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. Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.3 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cove Texts. A copy of the license is included in the section entitled "GNU 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 Copyright (C) 2013 Lluís Matas Nadal. Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.3 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cove Texts. A copy of the license is included in the section entitled "GNU Free Documentation License". 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 Copyright (C) 2013 Lluís Matas Nadal. Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.3 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cove Texts. A copy of the license is included in the section entitled "GNU Free Documentation License". 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. Recursos docentes para la instrumentación electrónica 47 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. 48 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 Recursos docentes para la instrumentación electrónica 49 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 lmat9390@gmail.com 50 E. Layouts Figura D.1: Layout convertidor de verdadero valor eficaz Figura D.2: Layout convertidor valor medio Recursos docentes para la instrumentación electrónica 7 Bibliografía Libros: 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 51