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Manual control digital (1)

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Clave de incorporación UNAM 8968-66
MANUAL DE PRÁCTICAS
MATERIA
CONTROL DIGITAL
CLAVE: 0114
ELABORÓ:
F.E.S. CUAUTITLÁN, U.N.A.M.
AJUSTE DE FORMATO:
Ing. Bernardo Juárez González
Alumno: __________________________________
Grupo: 8010
Periodo 2017
UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI
DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y
REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
Control digital
Página 1 de 101
CONTENIDO
Página
Introducción ………………….. 4
Reglamento ………………….. 6
Práctica 1, Muestreadores y Retenedores ………………….. 15
Práctica 2, Convertidor Analógico Digital Discreto ………………….. 24
Práctica 3, Convertidor Analógico Digital Intergado ………………….. 31
Práctica 4, Convertidor Digital Analógico Integrado ………………….. 43
Práctica 5, Convertidor Analógico Digital con
Retroalimentación
………………….. 50
Práctica 6, Contador Infrarrojo ………………….. 56
Práctica 7, Control de Velocidad de Motor de CD
por Modulación PWM
………………….. 64
Práctica 8, Motores de pasos ………………….. 71
Práctica 9, Motores de Pasos con Control
Programado
………………….. 78
Práctica 10, Análisis y Simulación de Sistema
Digital con Matlab
………………….. 89
Control digital
Página 2 de 101
OBJETIVO DE LA MATERIA
Al finalizar el curso el alumno conocerá y comprenderá los conceptos fundamentales
de los sistemas de control digital y será capaz de diseñar y llevar a la práctica los
controladores digitales que se emplean con mayor frecuencia, integrando los
elementos necesarios de electrónica, telecomunicaciones y control.
Práctica 1
 El alumno implementará un dispositivo de muestreo y un dispositivo de
retención para comprobar dos de los procesos empleados en la
discretización de señales analógicas.
 El alumno analizará las variaciones que se producen en ambos procesos al
cambiar los parámetros del sistema para diferentes señales de entrada.
Práctica 2
 El alumno construirá un convertidor analógico digital de aproximaciones
sucesivas con elementos discretos.
 El alumno analizará las características de funcionamiento y verificará los
cálculos teóricos con mediciones sobre el circuito.
 El alumno generará la curva de cuantización práctica.
Práctica 3
 El alumno comprobará experimentalmente el funcionamiento de un
convertidor analógico digital que emplea el método de conversión de
aproximaciones sucesivas.
 El alumno realizará la programación del microcontrolador PIC16F690 para
hacer uso del módulo de conversión analógico digital.
 El alumno construirá una interfaz para medir temperatura, empleando el
microcontrolador PIC16F690, el sensor de temperatura LM35D y una
pantalla LCD para mostrar el resultado de la conversión analógica digital en
diferentes escalas de temperatura.
Práctica 4
 El alumno comprobará el funcionamiento de un convertidor digital analógico
integrado que emplea el método de conversión de red de escalera R-2R.
 El alumno empleará el convertidor digital analógico MC1408 para generar
señales analógicas a partir de circuitos digitales.
Control digital
Página 3 de 101
Práctica 5
 Construir un convertidor analógico digital realimentado, empleando un
convertidor digital analógico.
 Comprender el funcionamiento de las etapas que lo componen.
Práctica 6
 El alumno implementará un dispositivo de detección y conteo haciendo uso
de dispositivos emisores y receptores de luz infrarroja.
 El alumno utilizará dispositivos opto electrónicos que son empleados en
sistemas de control para detección o aislamiento.
Práctica 7
 El alumno implementará un control de velocidad para un motor de CD por
medio de un modulador por ancho de pulsos, PWM.
 El alumno comprobará la variación del voltaje medio y la corriente media de
una señal PWM.
Práctica 8
 Diseñar un sistema digital implementado con elementos discretos para
controlar un motor de pasos.
 Controlar la velocidad, sentido de giro y posición angular.
Práctica 9
 Controlar el sentido de giro y posición angular de un motor de pasos
utilizando los modos de operación a paso completo y medio paso.
 Implementar un sistema con un motor a pasos de tipo bipolar empleando un
sistema de control basado en un microcontrolador.
Control digital
Página 4 de 101
INTRODUCCIÓN
Convienen subrayar que el contenido de este manual fue desarrollado en el año
2000 y revisado en el año 2015 por el M. en T.I. Jorge Buendía Gómez, el Ing.
Nicolás Calva Tapia y el M. en C. Leopoldo Martín del Campo R., docentes de la
Universidad Autónoma de México en la Facultad de Estudios Superiores de
Cuautitlán. Lo anterior para realizar las prácticas correspondientes a la asignatura
“Control Digital”.
Por lo que se refiere al laboratorio donde se impartirá la asignatura de Control Digital
los alumnos deberán realizar la comprobación de los conceptos teóricos más
relevantes utilizados para la digitalización de señales analógicas. Este proceso de
digitalización es muy importante ya que la mayoría del procesamiento actual se
realiza a través de sistemas digitales o de computadoras debido a la flexibilidad y
capacidad de manipulación de la información de los sistemas de cómputo.
En la actualidad el procesamiento de señales se realiza de forma digital, debido a
la gran versatilidad y potencia de los sistemas digitales, ya sea en forma de
microprocesadores, microcontroladores, computadoras y otros. Sin embargo, la
generación de señales del mundo real sigue siendo analógica, señales como la voz,
el audio, el video, la temperatura, la presión, la posición de un motor, etc., son
indiscutiblemente señales analógicas y es por ello que siempre estarán presentes
los circuitos electrónicos de conversión analógica digital y de conversión digital
analógica.
Para llevar a cabo esta transformación de señal analógica a señal digital
(discretización), se requieren 3 procesos independientes que son:
 Muestreo
 Retención
 Cuantización
Estos 3 procesos se pueden implementar a través de circuitos electrónicos, que
permiten analizar los parámetros de funcionamiento más representativos de la
discretización de señales.
Otro de los elementos importantes en el proceso de control es la adquisición de
datos a través de convertidores analógico digital (CAD) y convertidores digital
analógico (CDA), tanto discretos como integrados ya que son la interfaz directa
entre el mundo real, básicamente analógico, y el sistema de control, básicamente
digital.
Control digital
Página 5 de 101
Dentro de las prácticas se visualiza y comprueba el funcionamiento de algunos
convertidores básicos, necesarios para comprender la influencia de estos circuitos
dentro de los sistemas de adquisición de datos comerciales (DAQ) y su aplicación
en la captura de señales procedentes de sensores.
En estas prácticas se incluye el control de motores de corriente directa y de motores
de pasos necesarios para la implementación de sistemas mecánicos industriales o
de robots. El control se realiza utilizando sistemas digitales integrados tales como
los microcontroladores y sistemas digitales discretos diseñados específicamente
para la aplicación planteada.
También se incluye en estas prácticas la utilización de software de simulación que
permite al alumno analizar un sistema sin la necesidad de tenerlo físicamente, para
poder comprobar de forma rápida los conceptos teóricos de controladores y otras
funciones.
Finalmente el alumno deberá comprender la necesidad de interacción entre las
diferentes áreas de la Ingeniería para llevar a la práctica un sistema de control digital
real.
Entre estas áreas se distinguen:
 Electrónica
 Control Analógico
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 Diseño Lógico
 Computación
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  • 1. Clave de incorporación UNAM 8968-66 MANUAL DE PRÁCTICAS MATERIA CONTROL DIGITAL CLAVE: 0114 ELABORÓ: F.E.S. CUAUTITLÁN, U.N.A.M. AJUSTE DE FORMATO: Ing. Bernardo Juárez González Alumno: __________________________________ Grupo: 8010 Periodo 2017 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
  • 2. Control digital Página 1 de 101 CONTENIDO Página Introducción ………………….. 4 Reglamento ………………….. 6 Práctica 1, Muestreadores y Retenedores ………………….. 15 Práctica 2, Convertidor Analógico Digital Discreto ………………….. 24 Práctica 3, Convertidor Analógico Digital Intergado ………………….. 31 Práctica 4, Convertidor Digital Analógico Integrado ………………….. 43 Práctica 5, Convertidor Analógico Digital con Retroalimentación ………………….. 50 Práctica 6, Contador Infrarrojo ………………….. 56 Práctica 7, Control de Velocidad de Motor de CD por Modulación PWM ………………….. 64 Práctica 8, Motores de pasos ………………….. 71 Práctica 9, Motores de Pasos con Control Programado ………………….. 78 Práctica 10, Análisis y Simulación de Sistema Digital con Matlab ………………….. 89
  • 3. Control digital Página 2 de 101 OBJETIVO DE LA MATERIA Al finalizar el curso el alumno conocerá y comprenderá los conceptos fundamentales de los sistemas de control digital y será capaz de diseñar y llevar a la práctica los controladores digitales que se emplean con mayor frecuencia, integrando los elementos necesarios de electrónica, telecomunicaciones y control. Práctica 1  El alumno implementará un dispositivo de muestreo y un dispositivo de retención para comprobar dos de los procesos empleados en la discretización de señales analógicas.  El alumno analizará las variaciones que se producen en ambos procesos al cambiar los parámetros del sistema para diferentes señales de entrada. Práctica 2  El alumno construirá un convertidor analógico digital de aproximaciones sucesivas con elementos discretos.  El alumno analizará las características de funcionamiento y verificará los cálculos teóricos con mediciones sobre el circuito.  El alumno generará la curva de cuantización práctica. Práctica 3  El alumno comprobará experimentalmente el funcionamiento de un convertidor analógico digital que emplea el método de conversión de aproximaciones sucesivas.  El alumno realizará la programación del microcontrolador PIC16F690 para hacer uso del módulo de conversión analógico digital.  El alumno construirá una interfaz para medir temperatura, empleando el microcontrolador PIC16F690, el sensor de temperatura LM35D y una pantalla LCD para mostrar el resultado de la conversión analógica digital en diferentes escalas de temperatura. Práctica 4  El alumno comprobará el funcionamiento de un convertidor digital analógico integrado que emplea el método de conversión de red de escalera R-2R.  El alumno empleará el convertidor digital analógico MC1408 para generar señales analógicas a partir de circuitos digitales.
  • 4. Control digital Página 3 de 101 Práctica 5  Construir un convertidor analógico digital realimentado, empleando un convertidor digital analógico.  Comprender el funcionamiento de las etapas que lo componen. Práctica 6  El alumno implementará un dispositivo de detección y conteo haciendo uso de dispositivos emisores y receptores de luz infrarroja.  El alumno utilizará dispositivos opto electrónicos que son empleados en sistemas de control para detección o aislamiento. Práctica 7  El alumno implementará un control de velocidad para un motor de CD por medio de un modulador por ancho de pulsos, PWM.  El alumno comprobará la variación del voltaje medio y la corriente media de una señal PWM. Práctica 8  Diseñar un sistema digital implementado con elementos discretos para controlar un motor de pasos.  Controlar la velocidad, sentido de giro y posición angular. Práctica 9  Controlar el sentido de giro y posición angular de un motor de pasos utilizando los modos de operación a paso completo y medio paso.  Implementar un sistema con un motor a pasos de tipo bipolar empleando un sistema de control basado en un microcontrolador.
  • 5. Control digital Página 4 de 101 INTRODUCCIÓN Convienen subrayar que el contenido de este manual fue desarrollado en el año 2000 y revisado en el año 2015 por el M. en T.I. Jorge Buendía Gómez, el Ing. Nicolás Calva Tapia y el M. en C. Leopoldo Martín del Campo R., docentes de la Universidad Autónoma de México en la Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán. Lo anterior para realizar las prácticas correspondientes a la asignatura “Control Digital”. Por lo que se refiere al laboratorio donde se impartirá la asignatura de Control Digital los alumnos deberán realizar la comprobación de los conceptos teóricos más relevantes utilizados para la digitalización de señales analógicas. Este proceso de digitalización es muy importante ya que la mayoría del procesamiento actual se realiza a través de sistemas digitales o de computadoras debido a la flexibilidad y capacidad de manipulación de la información de los sistemas de cómputo. En la actualidad el procesamiento de señales se realiza de forma digital, debido a la gran versatilidad y potencia de los sistemas digitales, ya sea en forma de microprocesadores, microcontroladores, computadoras y otros. Sin embargo, la generación de señales del mundo real sigue siendo analógica, señales como la voz, el audio, el video, la temperatura, la presión, la posición de un motor, etc., son indiscutiblemente señales analógicas y es por ello que siempre estarán presentes los circuitos electrónicos de conversión analógica digital y de conversión digital analógica. Para llevar a cabo esta transformación de señal analógica a señal digital (discretización), se requieren 3 procesos independientes que son:  Muestreo  Retención  Cuantización Estos 3 procesos se pueden implementar a través de circuitos electrónicos, que permiten analizar los parámetros de funcionamiento más representativos de la discretización de señales. Otro de los elementos importantes en el proceso de control es la adquisición de datos a través de convertidores analógico digital (CAD) y convertidores digital analógico (CDA), tanto discretos como integrados ya que son la interfaz directa entre el mundo real, básicamente analógico, y el sistema de control, básicamente digital.
  • 6. Control digital Página 5 de 101 Dentro de las prácticas se visualiza y comprueba el funcionamiento de algunos convertidores básicos, necesarios para comprender la influencia de estos circuitos dentro de los sistemas de adquisición de datos comerciales (DAQ) y su aplicación en la captura de señales procedentes de sensores. En estas prácticas se incluye el control de motores de corriente directa y de motores de pasos necesarios para la implementación de sistemas mecánicos industriales o de robots. El control se realiza utilizando sistemas digitales integrados tales como los microcontroladores y sistemas digitales discretos diseñados específicamente para la aplicación planteada. También se incluye en estas prácticas la utilización de software de simulación que permite al alumno analizar un sistema sin la necesidad de tenerlo físicamente, para poder comprobar de forma rápida los conceptos teóricos de controladores y otras funciones. Finalmente el alumno deberá comprender la necesidad de interacción entre las diferentes áreas de la Ingeniería para llevar a la práctica un sistema de control digital real. Entre estas áreas se distinguen:  Electrónica  Control Analógico  Control Digital  Diseño Lógico  Computación  Diseño de Software  Electrónica de Potencia  Mecánica  Motores  y algunas áreas adicionales.
  • 7. Control digital Página 6 de 101 REGLAMENTO DE LABORATORIOS DE LA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA 2 DE JULIO 2012 EL PRESENTE DOCUMENTO CONTIENE LOS LINEAMIENTOS GENERALES POR LOS CUALES SE RIGEN LOS LABORATORIOS DE ELECTRÓNICA, REDES, ELECTRONEUMÁTICA Y FÍSICA DE LA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI A.C., ESTABLECIENDO LOS REQUISITOS DE INGRESO, PERMANENCIA Y SALIDA DE LOS LABORATORIOS ASÍ COMO LAS NORMAS DE SEGURIDAD E HIGIENE DENTRO DE LOS MISMOS. APLICABLE EN LA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA
  • 8. Control digital Página 7 de 101 REGLAMENTO DE LABORATORIOS DE LA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI A.C. CAPÍTULO 1 DISPOSICIONES GENERALES Artículo 1. El presente reglamento tiene como objetivos: I. Lograr el adecuado y máximo aprovechamiento de equipos, manuales, herramientas, componentes e instalaciones con que cuentan los laboratorios; II. Propiciar la disciplina, organización, y responsabilidad en el manejo y utilización de los laboratorios; III. Satisfacer la necesidad de los alumnos de la Escuela Profesional de Ingeniería de la Universidad de Ixtlahuaca CUI A.C. a través de asesorías técnicas y operativas. Artículo 2. Este reglamento tendrá validez en los laboratorios de la Escuela Profesional de Ingeniería de la Universidad de Ixtlahuaca CUI A.C., deberá ser observado por los alumnos, personal, docentes y administrativos sin excepción, incluyendo a las personas que extraordinariamente y con autorización de la Dirección Académica hagan uso de los laboratorios. Artículo 3. Para los efectos del presente Reglamento se entiende por: I. Universidad o institución: a la Universidad de Ixtlahuaca CUI A.C; II. Rector o Director: al Director General de la Universidad; III. Escuela: a la Escuela Profesional de Ingeniería de la Universidad; IV. Dirección Académica: al Director Académico o Dirección Académica de la Escuela respectiva; V. Laboratorios de Electrónica: Es el espacio físico de la Escuela, en el cual se adquieren y se refuerzan conocimientos y habilidades en la manipulación de instrumentos de medición eléctrica; VI. Laboratorio de Redes: Es el espacio físico, destinado por la Escuela a la adquisición y reforzamiento de conocimientos y habilidades en materia de hardware, arquitectura de software, redes de comunicaciones, preferentemente en tecnología CISCO y demás relativas; VII. Laboratorio de Electroneumática: Es el espacio físico, en el cual se adquieren conocimiento de neumática, hidráulica y circuitos eléctricos; VII. Laboratorio de Física: Es el espacio físico de la Escuela, destinado a la práctica, estudio y generación de conocimientos de los fenómenos físicos; VIII. Laboratorios: es el conjunto de los laboratorios de electrónica, redes, electroneumática y física;
  • 9. Control digital Página 8 de 101 IX. Usuarios: El usuario, es la persona que perteneciendo o no, a la Comunidad Universitaria, hace uso de los laboratorios de la Escuela, para tales efectos los usuarios se clasifican en: A) Usuarios internos: Son los usuarios que forman parte de la Comunidad Universitaria, y tendrán todas las obligaciones y derechos que estipula este Reglamento; B) Usuarios Externos: Son los usuarios que sin formar parte de la Comunidad Universitaria, de manera extraordinaria y con motivo de algún curso, taller u otra actividad análoga y previa autorización de la Dirección Académica, hacen uso de manera temporal de los laboratorios de Electrónica, Redes, Electroneumática y Física; IX. Auxiliar de Laboratorios: Es el trabajador administrativo de la Universidad, el cual realizará actividades de organización ya sea en el laboratorio de Redes, Electrónica, Física y Electroneumática para el correcto funcionamiento de éstos; para tales efectos los auxiliares de uno u otro laboratorio deberán reunir los siguientes perfiles: A) Perfil auxiliar del Laboratorio de Redes: Profesional. Pasante, técnico en el área de computación, informática y carrera afines, con conocimientos actualizados de hardware, arquitectura de software, redes de comunicaciones, preferentemente de tecnología CISCO con capacidad de mantener en buen estado el equipo técnico, con actitud proactiva, capacidad organizativa, capacidad de trabajo en equipo y aptitud para desarrollar relaciones interpersonales positivas y abiertas al cambio. B) Perfil auxiliar de Laboratorios de Electrónica, Electroneumática y Física: Profesional, pasante, técnico en el área de electrónica y carreras afines, con conocimientos actualizados en dicha área y habilidades en la manipulación de instrumentos de medición eléctrica, con capacidad de mantener en buen estado el equipamiento, con actitud proactiva, capacidad organizativa, capacidad de trabajo en equipo y aptitud de desarrollar relaciones interpersonales positivas y abierto al cambio. Artículo 4. Los laboratorios con que cuenta la Escuela Profesional de ingeniería son: I. Laboratorios de Redes II. Laboratorio de Electrónica III. Laboratorio de Física IV. Laboratorio de Electroneumática
  • 10. Control digital Página 9 de 101 Artículo 5. Los servicios que ofrecen los Laboratorios son: I. El laboratorio de electrónica presta los siguientes servicios: A) Préstamo de equipos, manuales y herramientas para el desarrollo de prácticas. B) Información a todos los usuarios en cuanto a la utilización de los recursos del laboratorio y demás actividades análogas o digitales. II. El laboratorio de redes prestará los siguientes servicios: A) Uso del sistema operativo Linux o Windows, como plataforma básica en la estalación de otros sistemas operativos o software que permitan llevar a cabo tareas el respecto, orientadas por los maestros. B) Uso y manejo del software existente en el laboratorio con fines de simulación y análisis de redes. C) Uso de recursos como routers y switches CISCO disponibles en el laboratorio, con el objetivo de llegar a un plano práctico y verificativo los conocimientos teóricos adquiridos en clases entre los que se incluyen los correspondientes a cursos de CCNA de CISCO. D) Asesoría en todo lo relacionado con el software instalado en los equipos de cómputo, así como orientación e información sobre temas de computación. E) Conexión a internet, con fines vinculados directamente a actividades del laboratorio de redes y demás actividades análogas. III. El laboratorio de electroneumática prestará los siguientes servicios: A) Préstamo de equipos, manuales y herramientas para el desarrollo de prácticas. B) Información a todos los usuarios en cuanto a la utilización de los recursos del laboratorio y demás actividades de circuitos eléctricos, neumática e hidráulica. c) Asesoría en todo lo relacionado al uso e interpretación de resultados del equipo que existe en el laboratorio. D) Uso y manejo del software existente en el laboratorio con fines de simulación y análisis de circuitos. IV. El laboratorio de física prestará los siguientes servicios: A) Préstamo de equipos, manuales y herramientas para el desarrollo de prácticas. B) Información a todos los usuarios en cuanto a la utilización de los recursos del laboratorio y demás actividades en el desarrollo de experimentos. c) Asesoría en todo lo relacionado al uso e interpretación de resultados del equipo que existe en el laboratorio. D) Uso y manejo del software existente en el laboratorio con fines de simulación. F) Asesoría en la instalación y armado de los equipos y materiales para experimentos.
  • 11. Control digital Página 10 de 101 CAPÍTULO II DE LA ORGANIZACIÓN Y LA OPERACIÓN Artículo 6. Son obligaciones de los auxiliares de los laboratorios: I. Coordinar, supervisar, vigilar y controlar las actividades correspondientes a su área de trabajo para brindar un trabajo de calidad; II. Conocer el funcionamiento y manejo de las instalaciones y equipo de los laboratorios, para garantizar su operatividad; III. Controlar el inventario de equipo de cómputo, partes eléctricas, herramientas, mobiliario e instalaciones en general; así como de su mantenimiento preventivo y correctivo; IV. Proporcionar el material, dispositivos y equipo del laboratorio o cómputo necesario para las actividades de los alumnos; V. Apoyar la enseñanza especializada y de información continua en materia de cómputo, electrónica, informática, telecomunicaciones, circuitos eléctricos, física, neumática e hidráulica; por medio de asesorías. VI. Brindar apoyo dando información continua sobre el manejo de programas, aplicaciones o uso de los instrumentos o herramientas, sistemas operativos y dispositivos que se encuentren dentro de los laboratorios. VII. Proporcionar apoyo a las actividades de otras área de la Universidad que así lo requiera, previa solicitud por escrito y de acuerdo al orden en que se haya realizado ésta; VIII. Reportar a la Supervisión de Servicios de Cómputo las necesidades de material y equipo como los desperfectos o incidentes que llegarán a surgir dentro de los laboratorios. IX. Proporcionar por escrito a la Dirección Académica inmediatamente concluido el ciclo escolar, la lista de los usuarios con adeudo al laboratorio de electrónica, redes, física y electroneumática para efectos de inscripción del siguiente ciclo escolar; X. Supervisar la observancia de las normas del presente Reglamento, así como las complementarias o transitorias que sean emitidas por sus superiores. XI. Elaborar una estadística del uso del laboratorio que permita determinar las necesidades de los usuarios y así definir las políticas de operación, mantenimiento y crecimiento. XII. Las demás que por la naturaleza de los servicios de los laboratorios así lo ameriten. Artículo 7. Las prácticas del laboratorio se realizarán de acuerdo con los horarios establecidos para el desarrollo de clases, mismas que deben de ser coordinadas, supervisadas y realizadas, por el docente que corresponda.
  • 12. Control digital Página 11 de 101 Artículo 8. En el tiempo no asignado del laboratorio, el alumno podrá trabajar por su cuenta bajo la supervisión del auxiliar de laboratorio. Artículo 9. El horario para el uso de los laboratorios serán los establecidos para el desarrollo de clases o dentro de los espacios previstos para tal efecto y estará sujeto a los siguientes criterios: I. Los horarios se deberán mostrar en la entrada de los laboratorios; II. El tiempo de estancia en el laboratorio debe terminar 5 minutos antes de la finalización de la sesión; III. Cuando de manera extraordinaria una materia no tenga asignada tiempo en el laboratorio y requiera el uso de ésta, el docente titular de la materia podrá solicitar con anticipación tiempo clase directamente con el responsable del laboratorio; IV. El docente asignado a tiempo clase deberá verificar ocular y superficialmente el equipo de trabajo antes y después de cada sesión, en caso de encontrar alguna situación anómala, deberá hacerla notar a la brevedad al responsable del laboratorio; V. Los alumnos que ocupen el laboratorio y que no estén acompañados por un docente, deberán registrarse en horario de entrada y salida en la bitácora correspondiente disponible en el laboratorio; VI. Los docentes que tengan tiempo clase asignado quedan como responsables tanto del mobiliario como del equipo, así como del comportamiento de los usuarios y del cumplimiento de este Reglamento; VII. A los usuarios que, por alguna razón, su trabajo coincida con trabajos extraordinarios de reparación o mantenimiento del equipo de electrónica, redes, física y electroneumática (preventivo o correctivo), se les proporcionará el servicio sólo si no interfieren con las labores de mantenimiento. Artículo 10. Para hacer uso de los servicios que proporcionan laboratorios, en horarios extraordinarios a clase, al usuario se le requerirá dejar su credencial escolar vigente por el auxiliar del mismo, o en su defecto una identificación oficial. Artículo 11. Es responsabilidad del usuario reportar cualquier desperfecto sufrido por el equipo antes de empezar a trabajar, de esta forma se le deslinda de toda responsabilidad. Artículo 12. En caso de que el equipo presente alguna falla o desperfecto durante la realización de las prácticas y ésta sea por alguna causa ajena al usuario, debe reportar este problema y solicitar el reemplazo del equipo al responsable del laboratorio.
  • 13. Control digital Página 12 de 101 Artículo 13. En caso de que el equipo sufra algún desperfecto por causas imputables al usuario, éste será responsable de liquidar el monto de su reparación e incluso su reposición total del equipo si éste no tuviera reparación. Artículo 14. Al terminar la sesión de prácticas, se devolverán los equipos, las herramientas y los manuales que se hayan solicitado, además dejar limpia su área de trabajo. Desde el momento en que es entregado el equipo y hasta que éste sea devuelto queda bajo la responsabilidad del usuario. CAPÍTULO III DELOS USUARIOS Artículo 15. Son obligaciones de los docentes para la utilización de los laboratorios: I. Solicitar a la Dirección Académica por escrito el requerimiento del laboratorio para las prácticas de su materia en caso de ser necesario; II. Cumplir con las prácticas programadas; III. Permanecer en el laboratorio durante el tiempo que se desarrollen sus prácticas; IV. Vigilar que los alumnos cumplan con las medidas de disciplina, seguridad y operación, indicados en este Reglamento. Artículo 16. Son los derechos de los alumnos en la utilización de los laboratorios: I. Ser atendidos con cortesía y respeto por el personal de los laboratorios; II. Hacer uso de los servicios y recursos de redes, física, electro neumática o electrónica respetando las disposiciones complementadas en el presente Reglamento; III. Hacer uso del software existente (simuladores, analizadores de redes) en el caso del laboratorio de redes; IV. Hacer uso del equipo y materiales del laboratorio de electrónica, de redes, de física y electro neumática de acuerdo con la disponibilidad del mismo y las prioridades establecidas; V. Tener acceso a los equipos con Internet, este servicio es con fines académicos, por lo tanto no se autoriza la navegación de páginas de contenido sexual explícito e implícito, violencia, satanismo, sitios de juego, chats o música u otros cuyos contenidos dañen la susceptibilidad de otros usuarios; VI. Recibir la información y orientación que requieran, por parte del personal de laboratorio de redes, electrónica, física y electro neumática con
  • 14. Control digital Página 13 de 101 respecto a los servicios que brinda el mismo y en los términos del presente Reglamento; VII. Ser informado sobre los horarios y planificación de uso, en medida de lo posible a través de anuncios en el laboratorio; VIII. Participa en las actividades organizadas con carácter general y académico; IX. Informar oralmente o por escrito a la Dirección Académica de la Escuela Profesional de Ingeniería de las anomalías observadas. Artículo 17. Son obligaciones de los alumnos en la utilización de los laboratorios: I. Cumplir con los requisitos de ingreso, permanecía y salida del laboratorio; II. Contar con la autorización del auxiliar y/o docente correspondiente, para el acceso y uso del servicio de Laboratorios; III. Atender y cumplir las instrucciones de docentes y auxiliares; IV. Solicitar la información necesaria antes del desarrollo de sus prácticas; V. Entregar limpio, completo y en buen estado al término de la práctica tanto el equipo, herramientas y materiales, como su área de trabajo; VI. Informar cualquier desperfecto en los equipos, herramientas, materiales e instalaciones al auxiliar del laboratorio. Artículo 18. En la utilización de los laboratorios de redes, electrónica, física y electro neumática los usuarios deberán de abstenerse de: I. Tirar cualquier tipo de basura en las instalaciones de los laboratorios. II. Hacer uso inadecuado de las instalaciones, mobiliario, equipo de cómputo y/o dispositivos del laboratorios de redes o instrumento, herramientas del laboratorio de electrónica; III. Depositar en el mobiliario, terminales y demás partes del equipo, todo tipo de objetos ajenos a los fines de la práctica; IV. Realizar actividades distintas a las que se requieran para la práctica, así como aquellas que pongan en peligro la seguridad de las personas o el equipo dentro del laboratorio; V. Uso inapropiado de las herramientas de software y hardware, como emisión de propagandas comercial (SPAM). VI. Desconectar o cambiar de lugar los elementos periféricos conectados a las computadoras, tales como escáner, teclado, ratones etc.; VII. La información de grupo de personas que causen desorden; VIII. Sustraer recursos materiales, herramientas y/o equipos de cómputo fuera del área del laboratorio de redes, electrónica, física y electro neumática, salvo en aquellos casos que se autorice por alguna autoridad de la Institución, como el Director Académico o el Jefe de Servicios de Cómputo, para lo cual el usuario deberá firmar un modelo de control de préstamo.
  • 15. Control digital Página 14 de 101 Artículo 19. Perderán la calidad de usuarios los que: I. Por cualquier circunstancia causen baja temporal o definitiva como alumnos, trabajadores, administrativos o docentes de la Universidad; II. Por alguna sanción o situación negando por escrito su acceso a laboratorio, ésta se hará saber por parte del Director Académico. CAPÍTULO IV HIGIENE Y SEGURIDAD Artículo 20. Se abstendrá de colocar equipos, herramientas y materiales del laboratorio que puedan obstaculizar la libre circulación o ser causa de accidentes. Artículo21. Todos los desechos, deben depositarse en los recipientes destinados para tal fin. Artículo 22. En caso de accidentes graves, el auxiliar y/o docente deben de controlar la situación y asegurarse de la atención médica inmediata solicitando la intervención de la Universidad Interna de Protección Civil de la Universidad. CAPÍTULO V DE LAS SACIONES Artículo 23. El incumplimiento de las obligaciones establecidas por este Reglamento dará lugar a la imposición de sanciones, así como a la reparación del daño, según sea el caso, dependiendo de la magnitud de la falta, sin perjuicio de que puedan aplicarse otras sanciones previstas en la legislación universitaria, o denunciar el hecho ante las autoridades competentes. TRANSITORIOS PRIMERO. Las situaciones no previstas en el Presente Reglamento serán resueltas por el Rector de la Universidad, cuya determinación será inatacable. SEGUNDO. El presente Reglamento entrará en vigor al día siguiente de ser aprobado por el Rector de la Universidad. EL PRESENTE REGLAMENTO FUE APROBADO POR EL RECTOR O DIRECTOR GENERAL DE LA UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI A.C. EL DIA 2 DE JULIO DE 2012.
  • 16. Control digital Página 15 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 1 TEMA: Muestreadores y Retenedores GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 17. Control digital Página 16 de 101 OBJETIVO  El alumno implementará un dispositivo de muestreo y un dispositivo de retención para comprobar dos de los procesos empleados en la discretización de señales analógicas.  El alumno analizará las variaciones que se producen en ambos procesos al cambiar los parámetros del sistema para diferentes señales de entrada. FUNDAMENTOS TEÓRICOS En los sistemas discretos, en los sistemas de datos muestreados y en los sistemas de control digital, por lo general una o varias de las señales que intervienen en el proceso son señales analógicas que deben ser transformadas a señales discretas para poder ser empleadas de forma adecuada dentro de este tipo de sistemas. Para lograr la discretización de las señales, se debe aplicar primero el proceso de muestreo y obtener así una señal formada únicamente por las muestras discretas en tiempo de la señal analógica. El proceso de muestreo puede representarse a través de un interruptor que se cierra cada t = kT segundos durante un tiempo de muestreo (p), generándose una señal de muestreo como la mostrada en la figura 1.1.  t = Instante de muestreo  k = 0, 1, 2, 3, … n  T = Periodo de muestreo  p = Tiempo de muestreo Figura 1.1. Señal generada La ecuación t = kT describe al muestreo periódico ya que las muestras están equiespaciadas, es decir las muestras son tomadas en instantes de tiempo que son múltiplos enteros del periodo de muestreo. También existen otros tipos de muestreo empleados para diferentes propósitos, los cuales se describen con ecuaciones similares a la mostrada anteriormente. La entrada de este interruptor es una señal analógica y la salida es una señal muestreada como se puede observar en la figura 1.2.
  • 18. Control digital Página 17 de 101 Figura 1.2. Entrada y salida de una señal muestreada Otra forma de representar el proceso de muestreo es a través de un modulador en amplitud, que realiza la modulación de un tren de impulsos unitarios discretos generados en los instantes kT que se emplean como señal portadora y la señal analógica que se desea muestrear que se emplea como señal moduladora, obteniéndose como salida los pulsos discretos pero modulados en amplitud por la señal de entrada, a esta salida se le denomina la señal muestreada, tal y como se observa en la figura 1.3. Figura 1.3. Señal muestreada La operación que realiza el modulador puede representarse matemáticamente a través del producto del tren de impulsos unitarios y la señal analógica de entrada dando como resultado la siguiente expresión que define a la señal muestreada. Si a esta expresión se le aplica la transformada de Laplace y se toman las consideraciones necesarias, se obtiene la transformada Z de la función x(t).
  • 19. Control digital Página 18 de 101 Otro dispositivo empleado en la digitalización de las señales analógicas para utilizarlas en los sistemas de datos muestreados, es el retenedor, el cual tiene la función de reconstruir la señal muestreada a partir de los valores de las muestras generadas por el muestreador, empleando para ello, polinomios de diferentes grados. Entre los más empleados están los retenedores de orden cero y de primer orden. Este proceso también se emplea para que los cuantizadores tengan en su entrada una señal constante que representa a la muestra actual y puedan tener el tiempo suficiente para realizar la conversión de código ya que la muestra original que se obtiene del muestreador tiene una duración muy corta. Figura 1.4. Retenedor de onda cero En la figura 1.4 se presenta un retenedor de orden cero Zoh y las formas de onda de su entrada y su salida. En esta práctica se implementarán 2 circuitos que realizan las funciones de muestreo y retención respectivamente. Estos circuitos se implementan a través de circuitos analógicos y amplificadores operacionales para poder visualizar las funciones que se realizan en estos 2 procesos, pero haciendo la anotación de que en los sistemas de control digital estas funciones se realizan a través de los convertidores analógico digitales que contienen de manera intrínseca a dichas funciones de muestreo y retención (S/H, Sample and Hold).
  • 20. Control digital Página 19 de 101 Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno deberá realizar la lectura de la práctica. 2. El alumno realizará la simulación de los circuitos del procedimiento experimental considerando las figuras 1.5 y 1.6 siguiendo los pasos del desarrollo. Considere emplear el circuito DG417 en sustitución del circuito DG201 de la práctica, considerando que las terminales de ambos circuitos difieren en posición. 3. Entregar los resultados de la simulación de forma impresa al profesor al inicio de la sesión de laboratorio. 4. El alumno investigará el concepto de teorema de muestreo de Nyquist. EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente bipolar. 1 Generador de funciones. 1 Multímetro 1 Osciloscopio. 1 C.I. LM555 1 C.I. UA741 1 C.I. DG201 Switch Analógico CMOS SPST 2 Resistencias de 0.1 kΩ a ½ W. 1 Resistencia de 10 kΩ a ½ W. 1 Resistencia de 2.2 kΩ a ½ W. 1 Potenciómetro de 50 kΩ. 1 Capacitor de 1 nF. 1 Capacitor de 22 nF. 1 Capacitor de 0.1 μF. 2 Capacitor de 100 μF electrolítico. DESARROLLO 1. Implemente el circuito de la figura 1.5, el cual realiza la operación de muestreo sobre la señal Ve(t) y genera una señal muestreada Ve*(t), este circuito consta de las siguientes partes:
  • 21. Control digital Página 20 de 101  Generador de pulsos de muestreo en configuración astable.  Interruptor analógico (interruptor bidireccional) controlado por pulsos. 2. Calibre el generador de funciones con una señal Ve(t) = 2.5 Sen 6283.18 t. 3. Pruebe el sistema por partes, verificando el correcto funcionamiento de cada una de ellas.  Generador de pulsos de muestreo. (Terminal 3 del LM555)  Interruptor analógico (interruptor bidireccional) controlado por pulsos. (Terminal 3 del DG201) 4. Compruebe y explique el funcionamiento del proceso de muestreo para las señales de entrada triangular y cuadrada además de la señal senoidal del punto anterior. Figura 1.5. Circuito muestreador 5. Mida los valores de periodo de muestreo (T) y el tiempo de muestreo (p) mínimo y máximo de la señal de salida del generador de pulsos variando el potenciómetro P1 a su valor mínimo y a su valor máximo. 6. Indique cual es la frecuencia de muestreo mínima y máxima que se puede obtener con este circuito. 7. Empleando el teorema de Nyquist determine la frecuencia máxima de la señal de entrada Ve(t) que puede ser muestreada con este sistema.
  • 22. Control digital Página 21 de 101 8. Varíe la frecuencia de la señal senoidal a un valor en el rango de 30KHz a 50KHz y observe el comportamiento simultáneo de las señales de entrada Ve(t) y de salida Ve*(t), ajuste el valor de frecuencia para obtener un proceso de muestreo equivalente.(Aliasing o Señal de salida que no es muestreada adecuadamente debido a que no se toman las muestras necesarias para representarla). Grafique las señales para cada punto y anote los rangos de funcionamiento de cada una de las etapas, es muy importante llegar a una conclusión práctica de porque con este tipo de circuito no se puede llegar a muestrear señales de cualquier frecuencia o amplitud. 9. Retire la resistencia R3 de 10 KΩ que está conectada a la terminal 3 del interruptor analógico, ya que afecta el comportamiento del circuito retenedor que se adicionará a la salida del muestreador y regrese la señal de entrada a su valor de amplitud y frecuencia original Ve(t) = 2.5 Sen 6283.18 t. 10.Añada el circuito de la figura 1.6 a la salida del circuito de la figura 1.5, el cual realizará la función de retención y observe la señal de salida Vs(t) del circuito 1.6 y como se relaciona con la entrada Ve(t). Anote los comentarios en cuanto a las formas obtenidas así como las gráficas correspondientes, haciendo las pruebas también para señales de diferentes tipos y frecuencias (triangular y cuadrada). Figura 1.6. Circuito retenedor
  • 23. Control digital Página 22 de 101 CUESTIONARIO 1. Investigue el concepto de Aliasing y explique la relación que tienen con respecto al muestreo de señales analógicas. 2. Obtenga la función de transferencia en Laplace del retenedor empleado en la práctica (figura 1.6) indicando de que tipo es y explicando su funcionamiento. 3. Calcule el valor de la constante de tiempo del retenedor y el tiempo de carga del capacitor al 98% de su valor de carga final. 4. Verifique que se cumple la relación de tiempos siguiente, para el punto de máxima frecuencia de muestreo. 5𝜏 < 𝑝 < 5. Explique de manera gráfica lo que sucedería si la frecuencia de muestreo es elevada y la constante de tiempo RC del retenedor es mayor al periodo de muestreo T. 6. Describa los procesos de muestreo de orden múltiple, de ritmo múltiple y aleatorio. 7. Calcule los parámetros de tiempo del oscilador en modo astable implementado con el circuito LM555 de la práctica y compárelos con los obtenidos prácticamente. Para este paso refiérase a la hoja técnica del dispositivo LM555 donde se especifican las ecuaciones de funcionamiento. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior.
  • 24. Control digital Página 23 de 101 EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 25. Control digital Página 24 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 2 TEMA: Convertidor Analógico Digital Discreto GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 26. Control digital Página 25 de 101 OBJETIVO  El alumno construirá un convertidor analógico digital de aproximaciones sucesivas con elementos discretos.  El alumno analizará las características de funcionamiento y verificará los cálculos teóricos con mediciones sobre el circuito.  El alumno generará la curva de cuantización práctica. FUNDAMENTOS TEÓRICOS El primer proceso que se realiza dentro de un sistema de control digital es el proceso de muestreo, el cual nos permite obtener los valores discretos de la señal analógica de entrada en los diferentes instantes definidos por el periodo de muestreo, pero dichos valores son aún valores analógicos en amplitud aunque discretos en tiempo y no son directamente utilizables por una computadora digital, por lo tanto es necesario cuantizar dichos valores analógicos a través de convertidores analógico digitales que transforman el valor analógico de entrada a un código binario compatible con los sistemas digitales. Un convertidor analógico digital (CAD) procesa un voltaje analógico de entrada y después de cierta cantidad de tiempo, denominado tiempo de conversión, produce un código digital de salida con un determinado número de bits como se muestra en la figura 2.1. Figura 2.1 Representación gráfica de un convertidor analógico a digital
  • 27. Control digital Página 26 de 101 Este proceso está sujeto a errores debido al método de conversión, a los componentes empleados y a otras fuentes externas al proceso. El proceso de conversión analógico digital generalmente es más complejo y tardado que el proceso de conversión digital analógico y para realizarlo se emplean varios métodos entre los que podemos nombrar: aproximaciones sucesivas, rampa digital, rampa analógica, de ráfaga y doble rampa como los más usuales. El circuito implementado en la práctica realiza la conversión por el método de aproximaciones sucesivas en forma analógica, empleando para ello circuitos comparadores de voltaje, mallas de resistencias e inversores lógicos. Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno deberá realizar la lectura de la práctica. 2. El alumno realizará el cálculo de los voltajes en cada una de las dos entradas de los cuatro comparadores del circuito de la figura 2.2 así como el código binario de salida para un voltaje de entrada de 6.3 V. Considere que el voltaje máximo de entrada es de 8 V. 3. Adjunte todos los cálculos realizados para el análisis y entréguelo a su profesor de laboratorio. EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje 1 Multímetro 1 Osciloscopio 1 C.I. LM339 Comparadores de voltaje 1 C.I. CD4069 (CMOS) Inversor Lógico 1 Transistor BC547 2 Resistencias de 39 KΩ a ½ W. 1 Resistencias de 22 KΩ a ½ W. 2 Resistencias de 10 KΩ a ½ W. 1 Resistencia de 5.6 KΩ a ½ W. 8 Resistencias de 1KΩ a ½ W. 2 Potenciómetros de 50 KΩ 4 Leds
  • 28. Control digital Página 27 de 101 DESARROLLO 1. Implemente el circuito de la figura 2.2 alimentándolo con un voltaje aproximado de VCC = 10 V. Dicho valor será modificado posteriormente a través del procedimiento del inciso 3. 2. Varíe el voltaje de entrada analógico Ve(t), a través del potenciómetro P2, para que encienda alguno de los leds. Reajuste el nivel de la fuente de voltaje VCC hasta obtener 8V en la salida del inversor que tienen encendido el led. 3. El reajuste de la fuente de voltaje VCC es muy importante debido a que representa el valor de voltaje máximo de conversión y debido a ello, este valor deberá mantenerse fijo durante el desarrollo de la práctica, pues las mediciones y ajustes posteriores serían incorrectos si dicha fuente tuviera una variación. 4. Ajuste el voltaje de referencia Vref en el emisor del transistor BC547, a través del potenciómetro P1, hasta obtener 4 V, lo que representa la mitad del voltaje máximo de conversión. 5. Ajuste el potenciómetro P2 hasta obtener un voltaje de 4.8 V en la entrada Ve(t) y compruebe que el código binario en las 4 salidas del circuito es (1101), también compruebe que los voltajes en las entradas positivas de los comparadores son 4 V, 6 V, 5 V y 4.5 V, respectivamente a partir del comparador U1A. 6. Anote las posibles variaciones de los niveles de voltaje, si las variaciones son grandes entonces existe un error en el armado del circuito. 7. Genere la curva de cuantización (Ve(t) contra código binario) empleando 16 niveles, variando el potenciómetro P2 desde 0 V. hasta 8 V, indicando en una tabla el nivel de voltaje analógico de entrada Ve (t) y el correspondiente código binario proporcionado por el circuito. 8. Dibuje las gráficas de cuantización real, obtenida del circuito de prueba y la gráfica de cuantización ideal, en la misma gráfica y con el mismo sistema de coordenadas. 9. Compare ambas gráficas y comente acerca de los errores que presenta el circuito con respecto a linealidad, exactitud y errores en el proceso de conversión.
  • 29. Control digital Página 28 de 101 CUESTIONARIO 1. Calcule el rango de cuantización (q) promedio del convertidor implementado en la práctica. 2. Qué tiempo total requiere este sistema para realizar la conversión. Consultar manuales y anotar los tiempos de respuesta de cada uno de los circuitos que intervienen en el proceso, calculando posteriormente el tiempo total de conversión. 3. Qué tiempo requeriría un circuito similar al implementado si la conversión se realizara en 8 bits y compárelo con el tiempo de conversión de 2 convertidores analógico digitales comerciales de 8 bits. Anote sus comentarios con respecto a esta comparación, incluya la hoja de datos de los convertidores consultados señalando el parámetro de tiempo de conversión sobre la hoja. 4. Son iguales o diferentes los tiempos de conversión necesarios para convertir los voltajes de 3.5 V. y de V. en el circuito de prueba de la práctica, justifique su respuesta. 5. Explique a través de una tabla de verdad la forma en que el método de aproximaciones sucesivas realiza la conversión a código binario empleando como voltaje de entrada Ve = 4.8 V. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior.
  • 30. Control digital Página 29 de 101 Figura 2.2. Circuito convertidor de analógico a digital
  • 31. Control digital Página 30 de 101 EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 32. Control digital Página 31 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 3 TEMA: Convertidor Analógico Digital Integrado GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 33. Control digital Página 32 de 101 OBJETIVO  El alumno comprobará experimentalmente el funcionamiento de un convertidor analógico digital que emplea el método de conversión de aproximaciones sucesivas.  El alumno realizará la programación del microcontrolador PIC16F690 para hacer uso del módulo de conversión analógico digital.  El alumno construirá una interfaz para medir temperatura, empleando el microcontrolador PIC16F690, el sensor de temperatura LM35D y una pantalla LCD para mostrar el resultado de la conversión analógica digital en diferentes escalas de temperatura. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los convertidores analógico digitales (CAD), emplean varios métodos de conversión que presentan diferentes características: velocidad, precisión, rango de voltaje de entrada, número de bits, rango de cuantización y algunas otras. La selección del tipo de convertidor analógico digital para una cierta aplicación, depende de muchos factores que hay que determinar a partir del sistema físico. En esta práctica se comprobará el funcionamiento del módulo del convertidor analógico digital del PIC16F690 y se implementará un circuito para medir temperatura. La señal de temperatura que se va a medir debe registrarse a través de un transductor (sensor de temperatura), el cual transforma la temperatura del sensor a un voltaje directamente proporcional y después, a través de un acondicionador de señal se ajustan las características eléctricas (nivel de voltaje, corriente, impedancia, etc.), para poder procesar la información analógica y convertirla a un código binario. Este proceso se representa en la figura 3.1. Figura 3.1. Diagrama a bloques de un convertidor de análogo a digital
  • 34. Control digital Página 33 de 101 El circuito transductor utilizado es el sensor de temperatura LM35D que tiene un factor de escala de 10mV / °C y que acepta un rango de voltaje de alimentación +Vs desde 4V hasta 20V. En la figura 3.2 se muestra su representación esquemática y su diagrama de conexión con vista inferior. El proceso de conversión se realizará a través del módulo del convertidor analógico digital que viene integrado dentro del PIC16F690 el cual utiliza el método de conversión de aproximaciones sucesivas, proporcionando un código binario de salida en formato de 8 o 10 bits, seleccionado mediante programación, que representa la conversión del voltaje analógico de entrada. En esta práctica el valor de salida será convertido a diferentes escalas de temperatura a través del software del microcontrolador y se mostrará en una pantalla de cristal líquido (LCD) controlada por el microcontrolador. Figura 3.2. Representación esquemática del LM350 El sensor propuesto LM35D puede medir temperaturas de 0°C hasta 100°C, por lo que se tendrá un rango de voltaje de 0V a 1000mV. Debido a que el convertidor se empleará con un voltaje de referencia máximo de 5V entonces se requiere que la señal de salida del sensor se amplifique 5 veces para obtener un rango de 0V a 5V, lo que nos dará un código binario de salida del convertidor de 00 0000 0000 a 11 1111 1111 (0 a 1023) de acuerdo a las siguiente relación: 𝑉𝑖𝑛 = Av ∙ k ∙ T Dónde:  Vin – Voltaje de entrada al convertidor analógico digital del PIC.  Av – Ganancia de voltaje del amplificador, en este caso Av = 5  k – Constante de conversión del sensor de temperatura, para el sensor empleado k = 10 mV/°C T – Temperatura a medir en °C.
  • 35. Control digital Página 34 de 101 Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno realizará la lectura de la práctica. 2. Con el material mostrado en la figura 3.3 (a), se realizará la soldadura de la tira de conectores rectos o headers rectos a la pantalla LCD, de modo que se tenga lo mostrado en la figura 3.3 (b). 3. El alumno realizará la edición y compilación del código mostrado en la figura 3.4 utilizando el compilador C CCS para microcontroladores PIC, que puede ser descargado de Internet, para programar el microcontrolador PIC16F690. 4. Investigará las equivalencias y formas de conversión entre las siguientes escalas de temperatura: Celsius, Fahrenheit, Kelvin, Rankine y Réaumur. 5. Realizará la simulación de todos los puntos del desarrollo experimental, usando el archivo con extensión hex que obtuvo al compilar el código. Figura 3.3. Pantalla LCD (izquierda) y Conectores rectos (derecha) EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Generador de funciones 1 Multímetro 1 Osciloscopio 1 Microcontrolador PIC16F690 1 LM35D Sensor de temperatura de precisión 1 LM358 Amplificador operacional de baja potencia 1 Transistor TIP 31 1 Tira de 16 conectores rectos (headers rectos) 1 Pantalla LCD de 16x2 (JHD-162A) 1 Resistencia de 82 Ω a ½ W.
  • 36. Control digital Página 35 de 101 2 Resistencia de 1 K Ω a ½ W. 1 Resistencia de 10 K Ω a ½ W. 1 Resistencia de 39 K Ω a ½ W. 1 Resistencia de 100 Ω a ½ W. 1 Potenciómetro de 5 K Ω 1 Capacitor de 1 µF 1 Push Button normalmente abierto 1 Motor de CD (ventilador) de 12V DESARROLLO 1. Programe el microcontrolador PIC16F690 con el archivo con extensión hex que se obtuvo al compilar el código de la figura 3.4 Figura 3.4. Código fuente para control de un ventilador con base en la temperatura
  • 37. Control digital Página 36 de 101 Continuación de la figura 3.4
  • 38. Control digital Página 37 de 101 Continuación de la figura 3.4 2. Implemente el circuito de la figura 3.5 donde la etiqueta Vin indica el voltaje analógico de entrada al PIC16F690. El resultado de la conversión de voltaje deberá mostrase en la pantalla LCD como se observa en el ejemplo de la figura 3.6. 3. Varie el potenciómetro P1 para ajustar el nivel de contraste de la pantalla LCD. 4. Mida con el multímetro el voltaje en la salida del potenciómetro P2, el cual representa el voltaje analógico Vin que se desea convertir a digital. 5. Varíe el potenciómetro P2 para cambiar el valor de la conversión y completar la tabla 3.1. Para cualquier valor de temperatura superior a 30°C, el ventilador deberá accionarse. Para valores de 30°C o menores, el ventilador deberá permanecer apagado.
  • 39. Control digital Página 38 de 101 Figura 3.5. Diagrama de conexión para el control de velocidad de un ventilador con base en la temperatura Figura 3.6. Visualización de la conversión de voltaje a temperatura
  • 40. Control digital Página 39 de 101 Valor de conversión requerido en decimal ADC Vin (V) necesario 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Tabla 3.1 6. Sustituya el potenciómetro P2 de la figura 3.5 por el circuito de la figura 3.7, el cual proporcionará una señal de voltaje directamente proporcional a la temperatura medida por el sensor LM35D con una ganancia Av = 5. Con esta modificación se obtiene un circuito que funciona como un termómetro digital. Figura 3.7. Circuito de un termómetro digital
  • 41. Control digital Página 40 de 101 7. Sin tocar el sensor de temperatura, registre en la primera posición de la tabla 3.2 los datos mostrados en la pantalla LCD, estos valores corresponden a la temperatura ambiente. 8. Utilizando el termómetro digital, tome 5 mediciones más de temperatura de diferentes objetos y regístrelas en la tabla 3.2, donde se muestren todos los datos obtenidos. Objeto Valor de conversión Vin (V) Temperatura (°C) Temperatura Ambiente Tabla 3.2 9. Modifique el código mostrado en la figura 3.4 para que el sistema sea capaz de mostrar el dato de temperatura en una de las distintas escalas, de las cuales se realizó una investigación en las actividades previas. La escala mostrada deberá cambiar cada vez que se presione el botón selector que se aprecia en la figura 3.8. 10.Utilizando los mismos 5 objetos del punto 7 del desarrollo, registre las mediciones de temperatura para cada una de las escalas de temperatura que acaba de programar y muéstrelas en la tabla 3.3. Objeto Celsius (°C) Fahrenheit (°F) Kelvin (°K) Rankine (°R) Réaumur (°Re) Tabla 3.3
  • 42. Control digital Página 41 de 101 Figura 3.8. Circuito de un termómetro digital con diferentes escalas CUESTIONARIO 1. Usando los valores de voltaje Vin y el código generado de la tabla 3.1, dibuje la curva de cuantización real (Q). Considere que no tiene los 1024 valores y por lo tanto solo se puede hacer una interpolación de valores. 2. Determine el rango de cuantización teórico considerando que la amplitud máxima de la señal de entrada es de 5V. Compruebe los valores digitales de la tabla 3.1 calculando el cociente entre el Vin y q. 3. Explique el principio de funcionamiento del actuador electrónico (transistor Q1) necesario para activar al motor de corriente directa conectado en la terminal RA5 del PIC de la figura 3.8. 4. Compruebe que las mediciones realizadas en las diferentes escalas de la tabla 3.3 concuerdan con los valores teóricos.
  • 43. Control digital Página 42 de 101 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior. EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 44. Control digital Página 43 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 4 TEMA: Convertidor Digital Analógico Integrado GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 45. Control digital Página 44 de 101 OBJETIVO  El alumno comprobará el funcionamiento de un convertidor digital analógico integrado que emplea el método de conversión de red de escalera R-2R.  El alumno empleará el convertidor digital analógico MC1408 para generar señales analógicas a partir de circuitos digitales. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Un convertidor digital analógico (CDA) es un dispositivo que transforma un dato binario de "n" bits en un voltaje analógico Vs(t), el cual es directamente proporcional a la entrada digital, la salida generalmente se obtiene a través de una corriente que puede ser transformada posteriormente a voltaje. El voltaje analógico obtenido en la salida tiene la característica de no ser continuo en amplitud pues su variación se realiza en escalones discretos de voltaje debido a que la entrada digital solo tiene un número finito de combinaciones para “n” bits con lo cual se tendrán a la salida 2n posibles valores analógicos de voltaje. Para realizar los procesos de conversión digital analógico se emplean una serie de métodos que generalmente incluyen amplificadores operacionales para sumar voltajes o corrientes proporcionales a cada uno de los bits que conforman al número binario de entrada, es por eso que a estos métodos se les denomina de corrientes o voltajes ponderados. Estos dispositivos CDA se emplean para interconectar a los sistemas digitales con los procesos reales que requieren señales analógicas para su funcionamiento. El convertidor digital analógico integrado que se empleará en esta práctica es el MC1408 que tiene un largo de palabra de 8 bits y emplea el método de conversión de red de escalera R-2R con salida de corriente, ver figura 4.1.
  • 46. Control digital Página 45 de 101 Figura 4.1. Circuito de escalera R-2R. En la práctica se utilizará un circuito contador binario natural de 8 bits que proporcionará la entrada digital al convertidor y este generará una señal rampa negativa que se invertirá a través de un amplificador operacional convertidor de corriente a voltaje. EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente bipolar. 1 Generador de funciones 1 Multímetro 1 Osciloscopio. 1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analógico. 1 C.I. 74LS393. 1 C.I. LM741. 1 Resistencia de 4.7 KΩ a ½ W. 1 Resistencia de 1 K a ½ W. 1 Potenciómetro de 50 KΩ. 1 Capacitor de 1 nF.
  • 47. Control digital Página 46 de 101 Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno realizará la lectura de la práctica. 2. Realice la simulación del circuito de la figura 4.2 y obtenga la señal diente de sierra positiva generada en la salida del convertidor. Al realizar esta simulación debe sustituir el circuito MC1408 por el DAC0800, el cual tiene el mismo funcionamiento y la misma distribución de terminales. 3. Realice la simulación del circuito modificado para obtener la salida de escalera mostrada en la figura 4.4. DESARROLLO 1. Implemente el circuito de la figura 4.2. 2. La señal de reloj (terminal 13 del contador), es una señal cuadrada de 10KHz, 5Vpp de amplitud y no debe tener parte negativa. Esto se puede lograr obteniendo dicha señal de la salida del generador de pulsos TTL o de la salida normal del generador de funciones pero agregándole un offset de 2.5V, para que siempre este sobre el nivel de tierra. 3. Pruebe el funcionamiento del circuito verificando:  Funcionamiento del contador binario considerando que el bit del pin 12 es el menos significativo.  La generación de la señal diente de sierra positiva en la terminal 6 del Amplificador Operacional. Figura 4.2. Circuito convertidor de digital a analógico
  • 48. Control digital Página 47 de 101 4. Ajuste el potenciómetro P1 hasta tener una amplitud de 4 V de voltaje pico, en la señal diente de sierra, como se muestra en la figura 4.3, si no se logra alcanzar el nivel de voltaje indicado, sustituya la resistencia de realimentación del operacional para lograr obtener dicho valor. Figura 4.3 5. Modifique el circuito de la figura 4.2 eliminando las conexiones de las terminales B8 a B4 del convertidor de tal forma que se genere una señal de 100 Hz y con un voltaje pico de 4 V como la mostrada en la figura 4.4. Figura 4.4 6. Explique el efecto que tuvo la eliminación de esas terminales en la forma de onda y en el número de escalones. 7. Explique por qué se dejaron conectados los bits B3, B2 y B1 para generar este tipo de señal y no otro grupo de 3 bits o bits no consecutivos, ver figura 4.2.
  • 49. Control digital Página 48 de 101 CUESTIONARIO 1. Explique el método de conversión digital analógico denominado red de escalera R-2R, mostrado en la figura 4.1. 2. Como es el tiempo de conversión del circuito para diferentes valores de entrada digitales y justifique su respuesta. 3. ¿Qué rango de cuantización tiene el convertidor usado considerando los límites de entrada digitales y el voltaje de salida del circuito? Calcúlelo empleando la fórmula de cuantización. 4. Mencione que modificaciones deberían hacerse en el circuito para obtener una señal como la mostrada en la figura 4.5. Figura 4.5 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior.
  • 50. Control digital Página 49 de 101 EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 51. Control digital Página 50 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 5 TEMA: Convertidor Analógico Digital con Retroalimentación GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 52. Control digital Página 51 de 101 OBJETIVO  Construir un convertidor analógico digital realimentado, empleando un convertidor digital analógico.  Comprender el funcionamiento de las etapas que lo componen. FUNDAMENTOS TEÓRICOS De entre los métodos empleados para realizar la conversión CAD, uno de los más comunes es el método de rampa digital, el cual emplea un convertidor CDA que transforma el código binario de salida de un contador en una rampa discreta que es realimentada hacia la entrada del circuito y comparada contra el voltaje analógico de entrada que se desea convertir, como se muestra en la figura 5.1. Figura 5.1. Diagrama a bloques de un convertidor analógico a digital con retroalimentación El circuito consta de un contador binario ascendente que genera una cuenta binaria con 2n combinaciones para "n" bits de conversión, en la realimentación se cuenta con un CDA que convierte la cuenta binaria en una rampa discreta, la cual será invertida y amplificada para acondicionarla al nivel adecuado y de acuerdo al rango máximo del voltaje de entrada que se va a convertir. A través de un comparador se determina el instante en que la rampa discreta alcanza al nivel del voltaje de entrada analógico y produce un pulso bajo en su salida que inhibe a la compuerta lógica NAND evitando que la señal de reloj llegue al circuito de conteo y por lo tanto, el contador digital se detiene. El número digital presente en los leds de salida, representa el número de pulsos necesarios para que la rampa digital alcance el voltaje analógico de entrada y por lo tanto la conversión digital de dicho voltaje.
  • 53. Control digital Página 52 de 101 Es importante hacer notar que una vez que se detiene el contador por la inhibición del reloj, el contador deberá inicializarse para poder realizar otra conversión, puesto que la rampa deberá comenzar nuevamente desde cero. EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Generador de funciones 1 Multímetro 1 Osciloscopio 1 C.I. LM339 Comparador de Voltaje 1 C.I. MC1408 Convertidor Digital Analógico 1 C.I. LM741 Amplificador Operacional 1 C.I. 74LS393 Contador Binario 1 C.I. 74LS00 Compuerta NAND 3 Resistencias de 1 KΩ a ½ W 1 Resistencia de 0.47 KΩ a ½ W 1 Resistencia de 4.7KΩ a ½ W 2 Potenciómetros de 50 KΩ 1 Capacitor de 1 nF 1 Push Button normalmente abierto 1 Barra de 8 o 10 Leds Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno realizará la lectura de la práctica. 2. Realice la simulación del circuito de la figura 5.2 de acuerdo al procedimiento experimental y entregue los resultados a su profesor de laboratorio. 3. Para realizar la simulación debe omitirse la resistencia R4 de la barra de leds de la figura 5.2.
  • 54. Control digital Página 53 de 101 DESARROLLO 1. Implemente el circuito de la figura 5.2. 2. Pruebe el funcionamiento del circuito por partes comenzando a partir de la compuerta NAND. 3. Para realizar estas pruebas elimine la conexión entre el comparador y la terminal 2 de la NAND, conecte la terminal 2 de la NAND a 5 V, y posteriormente compruebe:  La operación de la NAND como inversor.  La operación correcta del contador en forma ascendente.  La generación de la señal rampa discreta en la salida del LM741, ajustando el potenciómetro P2 hasta obtener una señal rampa sin deformaciones con una amplitud de 10 V.  La operación del comparador para diferentes niveles de entrada en Ve (potenciómetro P1), considerando un rango de 0 a 10 V.  Finalmente reconecte la terminal 2 de la NAND a la salida del comparador. 4. Pruebe el funcionamiento total del circuito. 5. Genere la tabla y la curva de cuantización indicando el valor del voltaje de entrada analógico (Ve), el código binario generado por el circuito y el código teórico. Obtenga 16 mediciones distribuidas en todo el rango de voltaje de entrada. 6. Después de tomar cada lectura borre la información de salida presionando el botón. 7. Comente acerca de los errores que presenta el circuito en cuanto a linealidad, exactitud y errores del proceso de conversión. CUESTIONARIO 1. Cuál es el rango de cuantización y el error máximo que puede presentarse en este circuito. 2. Explique de que depende el tiempo que le toma al circuito realizar la conversión. 3. Calcule el tiempo mínimo y el tiempo máximo que emplearía el sistema de la figura 5.2 para realizar la conversión. 4. Indique 2 formas con las cuales se puede reducir el tiempo promedio de conversión del circuito. 5. Que sucedería si el voltaje de entrada fuera mayor que el voltaje máximo alcanzado por la rampa discreta.
  • 55. Control digital Página 54 de 101 Figura 5.2. Circuito del convertidor analógico a digital con retroalimentación PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior.
  • 56. Control digital Página 55 de 101 EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 57. Control digital Página 56 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 6 TEMA: Contador Infrarrojo GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 58. Control digital Página 57 de 101 OBJETIVO  El alumno implementará un dispositivo de detección y conteo haciendo uso de dispositivos emisores y receptores de luz infrarroja.  El alumno utilizará dispositivos opto electrónicos que son empleados en sistemas de control para detección o aislamiento. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los fototransistores al igual que los diodos de emisión infrarroja (IR) son dispositivos de estado sólido que operan mediante un haz de flujo radiante, donde el diodo IR al ser polarizado directamente radia energía en forma de fotones en una frecuencia dependiente del material utilizado en la fabricación del dispositivo, para el caso de la práctica, en el rango de las frecuencias de la luz infrarroja. El fototransistor que sirve de receptor, está formado por una unión p-n colector- base, que es fotosensitiva en el rango de las frecuencias de la luz infrarroja y a través de la cual genera una corriente proporcional a la incidencia de luz. Algunas áreas de aplicación de los diodos infrarrojos y los fototransistores incluyen lectura de tarjetas, controles de iluminación, indicadores de nivel, aislamiento óptico, sensores de velocidad, telemetría, etc. EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje 1 Generador de funciones 1 Multímetro 1 Osciloscopio 1 Led IR333C. Diodo emisor de luz infrarroja 1 PT331C Fototransistor infrarrojo 1 C.I. 74LS08 Compuerta lógica AND 1 C.I. 74LS14 Inversor Schimth Trigger 1 C.I. 74LS32 Compuerta lógica OR 2 C.I. 74LS48 Decodificador BCD 7 segmentos 1 C.I. 74LS393 Contador digital de 8 bits 2 Display de 7 segmentos de cátodo común 2 Resistencias de 100 Ω a ½ W
  • 59. Control digital Página 58 de 101 1 Resistencia de 330 Ω a ½ W 1 Resistencia de 1 K Ω a ½ W 1 Resistencia de 10 K Ω a ½ W 1 Switch Push Button normalmente abierto Nota: Si se dispone de displays de 7 segmentos de ánodo común, entonces se pueden sustituir los C.I 74LS48 por C.I. 74LS47 Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno realizará la lectura de la práctica. 2. Realice la simulación del circuito de la figura 6.8 de acuerdo al procedimiento experimental y entregue los resultados a su profesor de laboratorio. 3. Para simular el diodo IR y el fototransistor puede utilizar el elemento llamado "Optocoupler" del simulador y un interruptor para simular la obstrucción del rayo de luz hacia el fototransistor como se muestra en la figura 6.1. Figura 6.1. Circuito del sensor, implementando un fototransistor
  • 60. Control digital Página 59 de 101 DESARROLLO 1. Arme el circuito mostrado en la figura 6.2 alimentándolo con un voltaje de 5V. 2. Compruebe que las conexiones de cada display son correctas basándose en el diagrama de la figura 6.3. 3. Con una señal de reloj de 5Hz compruebe el funcionamiento correcto del circuito de conteo en ambos display y genere una señal de reset en cualquier instante del conteo. Figura 6.2. Contador de pulsos 4. Implemente el circuito de la figura 6.4 guiándose con los diagramas de la figura 6.5. 5. Asegúrese que la orientación del led IR esté en línea directa con el fototransistor y que no exista ningún elemento que pudiera obstruir el haz de luz infrarroja como se muestra en la figura 6.6. Figura 6.3. Display de 8 segmentos
  • 61. Control digital Página 60 de 101 Figura 6.4. Circuito de conexión de optotransistor Figura 6.5. Identificación del Ánodo y cátodo de los diodos emisor y receptor Figura 6.6. Conexión física de los diodos emisores y receptores de luz
  • 62. Control digital Página 61 de 101 6. Conecte la salida del circuito de detección de luz infrarroja a la terminal 1 del 74LS393 desconectando previamente la señal de reloj como se muestra en la figura 6.7. 7. Interrumpa el haz infrarrojo y observe en el osciloscopio, con una escala de tiempo por división entre 200 y 500 ms, la señal de salida del fototransistor. También observe el comportamiento del circuito contador. Anote sus comentarios. Figura 6.7. Circuito del contador acoplado con el optotransistor 8. Inserte la compuerta 74LS14 entre la salida del detector infrarrojo y la entrada 1 del contador 74LS393 para tener el circuito de la figura 6.8. 9. Conecte uno de los canales del osciloscopio en el colector del fototransistor y el otro canal a la salida de la compuerta (pin 2). 10.Observe las señales en los dos canales del osciloscopio y compárelas. No olvide anotar sus comentarios de lo observado en el osciloscopio y del comportamiento del display.
  • 63. Control digital Página 62 de 101 Figura 6.8. Circuito de un contador con una entrada inversa CUESTIONARIO 1. En base a sus observaciones de la práctica, explique cuál es la función del C.I. Schmitt Trigger y si es posible omitirlo del diseño. 2. Describa el funcionamiento del fototransistor y las regiones de operación en las que se encuentra al cambiar de estado. 3. Explique en forma detallada el funcionamiento del circuito y sugiera alguna aplicación práctica de este. 4. Explique los conceptos de ángulo de dispersión (lóbulo de emisión) y longitud de onda de un led IR. 5. Investigue en la hoja técnica los valores del ángulo de dispersión y la longitud de onda del led IR de la práctica. Incluya la gráficas de distribución espectral. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior.
  • 64. Control digital Página 63 de 101 EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 65. Control digital Página 64 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 7 TEMA: Control de Velocidad de Motor de CD por Modulación PWM GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 66. Control digital Página 65 de 101 OBJETIVO  El alumno implementará un control de velocidad para un motor de CD por medio de un modulador por ancho de pulsos, PWM.  El alumno comprobará la variación del voltaje medio y la corriente media de una señal PWM. FUNDAMENTOS TEÓRICOS En el diseño de los sistemas de control digital convergen muchas de las disciplinas del área electrónica puesto que se requiere el empleo de los sensores, los actuadores y otros dispositivos que permitan llevar a la práctica tanto los algoritmos de control como las interfaces de potencia. Uno de los dispositivos que con mayor frecuencia se utiliza en los sistemas de control es el motor de CD, el cual se emplea para realizar control de posición o de velocidad. La forma tradicional de control de velocidad para motores de CD era la variación del nivel de alimentación de voltaje como se muestra en la figura 7.1, pero se tiene la desventaja de que a niveles de voltaje pequeños, se reduce significativamente el torque del motor, además siempre se presenta una “zona muerta” debido a la inercia del rotor, entre más grande es el motor, más grande es la zona muerta. Figura 7.1. Gráficas del nivel de voltaje con respecto a la velocidad y al torque Otro punto importante es que si queremos controlar el motor a través de sistemas digitales, la variación directa de voltaje tiene algunos problemas de implementación ya que se tendría que proporcionar a través de convertidores CDA y etapas de potencia.
  • 67. Control digital Página 66 de 101 Para controlar la velocidad de estos motores a través de sistemas de control digital se empleaba el método de control directo por nivel de alimentación de CD, en este método se emplea una señal de solo 2 niveles que activa e inactiva el motor, tal como se muestra en la figura 7.2. Proporcionando un control de velocidad limitado ya que el motor solo puede girar a una sola velocidad y su control solo podía lograrse con controladores ON – OFF que se activaban por un tiempo predeterminado. Figura 7.2. Señal cuadrada donde la frecuencia es constante En forma más reciente se emplea la modulación por ancho de pulso PWM (Pulse Width Modulation) la cual utiliza el mismo tipo de señal pero el ancho de activación es variable, lo cual produce una variación en el voltaje medio aplicado al motor de CD y por lo tanto funciona como una variación en el nivel de CD de la señal como se muestra en la figura 7.3. Figura 7.3. Señal cuadrada donde la frecuencia es variable EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Osciloscopio 1 Multímetro
  • 68. Control digital Página 67 de 101 1 C.I. LM358 1 C.I. LM339 1 C.I. LM741 1 Transistor TIP31 1 Diodo rectificador 1N4001 2 Diodos Zener 1N4731 2 Potenciómetros de 20kΩ 2 Resistencias de 10kΩ a ½ watt 3 Resistencias de 1kΩ a ½ watt 1 Resistencia de 47 Ω a ½ watt 2 Capacitores de 0.1μF 1 Motor de CD de 12V Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno realizará la lectura de la práctica. 2. El alumno realizará la simulación del circuito y entregará los resultados a su profesor. 3. Investigar las ecuaciones de funcionamiento de un oscilador de onda cuadrada como el mostrado en la parte izquierda del circuito de la figura 7.4. DESARROLLO 1. Arme el circuito que se muestra en la figura 7.4 teniendo cuidado de polarizar correctamente los circuitos. 2. Utilizando el canal A del osciloscopio en acoplo de CD, mida el voltaje Vs1 y compruebe el funcionamiento apropiado del circuito oscilador. 3. Usando el canal B del osciloscopio, también en acoplo de CD, observe la señal de salida Vs2 y compárela con la señal del circuito oscilador. Dibuje ambas señales en una sola gráfica, acotando sus niveles de voltaje y frecuencia. No olvide anotar sus comentarios. 4. Ajuste la frecuencia de la onda de salida Vs1 a 2kHz por medio del potenciómetro P1. 5. Arme el circuito de la figura 7.5 y use como señal de entrada la salida Vs2.
  • 69. Control digital Página 68 de 101 Figura 7.4. Circuito de un oscilador de onda cuadrada Figura 7.5. Circuito comparador
  • 70. Control digital Página 69 de 101 6. Mida y dibuje la señal de salida Vs3, varíe el nivel de voltaje de CD de entrada por medio del potenciómetro P2 y observe las variaciones de la salida. Anote sus comentarios explicando el comportamiento de dicha señal. 7. Adicione la resistencia R6, el transistor Q1 y el motor de CD para obtener el circuito total que se muestra en la figura 7.6. Figura 7.6. Circuito para control de velocidad 8. Reduzca el voltaje de entrada de CD del potenciómetro P2 hasta cero y auméntelo poco a poco hasta obtener el voltaje mínimo de arranque del motor. 9. Haciendo uso del multímetro, mida el voltaje y la corriente promedios suministrados al motor en el momento del arranque. 10.Repita el punto anterior pero esta vez obtenga los datos de velocidad máxima de giro del motor. 11.Observando la señal Vs3 en el osciloscopio y variando el potenciómetro P2 registre el comportamiento del voltaje medio alimentado al motor de CD. 12.Explique la relación que existe entre la variación de la anchura de la señal PWM con el voltaje medio alimentado al motor de CD. CUESTIONARIO 1. Determine la función de transferencia del circuito integrador mostrado en la parte derecha de la figura 7.4 y calcule su frecuencia de corte. 2. En base a la frecuencia de operación que se indica en el punto 4 del desarrollo, determine la ganancia de voltaje del amplificador integrador utilizado.
  • 71. Control digital Página 70 de 101 3. Describa las características de una señal de tipo PWM y sus usos más comunes. 4. Explique, ¿qué función cumple el transistor empleado en el circuito? y mencione la manera en que opera. 5. ¿Qué sucedería si se retirara el diodo rectificador del circuito? Utilice una gráfica donde describa este nuevo comportamiento. 6. Que función realizan los 2 diodos zener colocados a la salida del oscilador. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior. EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 72. Control digital Página 71 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 8 TEMA: Motores de pasos GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 73. Control digital Página 72 de 101 OBJETIVO  Diseñar un sistema digital implementado con elementos discretos para controlar un motor de pasos.  Controlar la velocidad, sentido de giro y posición angular. FUNDAMENTOS TEÓRICOS El motor de pasos, figura 8.1, es un dispositivo capaz de transformar pulsos eléctricos digitales en un movimiento rotacional discreto de su eje, por cada pulso insertado el motor gira un ángulo fijo, establecido por el número de bobinas del estator, el tipo de motor y la secuencia de alimentación de dichas bobinas. Figura 8.1. Motores a pasos El ángulo de rotación del eje, es directamente proporcional al número de pulsos insertados a las bobinas y la velocidad de rotación es dependiente de la frecuencia de dichos pulsos .Los motores por pasos son simples de operar en una configuración de lazo abierto y debido a su tamaño proporcionan un excelente torque a baja velocidad. El resultado de este movimiento es un posicionamiento preciso y confiable ya que hay una relación directa entre el número de pulsos insertados y el ángulo de giro del motor. En los sistemas de control moderno se presentan a menudo movimientos de tipo incremental, por esto los motores de pasos se han convertido en elementos de
  • 74. Control digital Página 73 de 101 acción importantes y en la actualidad podemos encontrar estos motores en unidades de disco flexible, unidades de disco duro, impresoras, en gran variedad de máquinas herramientas y son dispositivos fundamentales para proporcionar movimiento a los robots. Un motor de pasos puede ser comparado con una serie de electromagnetos o solenoides dispuestos en círculo como se muestra en la figura 8.2. Cuando se energizan los electromagnetos secuencialmente, se crea un campo magnético que ocasiona una reacción de orientación del rotor con los polos del electroimán, lo cual hace girar al rotor en el sentido de la activación de los campos magnéticos hasta alcanzar una posición de alineación con el campo magnético generado, permaneciendo en la posición de alineación hasta que se active otro campo magnético adyacente. Este tipo de motores tiene un ángulo de paso, el cual está determinado por el fabricante y nos indica cual va a ser el desplazamiento angular del rotor al aplicarle un pulso, los ángulos de paso más comunes van desde 0.9 º por pulso hasta 15 º por pulso en los motores más simples. En nuestro caso el motor utilizado tiene un ángulo de paso de 15 ° por pulso, es decir que es necesario dar 24 pulsos para tener una revolución completa. Figura 8.2. Estructura interna de un motor a pasos
  • 75. Control digital Página 74 de 101 EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje 1 Multímetro 1 Osciloscopio 3 Resistencias de 56 Ω a ½ W 3 Diodos 1N4001 3 Transistores TIP31 1 Motor de pasos Actividades previas a la realización de la práctica 1 El alumno realizará la lectura de la práctica. 2 El alumno diseñará un circuito secuencial digital que genere una secuencia como la mostrada en la figura 8.3 considerando que la frecuencia de los pulsos debe ser variable, de modo que haga girar al motor de manera continua y con velocidad variable. 3 El circuito digital generado deberá ser diseñado solo con circuitos lógicos discretos tales como: compuertas, flip- flops, multiplexores, etc., no se aceptarán diseños realizados con dispositivos lógicos programables tales como: Memorias, PIC´s, PICAXE, Arduino, Gal´s, etc. 4 Simular el circuito diseñado y entregar los resultados a su profesor. Figura 8.3. Estados para activar un motor a pasos
  • 76. Control digital Página 75 de 101 DESARROLLO 1. Implementar la etapa de potencia mostrada en la figura 8.4, la cual sirve para proporcionar la corriente necesaria a las bobinas del motor de pasos a partir de las señales digitales de baja potencia. 2. Conecte las 3 salidas del circuito diseñado a las 3 fases de la etapa de potencia. 3. Conecte los 3 colectores de la etapa de potencia a cada una de las 3 bobinas del motor de pasos y conecte el cuarto cable (cable negro) al voltaje de 8V. Como se muestra en la figura 8.5. 4. Pruebe el funcionamiento correcto del motor de pasos. 5. Visualice en el osciloscopio dos fases consecutivas del motor y grafique ambas señales, anotando el valor del periodo para una frecuencia de reloj de 10 Hz del circuito secuencial. 6. Aumente la velocidad de giro hasta que el motor pierda la sincronía y anote el valor de la frecuencia de entrada y el periodo de la señal de una de las fases donde se produce ese efecto. 7. Modifique el circuito para que el motor gire solamente una vuelta completa (24 pulsos) cuando se le indique a través de una señal de inicio. 8. Entregar la información correspondiente al diseño, implementación, material y pruebas realizadas sobre los circuitos diseñados. CUESTIONARIO 1. En forma de bloque explique los elementos básicos que debe tener un circuito de control que permita al usuario establecer el número de pulsos específico que desee hacer girar al motor, esto es, los elementos para construir un controlador de posición angular. 2. Calcule la velocidad angular máxima del motor en función del periodo medido para una de las fases y el número de pulsos necesarios para dar una vuelta. 3. Investigar en los manuales de circuitos integrados lineales de diversos fabricantes, un circuito que realice la función de controlador de motor de pasos e incluir en el reporte copias de las especificaciones. 4. Investigue los diferentes tipos de motores de pasos, indicando sus características y su forma de funcionamiento.
  • 77. Control digital Página 76 de 101 Figura 8.4. Circuito de aislamiento y potencia para alimentar un motor a pasos Figura 8.5. Motor a pasos de tres bobinas
  • 78. Control digital Página 77 de 101 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior. EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 79. Control digital Página 78 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 9 TEMA: Motores de Pasos con Control Programado GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 80. Control digital Página 79 de 101 OBJETIVO  Controlar el sentido de giro y posición angular de un motor de pasos utilizando los modos de operación a paso completo y medio paso.  Implementar un sistema con un motor a pasos de tipo bipolar empleando un sistema de control basado en un microcontrolador. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Los motores a pasos son dispositivos electromecánicos que convierten una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos. Un ejemplo de estos motores se puede observar en la figura 9.1. Estos motores presentan la ventaja de tener alta precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento por lo que son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos. Figura 9.1. Motor a pasos La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°. Para mantener la marcha del motor es necesario cambiar periódicamente la combinación de voltajes en sus terminales, como se ilustra en la figura 9.2.
  • 81. Control digital Página 80 de 101 Figura 9.2. Estructura interna de un motor a pasos El ángulo de rotación del eje, es directamente proporcional a la secuencia de pulsos insertados a las bobinas y la velocidad de rotación es dependiente de la frecuencia de dichos pulsos. Los motores a pasos son simples de operar en una configuración de lazo abierto y debido a su tamaño proporcionan un excelente torque a baja velocidad. En combinación con circuitos de control, además del movimiento ilustrado en la figura 9.2, conocido como paso completo (full step), es posible lograr movimientos aún más precisos. Este otro modo de operación se conoce como movimiento de medio paso (half step). Para lograrlo, se polarizan las bobinas de a una y de a dos intercaladamente, como se muestra en la figura 9.3. Se observa que también incluye los 4 pasos del modo full step. Obviamente esos son los momentos en que hay dos bobinas polarizadas, en los otros 4 pasos, solo se polariza una bobina. La ventaja de este mecanismo respecto del modo Full step es que se pueden realizar movimientos de giro más finos.
  • 82. Control digital Página 81 de 101 Figura 9.3. Secuencia de activación de un motor a pasos En los sistemas de control moderno se presentan a menudo movimientos de tipo incremental, por esto los motores de pasos se han convertido en elementos de acción importantes y en la actualidad podemos encontrar estos motores en unidades de discos ópticos, unidades de disco duro, impresoras, en gran variedad de máquinas herramientas y son dispositivos fundamentales para proporcionar movimiento a los robots. EQUIPOS Y MATERIALES 1 Fuente de voltaje bipolar 1 Multímetro 1 Osciloscopio. 1 Microcontrolador PIC16F690 1 Controlador dual de puente completo L298N 1 Pantalla LCD de 16x2 5 Resistencias de 1 KΩ a ½ W 1 Potenciómetro de 5 KΩ 2 Capacitores de 0.1 µF 2 Push Button normalmente abiertos
  • 83. Control digital Página 82 de 101 8 Diodos 1N4004 1 Motor bipolar de pasos Actividades previas a la realización de la práctica 1. El alumno realizará la lectura de la práctica. 2. El alumno realizará la edición y compilación del código mostrado en la figura 9.4 para programar el microcontrolador PIC16F690. 3. Realizará la simulación de todos los puntos del desarrollo experimental, usando el archivo con extensión hex que obtuvo al compilar el código. 4. Investigar la forma en que se pueden identificar las terminales de un motor a pasos y cuál es la clasificación a la que pertenece. DESARROLLO 1. Implementar el sistema de control para motores bipolares a pasos mostrado en la figura 9.6. 2. Conecte las salidas de las fases del circuito a las conexiones del motor de pasos siguiendo el orden indicado considerando la figura 9.5. 3. Pruebe el funcionamiento correcto de los modos de operación del motor, que son giro continuo a derecha o izquierda de acuerdo a la tabla 9.1. Full/H alf Izquierda Derecha Función 1 0 1 Giro a la izquierda paso completo 1 1 0 Giro a la derecha paso completo X 1 1 Motor detenido Tabla 9.1. Secuencias de un motor a pasos 4. Compruebe que al presionar cada uno de los Push Button se realiza una vuelta completa a la izquierda y a la derecha respectivamente.
  • 84. Control digital Página 83 de 101 Figura 9.4. Programa para el control de un motor a pasos
  • 85. Control digital Página 84 de 101 Continuación de la Figura 9.4
  • 86. Control digital Página 85 de 101 Continuación de la figura 9.4
  • 87. Control digital Página 86 de 101 5. Modifique el programa de control para que el motor realice las mismas funciones descritas en el punto 3 del desarrollo en modo de medio paso (HALF step), utilizando la terminal Full/Half con un valor de 0 para seleccionar la función de medio paso como se ve en la tabla 9.2. Full/H alf Izquierda Derecha Función 1 0 1 Giro a la izquierda paso completo 1 1 0 Giro a la derecha paso completo X 1 1 Motor detenido 0 0 1 Giro a la izquierda medio paso 0 1 0 Giro a la derecha medio paso Tabla 9.2 6. Compruebe que las modificaciones realizadas al programa son correctas y anote sus comentarios. Figura 9.2. Diagrama de conexión de las bobinas de un motor a pasos
  • 88. Control digital Página 87 de 101 Figura 9.6. Circuito electrónico para el control de un motor a pasos CUESTIONARIO 1. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la operación FULL step con respecto al modo HALF step? 2. Realice una comparación entre el sistema de control diseñado en la práctica 8 y el sistema de control que se implementó para esta práctica. 3. Explique cómo sería posible controlar el movimiento del motor para que se incremente en un solo paso (conocido como Jogging), cada que reciba una señal externa. 4. Explique el funcionamiento del circuito puente contenido en el dispositivo controlador L298N.
  • 89. Control digital Página 88 de 101 PRESENTACIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES A través del reporte de práctica se deben mostrar las anotaciones que son resultado de las observaciones y análisis realizados para cada uno de los elementos que integran al módulo. También debes enunciar las respuestas de cada una de las preguntas y/o definiciones solicitadas en la sección anterior. EVALUACIÓN DE LA PRÁCTICA Aspectos a evaluar Valor (En puntos) Valor obtenido (En puntos) Reporte 4.0 Toma de lecturas correctas 2.0 Armado y funcionalidad de los sistemas 2.0 Análisis y simulación del circuito 2.0 Calificación de la práctica: Fecha y firma del profesor Fecha y firma del alumno
  • 90. Control digital Página 89 de 101 UNIDAD DE APRENDIZAJE Control digital PRÁCTICA No. 10 TEMA: Análisis y Simulación de Sistema Digital con Matlab GRUPO: INTEGRANTES DEL EQUIPO No. FECHA (dd-mm-aa): __________________ APELLIDOS Y NOMBRE(S) 1 2 3 4 UNIVERSIDAD DE IXTLAHUACA CUI DIRECCIÓN GENERAL DE INCORPORACIÓN Y REVALIDACIÓN DE ESTUDIOS UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO Clave de incorporación UNAM 8968-66
  • 91. Control digital Página 90 de 101 OBJETIVO  Deducir el comportamiento de la función de transferencia de un motor de CD controlado por armadura.  Obtener la función de transferencia de un controlador de posición angular con un motor de CD.  Analizar y simular el comportamiento de un sistema de control digital empleando las herramientas de Matlab.  Comprobar el funcionamiento del controlador proporcional Gcp(z) en el dominio de Z. FUNDAMENTOS TEÓRICOS En esta práctica se empleará un simulador matemático para realizar la implementación de un sistema de control al cuál se le pueda agregar un controlador proporcional para comprobar los conceptos teóricos de compensación y sintonización de los controladores digitales. Los simuladores de software constituyen en la actualidad una herramienta muy poderosa para la comprensión de conceptos y adquisición de conocimientos y así poder aplicar éstos a nuevos contextos, a los que, por diversas razones, el estudiante no puede acceder desde el contexto donde se desarrolla su aprendizaje. De hecho, buena parte de la ciencia de frontera se basa cada vez más en el paradigma de la simulación, más que en el experimento en sí. Mediante los simuladores se puede, por ejemplo, desarrollar experimentos de química en el laboratorio de informática con mayor seguridad. Los simuladores usados en educación se definen como programas que contienen un modelo de algún aspecto del mundo y que permite al estudiante cambiar ciertos parámetros o variables de entrada, ejecutar o correr el modelo y desplegar los resultados (Escamilla, 2000). Hoy en día, las actuales tecnologías han cambiado al aparecer nuevos soportes, como el magnético y el óptico; la información ahora es digitalizada: se pasa del lápiz y el papel al teclado y la pantalla y, aún más, a la simulación (Rosario, 2005). Aunque las investigaciones sobre simulación son todavía muy escasas, se pueden encontrar experiencias que desarrollan procesos de enseñanza- aprendizaje con simuladores; mediante la integración de las tecnologías de
  • 92. Control digital Página 91 de 101 telecomunicaciones por computadora con instrumentación virtual se han desarrollado laboratorios de física disponibles para ingeniería y accesibles a través de la red en tiempo real, lo cual asegura una rica experiencia de aprendizaje para el estudiante. Ellos toman en cuenta las limitaciones reales de los laboratorios, tales como el aprovechamiento de tiempo, los costos de instrumentación y los gastos de operación, la falta de personal, y la disponibilidad de laboratorio en horario diferente al de oficina (Macías, 2007). Tomando en cuenta estos hechos, en esta práctica se realizará el planteamiento de la función de transferencia de un sistema físico, su análisis y parámetros de funcionamiento y posteriormente la inclusión de un controlador digital que permita modificar el comportamiento de la respuesta y comprender así los procesos de compensación y sintonización de los controladores. Un actuador muy común en los sistemas de control es el motor de CD. Este actuador provee movimiento rotacional y acoplado con engranes, poleas y cables puede proveer también un movimiento traslacional. Este sistema tiene un circuito eléctrico equivalente para control por armadura y un diagrama de cuerpo libre para el rotor como se muestra en la figura 10.1. Figura 10.1. Circuito equivalente de un motor de C.D. Que queda definido por las siguientes ecuaciones: 𝑇=𝐾𝑓𝑖𝑓𝐾1𝑖𝑎 …(10.1) Donde K1 es una constante e if se mantiene constante debido a que el voltaje de alimentación del campo es constante y por lo tanto el flujo es constante en el estator, de manera que: