REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL POPULAR PARA LA EDUCACIÓN SUPERIOR UNIVERSIDAD DEL ZULIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA: ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRONICA Y CONTROLES CATEDRA: ELECTRONICA ANALOGICA ASIGNATURA: PROYECTO DE ELECTRONICA ANALOGICA
DISEÑO N° 3: GENERADOR DE SEÑALES
Integrantes: Bozo, Ricardo C.I: 19.546.296 Martínez, Rosangela C.I: 19.212.686 Nuñez, Pilar C.I: 19.767.075 191111
19.767
Maracaibo, Septiembre de 2011
INTRODUCCIÓN
Un generador de señales tiene como función producir una señal dependiente del tiempo con unas características determinadas ya sea de frecuencia, amplitud o tipo de función. Para ejecutar la función de los generadores generalmente se emplea algún tipo de realimentación conjuntamente con dispositivos que tengan características dependientes del tiempo (generalmente condensadores). Entre sus característica se tiene que trabaja en un rango de frecuencias de entre 0.2 Hz a 2 MHz. También cuenta con una función de barrido la cual puede ser controlada tanto internamente como externamente con un nivel de DC. El ciclo de máquina, nivel de offset en DC, rango de barrido y la amplitud y ancho del barrido pueden ser controlados por el usuario. Por otro lado se tiene que el generador puede ser construido mediante la utilización de amplificadores operacionales, comúnmente conocido como op-amp, una combinación de resistencia y capacitores que causan el efecto adecuado para generar los tres tipos de ondas ya conocidas; senoidal, cuadrada y triangular, este acoplamiento se realiza con un oscilador de relajación, un comparador y un integrador.
OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar un generador de señales cuadrada, triangular y sinusoidal.
Objetivos Específicos
Diseñar un generador de señales cuadrada, triangular y sinusoidal con igual amplitud.
MARCO TEÓRICO
Amplificador operacional Es un circuito electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−) Posee dos entradas y una salida, una entrada denotada con + es la entrada no inversora mientras que la – es la inversora, la salida es la diferencia entre las dos entradas multiplicada por la ganancia de voltaje. Para que el op-amp opere, debe alimentarse como se muestra en la siguiente figura.
Entrada No inversora Entrada inversora
El voltaje de alimentación comúnmente trabajado en estos dispositivos electrónicos se encuentra en un rango de 5 Voltios a 20 Voltios como máximo Entre sus 8 características principales se puede nombrar: 1.- Alta impedancia de entrada. 2.- Baja impedancia de salida. 3.- Entradas DC y AC. 4.- Ganancia de Voltaje solamente dependiente de elementos externos. 5.-Gran ancho de banda. 6.- Amplificador realimentado. 7.- Característica de Tierra Virtual (la corriente que entra por sus terminales así como el voltaje entre ellos es igual a cero). 8.- Polarización por fuente dual.
Oscilador Puente de Wien Es un tipo de oscilador que genera ondas sinusoidales sin necesidad de ninguna señal de entrada. Puede generar un amplio rango de frecuencias. El puente está compuesto de cuatro resistencias y dos condensadores. El circuito que define el puente de Wien es el que sigue a continuación:
La figura muestra una versión básica de un circuito oscilador de puente de Wien. Obsérvese la conexión básica del puente. Los resistores R3 Y R4 y los capacitores C3 y C 4 conforman los elementos de ajuste de frecuencia, mientras que los resistores R1 y R2 forman parte de la trayectoria de retroalimentación. La salida del op-amp se conecta como la entrada del puente, y la salida del puente se conecta es a la entrada inversora del op-amp. La frecuencia de oscilación está dada por:
Para lograr la oscilación, es necesario que el desfase o desplazamiento de fase sea 360° o lo que es lo mismo, que el desfase sea 0°. Dicho oscilador debe generar una señal cuya forma es senoidal
Comparador Con frecuencia es necesario comparar dos tensiones para determinar cuál es mayor. Es así como una señal sinodal pasa a ser una señal cuadrada.
La salida de n tipo de comparador es positiva cuando la tensión del circuito es menor que la tensión de referencia . La salida se vuelve negativa cuando es mayor que . Esto es, tan pronto como se vuelva un poco menos que , la salida cambia rápidamente hacia el valor de alimentación positivo. Del mismo modo la tensión se satura hacia la tensión de alimentación negativa para cualquier valor de mayor que . Por tanto la salida toma dos valores posibles, positivos o negativos.
Los números marcados en la figura se refiere al pin correspondiente de a la configuración del circuito integrado
Integrador
El integrador mas simple consta de una resistencia R y un condensador C, en este caso se trata de un filtro pasivo pasa bajos, como se muestra en la imagen siguiente.
Al aplicar un tren de pulsos
en la
entrada se eleva rápidamente al máximo
cargando el condensador C exponencialmente debido a la resistencia R, lo cual deforma el pulso de entrada como se muestra en la forma de onda inferior. Cuando el pulso de entrada se cae de repente a cero, se descarga exponencialmente el condensador C a cero a través de la resistencia R. El proceso se repite para cada pulso de entrada que, dará la forma de onda de salida mostrada.
Su tensión de salida es proporcional a la integral en el tiempo de la tensión de entrada. Es útil en instrumentación, por ejemplo, un acelerómetro nos devuelve una señal proporcional a la aceleración de un objeto. Aplicada a un integrador, se obtiene la velocidad de dicho objeto. Volviendo a integrar se obtiene la posición. Otra aplicación es la de convertir una señal cuadrada en una señal triangular.
a)
b)
En la práctica se trabajó con el circuito b) obteniendo la función integral mostrada en la figura a) ya que se integró una señal cuadrada, con el objetivo de obtener una señal triangular de igual magnitud y frecuencia de oscilación
Los cálculos necesarios que se necesitan en un integrador son: C 1
1
S JW SC Nodo ( A) : I 1 I 2 V 1 V A R
V A Vo 1 SC
V A 0V V 1 R Vo V 1
SCVo
1
SRC
Vos
1
V 1 s SRC AplicandoTransformada Inversa : Vot
1
RC
V t dt 1
La siguiente figura corresponde al Datasheet utilizado durante todo el diseño, útil para realizar las conexiones de los componentes que se encuentran conectados al amplificador operacional LM741.
MATERIALES UTILIZADOS 1.- Fuente DC 2.-Regleta de Prueba o conocido también como Protoboard 3.-Multímetro 4.-Osciloscopio 5.-Cable coaxial para osciloscopio 6.-Cables bananas y caimanes 7.-2 Resistencias de 10 8.-1 Resistencia de 20 9.-1 potenciómetros ajustados a 656 10.-1 Resistencia de 41,2 11.-1 Resistencia de 105,6 12.-3 amplificadores operacionales LM741 13.-2 Capacitores de 0,1 14.-1 Capacitor de 14,4
PROCEDIMIENTO Las oscilaciones comenzaran cuando la ganancia del amplificador no inversor sea tal que la ganancia sea mayor a 3, es decir, cuando:
Con el propósito de generar la señal sinusoidal del generador de señales se diseño un circuito oscilador en puente de Wien con amplificador operacional LM741. Seguido del puente de Wien se procedió a conectar un comparador de voltaje cuyo funcionamiento es el siguiente: Si
Luego del comparador de voltaje, se procede a conectar el integrador permitiendo observar en la salida una señal triangular, matemáticamente representada por:
∫() CIRCUITO UTILIZADO
VALORES MEDIDOS
Tipo de Señal
Amplitud (V)
Frecuencia (Hz)
Periodo (ms)
Senoidal
4
166,667
6
Cuadrada
3,7
166,667
6
Triangular
3,6
166,667
6
ANALISIS Y CONCLUSIONES
Con un simple arreglo de amplificadores operacionales, capacitores y resistencias, se hizo posible originar una onda sinusoidal, que pudo convertirse en una onda cuadrada y una triangular. Con las mediciones realizadas, se comprueba para el oscilador en puente de Wien, que es necesario cumplir con la relación entre las resistencias de la red de retroalimentación, para poder originar el arranque de los ciclos de carga y descarga de los capacitores, en el circuito transitorio. De esta manera, la onda sinusoidal aparece con una amplitud que depende del voltaje dc aplicado al amplificador operacional, que resultó ser de aproximadamente 4 Vp, para un voltaje de corriente directa de 5v. Por otro lado, se destaca función de un circuito comparador de voltaje, diseñado con un amplificador operacional con su entrada inversora conectada a tierra (0v), y la entrada no inversora conectada a la salida del oscilador puente de Wien. Se observa que al ser el voltaje de la onda sinusoidal mayor que cero, la salida del comparador corresponde a 3,7v, es decir, el valor dc positivo (Vcc+); mientras que para el semiciclo negativo de la señal, el voltaje se hace menor que cero, por lo que la salida del comparador arroja un voltaje de -3,7v (Vcc-). Cabe destacar que la
salida del comparador difiere un poco del valor dc conectado a las entradas inversora y no inversora (5v), que se debe a pequeñas atenuaciones del circuito en respuesta a los voltajes de entrada. La medición en el osciloscopio permite visualizar la forma de la señal obtenida, que es una señal periódica cuadrada, cuyo periodo y frecuencia permanece invariable. Por otro lado, para generar la señal triangular, se implementó un circuito integrador, cuya entrada corresponde a la señal alterna cuadrada proveniente del comparador. De este modo, se observa como literalmente se ‘integra’ el voltaje constante de la señal cuadrada en un periodo o medio periodo, resultando matemáticamente en una función lineal, es decir, una línea recta que aparece con pendiente positiva y negativa según corresponda el semiciclo positivo o negativo de la onda cuadrada; la frecuencia de oscilación se mantiene en 166,67 hz nuevamente. Cabe destacar que la magnitud de esta señal triangular resultante, depende evidentemente de los valores de resistencia y capacitancia del circuito integrador, que determinan la pendiente de la recta, y el valor de ella en un cuarto del periodo, que corresponde a la amplitud; por lo que se debe ser cuidadoso al seleccionar los valores en el diseño para lograr que la amplitud no se reduzca. Para este circuito sin embargo, la amplitud se redujo un poco, y se hizo necesario colocar una resistencia en paralelo con el capacitor, para eliminar la distorsión provocada, y hacer que la curva fuera puramente triangular, sin suavizarse. De este modo, un circuito oscilador, un comparador, y un integrador conectados en cascada, pueden funcionar como un generador de señales, con varias tomas de salidas, de las cuales se puede obtener una señal sinusoidal, cuadrada o triangular, para lo que es necesario una selección adecuada de todos los valores de resistencia, capacitancia y de voltajes dc.
BIBLIOGRAFÍA
1.-Savant, C.J., "Diseño Electrónico: Circuitos y Sistemas" PRENTICE HALL, 2000 Edición: 3a. 2.- Boylestad, Robert, “Electrónica: Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos” PRENTICE HALL, 2003 Edición: 8a. 3.- Página de internet: http://www.hispavila.com/3ds/lecciones/lecc9.htm (visitado 30/09/2011) http://es.wikipedia.org/wiki/Oscilador_de_puente_de_Wien (Visitado 30/09/2011) http://www.ie.itcr.ac.cr/marin/lic/el3212/Libro/Tema10.pdf (Visitado 30/09/2011)
