B. Guión práctica - Universitat Politècnica de Catalunya

PROYECTO FINAL DE CARRERA
Recursos docentes para la instrumentación
electrónica
(Teaching resources for electronic
instrumentation)
Estudios: Enginyeria de Telecomunicació
Autor: Lluís Matas i Nadal
Director: Manuel Vargas Drechsler
Año: 2013
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
3
Índice general
Colaboraciones .................................................................................................... 5
Agradecimientos ................................................................................................. 6
Resum del Projecte ............................................................................................ 7
Resumen del Proyecto ....................................................................................... 8
Abstract ................................................................................................................ 9
1 Introducción ................................................................................................. 10
1.1
Contexto del proyecto ...................................................................... 10
1.2
Objetivos............................................................................................. 10
1.3
Estructura de la memoria ................................................................ 11
2 Frecuencia de muestreo e interpolación................................................. 12
2.1
Objetivo .............................................................................................. 12
2.2
El muestreo y la interpolación ........................................................ 12
2.3
Guía del profesor............................................................................... 13
2.4
Funcionamiento del VI ..................................................................... 14
2.5
Conclusiones y observaciones de la práctica ............................... 18
3 Convertidores alterna continua ................................................................ 19
3.1
Objetivo .............................................................................................. 19
3.2
Convertidor de valor medio o Promediador ................................. 19
3.3
Convertidor de verdadero valor eficaz .......................................... 21
3.4
Guía del profesor............................................................................... 22
3.5
Descripción del hardware y software ............................................ 23
3.5.1
Software ....................................................................................... 23
3.5.2
Hardware...................................................................................... 23
3.6
Conclusiones y observaciones de la práctica ............................... 24
4 Adquisición de señales a través de la tarjeta de sonido ..................... 25
4.1
Objetivo .............................................................................................. 25
4.2
La tarjeta de sonido.......................................................................... 25
4.3
Guía del profesor............................................................................... 25
4
4.4
Descripción del hardware y software ............................................ 28
5 Conclusiones ................................................................................................ 30
6 Apéndices ..................................................................................................... 31
A.
Guión práctica: Frecuencia de muestreo e interpolación .......... 31
B.
Guión práctica: Convertidores alterna continua ......................... 34
C.
Guión práctica: Osciloscopio Virtual ..................................................... 43
D.
Contribución revista Buran.............................................................. 46
E.
Layouts ................................................................................................. 50
7 Bibliografía ................................................................................................... 51
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
Colaboraciones
Departament d’Enginyeria Electrònica de la ETSETB.
Universitat Politècnica de Catalunya
5
6
Agradecimientos
Quiero dar gracias a Manuel por su dedicación y constante ayuda en la
realización de este proyecto. Por guiarme una y otra vez por el buen
camino.
También a Josep María Torrents por su soporte y consejos.
A Manuel García por su soporte en el laboratorio de electrónica.
A todos mis amigos por su infinita paciencia e inagotable aliento. Ya
está señores, ya no tengo excusa para no quedar.
A mi familia que tanto tiempo les he postergado esta alegría.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
7
Resum del Projecte
Aquest PFC es basa en l’elaboració de material docent com a suport
a l’ensenyament de la instrumentació electrònica en general.
S’han elaborat diversos exercicis pràctis per poder ser resolts mitjançant
equips electrònics de mesura.
8
Resumen del Proyecto
Este PFC se basa en la elaboración de material docente como soporte a
la enseñanza de la instrumentación electrónica en general.
Se han elaborado diversos ejercicios prácticos para poder ser resueltos
mediante equipos electrónicos de medida.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
Abstract
This PFC is based on the development of educational materials to
support the teaching of general electronics instrumentation.
Different practical exercises have been created to be solved using
electronic measurement equipment.
9
10
1 Introducción
1.1 Contexto del proyecto
La instrumentación electrónica, como parte de la electrónica encargada
del diseño y manejo de los aparatos eléctricos y electrónicos, sobre todo
para su uso en mediciones, suele tener un coste económico elevado para
impartirla como asignatura en los centros docentes.
En la actualidad hay la posibilidad de substituir y ampliar los equipos
físicos de medida mediante software, esta técnica es conocida como
instrumentación virtual. Para ello se emplea un procesador (Normalmente
un PC) que ejecuta un programa específico que se comunica con los
dispositivos para configurarlos y leer sus medidas.
La instrumentación virtual permite la automatización de las medidas,
como también la posibilidad de procesarlas a posteriori.
1.2 Objetivos
Con la finalidad de facilitar el aprendizaje de la instrumentación
electrónica, se ha elaborado cierto material docente. Este puede ser
utilizado como complemento a los recursos ya disponibles por un profesor
o incluso por un estudiante que desea aprender de forma autodidacta.
Este material se ha creado bajo la dirección y supervisión del profesor y
director de este proyecto Manuel Vargas Drechsler, a fin de ampliar y
mejorar el ya disponible en la asignatura de instrumentación electrónica
de la escuela.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
11
1.3 Estructura de la memoria
La memoria del PFC está dividida en diversos temas correspondientes a
cada uno de los módulos prácticos elaborados. Cada uno de estos
módulos contiene un guión con los ejercicios para el alumno, la guía del
profesor, el software necesario para el desarrollo de estos y en caso de
necesitar de hardware adicional, se publica un capitulo describiendo como
fabricarlo o adquirirlo.
Las guías de las prácticas se encuentran en los anexos de la memoria.
Todo el material escrito, software o hardware, se ha desarrollado y
publicado bajo la licencia GPL.
12
2 Frecuencia de muestreo e
interpolación
2.1 Objetivo
Con esta práctica se pretende que el estudiante comprenda mejor la
diferencia entre la interpolación lineal y la interpolación tipo Sinc. Como
también entender la frecuencia de muestreo necesaria para reconstruir
una señal.
2.2 El muestreo y la interpolación
El muestreo consiste en
tomar ciertas muestras de una señal,
generando una de nueva mediante estas.
El proceso de interpolar se basa en estimar nuevas muestras, a partir
de un conjunto de muestras cuyo valor si se conoce. En general, este
procedimiento se lleva a cabo a fin de poder reconstruir una señal que ha
sido muestreada previamente.
Según el teorema de Nyquist. Una señal de banda limitada a Bw se
puede recuperar a partir de sus muestras si se cumple que la Frecuencia
de muestreo es superior o igual a dos veces Bw. Hay varios tipos de
interpolaciones. En esta práctica se ve la Sinc y la lineal.
La interpolación lineal consiste en unir los valores de las muestras
conocidas trazando una línea recta y calculando los valores intermedios
de esta.
La interpolación tipo Sinc permite siempre recuperar la señal si se
cumplen las condiciones del criterio de Nyquist. No se cumple en el caso
de la lineal.
La interpolación tipo Sinc viene determinada por la siguiente fórmula
matemática:
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
()
∑
(
)
13
(
(
(
)
)
)
Fórmula 2.1: Interpolación tipo Sinc
Xr(t) es la señal interpolada.
x(t) es la señal ideal.
es el periodo de muestreo.
n es el índice del sumatorio.
Al igual que el osciloscopio DSO3062A, la mayoría de osciloscopios
comerciales utilizan esta interpolación.
2.3 Guía del profesor
En la práctica se pide al estudiante que genere y muestree diferentes
señales a varias frecuencias, mediante un VI. Se empieza con una señal
sinusoidal, a continuación la cuadrada y al final la triangular.
Comparando las señales generadas, el estudiante deduce que la
frecuencia de muestreo para la reconstrucción de una señal triangular y
una cuadrada es superior a la de una sinusoide, en el caso de la
interpolación Sinc, pero no siempre es así en el caso de utilizar una
interpolación lineal.
También puede comprobar que el criterio de Nyquist se cumple sólo para
la señal sinusoidal y no en la cuadrada y triangular. Estas dos últimas
tienen infinitos harmónicos.
14
2.4 Funcionamiento del VI
En este VI, el estudiante puede escoger la frecuencia de la señal, la
forma de la señal y también la frecuencia de muestreo. Al ejecutar la
aplicación se mostrará en un gráfico la señal generada y las reconstruidas
según el tipo de interpolación.
Figura 2.1: Panel frontal del VI
El VI genera tres señales, la real, la interpolada linealmente y la tipo
Sinc. LabVIEW puede realizar una interpolación lineal para mostrar las
señales en un waveform graph, simplemente une los puntos mediante
una línea recta.
Esto permite que la señal real y la interpolada
linealmente utilicen el mismo bloque generador de señales.
Figura 2.2: SubVI generador de señales
Respecto a la interpolación tipo Sinc, se ha tenido que programar toda
la ecuación. Por un lado se crea la señal sinusoidal, cuadrada o triangular:
(
)
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
Utilizando un Case Structure que está condicionado a la señal que se
pretende generar.
Figura 2.3: Case Structure para el caso de la señal sinusoidal
Figura 2.4: Case Structure para el caso de la señal cuadrada
Figura 2.5: Case Structure para el caso de la señal triangular
15
16
Por otro lado se genera la sinc:
(
(
)
(
)
)
Figura 2.6: Bloque generador de la sinc
Multiplicamos las dos señales, para obtener:
(
)
(
(
(
)
)
)
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
17
Figura 2.7: Producto de la sinc y X(n·Tm)
Idealmente sería necesario un millón de productos como este, para
generar la señal reconstruida:
∑
(
)
(
(
(
)
)
)
En nuestra aplicación el número de productos es:
A mayor diferencia entre la frecuencia de la señal y la frecuencia de
muestreo mayor será el número de productos.
18
2.5 Conclusiones y observaciones de la
práctica
Muchos de los alumnos qué han realizado la práctica han indicado que
la facilidad en qué permite el VI ver las distintas señales interpoladas y la
señal real en el mismo gráfico hace más fácil comprender los conceptos
de interpolación y muestreo.
Como mejora de la práctica se podría ampliar el VI para qué pudiese
también realizar otros tipos de interpolaciones.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
19
3 Convertidores alterna
continua
3.1 Objetivo
Con esta práctica se pretende que el estudiante se familiarice con el
proceso de conversión de alterna continua. Vea la diferencia entre el
convertidor de verdadero valor eficaz y el de valor medio.
3.2 Convertidor de valor medio o
Promediador
Este convertidor realiza el cálculo del valor medio o promedio de una
señal alterna. Para ello, primero hace la rectificación de onda completa y
luego calcula el promedio. En caso de realizar el cálculo del promedio sin
rectificar la onda, este sería nulo.
Figura 3.1: Promedio de una sinusoide
20
Figura 3.2: Promedio de una triangular
Figura 3.3: Promedio de una cuadrada
En la siguiente tabla se muestra el valor medio para algunas formas de
onda conocidas.
Forma de onda
Ecuación
Sinusoide
(
Cuadrada
Triangular
{
* +
* +
* +
Valor medio
)
(
)⁄
a
⁄
Cuadro 3.1: Valor medio de algunas formas de onda conocidas
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
21
3.3 Convertidor de verdadero valor
eficaz
El valor eficaz de una señal variable es el valor cuadrático medio (En
inglés root mean square, abreviado RMS o rms) y matemáticamente se
puede expresar de la siguiente forma:
√∫
( )
Formula 3.1: Verdadero valor eficaz
En la siguiente tabla se muestra el valor eficaz para algunas formas de
onda conocidas.
Forma de onda
Ecuación
Sinusoide
(
Cuadrada
Triangular
{
* +
* +
* +
Valor eficaz
)
⁄
√
a
⁄
√
Cuadro 3.2: Valor eficaz de algunas formas de onda conocidas
En la práctica se utiliza el convertidor AD736. Su principio de
operación se describe en la figura 3.1
22
Figura 3.4: Principio de operación del AD736
Realiza las siguientes operaciones:
1.
, qué corresponde a:
2.
-
3. antilog(log(
, qué corresponde a: log(
)
)) =
4.
5.
=
El resultado final es
√∫
( )
que es exactamente la
definición del valor eficaz.
3.4 Guía del profesor
El alumno deberá realizar primero una serie de medidas al convertidor de valor
absoluto y a continuación al de verdadero valor eficaz. Verá en qué casos coincide
el valor eficaz teórico con el valor medido.
Para ello, el alumno deberá conectar el convertidor de valor absoluto al
multímetro y al generador de funciones. Ejecutar el Vi, encargado de controlar los
dos equipos a través del PC, y mediante este introducir diferentes señales. Una
sinusoidal, una cuadrada y una triangular. Anotará el valor de la medida.
Repetirá el proceso para el convertidor de verdadero valor eficaz.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
23
3.5 Descripción del hardware y
software
3.5.1 Software
Para realizar las medias se ha desarrollado un VI que permite
interactuar con el multímetro y el generador de funciones a través del Bus
GPIB. Simplemente debemos especificar la dirección de cada uno de estos
en el VI para establecer una comunicación.
Mediante este VI podremos generar señales, con el generador de
funciones,
e introducirlas a los convertidores. A continuación
realizaremos las medidas mediante el multímetro, controlado por el VI y
veremos los resultados en este.
3.5.2 Hardware
El convertidor de valor medio o promediador está formado por dos
bloques. Primero un rectificador de onda completa y a continuación un
filtro paso bajo, encargado de realizar el promedio de la señal rectificada.
El tiempo transitorio hasta alcanzar el valor medio depende del
condensador C3. Si aumentamos el valor de este, se alcanza con mayor
rapidez pero la medida no es tan exacta.
Figura 3.5: Circuito convertidor valor medio
24
El convertidor de verdadero valor eficaz está implementado mediante
un chip integrado, el AD736. Este chip realiza el cálculo eficaz sin la
necesidad de mucha circuitería adicional, simplemente un condensador.
Figura 3.6: Circuito convertidor de verdadero valor eficaz
3.6 Conclusiones y observaciones de la
práctica
Como mejora de la práctica se podría rediseñar y fabricar otra placa
para el convertidor de verdadero valor eficaz. Esta debería disponer de un
conector banana en la salida de las diferentes etapas que componen el
convertidor, facilitando así, la visualización de las señales en esos puntos
intermedios.
También se podría intentar fabricar una sola placa para los dos
convertidores. Evitando así, tener que desconectar una placa y volver a
conectar la otra a los equipos de medida.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
25
4 Adquisición de señales a
través de la tarjeta de sonido
4.1 Objetivo
Con esta práctica se pretende que el estudiante pueda convertir su PC
en un osciloscopio, utilizando la tarjeta de sonido. Al mismo tiempo que
repasa el concepto de interpolación.
4.2 La tarjeta de sonido
Actualmente la mayoría de PCs disponen de una tarjeta de sonido que
permite la adquisición y generación de señales A.C. en la banda de audio
(De 20 Hz a 20 kHz). En los ordenadores del laboratorio de
instrumentación, se ha utilizado la entrada del micrófono para la
adquisición y la del altavoz para la generación. Las señales de entrada a
la tarjeta de sonido siempre son inferiores a 1 V. de amplitud. Si son
superiores pueden provocar daños a la tarjeta de audio.
En caso de adquirir señales de amplitud superior a 1V. es necesario
escalarlas y limitarlas mediante un circuito de adaptación. Este se
describe en el último apartado de este capítulo.
4.3 Guía del profesor
El VI diseñado, Osciloscopio Virtual, permite aplicar una interpolación
tipo Sinc o lineal a la señal adquirida por la tarjeta de sonido, de esta
manera los alumnos ven en un sistema real las diferencias entre la
interpolación lineal y la de tipo Sinc.
La frecuencia de muestreo en este caso es de 44 kHz. Esto implica que
para poder visualizar correctamente una señal sinusoidal de frecuencia
superior a 5000 kHz es necesario utilizar la interpolación Sinc.
26
También es importante configurar una base de tiempos adecuada para
poder visualizar correctamente la señal.
En las siguientes capturas se puede apreciar la diferencia entre los dos
tipos de interpolaciones para señales sinusoidales a diferentes frecuencias
y a una amplitud de 10000 unidades.
Figura 4.1: Sinusoide a 100 Hz reconstruida con cualquiera de las dos
interpolaciones
Figura 4.2: Sinusoide a 1000 Hz reconstruida con cualquiera de las dos
interpolaciones
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
27
A partir de aprox. 5000 Hz de frecuencia se puede apreciar que la
interpolación lineal no reconstruye correctamente la señal sinusoidal.
Figura 4.3: Sinusoide a 5000 Hz reconstruida con la interpolación Sinc
Figura 4.4: Sinusoide a 5000 Hz reconstruida con la interpolación Lineal
28
4.4 Descripción del hardware y
software
LabVIEW dispone de una librería específica para el tratamiento del
audio. Se han utilizado los subVis de esta para adquirir las muestras de la
señal introducida en la entrada del micrófono. Estos subVIs permiten
configurar la tasa de muestreo y el número de bits que se utilizarán para
digitalizar la señal. Posteriormente se ha aplicado una interpolación, tipo
sinc o lienal, a los datos adquiridos para reconstruir la señal.
El VI desarrollado permite la calibración de sus medidas.
Figura 4.5: Panel frontal del VI osciloscopio Virtual. Este muestra una señal
sinusoidal de frecuencia 1000 Hz
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
29
Se ha utilizado un pequeño circuito para escalar la señal de entrada y
limitarla a 1 V. De esta forma las señales con amplitud hasta 10 V.
también pueden ser introducidas en la tarjeta de sonido.
Figura 4.6: Circuito de adaptación para la tarjeta de sonido
El primer bloque compuesto por las dos resistencias, se encarga de
reducir en un factor 10 la amplitud de la señal de entrada. La función del
segundo bloque, compuesto por los dos diodos y la resistencia R1, es la
de limitar la señal a 1 V. de amplitud.
4.5 Conclusiones y observaciones de la
práctica
Como mejora de la práctica se podría fabricar un circuito de
adaptación, para poder visualizar señales en continua. Este circuito se
encargaría de modular en frecuencia la señal de entrada.
30
5 Conclusiones
En este trabajo, se han elaborado tres módulos prácticos, para
facilitar el aprendizaje de la instrumentación electrónica. Estos pueden
ser utilizados como complemento a los recursos ya disponibles por un
profesor o incluso por un estudiante que desea aprender de forma
autodidacta.
En el primer módulo, el estudiante puede experimentar los
conceptos de interpolación y muestreo. Comprobará que si una señal
tiene un ancho de banda limitado y es muestreada a la frecuencia de
Nyquist puede ser reconstruida mediante una interpolación tipo Sinc, sin
pérdida de información.
Para
el segundo módulo, se han diseñado y fabricado dos
convertidores de alterna continua, el de verdadero valor eficaz y el de
valor medio, a fin de permitir al estudiante comprobar las diferencias
entre ellos desde una perspectiva experimental.
En el último módulo se presenta un software para convertir su PC en un
osciloscopio, este permite adquirir muestras de una señal a través de la
tarjeta de sonido. Mediante este módulo los estudiantes pueden ver un
sistema de adquisición de datos en tiempo real y ver el resultado de
aplicar la interpolación Sinc o lineal a estos.
Los dos primeros módulos prácticos han sido resueltos por estudiantes
de la asignatura de instrumentación electrónica de la escuela. Hemos
podido observar que han sido de ayuda para que ellos pudieran reforzar
los conceptos teóricos aprendidos en clase.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
31
6 Apéndices
A.
Guión práctica: Frecuencia de
muestreo e interpolación
Enunciado práctica 1
Copyright (C)
2013
Lluís Matas Nadal.
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Free Documentation License".
Con esta práctica se pretende que el estudiante comprenda mejor la
diferencia entre la interpolación lineal y la interpolación tipo Sinc. Como
también entender la frecuencia de muestreo necesaria para reconstruir
una señal.
Hay que tener en cuenta que LabVIEW al mostrar un gráfico une los
puntos linealmente. Es decir, realiza una interpolación lineal.
La interpolación tipo Sinc viene determinada por la siguiente fórmula:
32
()
∑
(
)
(
(
(
)
)
)
Xr(t) es la señal interpolada.
x(t) es la señal ideal.
Tm es el periodo de muestreo.
n es el índice del sumatorio.
Para poder cumplir el teorema de muestreo es necesario realizar una
interpolación tipo Sinc.
1. Introducir una señal sinusoidal a la frecuencia máxima del
generador virtual diseñado f2 indicad si se reconstruye correctamente
muestreándola a las frecuencias de la siguiente tabla, utilizando la
interpolación lineal y la del tipo Sinc. Adjuntar las capturas
correspondientes en su informe para cada caso.
Frecuencia de
muestreo
(Hz)
1.9 · f2
2.1 · f2
5 · f2
10 · f2
100 · f2
Interpolación
lineal.
Interpolación
Sinc.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
33
2. Repetir el ejercicio anterior para una señal cuadrada y una
triangular.
Cuadrada:
Frecuencia de
muestreo
Interpolación
lineal.
Interpolación
Sinc.
Interpolación
lineal.
Interpolación
Sinc.
(Hz)
1.9 · f2
2.1 · f2
5 · f2
10 · f2
100 · f2
Triangular:
Frecuencia de
muestreo
(Hz)
1.9 · f2
2.1 · f2
5 · f2
10 · f2
100 · f2
3. ¿Qué interpolación requiere una frecuencia menor para reconstruir
correctamente la señal sinusoidal ? y para la cuadrada y la triangular?
34
B.
Guión práctica: Convertidores
alterna continua
Enunciado Práctica 2
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Con esta práctica se pretende que el estudiante comprenda mejor el
funcionamiento de los convertidores de verdadero valor eficaz y de valor
absoluto, como también las diferencias entre ambos. La función de estos,
es el cálculo del valor eficaz de una señal alterna, descrito a continuación
por la siguiente fórmula:
√∫
Vrms: Valor eficaz de la señal de entrada.
Vin: Señal de entrada.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
35
B.1 Convertidor de verdadero valor eficaz
B.1.1 Funcionamiento
En esta práctica se utiliza el convertidor AD736. Su principio de
operación se describe en la figura 1.1
Figura B.1.1: Principio de operación del AD736
Realiza las siguientes operaciones:
1.
, qué corresponde a:
2.
-
3. antilog(log(
, qué corresponde a: log(
)
)) =
4.
5.
=
El resultado final es
del valor eficaz.
√∫
que es exactamente la definición
36
En la siguiente tabla se muestra el valor eficaz para algunas formas de
onda conocidas.
Forma de onda
Ecuación
Sinusoide
(
Cuadrada
Triangular
{
* +
* +
* +
Valor eficaz
)
⁄
√
a
⁄
√
Cuadro B.1.1: Valor eficaz de algunas formas de onda conocidas
B.1.2 Conexión
Alimentamos el circuito con +10 V y -10 V. No hay que olvidar
conectar también la masa de la fuente de la alimentación a la masa del
circuito.
Conectamos la salida del generador de funciones a la entrada del
convertidor de verdadero valor eficaz y la salida de este al multímetro.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
37
Imagen B.1.1: Convertidor verdadero valor eficaz
B.1.3 Medidas
1 – Introducimos una señal de entrada sinusoidal, realizamos un
barrido de la amplitud entre 1 Voltio y 2 Voltios manteniendo constante la
frecuencia a 1 kHz.

Señal sinusoidal:
Voltaje
Valor teórico
Valor medido
señal de Entrada
0,1
0,15
0,2
Repetimos el anterior ejercicio para una señal triangular y una
cuadrada.
38

Señal cuadrada:
Voltaje
Valor teórico
Valor medido
Valor teórico
Valor medido
señal de Entrada
0,1
0,15
0,2

Señal triangular:
Voltaje
señal de Entrada
0,1
0,15
0,2
B.2 Convertidor de valor medio
B.2.1 Funcionamiento
Este convertidor realiza el cálculo del valor medio o promedio de una
señal alterna. Para ello, primero hace la rectificación de onda completa y
luego calcula el promedio. En caso de realizar el cálculo del promedio sin
rectificar la onda, este sería nulo.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
Figura B.2.1: Promedio de una sinusoide
Figura B.2.2: Promedio de una triangular
Figura B.2.3: Promedio de una cuadrada
39
40
En la siguiente tabla se muestra el valor medio para algunas formas de
onda conocidas.
Forma de onda
Ecuación
Sinusoide
(
Cuadrada
Triangular
{
* +
* +
* +
Valor medio
)
(
)⁄
a
⁄
Cuadro B.2.1: Valor medio de algunas formas de onda conocidas
B.2.2 Conexión
Alimentamos el circuito con +15 V y -15 V. No hay que olvidar
conectar también la masa de la fuente de la alimentación a la masa del
circuito.
Conectamos la salida del generador de funciones a la entrada del
convertidor de valor medio, y la salida de este al multímetro.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
41
Imagen B.2.1: Convertidor de valor medio
B.2.3 Medidas
Cargamos el VI convertidores.vi y realizamos las siguientes medidas:
1 – Repetimos las anteriores medidas para el convertidor de verdadero
valor medio.

Señal sinusoidal:
Voltaje
señal de Entrada
1
1,5
2
Valor teórico
Valor medido
42

Señal cuadrada:
Voltaje
Valor teórico
Valor medido
Valor teórico
Valor medido
señal de Entrada
1
1,5
2

Señal triangular:
Voltaje
señal de Entrada
1
1,5
2
2 – ¿Coincide el valor medido con el valor eficaz? Argumentar
respuesta.
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
43
C. Guión práctica: Osciloscopio
Virtual
Enunciado práctica 3
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Con esta práctica se pretende que el estudiante pueda convertir su PC
en un osciloscopio, utilizando la tarjeta de sonido. Al mismo tiempo que
repasa el concepto de interpolación.
Actualmente la mayoría de PCs disponen de una tarjeta de sonido que
permite la adquisición y generación de señales A.C. en la banda de audio
(De 20 Hz a 20 kHz). En los ordenadores del laboratorio de
instrumentación, utilizaremos la entrada del micrófono para la adquisición
y la del altavoz para la generación.
C.1 Conexión
Mediante un cable de audio conectaremos la salida del altavoz con la
del micrófono.
44
C.2 Medidas
1. Introducir una señal sinusoidal a la frecuencia f2 indicad si se
reconstruye correctamente utilizando la interpolación lineal y la del
tipo Sinc. Adjuntar las capturas correspondientes en su informe
para cada caso.
Frecuencia f2
(Hz)
Interpolación
lineal.
Interpolación
Sinc.
1000
2. Repetir el ejercicio anterior para una señal cuadrada y una
triangular.
Cuadrada:
Frecuencia f2
(Hz)
Interpolación
lineal.
Interpolación
Sinc
Interpolación
lineal.
Interpolación
Sinc
1000
Triangular:
Frecuencia f2
(Hz)
1000
Recursos docentes para la instrumentación electrónica
45
3. ¿Qué interpolación permite reconstruir una señal sinusoidal? y para
la cuadrada y la triangular?
46
D. Contribución revista
Buran
Convertidor alterna continua de verdadero
valor eficaz simulado con LabVIEW.
Autor
Lluís Matas Nadal es estudiante de Telecomunicaciones
en la ETSETB, está realizando su proyecto final de carrera
en el área de instrumentación electrónica.
Resumen
En el siguiente artículo se describe un convertidor alterna continua de
verdadero valor eficaz simulado con LabVIEW.
Introducción
El LabVIEW es un entorno de desarrollo, que permite crear aplicaciones
para sistemas de medida, pruebas y control mediante elementos gráficos.
Las aplicaciones desarrolladas con LabVIEW se llaman Instrumentos
Virtuales, o Vis.
El Convertidor de Verdadero Valor Eficaz de una señal alterna es aquel
convertidor que da el valor de tensión o corriente alterna que produce la
misma disipación de potencia sobre una determinada resistencia, que la
producida por una tensión o corriente continua de igual valor numérico.
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Simulación del convertidor en LabVIEW
Las aplicaciones desarrolladas en LabVIEW están compuestas por dos
partes separadas pero relacionadas entre sí, el panel frontal y el diagrama
de bloques. La siguiente captura de pantalla muestra el panel frontal
para el caso del convertidor.
El panel frontal es la interficie gráfica que tendrá el VI, para poder
interactuar con el usuario. En este se sitúan los botones, gráficas y otros
controles e indicadores. En nuestro caso, la pantalla se ha dividido en dos
partes: La parte superior y la inferior. La superior contiene los controles
del VI junto con un esquema del diagrama de bloques del convertidor. En
la inferior se han situado las gráficas que muestran las salidas de algunas
etapas del dispositivo y un indicador gráfico del estado del VI.
Por otra parte, el diagrama de bloques representa el código fuente del
VI. Este está formado por diferentes elementos, cada una de ellos con
una función determinada.
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Seguidamente describiremos los elementos encargadas de realizar la
conversión. Estos se muestran en la siguiente captura.
A la salida del primer elemento tenemos el valor absoluto de la señal
alterna, . En el segundo elemento, se realiza el logaritmo (2), después
se multiplica por dos (3), obteniendo
. En el punto cuatro, a la
señal se le resta log
mediante la realimentación, seguidamente se le
eleva exponencialmente, lo cual nos queda
,
filtrada mediante un filtro paso bajo (6) y obtener
para más tarde ser
̅̅̅̅̅̅
, que hace la
media de la señal de entrada.
Este cuatrimestre, junto con el profesor Manuel Vargas Drechsler,
pretendemos crear un grupo de trabajo. Este tendrá como propósito
ampliar el material docente de la asignatura de instrumentación
electrónica, mediante la elaboración de nuevas prácticas opcionales, la
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simulación de nuevas aplicaciones con LabVIEW y el diseño de circuitos
electrónicos.
Este convertidor alterna-continua forma parte de los Vis que se usan
en los trabajos opcionales de la asignatura de instrumentación
electrónica. Estos sirven al alumno para acabar de madurar los conceptos
estudiados en la realización de la práctica.
Todo el material que se elabore dentro del grupo de trabajo quedará
bajo las correspondientes licencias de GNU (www.es.gnu.org), a fin de
que otros estudiantes o profesores puedan utilizarlos y modificarlos
libremente sin ningún tipo de coste económico.
Si estás interesado en formar parte del proyecto o simplemente quieres
recibir más información acerca de este, escríbeme en
[email protected]
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E.
Layouts
Figura D.1: Layout convertidor de verdadero valor eficaz
Figura D.2: Layout convertidor valor medio
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Bibliografía
Libros:

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
Slawomir Tumanski. Principles of Electrical Measurement.
Routledge, Taylor & Francis Group. (2006)
R.E. Thomas, A. J. Rosa. Circuitos y señales: Introducción a los
circuitos lineales y de acoplamiento. Editorial Reverté, S.A.
(1994)
Cory L. Clark. LabVIEW Digital Signal Processing and Digital
Communications. McGraw-Hill. (2005)
Jeffrey Travis and Jim Kring. LabVIEW For Everyone. Graphical
Programming made Easy and Fun. Prentice HALL. (2006)
Thomas L. Floyd and David Buchla. Fundamentals of Analog
Circuits. Prentice HALL. (2007)
J.F. Steffensen. Interpolation. Dover Books. (2006)
Direcciones de Internet:


Analog Devices
http://www.analog.com
Zeinitz Oscilloscope
http://www.zeitnitz.de
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