conversión analógica-digital - Universidad Santiago de Cali

GUIAS ÚNICAS DE LABORATORIO
CONVERSIÓN ANALÓGICA/DIGITAL
AUTOR: ALBERTO CUERVO
SANTIAGO DE CALI
UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI
DEPARTAMENTO DE LABORATORIOS
DDEEPPAARRTTAAM
MEENNTTOO DDEE LLAABBOORRAATTOORRIIOOSS
GGUUIIAASS DDEE CCOONNVVEERRSSIIÓÓNN AANNAALLÓÓGGIICCAA//DDIIGGIITTAALL
CONVERSIÓN ANALÓGICA/DIGITAL
OBJETIVO:
La lógica digital trata sobre la interconexión de componentes básicos como compuertas
lógicas y circuitos integrados digitales de mayor nivel de integración, y en sentido
general es un término utilizado para referirse a dos aspectos: análisis y diseño de
sistemas digitales.
En el presente trabajo se presenta una práctica de laboratorio que tiene como objetivo
familiarizar al estudiante con la técnica de la conversión de señales analógicas en
digitales con un ejemplo práctico que se puede presentar en el trabajo diario. Va
dirigido a estudiantes de Ingeniería de Sistemas y Telemática e Ingeniería Electrónica en
los cursos relacionados con Circuitos Digitales.
Esta práctica ha sido elaborada para utilizar el módulo DIGI BOARD2 tipo 3910 de System
Technik adquirido recientemente por la Universidad Santiago de Cali.
INTRODUCCIÓN:
El presente trabajo consta de dos partes fundamentales: un trabajo previo donde se
plantea un problema que debe ser resuelto por el estudiante y una segunda parte que
presenta una solución al problema planteado.
Para que este trabajo cumpla con su objetivo es importante que el estudiante trate de
solucionar el problema planteado y utilice la solución solamente como comprobación de
su trabajo efectuado.
Al final se presenta un listado de las características técnicas de los elementos utilizados
del módulo DIGI BOARD2.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Se desea visualizar el nível de líquido en un tanque, para lo cual este último tiene un
flotador que produce una tensión variable entre 0 y 2.184 voltios aproximadamente
dependiendo de la altura en la cual se encuentre el flotador.
Para la visualización del nivel del líquido se utilizará una columna de 7 LEDs (Light
Emitting Diodes), los cuales se irán iluminando a medida que suba la altura del líquido
en el tanque como se muestra en la figura y tabla siguientes.
DDEEPPAARRTTAAM
MEENNTTOO DDEE LLAABBOORRAATTOORRIIOOSS
GGUUIIAASS DDEE CCOONNVVEERRSSIIÓÓNN AANNAALLÓÓGGIICCAA//DDIIGGIITTAALL
Inicie
conversión
F
L
O
T
A
D
O
R
Conv.
Señal
variable
3 BITS
DATO
A/D
LED7
R
E
G
I
S
T
R
O
RED
LÓGICA
LED6
LED5
LED4
LED3
LED2
Fin de
conversión
LED1
Diagrama Funcional del Sistema
Salidas del Conv A/D
000
001
010
011
100
101
110
111
LEDs encendidos
Ninguno, tanque vacío
LED 1
LEDs 1 y 2
LEDs 1, 2 y 3
LEDs 1, 2, 3 y 4
LEDs 1, 2, 3, 4 y 5
LEDs 1, 2, 3, 4, 5 y 6
Todos, tanque lleno
Tabla que muestra los LEDs iluminados
La lectura del nivel del líquido en el tanque debe ser actualizada cada 0.2 segundos,
transfiriéndose el dato en la salida del conversor analógico/digital a un registro, una vez
se haya terminado de efectuar la conversión de la señal analógica del flotador.
Un octavo LED no indicado en la figura debe encenderse en forma intermitente
indicando que el sistema se encuentra en operación, esto es, que se está produciendo la
señal de Fin de Conversión. Como esta señal tiene una duración muy pequeña, utilícela
para disparar un circuito monoestable con el tiempo apropiado, encendiendo este
monoestable al LED mencionado.
Un noveno LED, tampoco indicado en la figura, debe encenderse de forma intermitente
si el sistema se encuentra en operación para producir una señal visual de alarma cuando
el tanque se encuentre lleno de líquido. Si el tanque no está lleno, este LED debe
permanecer apagado.
Diseñe su sistema digital con los siguientes aspectos:
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MEENNTTOO DDEE LLAABBOORRAATTOORRIIOOSS
GGUUIIAASS DDEE CCOONNVVEERRSSIIÓÓNN AANNAALLÓÓGGIICCAA//DDIIGGIITTAALL
•
•
•
Dibujo completo de su circuito que sea de fácil comprensión
Funciones lógicas de los LEDs 1...7
Forma de obtención de las funciones anteriores
Utilice los siguientes elementos del módulo DIGI-BOARD2 del laboratorio
•
•
•
•
•
•
•
•
Convertidor A/D (15)
Registro de desplazamiento SRG4 de 4 bits (11)
Generador y Divisor de frecuencias (27) y (28)
9 LEDs (3)
Fuente de señal (26)
Circuito monoestable (monoflop) (24)
Dos flip-flops JK
Un número mínimo de compuertas lógicas
En el montaje de su circuito en el laboratorio, utilice la fuente de señal (potenciómetro)
(26) para simular al flotador del tanque, coloque inicialmente la tensión de salida del
potenciómetro en 0 voltios, suba dicha tensión lentamente y compruebe que todos los
LEDs se encienden según los requerimientos planteados.
SOLUCIÓN.
En la página siguiente se muestra el diagrama del circuito así como las formas de onda
de las señales Inicie Convesión, Fin de Conversión y la salida del circuito monoestable.
En este circuito, como la señal analógica del potenciómetro debe ser actualizada cada
0.2 segundos, la frecuencia de la señal de iniciar la conversión de la señal analógica en
digital será el inverso de 0.2 seg., esto es 5 Hz.
Para obtener esta señal de 5 Hz se utiliza un flip-flop JK para dividir entre 2 los pulsos
de frecuencia igual a 10 Hz obtenidos a la salida del divisor de frecuencias.
La conversión de la señal analógica se inicia con el flanco positivo de la señal “Inicie
conversión”, generando el Convertidor A/D un pulso positivo de corta duración para
señalizar que finalizó de efectuar la conversión y el dato equivalente digital se
encuentra en su salida.
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MEENNTTOO DDEE LLAABBOORRAATTOORRIIOOSS
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LEDs
1 registro SRG4
1
100KHz
G
+
0
1J Q
1
C4
1 /2
R
1K
10 Hz
5 Hz
Inicie
conversión
señal
analógica
M 0/3
3,4D
3,4D
Do
D1
A/D D2
D3
SOC
3,4D
3,4D
L
C Ó
G
B I
C
A
A
1J
EOC
monoflop
L7
L6
1K
L5
L4
L3
L2
L1
Q
LED 9
tanque lleno
0.1 seg
Fin de
conversión
LED 8
Operación
Diagrama del Circuito
Inicie conversión
Inicie conversión
5 Hz
Fin de conversión
Se transfiere al registro
monoflo
0.1 seg
Formas de Onda
DDEEPPAARRTTAAM
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El flanco positivo de la señal “Fín de Conversión” se utiliza para un doble propósito:
1. Para almacenar la información digital presente en la salida del Conv A/D en el
registro SRG4 al ser aplicado en la entrada de reloj del mismo. Observe que este
registro se encuentra operando en el modo 3 (11), por tanto, al ocurrir el flanco
positivo en la entrada de reloj, se cargará en paralelo el dato binario presente en sus
entradas 3,4D.
Como la resolución del Conv. A/D es de 312 milivoltios, nada más
hace falta utilizar los tres bits de menor orden del convertidor ya que la tensión del
flotador varía entre 0 y 2.184 voltios. Vea la tabla que muestra la correspondencia
entre la tensión de salida del flotador y la información digital a la salida del Conv.
A/D.
2. Para disparar al circuito monoestable o monoflop al cual se le debe colocar un
tiempo de 0.1 segundos. Este monoestable alimenta al LED nº 8, garantizando con
esto que éste se iluminará en forma intermitente al estar presente la señal de “Fín
de Conversión”. Observe que el circuito monoestable garantiza que el tiempo de
encendido del LED es igual al tiempo en que éste se encuentra apagado.
Tensión del flotador
0 milivoltios
312 milivoltios
624 milivoltios
936 milivoltios
1.248 voltios
1.56 voltios
1.862 voltios
2.184 voltios
Dato binario en la salida del Conv A/D
000
001
010
011
100
101
110
111
Correspondencia entre la tensión del flotador y la salida del Conv A/D
La salida del circuito monoestable también excita la entrada de reloj de un flip-flop JK
cuya salida alimenta al LED nº 9 que indica que el tanque se llenó.
La entrada J de este flip-flop es alimentada por la salida de la lógica combinacional que
excita al LED nº 7, por tanto este flip-flop conmutará entre sus niveles lógicos “0” y “1”
cuando el tanque se encuentre lleno, esto es, cuando L7 = 1, iluminándose entonces el
LED nº 9 de forma intermitente. Si L7 = 0, la J=0 y el flip-flop se mantendrá en el estado
0, manteniéndo apagado el LED nº 9.
Finalmente, la salida digital del Conv A/D alimenta a un circuito combinacional con
compuertas lógicas para excitar la columna de LEDs. Las funciones lógicas de cada uno
de los LEDs pueden ser obtenidas a partir de la siguiente tabla de verdad de acuerdo a
las especificaciones dadas.
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Entradas
A
0
0
0
0
1
1
1
1
B
0
0
1
1
0
0
1
1
Salidas
L1
0
1
1
1
1
1
1
1
C
0
1
0
1
0
1
0
1
L2
0
0
1
1
1
1
1
1
L3
0
0
0
1
1
1
1
1
L4
0
0
0
0
1
1
1
1
L5
0
0
0
0
0
1
1
1
L6
0
0
0
0
0
0
1
1
Tabla de Verdad
A partir de la tabla anterior, se pueden construir los mapas de Karnaugh de cada una de
las señales L1...L7 para obtener las funciones de los LEDs en forma simplificada.
Efectuando este procedimiento se obtienen las siguientes funciones:
L1 = A + B + C
L5 = AC + AB (Utilice la compuerta AND/OR)
L2 = A + B
L6 = AB
L3 = A + BC
L7 = ABC
L4 = A
------------
A continuación se muestran los mapas de Karnaugh para las señales L1 y L2, así como el
diagrama del circuito combinacional.
AB
AB
C
00
0
1
0
1
01
11
10
1
1
1
1
1
1
L1 = A´B ´C´ =A +B +C
C
0
1
00
01
11
10
0
1
1
1
0
1
1
1
L2 = A + B
Mapas de Karnaugh para L1 y L2
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L7
0
0
0
0
0
0
0
1
A
L2
B
C
1
L1
1
L3
&
1
L4
&
&
L5
1
&
&
L7
L6
Lógica Combinacional
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