados en la acción de una
unión pn. Ejemplos de dispositivos optoeléctronicos son los diodos emisores de
luz (LED), los fotodiodos, los optoacopladores, etcétera.
3.1.
DIODO EMISOR DE LUZ.
En un LED con polarización directa los electrones libres atraviesan la unión y
caen en los huecos. Como caen de niveles energéticos altos a niveles
energéticos bajos, emiten energía. En los diodos normales esta energía se
disipa en forma de luz. Los LED han sustituido a las lámparas incandescentes
en muchas aplicaciones por su baja tensión, su larga vida y su gran rapidez de
conmutación.
FIGURA 3.1 DIODO EMISOR DE LUZ
46
Los diodos normales están hechos de silicio, un material
opaco que
obstruye el paso de luz. Los LED son diferentes.
Empleando elementos como el galio, el arsénico y el fósforo, un fabricante
puede producir LED que radien luz roja, verde, amarilla, azul, naranja o
infrarroja (Invisible).
Los LED que producen radiación visible son útiles en los instrumentos, las
calculadoras, etc. Los LED de luz infrarroja tienen aplicaciones en sistemas de
alarma antirrobos y otras áreas en las que se requiera luz invisible.
En la mayor parte de los LED disponibles comercialmente, la caída de
tensión típica es de 1.5 a 2.5 V para corrientes que fluctúan entre 10 y 50 mA.
El valor exacto de la caída de tensión depende de la corriente del LED, el color,
la tolerancia, etc.
3.2.
FOTODIODO.
Uno de los componentes de la corriente inversa en un diodo es el flujo de
portadores minoritarios. La existencia de estos portadores se debe a que la
energía térmica esta continuamente desligando electrones de valencia de sus
orbitas, produciendo durante este proceso electrones libres y huecos.
El tiempo de vida de los portadores minoritarios es corto, pero mientras
existen pueden contribuir a la corriente inversa.
47
FIGURA 3.2 FOTODIODO.
Cuando la energía luminosa se proyecta sobre una unión pn, puede desligar
electrones de valencia. Cuanta más luz incida sobre la unión, mayor será la
corriente inversa en el diodo.
Un fotodiodo es un diodo cuya sensibilidad a la luz es máxima. En este tipo
de diodos, una ventana permite que la luz pase por el encapsulado hasta la
unión. La luz incidente produce electrones libres y huecos. Cuanto más intensa
sea la luz, mayor será el número de portadores minoritarios y mayor será la
corriente inversa.
3.3.
OPTOACOPLADOR.
Un optoacoplador (llamado también optoaislador o aislador acoplado
opticamente) combina un LED y un fotodiodo en un solo encapsulado.
La figura 3.3 muestra un optoacoplador. Tiene un LED en el lado de entrada
y un fotodiodo en el lado de la salida. La tensión de la fuente a la izquierda y la
resistencia en serie establecen una corriente en el LED.
48
Luego, la luz proveniente del LED incide sobre el fotodiodo, lo que genera
una corriente inversa en el circuito de salida. Esta corriente inversa produce
una tensión en la resistencia de salida. La tensión de salida, es igual a la
tensión de la fuente menos la tensión en la resistencia.
FIGURA 3.3. OPTOACOPLADOR.
Si la tensión de entrada varía, la cantidad de luz también lo hará. Esto
significa que la tensión de salida cambia de acuerdo con la tensión de entrada.
Por ello, la combinación de un LED y un fotodiodo recibe el nombre de
optoacoplador. El dispositivo puede acoplar una señal de entrada con el circuito
de salida.
La ventaja fundamental de un optoacoplador es el aislamiento electrónico
entre los circuitos de entrada y de salida. Mediante el optoacoplador, el único
contacto que hay entre la entrada y la salida es un haz de luz. Por esta causa,
es posible tener una resistencia de aislamiento entre los dos circuitos del orden
de miles de miliohms.
49
Los aislamientos como éste son útiles en aplicaciones de alta tensión en las
que los potenciales de los dos circuitos pueden diferir en varios miles de voltios.
50
4. CONVERSOR ANALOGICO DIGITAL.
51
Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto
tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica. El
proceso de conversión A/D es generalmente más complejo y largo que el proceso
D/A, y se han creado y utilizado muchos métodos.
Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como parte de sus
circuitos. La oportunidad para realizar la operación es ofrecida por la señal del
cronometro de entrada. La unidad de control contiene los circuitos lógicos para
generar la secuencia de operaciones adecuada en respuesta al comando “INICIO”,
el cual inicia el proceso de conversión. El comparador tiene dos entradas
analógicas y una salida digital que intercambia estados. Según que entrada
analógica sea mayor.
FIGURA 4.1 CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL.
52
4.1.
RESOLUCION Y EXACTITUD DEL A/D.
La resolución del convertidor D/A es igual a la resolución del convertidor
D/A, el voltaje de salida VA’ del D/A es una onda en escalinata que asciende en
etapas discretas hasta que excede de VA. En consecuencia, VA’ es un valor
aproximado de VA y lo más que puede esperarse es que VA’ este dentro de 10
mV de VA si la resolución es 10 mV.
Podría pensarse que la resolución es un error inherente que a menudo se
conoce como error de cuantización.
Este error de cuantización, que se puede reducir incrementando el número
de bits en el contador y convertidor D/A, algunas veces se especifica como un
error de + 1 LSB, lo cual indica que el resultado podría ser erróneo debido al
tamaño de etapa finito (distinto de cero).
Observando esto desde un punto de vista diferente, la entrada V A puede
tomar un número infinito de valores de 0 V a F.S. Sin embargo, el valor
aproximado VA’ puede tomar solamente un número finito de valores discretos.
Esto significa que un pequeño intervalo de valores de VA tendrá la misma
representación digital.
Como sucede en el convertidor D/A, la exactitud no se relaciona con la
resolución sino que depende de la exactitud de las componentes del circuito,
como el comparador, las resistencias de precisión y amplificadores de nivel del
convertidor D/A, las fuentes de referencia etc.
53
Una especificación de error de 0.01% F.S. indica que el resultado del
convertidor A/D puede alejarse por 0.01 % de F:S., debido a la incidencia de
componentes no ideales. Este error aparece además del error debido a la
resolución. Estas dos fuentes de error son generalmente del mismo orden de
magnitud para un ADC determinado.
4.2.
TIEMPO DE CONVERSION tc.
En el convertidor con rampa digital, el contador empieza en cero y cuenta
hasta VA’  VA .Con claridad, luego, el tiempo que se lleve completar la
conversión dependerá del valor de VA. Un valor mayor de VA requerirá más
etapas antes de que el voltaje de escalinata exceda de VA. El tiempo máximo
de conversión ocurre cuando VA es ligeramente menor que la escala completa,
de manera que la escalinata tiene que llegar a la etapa de escala completa a fin
de que VA’VA.
En consecuencia se tiene
Tc (max) = 2N – 1 ciclos de cronómetro
Algunas veces se especifica el tiempo promedio de conversión; es la mitad del
tiempo máximo de conversión.
t c ( prom) 
t C (máx)
 2 N 1 ciclos de cronómetro
2
54
La desventaja principal del método de la rampa digital es que el tiempo de
conversión se duplica esencialmente por cada bit que se agrega al contador, de
manera que la resolución puede ser mejorada solamente con un tc mayor o
mas largo. Esto hace de este tipo de ADC inadecuado para aplicaciones donde
tienen que efectuarse conversiones A/D repetitivas de una señal analógica que
cambia rápidamente.
Sin embargo, para aplicaciones de baja velocidad la simplicidad relativa del
convertidor con rampa digital es una ventaja sobre los ADC de alta velocidad
más complejos.
55
5. CONVERSION DE DIGITAL A ANALOGICO.
56
Las dos operaciones E/S relativas al proceso de mayor importancia son la
conversión de digital a analógico (D/A) y la conversión de analógico a digital
(A/D). Ya que muchos métodos de conversión A/D utilizan el proceso de
conversión D/A.
Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor
representando en código digital (como binario directo o BCD) y convertirlo en
un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o
corriente es una cantidad analógica, ya que puede tomar diferentes valores de
cierto intervalo. La figura 5.1 a muestra el diagrama a bloques de un
convertidor D/A común de 4 bits.
FIGURA 5.1a CONVERTIDOR DIGITAL ANALOGICO.
Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de
salida de un sistema digital. 24 = 16 diferentes números binarios representados
por estos 4 bits se enlistan en la figura 5.1.b. Por cada número de entrada, el
voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto.
57
De hecho, el voltaje de salida analógico VOUT es igual en volts al número
binario.
También podría tener dos veces el número binario o algún otro factor de
proporcionalidad. La misma idea sería aplicable si la salida del D/A fuera la
corriente IOUT.
FIGURA 5.1 b CONVERTIDOR D/A DE 4 BITS CON SALIDA DE
VOLTAJE.
5.1.
VALORES DE ENTRADA.
Para el DAC de la figura 5.1 b se observa que cada entrada digital
contribuye con una cantidad diferente de salida analógica. Esto se puede
apreciar fácilmente si se examinan los dos casos donde sólo una entrada es
alta:
58
D C
B
A
VOUT (V)
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
1
0
0
4
1
0
0
0
8
A las contribuciones de cada entrada digital se les asignan valores según su
posición en el número binario. Por lo tanto, A, que es el LSB, tiene un valor de
1 V, B tiene un valor de 2 V, C de 4 V y D, el MSB, tiene el mayor, 8 V. Los
valores se duplican sucesivamente por cada bit, comenzando con el LSB. Por
consiguiente, podemos considerar a VOUT
como la suma con valor de las
entradas digitales.
5.2.
RESOLUCION (tamaño de etapa)
La resolución de un convertidor D/A se define como la menor variación que
puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada
digital. Haciendo referencia de la tabla de la figura 5.1, podemos apreciar que
la resolución es 1 V, puesto que VOUT puede variar en no menos que 1 V
cuando cambie el código de entrada. La resolución siempre es igual al valor del
59
LSB y también se conoce como tamaño de etapa, ya que es la cantidad V OUT
que variará cuando el código de entrada pase de una etapa a la siguiente.
La resolución o tamaño de etapa es la dimensión de los saltos en la forma
de onda de escalinata.
Aunque la resolución puede expresarse como la cantidad de voltaje o
corriente por etapa, resulta más útil expresarla como un porcentaje de la salida
de escala completa.
5.3.
CODIGO DE ENTRADA BCD.
Muchos convertidores D/A utilizan un código de entrada BCD donde se
emplean grupos de códigos de 4 bits por cada digito decimal. Cada grupo de
código de 4 bits puede variar de 0000 a 1001, de manera que las entradas BCD
representan cualquier número decimal de 00 a 99. Dentro de cada grupo de
código los valores de los diferentes bits se proporcionan igual que el código
binario, pero los valores del grupo son diferentes por un factor de 10.
60
FIGURA 5.3 CONVERTIDOR D/A CON CODIGO DE ENTRADA BCD.
5.4.
DAC MULTIPLICATIVOS.
Muchos DAC requieren una fuente de voltaje de referencia que se usa
internamente para ayudar en la generación de la salida analógica. En algunos
DAC este voltaje de referencia tiene que ser un valor fijo y exacto a fin de
producir una salida exacta. En otros tipos el voltaje de referencia puede en
realidad ser variable y aun cambiar polaridades. Este último tipo de DAC se
llama DAC multiplicativo ya que la salida analógica es el producto de la entrada
binaria y el voltaje de regencia.
Un DAC multiplicativo se puede usar para multiplicar un voltaje analógico
(VREF) por un valor binario para producir una salida analógica. Algunos DAC
multiplicativos permiten que VREF sea de cualquier polaridad de manera que el
producto final pueda tener cualquier polaridad. A estos se les llama DAC
multiplicativos de dos cuadrantes. Algunos DAC permiten asimismo que la
entrada binaria sea de cualquier polaridad utilizando el MSB como un bit del
signo. A estos se les llama DAC multiplicativos de cuatro cuadrantes.
5.5.
ESPECIFICACIONES DAC.
Se dispone de una amplia variedad de DAC como circuitos integrados o bien
como paquetes encapsulados auto-contenidos.
61
Uno debe estar familiarizado con las especificaciones más importantes de los
fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada aplicación.
Resolución: La resolución porcentual de un DAC depende únicamente del
número de bits. Por esta razón, los fabricantes por lo general especifican una
resolución de DAC como el número de bits. Un DAC de 10 bits tiene una
resolución más sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits.
Precisión: Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de especificar la
precisión o exactitud. Las dos más comunes se les llama error de escala
completa y error de linealidad, que normalmente se expresan como un
porcentaje de la salida de escala completa del convertidor (% F.S.).
El error de escala completa es la máxima desviación de la salida del DAC de su
valor estimado (teórico).
Tiempo de respuesta: la velocidad de operación de un DAC se especifica
como tiempo de respuesta, que es el tiempo que se requiere para que la salida
pase de cero a escala completa cuando la entrada binaria cambia de todos los
ceros a todos los unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variaran
de 50ns a 10 s. En general los DAC con salida de corriente tendrán tiempos de
respuesta más breves que aquellos con una salida de voltaje.
Voltaje de balance: En teoría, la salida de un DAC será cero volts cuando la
entrada binaria es todos los ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida
pequeño producido por el error de desbalance del Amp-ab.
62
Este desplazamiento es comúnmente 0.05% F.S. Casi todos los DAC con
voltaje tendrán una capacidad de ajuste de balance externo que nos permitirá
eliminar el error de desbalance.
5.6.
APLICACIONES DAC.
Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que
ofrecer un voltaje o corriente analógico para impulsar o activar un dispositivo
analógico.
Control: La salida digital de una computadora puede convertirse en una señal
de control analógica para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de
un horno o bien para controlar casi cualquier variable física.
Análisis automático: Las computadoras pueden ser programadas para
generar las señales analógicas (a través de un DAC) que se necesitan para
analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida analógica del circuito de
prueba normalmente se convertirá en un valor digital por un ADC y se
alimentará a la computadora para ser almacenada, exhibida y algunas veces
analizada.
Control de amplitud digital: Un DAC multiplicativos se puede utilizar para
ajustar digitalmente la amplitud de una señal analógica. Recordando que un
DAC multiplicativo produce una salida que es el producto de un voltaje de
referencia y la entrada binaria.
Si el voltaje de referencia es una señal que varía con el tiempo, la salida del
DAC seguirá esta señal, pero con un amplitud determinada por el código de
63
entrada binario. Una aplicación normal de esto es el “control de volumen”
digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede ajustar la
amplitud de una señal de audio.
6. SENSORES DE POSICION.
64
6.1.
POTENCIOMETRO ANGULAR.
Es un transductor de posición angular, de tipo absoluto y con salida de tipo
analógico. Básicamente es una resistencia de hilo bobinado en una pista de
material conductor, distribuida a lo largo de un soporte en forma de arco y un
cursor solidario a un eje de salida que pueda deslizar sobre dicho conductor. El
movimiento del eje arrastra el cursor provocando cambios de resistencia entre
éste y los extremos. De esta forma si se alimentan los extremos con una
tensión constante Vo aparece en la toma de medida una tensión proporcional al
ángulo girado a partir del origen. Interesa que esta variación sea lineal como se
representa en la figura 6.1. En cuanto a la respuesta dinámica el potenciómetro
es un elemento proporcional sin retardo, pero la frecuencia de funcionamiento
suele quedar limitada a 5 Hz por motivos mecánicos.
65
FIGURA 6.1 POTENCIOMETRO ANGULAR.
6.2.
ENCODERS.
Los encoders son dispositivos formados por un rotor con uno o varios
grupos de bandas opacas y translúcidas alternadas y un estator con una serie
de captadores ópticos que detectan la presencia o no de banda opaca. Existen
dos tipos de encoders, incrementales y absolutos. Los primeros dan un
determinado número de impulsos por vuelta y requieren un contador para
determinar la posición a partir de un origen de referencia, los absolutos
disponen de varias bandas en el rotor ordenadas según un código binario, y los
captadores detectan un código digital completo que es único para cada posición
del rotor.
FIGURA 6.2 ENCODERS.
66
6.2.1.
Encoders incrementales.
Los encoders incrementales suelen tener una sola banda de marcas
repartidas en el disco del rotor y separadas por un paso p. En el estator
disponen de dos pares de emisor-receptor ópticos, decalados un número
entero de pasos más ¼ de paso.
Al girar el rotor genera una señal cuadrada, el decalaje hace que las
señales tengan un desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y
de ¾ si gira en el sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el
sentido de giro.
Un simple sistema lógico permite determinar desplazamientos a partir de
un origen, a base de contar impulsos de un canal y determinar el sentido de
giro a partir del desfase entre los dos canales.
67
FIGURA 6.2.1 a SEÑAL CUADRADA DE ENCODER
INCREMENTAL.
Algunos encoders pueden disponer de un canal adicional que genere un
pulso por vuelta y la lógica puede dar número de vueltas más fracción de
vuelta.
FIGURA 6.2.1.b ENCODER INCREMENTAL CON SENSOR.
Una desventaja de este tipo de encoders es que necesita un ajuste de
origen al iniciar su operación, pues debido a la pérdida de energía no
permite guardar la ultima posición registrada en memoria.
La resolución del encoder depende del número N de divisiones del rotor,
es decir del número de impulsos por revolución, o bien de acuerdo al
número de obstrucciones que la luz tenga. No debe confundirse lo que es
resolución angular del encoder con la posible resolución de un sistema de
68
medida de coordenadas lineales que dependerá de la desmultiplicación
mecánica.
Esta resolución también está en función del material del disco, por
ejemplo los discos de metal no son apropiados para resoluciones altas ya
que se necesitarían demasiadas perforaciones y este se vuelve demasiado
frágil para un uso diario. Por esta razón para este tipo de casos se utilizan
discos de plástico los cuales son apropiados para altas resoluciones, estos
son
tratados
químicamente
para
hacer
partes
opacas
según
los
requerimientos de resolución. Por ejemplo un disco de 100 segmentos
tendría una resolución de 3.6°, mientras que uno con 6000 segmentos
tendría una resolución de 0.08°.
FIGURA 6.2.1.c MODELO DE ENCODER INCREMENTAL.
69
6.2.2.
Encoders absolutos.
Los encoders absolutos disponen de varias bandas dispuestas en forma
de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en sentido
radial el rotor queda dividido en sectores, con combinaciones de opacos y
transparentes que siguen un código Gray o binario.
FIURA 6.2.2.a MODELOS DE ENCODER ABSOLUTO.
70
En los encoders absolutos, su ventaja más significativa con respecto a
los incrementales, es la posibilidad de guardar la posición aún cuando exista
un corte o suspensión en la alimentación del sistema.
Esto se debe a que se evita que los sistemas de conteo y registro de
posiciones estén basados en la alimentación, todo lo contrario al modelo
utilizado en los encoders incrementales.
FIGURA 6.2.2.b ENCODER ABSOLUTO CON SENSORES.
Esto origina la implementación de un sistema basado en un disco
perforado de distinta forma y de un sistema emisor detector acoplado a este
tipo de discos.
El estator dispone de un conjunto emisor-receptor ópticos para cada
corona del rotor. El conjunto de información binaria obtenida de los
captadores es única para cada posición del rotor y representa su posición
absoluta. Se utiliza el código Gray en lugar de un binario clásico porque en
71
cada cambio de sector sólo cambia el estado de una de las bandas,
evitando errores por falta de alineación de los captadores.
Para un encoder con N bandas, el rotor permite 2N combinaciones, la
resolución será 360° entre los 2N sectores, por ejemplo para encoders de
12 y 16 bits se obtiene una resolución angular de 0.0879° y 0.00054°
respectivamente.
Un ejemplo de encoder absoluto sería el de disco construido en base a
círculos concéntricos de perforaciones, dichos círculos están dispuestos de
forma que el exterior tiene un arreglo de perforaciones-obstrucciones a una
escala de 1:1, mientras que la siguiente tiene el doble de segmentos que el
anterior y la tercera tiene el doble de la anterior, de esta forma el primer
arreglo tiene intercalado un segmento opaco y uno transparente, el
segundo tiene 2 opacos y dos transparentes y el tercero 4 opacos y 4
transparentes, de esta forma el disco tiene 10 circunferencias.
La forma del disco, provoca que el sistema emisor-detector de luz se
este actualizando constantemente. Para estos dispositivos es necesaria la
implementación de un emisor y receptor que corresponda a cada anillo del
disco, complicando un poco la conexión eléctrica necesaria.
72
FIGURA 6.2.2.c MODELO DE ENCODER ABSOLUTO EN BASE A
CIRCULOS CONCENTRICOS.
Una de las ventajas de los encoders absolutos es que se ajustan de tal
manera que una revolución completa del encoder es igual a la magnitud
máxima del recorrido de la maquina en cuestión. Por ejemplo, si el
desplazamiento máximo del motor es de 20 centímetros y la resolución del
encoder es de 16 bits, la resolución total será de 20/65536 que equivale a
0.00030 centímetros.
Pero si el desplazamiento total fuese mayor, existe una resolución burda
y una resolución fina que son capaces de ajustar el encoder de manera que
siga teniendo el viaje total de la maquina en una sola revolución del
encoder.
73
7. CONTADORES Y REGISTROS.
74
7.1.
CONTADORES ASINCRONOS (DE RIZO).
La figura 7.1 muestra un circuito contador binario de 4 bits, este tipo de
contador, donde cada salida del FF sirve como señal de entrada CLK para el
siguiente FF, se conoce como contador asíncrono.
Esto se debe a que todos los FF no cambian estados en sincronía exacta con
las pulsaciones del cronómetro; solo el FF A responde a las pulsaciones del
reloj. El FF B tiene que esperar a que el FF A cambie de estado antes de que
se active; el FF C tiene que esperar por el FF B; y así sucesivamente.
Así pues, existe un retraso entre las respuestas de cada FF. En los FF
modernos está demora puede ser muy corta (comúnmente de 10 a 40 ns),
pero en algunos casos, puede ser problemática. Debido a la forma en la cual
opera este tipo de contador, también se le conoce comúnmente como contador
de rizo.
7.1.1.
Número MOD.
El contador de la figura 7.1 tiene 16 estados diferentes (del 0000 al
1111). De este modo, se trata de un contador de rizo MOD-16. El número
MOD siempre es igual al número de estados por los cuales pasa el contador
en cada ciclo completo antes de que se recicle hacia su estado inicial. El
número MOD se puede incrementar simplemente agregando mas FF al
contador. Es decir,
Número MOD = 2N
75
Donde N es el número de biestables conectados en la disposición de la
figura 7.1.
FIG. 7.1 CONTADOR ASINCRONO DE 4 BITS.
7.1.2.
División de frecuencias.
En el contador básico cada FF da un a ondiforme de salida, que es
exactamente la mitad de la frecuencia de la forma de onda en su entrada
CLK. Suponiendo que la señal del cronometro de la figura 7.1 es de 16 kHz.
La figura 7.1.1. muestra las formas de onda de salida del FF.
76
La forma de onda en la salida A es un pulso cuadrado de 8 kHz, en la
salida B es de 4 kHz, en la salida C es de 2 kHz y en la salida D es de 1 kHz.
La salida del FF D tiene una frecuencia igual a la frecuencia original del
cronómetro dividida por 16. En términos generales, para cualquier contador
la salida del último FF divide la frecuencia de entrada del reloj por el
número MOD del contador.
FIG. 7.1.1. FORMAS DE ONDADE SALIDA DE UN CONTADOR.
7.2.
CONTADORES CON NUMEROS MOD < 2N.
El contador de pulsos básico de la figura 7.1 está limitado a números MOD
que son iguales a 2N, donde N es el número de biestables. Este valor es en
realidad el número MOD máximo que se puede obtener mediante el uso de N
biestables. El contador básico puede ser modificado para producir números
MOD menores que 2N, permitiendo que el contador omita estados que
normalmente son parte de la secuencia de conteo.
Uno de los métodos más comunes para lograr esto se ilustra en la figura 7.2
donde se muestra un contador de pulsos de 3 bits.
77
Despreciando la compuerta NAND por un momento se observa que el
contador es un contador binario MOD-8 que contará en secuencia de 000 a
111.
FIG.7.2 CONTADOR MOD-6.
78
La forma de onda en la salida B contiene una falla o mal funcionamiento
ocasionado por la incidencia momentánea del estado 110 antes de la anulación.
Esta falla es muy breve y de este modo no producirá ninguna indicación
visible en las luces indicadoras o en las exhibiciones numéricas. Sin embargo,
podría ocasionar un problema si la salida B se utiliza para conducir otros
circuitos externos al contador.
La salida C tiene una frecuencia igual a 1/6 de la frecuencia de entrada;
este contador MOD-6 ha dividido la frecuencia de entrada por seis.
La forma de onda C no es una onda cuadrada simétrica ya que solamente
es alta en dos ciclos del cronómetro en tanto que es baja para cuatro ciclos.
7.3.
CONTADORES ASINCRONOS CI (IC).
Existen varios CI contadores asíncronos TTL y CMOS. Uno de los más
populares es el TTL 7493 y su equivalente lógico, el 74293. La figura 7.3
muestra el diagrama lógico para el 7493 tal y como aparece en el manual del
fabricante.
79
FIGURA 7.3 CONTADOR ASINCRONO.
1. El 7493 contiene cuatro FF J-K con las salidas Q0, Q1, Q2, Q3, (en vez de
A, B, C, D). Cada FF tiene una entrada CP (pulsación del cronómetro),
que es simplemente otro nombre de la entrada CLK.
Las entradas del cronómetro Q0, y Q1, marcadas como CP0 y CP1,
respectivamente, son externamente accesibles. Las barras de inversión
sobre estas entradas se utilizan para indicar que actúan como en una
transición de alto a bajo.
2. cada FF tiene una entrada DC CLEAR, CD, conectada a la salida de una
compuerta NAND de 2 entradas. Las entradas de NAND son MR1 y MR2 ,
donde MR significa reposición maestra.
80
3. Los FF Q1, Q2, y Q3, están conectados como un contador de pulsos de 3
bits. El FF Q0, no esta conectado a nada en el interior. Esto da la opción
de conectar Q0 a Q1, para formar un contador de 4 bits o bien utilizar
Q0, por separado.
4. Los FF se disponen en el orden contrario al utilizado en los diagramas de
contadores. Esta es una forma equivalente de trazar el circuito contador.
7.4.
CONTADOR ASINCRONO DESCENDENTE.
Analizando la secuencia de conteo descendente para un contador de 3 bits
tenemos:
A, B, y C representan los estados de salida del FF cuando el contador
recorre su secuencia. El FF A (LSB) cambia estados en cada etapa de la
secuencia como se hace en un contador ascendente.
El FF B cambia estados cada vez que A pasa de bajo a alto; C cambia
estados cada vez que B pasa de bajo a alto. De este modo, en un contador
descendente cada FF, excepto el primero, debe articularse cuando el FF
anterior pase de bajo a alto.
81
Si los FF tienen entradas CLK que responden a transiciones negativas (de
alto a bajo), entonces se puede colocar un inversor en el frente de cada
entrada CLK; se puede lograr el mismo efecto conduciendo cada entrada CLK
del FF desde la salida invertida del FF anterior; esto se ilustra en la figura 7.4,
en relación con un contador descendente MOD-8.
FIGURA 7.4. CONTADOR DESCENDENTE MOD-8.
Los contadores descendentes no se utilizan tanto como los ascendentes. Su
aplicación principal es en situaciones donde debe saberse cuando ha ocurrido
un número deseado de pulsaciones de entrada. En estas situaciones el
contador descendente se prefija al número deseado y luego se le permite
contar hacia abajo cuando se aplican las pulsaciones.
82
Cuando el contador llega al estado cero es detectado por una compuerta
lógica cuya salida indica entonces que ha ocurrido el número prefijado de
pulsaciones.
7.5.
DEMORA EN LA PROPAGACION DE CONTADORES DE ONDAS.
Los contadores de rizo son el tipo más simple de contadores binarios, ya
que requieren del mínimo número de componentes para producir cierta
operación de conteo. Pero presentan una desventaja importante, que es
ocasionada por su principio básico de operación. Cada FF es activado por la
transición en la salida del FF anterior. Debido al retraso inherente en la
propagación de cada FF, esto significa que el segundo FF no responderá sino
hasta un tiempo después de que el primer FF reciba una pulsación de entrada;
el tercer FF no responderá hasta un tiempo igual a 2 x tpd después de que
ocurra la pulsación del cronómetro.
El primer conjunto de formas de onda de la figura 7.5.a muestra una
situación donde ocurre una pulsación de entrada cada 1000 ns y se supone que
cada FF observa un retraso en la propagación de 50 ns.
83
FIG.7.5.a FORMAS DE ONDA DEL CONTADOR DE RIZO DE 3 BITS.
La salida del FF A se cambia 50 ns después de la transición descendente de
cada pulsación de entrada, la salida C pasa a alto después de un retraso de 150
ns. En este caso, el contador no opera adecuadamente en el sentido que los FF
llegan por ultimo a sus estados correctos, lo cual representa el conteo binario.
Las formas de onda de la figura 7.5.b muestran lo que sucede si las
pulsaciones de entrada ocurren una vez cada 100 ns. Una vez más, cada salida
del FF responde 50 ns después de la transición de 1 a 0 en su entrada CLK.
De particular interés es la situación después de la transición descendente de
la cuarta pulsación de entrada donde la salida C no pasa a alto sino hasta
después 150 ns después, que es el mismo tiempo en que la salida A pasa a alto
en respuesta a la quinta pulsación de entrada.
84
FIG.7.5.b FORMAS DE ONDA DEL CONTADOR DE RIZO DE 3 BITS.
En otras palabras, la condición C = 1, B = A = 0, nunca aparece debido a
que la frecuencia de salida es demasiado elevada. Esto podría ocasionar un
grave problema si se considera utilizar esta condición para controlar alguna
otra operación en un sistema digital. Estos problemas se pueden evitar si el
periodo entre las pulsaciones de entrada se hace más largo que la demora total
en la propagación del contador.
7.6.
DECODIFICACION DE UN CONTADOR.
Los contadores digitales se utilizan frecuentemente en aplicaciones donde el
conteo representado por los estados de los FF debe determinar o exhibirse de
alguna manera. Uno de los medios más simples para exhibir el contenido de un
contador comprende la conexión de la salida de cada FF a una pequeña
lámpara indicadora.
85
En esta forma los estados de los FF se representan visiblemente por las
lámparas y el conteo se puede determinar mentalmente decodificando los
estados binarios de las lámparas. El método de la lámpara indicadora se vuelve
inconveniente conforme aumenta el tamaño del contador, debido a que es
mucho más difícil de decodificar mentalmente los resultados exhibidos. Por esta
razón sería preferible desarrollar un medio para decodificar electrónicamente
los contenidos de un contador y mostrar los resultados en una forma que fuera
inmediatamente reconocible y no requiriera operaciones mentales.
Una razón aún más importante de la decodificación electrónica de un
contador son las muchas aplicaciones en las cuales los contadores se utilizan
para controlar la distribución o secuenciación de operaciones automáticamente
sin la intervención humana.
7.6.1.
Decodificación ALTA- activa.
Un contador MOD-X tiene diferentes estados; cada uno de ellos es un
modelo en particular de ceros y unos almacenados en los FF del contador.
Un sistema de decodificación es un circuito lógico que genera X diferentes
salidas, cada una de las cuales detecta la presencia de cierto estado del
contador.
Las salidas decodificadoras pueden ser diseñadas para producir un nivel
ALTO o uno BAJO cuando ocurra la detección. Un decodificador ALTO-activo
produce salidas altas para indicar detección.
86
7.6.2.
Decodificación del contador BCD.
Un contador BCD tiene 10 estados, los cuales se pueden decodificar
utilizando
las
técnicas
que
se
describieron
anteriormente.
Los
decodificadores BCD ofrecen 10 salidas correspondientes a los dígitos
decimales del 0 al 9 representados por los estados del los FF del contador.
Estas 10 salidas se pueden usar para controlar 10 lámparas indicadoras
para obtener una exhibición visual. Con mayor frecuencia, en vez de utilizar
10 lámparas por separado se utiliza un solo dispositivo de exhibición para
visualizar los números decimales del 0 al 9. Este dispositivo denominado
tubo nixie, contiene 10 filamentos muy delgados numéricamente perfilados
que se agrupan uno arriba del otro. El decodificador BCD controla que
filamento está iluminado. Otra clase de exhibiciones decimales contiene
siete segmentos pequeños hechos de un material que emite luz cuando se
pasa una corriente eléctrica a través de él. Las salidas del decodificador BCD
controlan que segmentos están iluminados a fin de producir un modelo que
represente uno de los dígitos decimales.
7.7.
CONTADORES BCD CON TRANSMISION EN CASCADA.
Los contadores BCD se utilizan siempre que se vayan a contar pulsaciones y
los resultados se exhiban en forma decimal. Un solo contador BCD puede
contar de 0 a 9 y luego regresar a 0.
87
Para contar hasta números decimales mayores, podemos disponer los
contadores BCD en forma de cascada como se ilustra en la figura 7.7. , esta
disposición opera de la siguiente manera:
a. Inicialmente todos los contadores son anulados al estado cero.
Así, la exhibición decimal es 000.
b. Cuando llegan las pulsaciones de entrada, el contador BCD
avanza un conteo por pulsación. Después de que han ocurrido
nueve pulsaciones, los contadores BCD de centenas y decenas
siguen todavía en cero y el contador de unidades está en 9 (1001
binario). De este modo, la exhibición decimal se lee 009.
c. En la décima pulsación de entrada el contador de las unidades se
recicla a cero, ocasionando que la salida del FF D vaya de 1 a 0.
esta transición de 1 a 0 actúa como la entrada del cronómetro
para el contador de las decenas y ocasiona que avance un
conteo. Así después de 10 pulsaciones de entrada, la lectura
decimal es 010.
d. Cuando ocurren otras pulsaciones, el contador avanza un conteo
por pulsación y cada vez que el contador de unidades se recicla a
cero, avanza al contador de las decenas un conteo. De este
modo, después de que han ocurrido 99 pulsaciones de entrada, el
contador de las decenas está en 9, al igual que el de las
unidades. La lectura decimal es de este modo 099.
88
e. En la pulsación 100 de entrada, el contador de las unidades se
recicla a cero, que a su vez ocasiona que el contador de las
decenas se recicle a cero. La salida del FF D del contador de las
decenas realiza de esta manera una transición de 1 a 0 que
actúa como entrada del cronómetro para el contador de las
centenas y ocasiona que avance un conteo. Así, después de 100
pulsaciones la lectura decimal es 100.
f. Este proceso continúa hasta 999 pulsaciones. En la pulsación
1000, todos los contadores se reciclan a cero.
FIG. 7.7. CONTADORES BCD EN CASCADA.
7.8.
CONTADORES DE REGISTROS DE CAMBIOS.
Los registros de cambios se pueden disponer para formar varios tipos de
contadores.
Todos
los
contadores
de
registros
de
cambios
utilizan
retroalimentación, con lo cual la salida del último FF del registro de cambios es,
en alguna forma, conectado al primer FF.
89
Los contadores de registros de cambios que se utilizan más ampliamente
son el contador en forma de anillo y el contador de Jonson.
7.8.1.
Contador en forma de anillo.
El contador de registros de cambios más simple es esencialmente un
registro de cambios circulante conectado de modo que el último FF desplace
su valor al primer FF. Esta disposición se muestra en la figura 7.8.1.
utilizando biestables de tipo D.
Los FF se conectan de modo que la información se corra de izquierda a
derecha y de regreso de Q0 a Q3. En muchos casos solo hay un 1 en el
registro y se hace que circule alrededor del registro en tanto se apliquen las
pulsaciones del cronómetro. Por esta razón se le denomina contador en
formas de anillo.
Las formas de onda y la tabla de secuencia de la figura 7.8.1 muestran
los diversos estados de los FF cuando se aplican pulsaciones, suponiendo un
estado de iniciación de Q3 = 1 y Q2 = Q1 = Q0 = 0.
Después de la primera pulsación, el 1 ha pasado de Q3 a Q2 de manera
que el contador está en el estado 0100. La segunda pulsación produce el
estado 0010 y la tercera pulsación produce el estado 0001.
En la cuarta pulsación del cronómetro el estado 1 de Q0 se transfiere a
Q3, lo cual produce el estado 1000, que es, desde luego, el estado inicial.
Las pulsaciones subsiguientes ocasionan que se repita la secuencia.
90
Este contador funciona como un contador MOD-4, pues tiene cuatro
estados distintos antes de repetirse la secuencia.
Aunque este circuito no progresa a través de la secuencia binaria de
conteo normal, sigue un contador debido a que cada conteo corresponde a
un estado en particular de los FF.
FIG. 7.8.1. CONTADOR DE ANILLO DE 4 BITS.
91
Los contadores en forma de anillo se pueden construir para cualquier
número MOD que se desee; un contador en forma de anillo MOD-N utiliza N
biestables conectados en la disposición de la figura 7.8.1.
En general, un contador en forma de anillo necesitará más FF que un
contador binario para el mismo número MOD; un contador en forma de
anillo MOD-8 requiere de ocho FF en tanto que un contador binario MOD-8
necesita solo 3.
92
8. INSTRUMENTOS DE MEDICION.
93
8.1.
INTRODUCCION.
La meteorología es una ciencia de importancia fundamental, para el
complemento de un sinfín de actividades diarias en la vida del hombre; desde
la predicción de lluvias para los campos de cultivo, hasta las condiciones
climatológicas para los medios de transporte. En el medio aeronáutico, tema
principal de este proyecto,
el conocimiento de las variables climatológicas
imperantes en cada una de las fases del desarrollo de las operaciones
aeronáuticas en los aeródromos, es primordial y de suma importancia, ya que
del conocimiento de estas, depende la seguridad con la que se lleven a cabo,
tanto en operaciones de terminal como durante las rutas. Estas variables
climatológicas son la velocidad y dirección del viento, la temperatura, presión
barométrica, humedad relativa, etc., y para su conocimiento es necesario
contar con los instrumentos y equipos de precisión adecuados para cuantificar
cada parámetro. Se dispone de varios sistemas para medir estos parámetros
atmosféricos.
La elección de los sensores apropiados depende del tipo de aplicación que
se les dará a los datos. Además de los sensores, podrán necesitarse otros
equipos para el condicionamiento de la señal y la grabación y tal vez, para el
registro electrónico de los datos. Para asegurar la recolección de datos
representativos, es necesario seguir rigurosos procedimientos de identificación,
instalación y mantenimiento de los instrumentos.
94
8.2.
VELOCIDAD DEL VIENTO.
Si bien el viento es una cantidad vectorial y se puede considerar una
variable primaria por naturaleza, por lo general en velocidad (la magnitud del
vector) y dirección (la orientación del vector) se consideran variables
independientes. La velocidad del viento determina la cantidad de dilución inicial
que experimenta una pluma. Por lo tanto, la concentración de contaminantes
en una pluma está directamente relacionada con la velocidad del viento.
Esta también influye en la altura de la elevación de la pluma después de ser
emitida.
A medida que la velocidad del viento aumenta, la elevación de la pluma
disminuye al ser deformada por el viento.
Esto hace que disminuya la altura de la pluma, que se mantiene más cerca
del suelo y puede causar un impacto a distancias más cortas a sotavento.
Por lo general, la velocidad del viento se usa junto con otras variables para
derivar las categorías de la estabilidad atmosférica usadas en las aplicaciones
de los modelos de la calidad del aire.
Los dos principales tipos de instrumentos usados para medir la velocidad del
viento son el anemómetro rotativo de cubeta y el anemómetro de hélice
(ilustrado en la figura 8.2). Ambos tipos de anemómetros constan de dos
subconjuntos; el sensor y el transductor.
95
Figura 8.2. Dos tipos de anemómetros
El sensor es el dispositivo que rota por acción de la fuerza del viento. El
transductor es el que genera la señal que se grabará.
Un paquete completo de instrumentos también puede incluir un sistema
electrónico para captar y grabar las señales electrónicas que genera el
transductor.
Por ejemplo, es probable que se necesite acondicionar la señal de modo que
produzca una cantidad reportable.
Para ello se debe usar un acondicionador de señal. Por último, para usar la
señal acondicionada, esta deberá ser registrada y/o grabada a través de
grabadores y registradores.
96
8.3.
ANEMOMETROS ROTATIVOS DE CUBETAS.
El anemómetro rotativo de cubetas generalmente consta de tres cubetas
cónicas o hemisféricas montadas simétricamente sobre un eje vertical de
rotación. La tasa de rotación de las cubetas generalmente es lineal sobre el
rango normal
de
medidas, con una velocidad lineal
del
viento de
aproximadamente 2 a 3 veces la velocidad lineal de un punto en el centro de
una cubeta, según sea su ensamblaje.
8.4.
ANEMOMETROS CON PALETAS DE ORIENTACION Y HELICES
CON MONTURA FIJA.
El anemómetro con paletas de orientación (figura 8.4)
consta
generalmente de una hélice de dos, tres o cuatro paletas radiales que rota
sobre un eje de giro horizontal frente al viento.
Existen varios anemómetros de hélice que emplean moldes ligeros de
plástico o de espuma de poliestireno para que las paletas de la hélice alcancen
bajas velocidades umbrales al inicio.
Algunos anemómetros de hélice no tienen paletas móviles (véase la figura
8.2).
En cambio, para determinar los componentes vectoriales (esto es, la
velocidad y la dirección) del viento horizontal se usan hélices ortogonales de
montura. Para determinar el componente vertical del viento, se puede emplear
una tercera hélice con una montura fija que gira sobre un eje vertical.
97
Figura 8.4. ANEMOMETRO (uvw) CON MONTURA FIJA.
8.5.
TRANSDUCTORES DE VELOCIDAD DEL VIENTO.
Existen varios mecanismos para convertir la tasa de rotación de las cubetas
o hélices en una señal eléctrica adecuada para el registro y/o procesamiento.
La selección de un transductor depende de la naturaleza del programa de
monitoreo es decir, del grado de sensibilidad requerido y del tipo de registro o
lectura de datos que se necesita. Los cuatro transductores más utilizados son:
el generador DC, el AC, el contacto eléctrico y el rayo luminoso interrumpido.
Muchos tipos de generadores DC y AC de uso frecuente tienen algunas
limitaciones para lograr un nivel umbral bajo y respuestas rápidas. Es
importante usar instrumentos con bajos niveles umbrales al inicio como los
anemómetros que emplean generadores DC miniaturizados. Los transductores
con generadores AC eliminan la fricción de la escobilla pero se debe diseñar
cuidadosamente el circuito de acondicionamiento de la señal para evitar la
98
alteración de las oscilaciones en la señal de salida que se puede producir ante
velocidades bajas del viento.
Los transductores de contacto eléctrico se usan para medir el pasaje total
del viento (flujo continuo del viento) en lugar de velocidades instantáneas, y se
pueden emplear para determinar la velocidad promedio del viento en un
determinado período. En general, no se recomienda usar estos dispositivos en
los estudios sobre dispersión de contaminantes del aire.
El
transductor
de
rayo
luminoso
interrumpido
(troceador
de
luz)
generalmente se usa en aplicaciones de calidad del aire porque presenta menos
fricción y, por lo tanto, es más sensible a velocidades menores del viento.
Este tipo de transductor usa un eje o disco ranurado, un emisor y un
detector de imágenes. El ensamblaje de la cubeta o hélice hace rotar el eje o
disco ranurado, con lo que crea un pulso cada vez que la luz pasa a través de
una ranura y llega al detector de imágenes.
La frecuencia de salida de un generador AC o transductor troceador de luz
se puede transmitir a través de un acondicionador de señal y convertirse en
una señal analógica para diversos dispositivos de registro, tales como el
registrador continuo de banda de papel o de multipuntos, o de un convertidor
analógico digital (A/D) a un registro digital con microprocesador. Varios
registradores modernos de datos pueden aceptar directamente la señal por el
99
tipo de frecuencia y, de este modo es posible eliminar la necesidad de un
acondicionamiento adicional de la señal.
El diseño de un programa de monitoreo debe incluir el registro y el
procesamiento de datos.
8.6.
DIRECCION DEL VIENTO.
Por lo general, la dirección del viento se define como la orientación del
vector del viento en la horizontal. Para propósitos meteorológicos, la dirección
del viento se define como la dirección desde la cual sopla el viento, y se mide
en grados en la dirección de las agujas del reloj a partir del norte verdadero.
Por ejemplo, un viento del oeste sopla del oeste, a 270° del norte. Un
viento del norte sopla desde una dirección de 360°. La dirección del viento
determina la del transporte de una pluma emitida.
8.6.1.
PALETAS DE VIENTO.
El instrumento más común para medir la dirección del viento es la paleta
de viento. Las paletas de viento señalan la dirección desde la cual este
sopla.
Pueden ser de formas y tamaños diferentes: algunas con dos platos
juntos en sus aristas directas y dispersas en un ángulo (paletas separadas),
otras con un solo platillo plano o una superficie aerodinámica vertical. Por lo
general, son de acero inoxidable, aluminio o plástico.
100
Al igual que con los anemómetros, se debe tener cuidado al seleccionar
un sensor a fin de asegurar una durabilidad y sensibilidad adecuadas para
una determinada aplicación. La figura 8.6.1 muestra ejemplos de paletas de
viento.
FIGURA 8.6.1 PALETAS DE VIENTO.
Los componentes horizontales (azimuth) y verticales (elevación) de la
dirección del viento se pueden medir con una paleta bidireccional. Por lo
general, esta paleta consta de una aleta anular y dos aletas planas
perpendiculares entre sí, contrapesadas y montadas sobre un cardán de
modo que cada una puede rotar libremente, tanto en sentido horizontal
como vertical.
101
8.6.2.
ANEMOMETROS DE HELICE CON MONTURA FIJA.
Otro método para medir la dirección horizontal y/o vertical del viento es
mediante anemómetros de hélice de montura fija. La dirección horizontal
del viento se puede determinar mediante programas de cómputo a partir de
los componentes ortogonales de la velocidad del viento.
La velocidad vertical también puede ser medida al agregar una tercera
hélice montada verticalmente. Este dispositivo generalmente se conoce
como anemómetro UVW.
8.6.3.
TRANSDUCTORES DE DIRECCION DEL VIENTO.
Muchos transductores del tipo conmutador simple se valen del contacto
del cepillo para dividir la dirección del viento en 8 ó 16 sectores del compás.
Sin embargo, para el estudio de la calidad del aire es mejor usar
transductores que provean al menos una resolución de 10° (36 sectores del
compás) en la medición de la dirección del viento.
Un transductor comúnmente usado para las aplicaciones de los modelos
de la calidad del aire es el potenciómetro. El voltaje del potenciómetro varía
directamente con la dirección del viento. Un potenciómetro es un resistor
variable. Cuando la dirección del viento cambia, el eje de la paleta del
viento se mueve y hace que la resistencia del potenciómetro varíe. Esta
modificación está directamente relacionada con la dirección del viento.
102
8.6.4.
UBICACIÓN Y EXPOSICIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE
MEDICION DEL VIENTO.
Para obtener datos meteorológicos representativos en los estudios sobre
la contaminación del aire es clave la ubicación adecuada de los
instrumentos.
Estos se deben colocar lejos de obstrucciones que puedan influir en las
mediciones. No se debe permitir que consideraciones secundarias, como la
accesibilidad y la seguridad, comprometan la calidad de los datos.
La altura estándar de exposición de los instrumentos de viento en un
terreno abierto es 10 m sobre el suelo.
El terreno abierto se define como una área donde la distancia entre el
instrumento y cualquier obstrucción (árboles, edificios, etc.) es al menos 10
veces la altura de la obstrucción (véase la figura 8.6.4 a).
FIGURA 8.6.4 a CRITERIOS DE DISTANCIA PARA LA UBICACIÓN DE
LOS INSTRUMENTOS DE MEDICION DEL VIENTO.
103
En los casos en que las descargas de emisión se producen generalmente
sobre 10 m, es probable que se requieran mediciones adicionales del viento en
mayores elevaciones. Se deberían establecer alturas adecuadas de medición a
partir de cada caso y según la aplicación. Se recomienda, en lo posible, colocar
los instrumentos de viento sobre una torre de rejas. Además, se deben ubicar
en la parte superior de esta o, si están en un lado de la torre, se deben ubicar
en botavaras a una distancia de al menos dos veces el diámetro/diagonal de la
torre, extendidas hacia afuera en dirección del viento dominante (véase la
figura 8.6.4.b).
FIGURA 8.6.4.b UBICACIONES RECOMENDADAS PARA COLOCAR LOS
INSTRUMENTOS DE VIENTO.
104
8.7.
DESEMPEÑO DEL SISTEMA.
En un programa de monitoreo es muy importante monitorear las variables
meteorológicas adecuadas, que son representativas de las condiciones de
dispersión atmosférica en una determinada ubicación.
Así mismo, es importante asegurar un desempeño adecuado del monitoreo
para la obtención de datos representativos.
La exactitud y las características de las respuestas de los sistemas de
monitoreo meteorológico son factores importantes para definir el desempeño
del sistema.
8.7.1.
Exactitud del sistema.
La exactitud del sistema es el monto en que una variable medida se
desvía de un valor aceptado como válido o estándar. La exactitud se puede
concebir para un componente individual o para el sistema general.
Por ejemplo, la exactitud general de un sistema de medición del viento
incluye las exactitudes del componente individual de un anemómetro de
cubeta o de hélice, circuito electrónico colocado como un condicionador de
señal y registrador de datos.
El cuadro 8.11.1 enumera valores de exactitud recomendados para los
sistemas in situ de monitoreo meteorológico destinados a aplicaciones de
estudios de calidad del aire.
105
Están establecidos en función de los valores de exactitud del sistema
general, ya que los datos usados en los análisis de calidad del aire son los
del sistema de medición. El cuadro 8.11.1 también incluye las resoluciones
recomendadas de medición; es decir, los aumentos mínimos visibles. Estas
resoluciones son necesarias para mantener los valores recomendados de
exactitud.
Las especificaciones y resoluciones relativas a la exactitud presentadas
en el cuadro 8.11.1 se pueden aplicar al sistema primario de medición (el
más recomendable es uno digital basado en un microprocesador). En el
caso de los sistemas análogos usados como reservas o backrups, los límites
de exactitud recomendados en el cuadro 8.11.1 pueden aumentar en 50%.
Las resoluciones de estos sistemas deben ser adecuadas para mantener
los valores recomendados de exactitud.
Cuadro 8.11.1. VALORES DE EXACTITUD Y RESOLUCIONES
RECOMENDADAS PARA EL SISTEMA.
106
8.8.
CARACTERISTICAS DE LAS RESPUESTAS DE LOS SENSORES
METEOROLOGICOS IN SITU.
Las características de las respuestas ayudan a definir la velocidad con la que
un instrumento responderá a los cambios de las variables meteorológicas. Es
necesario conocer algunas características de las respuestas de los sensores
meteorológicos propuestos para los programas de monitoreo in situ a fin de
garantizar que los datos recolectados sean apropiados para la aplicación
deseada. Las siguientes definiciones se aplican para términos generalmente
relacionados con las características de respuesta del instrumento y las
propiedades inherentes a los sensores meteorológicos:
Calma – Cualquier velocidad promedio del viento por debajo del nivel umbral
de inicio de la velocidad del viento o del sensor de dirección, el que sea mayor.
Razón de amortiguamiento – El movimiento de una paleta de viento es una
oscilación amortiguada y la razón en la que disminuye la amplitud de las
oscilaciones sucesivas es independiente de la velocidad del viento. La razón de
amortiguamiento es la razón de la oscilación real y la oscilación crítica, que es
la medida de una resistencia mecánica de la paleta al movimiento.
Distancia de retardo – Es la longitud de una columna de aire que pasa por
una paleta de viento tal que esta responderá a 50% de un cambio angular
repentino en la dirección del viento.
107
Constante de distancia – La constante de distancia de un sensor es la
longitud por donde pasa el fluido requerido para causar una respuesta a un
determinado cambio en la velocidad del viento. La constante de distancia es
una característica de los anemómetros de cubeta y de hélice (rotativos).
Rango – Es un término general usado para identificar los límites de operación
de un sensor, dentro del cual muchas veces se especifica la exactitud.
Nivel umbral (velocidad inicial) – La velocidad del viento a la que un
anemómetro o paleta empieza a trabajar según sus especificaciones.
Constante de tiempo – Período requerido para obtener la respuesta de un
sensor a un determinado cambio en el parámetro que mide.
El cuadro 8.12 enumera las características recomendadas para las
respuestas de los sensores con miras a aplicarlas en modelos de regulación.
CUADRO 8.12 CARACTERISTICAS RECOMENDADAS DE LAS
RESPUESTAS PARA LOS SENSORES METEOROLOGICOS.
108
9. DESARROLLO DEL PROYECTO.
109
9.1.
ANEMOMETRO.
El anemómetro que proponemos fue pensado para solucionar el problema
de medición del viento con un instrumento que fuera de fácil armado, con
componentes de fácil adquisición, de bajo costo y con buena precisión.
El dispositivo mecánico consiste en un tubo de 2.5 pulgadas de diámetro y 6
de largo, cuenta con 4 rodamientos de ¼ de pulgada acoplados a 2 bases de
2.5 pulgadas de diámetro, el eje consta de una barra de aluminio de ¼ de
pulgada de diámetro por 7 pulgadas de longitud; a este eje se encuentran
ancladas las copas mediante un acoplador cilíndrico de ¾ de pulgada y 3
varillas de aluminio de 6/32 de pulgada, y por último las copas de latón con un
diámetro de 3 pulgadas orientadas en sentido dextrorsum (de izquierda a
derecha).
Básicamente el instrumento propuesto es un frecuencimetro que al medir el
número de vueltas en un segundo mediante la interrupción que produce un
encoder de un haz de luz infrarroja, nos proporciona un parámetro proporcional
a la velocidad del viento, a esta cantidad la acondicionamos con objeto de que
sea presentada en el display la velocidad del viento en las unidades que
prefiramos.
110
FOTOGRAFIA 1.-ANEMOMETRO DE COPAS CON DISPOSITIVO
ELECTRONICO.
Cada hertz es equivalente a un ciclo de una señal en segundos, siendo así si
contamos el número de ciclos durante un segundo tendremos la velocidad de
rotación que mediante una linealización nos proporciona la velocidad del viento.
El modulo básico posee como componentes principales circuitos integrados
contadores del tipo 7490 y un monoestable 74123 que contienen tecnología
TTL la cual tiene un costo muy bajo en este momento.
111
C.I. 7490
Cada C.I. 7490 contiene un contador divisor por 2 y otro (de 3 etapas, en
cascada) divisor por 5. Asociándolos obtenemos un contador divisor por 10
compatible con los niveles TTL. La máxima frecuencia que puede contar es de
16 MHz para el 7490y el 74LS90, según datos del fabricante, lo cual cumple de
sobra con los requerimientos de nuestro anemómetro.
Nuestro contador tiene como base fip-flops que componen contadores
asíncronos encapsulados en el C.I 7490 del cual las terminales marcadas R0 y
R9 sirven para iniciar la cuenta con valor de 0 ó 9 respectivamente, según la
figura 9.1. En esta figura también presentamos la distribución de terminales y
en el anexo “B” la hoja de datos del fabricante.
ENTRADAS DE RESET
RD(1)
RD(2)
Rg(1)
RD(2)
H
H
L
X
H
H
X
L
X
X
H
H
X
L
X
L
L
X
L
X
L
X
X
L
X
L
L
X
OD
L
L
H
SALIDAS
OC
OB
L
L
L
L
L
L
CUENTA
CUENTA
CUENTA
CUENTA
OA
L
L
H
112
FIGURA 9.1 TABLA DE VERDAD DEL 7490 Y DISTRIBUCIÓN DE
TERMINALES.
La salida Qa es incrementada cuando colocamos un pulso de reloj en la
entrada A, mientras que Qb, Qc y Qd son aumentadas cuando pulsamos la
entrada B; conectamos así QA en la entrada B para tener las salidas QA, QB,
QC Y QD en cuenta de modulo 10 (modulo 2 x modulo 5).Ver hoja de datos en
el anexo “B”.
113
FOTOGRAFIA 2.-PLACA IMPRESA CON CONEXIONES DE CIRCUITOS
INTEGRADOS.
C.I. 74123.
El circuito integrado 74123 (anexo “C”) es un monoestable compuesto por
dos multivibradores monoestables, que son disparados externamente.
Cada uno de los monoestables que componen el 74123 pueden ser
disparados con pulsos de subida o descenso, según conectamos las entradas A,
B y CLR. Según la tabla de la figura 9.1.1.
114
ENTRADAS
CLEAR
A
L
X
X
H
X
X
H
L
H
L
L
B
X
X
L
SALIDAS
Q1
Q2
L
H
L
H
L
H
H
H
FIGURA 9.1.1 TABLA DE VERDAD DEL 74123.
FIGURA 9.1.2 DISTRIBUCION DE TERMINALES DEL 74123.
Cada multivibrador monoestable esta compuesto por un flip-flop tipo D que
tiene su entrada (D) dependiendo de la combinación de las señales 1A, 1B,
CLR1 y 2ª, 2B, CLR2 para los dos monoestables.
La duración de los pulsos depende del circuito RC conectado en las
terminales Rext/Cext. y está dada por:
 0.7 
t  0.123 * R * C 
 ….en segundos.
 R 
115
El valor del resistor puede variar entre 5KΩ y 50KΩ, pero no existe
restricción en cuanto al valor del capacitor.
C.I. 555.
Este circuito integrado NE555 es un oscilador de muy alta estabilidad capaz
de producir pulsos con un tiempo muy preciso. Operando como monoestable el
tiempo de retraso y por lo tanto la frecuencia de operación es controlada por
un resistor y un capacitor externos.
Cuando opera como oscilador astable, la precisión de la frecuencia y ciclo
de trabajo es controlado por dos resistencias y un capacitor externos. En la
figura 9.1.3., mostramos el diagrama a bloques de este C.I. y la distribución de
terminales y en el anexo “D”presentamos las hojas de datos del fabricante.
En la figura 9.1.3 presentamos el diagrama a bloques del circuito propuesto
116
DISPLAY
CONTADOR
MONOESTABLE
SELECCIÓN
DE TIEMPO
DISPARADOR
FIGURA 9.1.3. DIAGRAMA A BLOQUES DEL ANEMOMETRO.
DM9368
Este circuito integrado es un decodificador de binario a 7 segmentos que
incluye también la circuiteria necesaria para excitar directamente un display con
base en led’s con conexión de cátodo común, esto lo hace manteniendo una
corriente constante para cada uno de los led’s, este integrado incluye un
función de lazo de amarre disponible en la terminal marcada como “latch
enable input” la cual nos permite “congelar” la información disponible en el
display y actualizarla cada determinado tiempo, esta característica es de mucha
utilidad en el circuito del anemómetro como lo veremos mas adelante. En la
117
figura 9.1.4.- presentamos la distribución de terminales de este integrado y la
función que cumplen sus terminales.
FIGURA 9.1.4. DISTRIBUCION DE TERMINALES DEL DM 9368
9.2.
FUNCIONAMIENTO DEL ANEMOMETRO.
El disparador resetea la cuenta y dispara el monoestable que generará el
pulso de muestra de nuestro circuito. El contador al ser reseteado, comienza a
contar el número de pulsos de la señal en la entrada que es igual al número de
vueltas que realiza el anemómetro en 1 segundo, al pasar el tiempo definido en
el monoestable, el valor de la cuenta aparece en el display y corresponde al
número de pulsos dentro de la constante de tiempo seleccionada.
En la figura 9.2 presentamos el diagrama eléctrico del circuito el cual será
armado en dos placas de circuito impreso separadas para facilitar su montaje.
118
119
FIGURA 9.2 DIAGRAMA ELECTRICO DEL MODULO PRINCIPAL.
120
FIGURA 9.2.1.- DIAGRAMA ELECTRICO DEL MODULO DISPLAY.
FIGURA 9.2.2.- DIAGRAMA ELECTRICO DEL MODULO DEL
OPTOSWITCH.
El circuito disparador constituido por un oscilador astable que tiene como
elemento principal el circuito integrado NE555, cuya frecuencia es ajustada a
través de un trimpot para obtener el periodo necesario para obtener en el
display el valor de la velocidad del viento al escalar el numero de vueltas a las
que gira el anemómetro.
121
Cuando el oscilador disparador (NE555) genera un pulso, el contador
recomienza y el primer monoestable constituido por la mitad el 74123 es
disparado y comienza el cronometraje del tiempo de muestra. La señal que
viene del optoswitch el cual es interrumpido por el encoder acoplado al eje del
anemómetro pasa por una pequeña protección contra picos y tensiones
negativas , compuesta por un resistor (R6) y un diodo zener (D1).
FOTOGRAFIA 3.- MONTAJE DEL ENCODER CON EL OPTOSWITCH
122
En seguida va a excitar el primer contador correspondiente a la unidad.
Cada vez que este contador “transborda” (llega a 9, su valor máximo, y vuelve
a cero), el segundo contador, de la decena, es aumentado ya que los dos
contadores están conectados en cascada.
Mientras se hace la cuenta el primer monoestable está disparado y
permanecerá así hasta que transcurra el tiempo programado para el pulso.
Cuando esto ocurre, el primer monoestable vuelve a su estado de reposo y
dispara el segundo monoestable, que acciona por un intervalo de tiempo muy
pequeño el latch del decodificador de display (pata 3 del C.I. DM9368), así
actualiza su valor para el de la cuenta actual y completa un ciclo de medición.
El circuito permanecerá en reposo hasta que un nuevo pulso sea generado
por el oscilador disparador (C.I. NE 555) con lo que reinicia todo el proceso.
FOTOGRAFIA 4.-DISPLAY DIGITAL DEL ANEMOMETRO DE COPAS.
123
En la figura 9.2.3.- mostramos la placa de circuito impreso en la cual se
montara este aparato.
FIGURA 9.2.3.- PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PARA EL MODULO
PRINCIPAL.
FIGURA 9.2.4.- PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PARA EL MODULO DE
DISPLAY.
124
FIGURA 9.2.5.- PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PARA EL
MODULO DEL OPTOSWITCH.
9.3.
VELETA.
Este dispositivo fue ideado para proporcionar una indicación digital de la
dirección del viento con una resolución de 10 grados, esta resolución es
suficiente para propósitos aeronáuticos.
El dispositivo mecánico consiste en un tubo de 2.5 pulgadas de diámetro y 6
de largo, cuenta con 4 rodamientos de ¼ de pulgada acoplados a 2 bases de
2.5 pulgadas de diámetro, el eje consta de una barra de aluminio de ¼ de
pulgada de diámetro por 7 pulgadas de longitud; a este eje se encuentran
ancladas la flecha direccional y la veleta mediante un acoplador cilíndrico de ¾
de pulgada y 1 un eje de aluminio de 3/8 de pulgada de diámetro y 10
pulgadas de longitud.
125
FOTOGRAFIA 5.-VELETA DIGITAL.
Para lograr este propósito nuestro circuito se basa en un par de contadores
up/down sincrónicos de tecnología CMOS (CD 4029), los cuales están
conectados en cascada y son activados igual que en el caso del anemómetro
por la interrupción de dos haces de luz infrarroja hecha por un par de encoder’s
con un defazamiento de 5 grados.
126
El encoder.
En el capitulo 6 hablamos de los diferentes tipos de encoders, por la
complicación técnica que representa el fabricar un encoder de tipo absoluto
decidimos usar uno de cuadratura (incremental) con la desventaja que el
dispositivo no tendrá memoria de la ultima posición, esto se reflejara en que
este dispositivo deberá ser calibrado cuando se instale y deberá contar con una
batería de respaldo con el objeto de que siempre este energizado ya que en el
momento en que le falte la energía requerirá calibrarse de nueva cuenta
orientando la veleta al norte magnético. El encoder fue fabricado en plástico y
fue hecho de manera manual
C.I. CD4029.
El C.I. CD4029 (anexo “E”) es un contador arriba/abajo pre-programable
que puede realizar la cuenta en modo binario o en décadas dependiendo del
nivel de voltaje en la pata 9 marcada como “binary/decade”, cuando esta pata
tiene un nivel lógico “1” el contador realizara la cuenta en binario y cuando el
nivel lógico sea “0” contara en décadas. De manera similar el circuito contara
hacia arriba cuando el nivel lógico en la pata 10 sea “1” de lo contrario el
conteo se realizara en forma descendente.
127
Este C.I. contiene 4 entradas las cuales son identificadas como J1 a J4 en
las cuales puede programarse cualquier numero para ser cargado en cualquier
momento de forma asincrónica en el contador, esto sucederá al llevar a la pata
1 marcada como “preset enable” al nivel lógico “1”. Esta ultima característica
fue aprovechada en el circuito para programar al contador para que contara en
forma ascendente hasta 35 y volviera a cero, y en forma descenderte brincara
de 0 a 35. Ver hoja de datos del fabricante en el anexo “E”. En la figura 9.3
mostramos la distribución de terminales de este integrado.
FIGURA 9.3.- DISTRIBUCION DE TERMINALES DEL CD4029.
C.I. 7408.
En el C.I. 7408 encontramos 4 compuertas “AND” de 2 entradas fabricado
con tecnología TTL, en el capitulo 1 detallamos el funcionamiento de este tipo
de compuertas.
En la figura 9.3.1 mostramos la tabla de verdad correspondiente así como la
distribución de patas.
128
FIGURA 9.3.1.-TABLA DE VERDAD Y DISTRIBUCION DE PATAS PARA
EL 7408 CON 4 COMPUERTAS AND DE 2 ENTRADAS.
C.I. 7421.
Este C.I. contiene 2 compuertas “AND” de 4 entradas, esta fabricado con
tecnología TTL, para esta aplicación utilizamos la presentación en cubierta 14
DIL, en el capitulo 1 hablamos de el funcionamiento de las compuertas AND, el
funcionamiento de esta compuerta es igual a la de 2 entradas, la salida será
alta si y solo si todas sus entradas son altas, en la figura 9.3.2.- mostramos la
tabla de verdad para este tipo de compuertas y la distribución de patas.
129
FOTOGRAFIA 6.- DISTRIBUCIÓN Y CONEXIÓN DE CIRCUITOS
INTEGRADOS.
FIGURA 9.3.2.- TABLA DE VERDAD Y DISTRIBUCION DE PATAS PARA
EL 7421 CON 2 COMPUERTAS AND DE 4 ENTRADAS.
130
C.I. 7447.
Este circuito integrado es un conversor de código de BCD a 7 segmentos
fabricado con tecnología TTL cuyas salidas están activas en nivel lógico bajo,
esto quiere decir que necesitamos utilizar display de 7 segmentos de ánodo
común, esto con el objeto de que cuando una de las salidas del 7447 pase a
nivel bajo encienda el segmento del display correspondiente. Este C.I. se
fabrica en presentación 16 DIL. En la figura 9.3.3.- presentamos el diagrama
lógico así como la distribución de patas, y en el anexo “F” presentamos las
hojas de datos del fabricante.
FIGURA 9.3.3.-SIMBOLO LOGICO Y DISTRIBUCION DE TERMINALES
DEL 7447.
131
TRANSISTOR BC548.
En el circuito construido utilizamos un transistor BC 548 esto con el objeto
de que funcionara como una compuerta inversora, por este motivo este
transistor esta polarizado para trabajar como un interruptor en corte y
saturación, el BC548 es un transistor NPN de silito de uso general para
aplicaciones como interruptor, se fabrica en cubierta TO-92, en la figura 9.3.4.presentamos su símbolo eléctrico y su distribución de terminales y en el anexo
“G” las hojas de datos del fabricante.
FIGURA 9.3.4.- DIAGRAMA ELECTRICO Y DISTRIBUCION DE
TERMINALES DEL TRANSISTOR BC548.
En la figura 9.3.5.- presentamos el diagrama a bloques del circuito.
132
FIGURA 9.3.5. DIAGRAMA A BLOQUES DEL INDICADOR DE
DIRECCION DE VIENTO.
FOTOGRAFIA 7.-CIRCUITO Y TARJETA IMPRESA CON CONEXIONES.
133
9.4.
FUNCIONAMIENTO DE LA VELETA.
Al establecer la alimentación en el contador se carga el numero 00, cuando
la veleta gira a la derecha, el primer encoder acoplado al eje de la veleta
establece el haz del optoswitch provocando un pulso alto en la terminal 15 del
C.I. 4029 marcada como reloj, esto hace que la cuenta varié sumando o
restando de acuerdo al voltaje aplicado en la terminal numero 10 del mismo
C.I. marcada como up/down.
El voltaje para esta terminal es proporcionado por el segundo optoswitch el
cual es interrumpido por un segundo encoder que se encuentra desfasado 5
grados con respecto al primero. Los C.I. 7421 y 7408 a través de las terminales
de entrada a las compuertas AND censarán el numero de la cuenta y el sentido
de la misma, en el caso de conteo ascendente al llegar al 36 se habilita la
terminal numero 1 del CD4029 y con esto se carga el numero 00 que es
presentado en el display, cuando la cuenta sea descendente al alcanzar el
numero 99 las compuertas AND provocaran que se cargue el numero 35 y este
se presentado en el display a través de la habilitación de la terminal numero 1
marcada como “preset enable”.
134
FOTOGRAFIA 8.- DISPLAY DE ANODO COMUN
El display utilizado en este circuito es del tipo de ánodo común ya que
utilizamos el C.I. 7447 como convertidor de código BCD
y driver para el
display.”En la figura 9.4.- presentamos el diagrama eléctrico del circuito de la
veleta y en la figura 9.4.1.- las placas de circuito impreso utilizada., cabe
mencionar que esta última fue fabricada con doble faz.
135
FIGURA 9.4.- DIAGRAMA ELECTRICO DEL INDICADOR DE
DIRECCION.
136
FIGURA 9.4.a.- DIAGRAMA ELECTRICO DEL DISPLAY DE ANODO
COMUN.
FIGURA 9.4.1-PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PRINCIPAL DEL
INDICADOR DE DIRECCION.
137
FIGURA 9.4.1.a.-PLACA DE CIRCUITO IMPRESO PARA EL DISPLAY DE
ANODO COMUN.
138
10. CONCLUSIONES.
El desarrollo de este proyecto de implementación de un sistema para conocer
algunas variables climatológicas, como son la velocidad y dirección del viento,
mediante la conversión de datos analógicos a digitales, nos ha permitido observar
la gran importancia que reviste el conocimiento de la electrónica y su amplia
aplicación en el medio aeronáutico, ya que basados en una metodología sencilla y
práctica, pudimos desarrollar una veleta y un anemómetro lo suficientemente
confiable para determinar dichos parámetros climatológicos., ya que la idea
fundamental consiste en el desarrollo de equipos de bajo costo de fabricación y
con tecnología nacional, a fin de evitar los grandes desembolsos que las diferentes
compañías y dependencias tanto privadas como del gobierno, tienen que realizar
por la adquisición y mantenimiento por parte del mercado extranjero, de este y
otros tipos de equipos, para el desarrollo de las operaciones en las instalaciones
aeroportuarias del país.
Debemos mencionar que, como todo proyecto inicial carente de los suficientes
recursos tanto económicos como materiales, encontramos algunas limitaciones
para la fabricación de los dispositivos mecánicos, que en algunos componentes
requieren de herramienta especializada; y en lo concerniente a la
parte
electrónica, esta solo queda limitada por la capacidad y disposición del propio
diseñador ya que el mercado para la adquisición de los componentes requeridos es
lo suficientemente extenso y al alcance de todos.
139
GLOSARIO DE TERMINOS Y ABREVIATURAS.
ADC.- Convertidor analógico digital
Buffer.- Dispositivo que aumenta la máxima corriente de carga permisible de un
amplificador operacional.
CMOS.- Semiconductores de metal-oxido complementario.
DAC.- Convertidor digital analógico.
DIODO.- Un cristal pn. Dispositivo que conduce fácilmente cuando presenta
polarización directa y muy poco cuando tiene polarización inversa.
DIP.- Paquete dual en línea.
GND.- Tierra.
LED.- Diodo emisor de luz.LSI.-dispositivo de integración a gran escala.
MSI.-dispositivo de integración a media escala.
NC. - No conexión.
SSI.-dispositivo con integración a pequeña escala.
VLSI.-integración a muy alta escala
VCC.- Voltaje de alimentación
VDD.- Tierra para CMOS.
140
ANEXO “A”
LISTA Y COSTO DE MATERIALES.
PARA EL ANEMOMETRO
Cantidad
2
2
1
1
2
1
2
1
1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
Descripción
Costo unitario Total
C.I. DM9368
56.90 113.80
C.I. SN74LS90
5.20 10.40
C.I. SN74LS23
4.00
4.00
C.I. NE555
2.20
2.20
Diodo 1N4004
0.40
0.80
Diodo Zener 5.1V ½ W
1.30
1.30
Diplay 7 seg. Cátodo común.
8.26 16.52
Optoswitch HA21A1
11.00 11.00
Trimpot vertical 20 vueltas 1K
20.00 20.00
Trimpot vertical 20 vueltas 200K
20.00 20.00
Resistencia carbón 100Ω 1/4W
0.26
0.26
Resistencia carbón 330Ω 1/4W
0.26
0.26
Resistencia carbón 470Ω 1/4W
0.26
0.26
Resistencia carbón 2.2K 1/4W
0.26
0.52
Resistencia carbón 2.7K 1/4W
0.26
0.26
Resistencia carbón 22K 1/4W
0.26
0.26
Capacitor Electrolítico 47 μF 25 V
0.87
0.87
Capacitor Electrolítico 1 μF 50 V
0.87
0.87
Capacitor cerámico 1nF
0.87
0.87
Capacitor cerámico 10nF
0.87
0.87
Capacitor cerámico 33nF
1.30
1.30
Placa fibra de vidrio 1 cara 10X10 cm
4.26
4.26
141
PARA LA VELETA.
Cantidad
2
2
1
1
1
2
2
2
3
14
1
Descripción
C.I. CD4029
C.I. SN7447
C.I. SN74LS21
C.I. SN74LS08
Transistor BC548
Diodo 1N4148
Diplay 7 seg. Ánodo común.
Optoswitch HA21A1
Resistencia carbón 2.2K 1/4W
Resistencia carbón 330Ω 1/4W
Placa fibra de vidrio 2 caras 10X10 cm
Costo unitario
2.50
5.20
3.00
2.17
1.80
0.35
5.65
11.00
0.26
0.26
8.21
Total
5.00
10.40
6.00
4.34
1.80
0.70
11.30
22.00
0.78
3.64
8.21
142
ANEXO “B”
143
144
145
146
147
ANEXO “C”
148
149
150
151
152
ANEXO “D”
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
ANEXO “E”
166
167
168
169
170
171
172
173
174
ANEXO “F”
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
ANEXO “G”
188
189
190
BIBLIOGRAFIA.
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Prentice may, 1993.
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Measurement Systems: Vol. IV. Meteorological Measurements. EPA-600/482-060. U.S. Environmental Protection Agency.
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1993. Guidance for Ambient Air Monitoring at Superfund Sites. Informed
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Meteorological
Organization,
1983.
Guide
to
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Instruments and Methods of Observation. 5a ed. WMO-No. 8. Ginebra,
Suiza.
191