Universidad Politécnica de Baja California Ingeniería Mecatrónica Fecha:______________
Nombre de la asignatura : Sensores y acondicionamiento acondicionamiento de de señales. Nombre de la práctica: Convertidor de voltaje a frecuencia y de frecuencia a voltaje. Objetivo: Usar el circuito integrado LM331 para realizar conversiones de voltaje a frecuencia como circuito acondicionar de señal. Material Utilizado Resistencias (RL = 3900 Ω, Rs = 3300 Ω , Rt = 93000 Capacitores (CL = 1 µF, Ct = 1nF) Fuente de alimentación + 12 V Multímetro Cables para conexión y caimanes. Experimentador (Protoboard) LM331 (Convertidor de voltaje a frecuencia)
Ω
)
Marco Teórico : Los osciladores controlados por voltaje son circuitos capaces de generar a su salida una forma de onda estable, periódica, y con una frecuencia que es función del voltaje de entrada. Es frecuente encontrar estos circuitos en transmisores de FM, analizadores de espectro, generadores de barrido, etc. La función de transferencia de los circuitos VCO ideales es lineal [1]: fout = a Vin + b
Conversores Conversores Voltaje – Frecuencia y Frecuencia – Voltaje. La función de un conversor tensión – frecuencia es la de convertir una señal analógica a una serie de pulsos. La principal aplicación de este dispositivo es la implementación en una manera muy sencilla de una conversión analógica a digital. La razón para realizar este tipo de conversión es que es mucho mas fácil transmitir y decodificar con precisión una serie de pulsos que una señal analógica, sobre todo, si la distancia a la que se debe transmitir la señal es larga y ruidosa. En estos casos se colocará al final de la línea de transmisión, un conversor frecuencia – voltaje para obtener nuevamente una señal analógica. La aplicación mas común de los conversores frecuencia – voltaje esta dada en la medición de velocidad de motores donde una serie de pulsos, proporcional a la velocidad del motor, es transformada en una señal analógica para ser medida y quizás también utilizada para realizar un control de la velocidad. Las especificaciones necesarias para una buena conversión son: a) Un rango dinámico amplio (cuatro décadas o más). b) Bajo error de linealidad (desviación de la recta de proporcionalidad V = k F), en general menor al 0.1 %. c) Precisión y estabilidad (con la temperatura y variaciones de la tensión de alimentación) en el factor de escala k de la conversión.
LM331
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El LM331. Este es un convertidor Voltaje - Frecuencia que tiene como salida un tren de pulsos con una frecuencia proporcional al voltaje de entrada aplicado, puede ser alimentado con tensiones tan bajas como 4V, y su frecuencia de salida puede variar de 1 Hz a 100 kHZ. Se recomienda su uso en circuitos simples de bajo costo para la conversión analógica – digital, modulación o demodulación lineal de frecuencia, o conversión de frecuencia a voltaje.
Características principales del LM331 : En las hojas de datos del fabricante encontramos los siguientes datos que consideramos los más relevantes a la hora de elegir un conversor: Error de no linealidad de la escala (Tmin < T < Tmax): ± 0,02 % de fondo de escala Error de no linealidad de la escala (circuito típico de aplicación)): ± 0,14 % de fondo de escala Factor de conversión de la escala (ganancia): G min = 0,90 KHz / V G tip = 1,00 KHz / V G max = 1,10 KHz / V Cambio de la ganancia con Vcc (de 4,5 V a 10 V): ± 0,1 % / V Estabilidad en temperatura de la ganancia: ± 50 ppm / ºC Estabilidad de la ganancia en el tiempo (sobre 1000 hs): ± 0,02 % de fondo de escala Referencia de voltaje (pin 2): V min = 1,70 V V tip = 1,89 V V max = 2,08 Estabilidad en temperatura: ± 60 ppm / ºC Estabilidad en el tiempo (sobre 1000 hs): ± 0,1 % Fuente de corriente (pin 1): I min = 116 uA I tip = 136 uA I max = 156 uA
Figura 1. a) Terminales del LM331, b) Configuración de voltaje a frecuencia La frecuencia de salida esta dada por la siguiente expresión:
f out
=
V IN RS
2.09 R L Rt Ct
f out K V IN , =
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K
=
RS
2.09 R L Rt Ct
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Desarrollo 1.- De la hoja del fabricante se toman las ecuaciones para el diseño de los componentes externos del LM331 en base a eso armar el circuito de la fi gura 1b con los componentes CL = 1 µF ,
RL = 3900 Ω,
Rs = 3300Ω ,
Rt = 93000 Ω , Ct = 1nF
2. -Con estos valores obtenemos un valor de K calculada de , K = 435.33 3.- Con este circuito y los valores anteriores de resistencias y capacitores aplicamos un voltaje Vi obteniendo una frecuencia de salida f out como se muestra en la tabla 1. Vi (volts) 1 2 3 4 5 6
f out (Hz) 446 885 1320 1760 2200 2640
Tabla 1 . Respuesta experimental Vi vs f out . Vi vs f out
y = 438.71x + 6.3333
3000
a d i 2500 l a s ) e z 2000 d H ( a t i 1500 c u o n f e 1000 u c e r 500 F
0 0
2 4 6 Voltaje de entrada, Vi (volts)
8
Grafica 1, Respuesta experimental Vi vs f out y ecuación de regresión lineal de la tabla 1. 4.- Determinar el valor de Rs, R L, Rt ,Ct para obtener una relación entre la frecuencia de salida fout y el voltaje de entrada Vi , el valor de CL = 1 µF
f out = 1000 Vi , es decir K = 1000 Nota: incluir el desarrollo completo, consideraciones, sustituciones y resultado de los cálculos obtenidos, usar valores reales y disponibles de las resistencias y capacitores
5 – Conectar la f out a el microcontrolador (PICAXE) con los 3 display (7 segmentos), el programa del microcontrolador debe mostrar un valor con un voltaje de entrada de 5 V, es de decir, por ejemplo: Vi = 2.7v f out = 2.70 Hz 2.70 (display) →
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6- Aplicar un voltaje de entrada ( Vi ) y medir la frecuencia de salida ( f out ) y completar la tabla, nota : voltaje de alimentación Vcd = +12.
Vi f out (Hz) Display
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Vi f out (Hz) Display
5
5.5
6
6.5
7
7.5
8
8.5
9
9.5
7- Hacer una grafica Vi vs f out y aplicar regresión lineal mostrando la ecuación Vi = K f out + b
En el reporte de resultados para entregar contiene: Equipo: Integrantes: es decir K = 1000 Cálculos de Rs, R L, Rt ,Ct para f out = 1000 Vi , Tabla de valores obtenidos. Gráfica Vi vs f out Calcular el error relativo, ¿Cuál es el error relativo máximo y mínimo? Código de PICAXE con comentarios Diagrama de flujo. Esquemático.
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