APLICACION DE DISPOSITIVOS DIGITALES TLL Y ANALOGICOS Universidad Distrital Francisco José de Caldas
1. Descripción del problema : Diseñar e implementar un frecuencímetro digital \que realice mediciones en un rango de 0 a 9999\Hz, para cual\quier tipo de onda (seno, triangular, cuadrada, etc.) con voltaje pico máximo de 10V, el valor medido debe ser visualizado en 4 displays de 7 segmentos (2 enteros, 2 decimales). La medición de frecuencia debe realizarse de forma continua. La implementación del circuito deberá realizarse con dispositivos TTL y dispositivos analógicos. No será posible el uso de microcontroladores, ni ningún dispositivo similar \que sea programable.
Una vez se ha obtenido el numero de ciclos, se debe visualizar, y volver iniciar el conteo y repetir este ciclo. En suma, los procesos \que se deben realizar en el diseño del circuito \que soluciona el problema pueden realizarse modularmente para luego integrarse de la siguiente manera: • • • •
Conversión de cual\quier señal análoga a un digital. Conteo de ciclos de la señal cuadrada durante un segundo. Almacenamiento y visualización del dato obtenido. Reinicio del ciclo.
La resolución de la medida debe ser de por lo menos 10Hz. 3. Diseño :
2. Análisis del problema :
Conversión de cualquier señal análo\ga a una di\gi\tal:
Para medir la frecuencia de una señal, la manera Para solucionar este problema, se puede utilizar mas fácil de lograrlo es aplicando la definición de un dispositivo \que genere dos estados (High y frecuencia: La frecuencia es el numero de ciclos Low) , para cuando la seña analógica cruce por \que se repiten en un señal durante un segundo. dos determinados niveles de voltaje diferentes. El dispositivo es el disparador de Schmitt el cual, A partir de la definición se plantea inmediatamente para unos voltajes de entrada V 1 y V 2 hace la solución como el conteo de ciclos de una señal \que la salida vaya a unos voltajes de salida V OL durante un intervalo de tiempo de un segundo; Sin y V OH respectivamente. embargo, los dispositivos digitales operan con funciones cuadradas únicamente, de manera \que El dispositivo integrado TTL seleccionado para para empezar a solucionar este problema lo este propósito es el SN74LS14, un integrado de primero es convertir cual\quier señal analógica en bajo costo \que cuenta con 6 disparadores de una cuadrada \que tenga la misma frecuencia \que Schmitt. dicha señal. El Datasheet muestra \que el voltaje de encendido Al obtener una señal cuadrada se deberán contar el para el peor caso es de 2 V por lo \que se numero de ciclos de esta durante un segundo, el impondrá la restricción de \que las señal de entrada numero de ciclos contado será entonces la deberá tener una amplitud mínima mayor a 2 V , frecuencia de la señal. de lo contrario, deberá ser amplificada. El circuito
generara una señal cuadrada con voltajes 0 .2 V y 3.5 V los cuales pueden reconocidos como estados Low o High por dispositivos digitales, con una alimentación 5V .
de Entonces tomamos R B=10kΩ , R A=33.72kΩ ser para obtener un tiempo alto de 1s, el periodo total los de la señal seria: de T =1+ln 2 R B C≈1.23s
Conteo de ciclos de la señal cuadrada durante Este sera el tiempo en el que se haga la medición y un segundo: se actualice su visualización. Cuando se ha obtenido la señal cuadrada ya se puede emplear un dispositivo para contar los ciclos de la señal; Para esto, se utilizara el circuito integrado TTL HC74LS192,el cual es un contador decimal síncrono cuya señal de clock será la señal cuadrada, el dispositivo se muestra a continuación:
Almacenamiento obtenido:
y
visualización
del
dato
Una vez se tiene un valor correspondiente a la frecuencia, luego de contar durante un segundo, la señal del NE555 cae a estado bajo, para almacenar el dato el cual consta de 16 bits agrupados en nibbles, se utilizaran Flip-Flops tipo D, a los cuales se les envié un flanco de reloj cuando suceda esta caída, para este propósito se utilizaran tres circuitos integrados DM74LS174 , los cuales tienen cada uno 6 Flip-Flops; dejaran de utilizarse dos Flip-Flops para usar los 16 necesarios.
Los pines Count-Down y Load deben ser conectados a un estado (1) y la señal de clock a Count-Up. El dispositivo, genera un flanco de reloj a través del Carry cada vez que llegue el conteo a 10 (1010 b), y se reinicia, por ello se pueden conectar varios en cascada. Para contar hasta 9999 se debe conectar 4 de estos en cascada. Para hacer que se cuenten los ciclos durante un segundo, se utilizara una señal generada por un circuito integrado NE555 en configuración astable, el cual tenga un tiempo alto de 1 segundo, y un tiempo bajo menor en el cual se realicen los Los Flip-Flops del DM74LS174 funcionan con procesos de visualización, almacenamiento y flanco de subida, por lo cual se necesitara otro reinicio. dispositivo que produzca un flanco de subida a partir del flanco de bajada del NE555. El Para obtener un tiempo alto de 1s con un capacitor dispositivo a usar para este fin es el DM74121 , el de 33μF: cual es un multivibrador monoestable que se puede configurar para que produzca un pulso con un T H =ln 2( R A+R B )C determinado ancho. El dispositivo se muestra 1s como sigue: R A+R B = =43.72kΩ (ln 2⋅33μF)
Reinicio de ciclo: Siendo ya el dato visualizado continuamente en lis displays, el ultimo paso es reiniciar el ciclo, para esto simplemente se necesitará resetear los contadores inmediatamente después del almacenamiento y visualización. Para ello, se emplea de nuevo otro dispositivo DM74121 usando la misma configuración que el anterior, pero esta vez aplicando a la entrada A1 el pulso generado por el dispositivo anterior, lo cual generara otro pulso igual al que activa los FlipCuando las entradas A2 y B están en alto, y haya Flops inmediatamente después de este el cual se un flanco de bajada en A1, se generará un pulso utilizara para resetear los contadores HC74LS192 ascendente durante un tiempo determinado por la aplicándolo a al entrada Clear. Estos dos pulsos se formula: dan mientras la señal del DM555 esta en Low. De T W =1.4 C X R X esta manera se reiniciara el ciclo de conteo, una vez la señal del temporizador vuelva a High. T C Donde W esta en nanosegundos, X en picoR X en Kilo-ohms. Usando la 4. Circuito final : faradios, y resistencia interna de 2kΩ y tomando C X =100000 el tiempo del pulso sera de El diagrama del circuito completo se adjunta. T W =280μs .
5. Conclusiones :
Este pulso se enviara a la entrada clock, haciendo que en cada flanco de bajada del NE555 cuando el conteo haya terminada se envíe un flanco de subida a los Flip-Flops que almacene el numero contado. Cuando el dato esta almacenado ya se puede visualizar continuamente, para eso se usaran cuatro displays de 7 segmentos de ánodo común con sus respectivos decodificadores DM7447A .
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•
Se logro medir la frecuencia con la aplicación de dispositivos TTL con una precisión aceptable si el margen de error máximo tolerable debe ser de 1%. La realización de aplicaciones complejas con dispositivos discretos es mas extensa y de mayor costo que con dispositivos programables.
ANEXOS Lista de materiales:
Cantidades
Referencias
Descripción
1
NE555
Temporizador
1
SN74LS14
Disparador de Schmitt
4
HC74LS192
Contadores decimales
3
DM74LS174
Flip-Flops D
2
DM74121
Multivibradores Monoestables
4
DM7447A
Decodificadores de display
4
standard
Displays 7 segmentos
Condensadores, Resistores, Conductores, Protoboards.
CIRCUITO MEDIDOR DE FRECUENCIA
