INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA BIOTECNOLOGIA
Electrónica II
Proyecto Final Voltímetro
Brenda Miranda Ortega Stephany Peñafort Flores Alejandra Vargas Antonio
Profesor M. en C. Arturo Aguilar Chávez
5MV1
Fecha de Entrega: México D.F, Mayo 21 de 2013
Voltímetro Objetivo
Diseñar un voltímetro analógico de 0 a 5 V, con sensibilidad de 0.1 V y despliegue en display de siete segmentos.
Introducción Un voltímetro es un instrumento de medición capaz de indicar, en una escala graduada o pantalla, la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito (tensión). Básicamente un voltímetro es un galvanómetro (elemento capaz de medir pequeñas corrientes) al cual se le ha anexado una resistencia de conversión. Recordando que a un circuito eléctrico se le aplica una diferencia de potencial (voltaje) y dado el valor resistivo del circuito, circulara por este una corriente la cual será directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo (Ley de Ohm). Esta resistencia recibe el nombre de resistencia de conversión porque “convierte” la tensión aplicada en una corriente proporcional, que ingresara al galvanómetro.
Figura 1 Funcionamiento de Galvanómetro
Como un voltímetro es capaz de medir diferencias de potencial entre dos puntos de un circuito, este debe ser colocado en paralelo al circuito donde se desea realizar la medición, y debe presentar una resistencia relativamente alta con respecto al circuito donde se realiza la medición, ya que como regla básica todos los instrumentos de este tipo no deben alterar al circuito donde se realiza esta medición, además de proteger al instrumento de corrientes excesivas.
Figura 2 Configuración del Galvanómetro para realizar una medida
A los instrumentos de medición los podemos dividir en dos grupos, a los denominados analógicos que son aquellos que nos indican el valor de la tensión reflejados en una escala graduada a través de una aguja y al grupo de los denominados digitales que son aquellos que nos indican numéricamente a través de una matriz de display el valor de la tensión medida. El proyecto que llevaremos a la práctica se trata de un instrumento capaz de realizar mediciones desde cero hasta cinco volts, con sensibilidad de 0.1 volt, siendo capaz de ser visualizada la magnitud en forma digital a través de una matriz de display, utilizando un circuito integrado ICL 7107.
Fundamento A continuación se describe el principal elemento que hace posible el funcionamiento del voltímetro.
ICL7107 Fundamentalmente este circuito integrado es un convertidor analógico-digital, ya que recibe en su entrada una diferencia de potencial (señal analógica) y la transforma en una información digital (ceros y unos), para excitar a los display ánodo común, que guarda una estrecha relación con el nivel de tensión aplicada en la entrada de tensión a medir. Podemos dividir al circuito integrado en tres bloques bien diferenciados. El bloque conversor análogo- digital, el sistema digital para el control del convertidor y el bloque de presentación de la lectura en la pantalla.
Figura 3 Etapas del ICL7107
Sección analógica En la sección analógica encontramos tres procesos diferentes que son denominados fase de autocero (A/Z), fase de integración (INT) y fase de lectura (LEC) que se representan cada una de ellas con el cierre de llaves electrónicas, las cuales se cierran al momento de ser seleccionada la fase y se encuentran abiertas en caso contrario. El cierre o apertura de estas llaves es controlado directamente por el bloque digital. Fase de autocero.- Durante la fase de autocero suceden tres cosas diferentes, primero las entradas alta y baja se encuentran desconectadas de los terminales de entrada (pin 30 y 31) y conectadas internamente a la tierra analógica (común pin 32). Segundo, el capacitor de referencia se carga con la tensión de referencia. Tercero, se cierra el lazo de realimentación para cargar el capacitor de autocero (C az). Para compensar la tensión de off set del amplificador buffer (pin 28). La precisión del autocero está limitada solamente por el ruido del sistema, pero en cualquier caso de off set referido a la entrada es menor de 10 µ-V.
Figura 4 Esquema de Funcionamiento de la Fase de Autocero
Fase de integración.- Una vez que llega información desde la sección digital (ya que dijimos anteriormente que esta se encargaba de controlar a la sección analógica) se invierte la posición de los conmutadores internos, abriéndose los correspondientes a autocero(A/Z) y serrándose los correspondientes a la sección de integración (INT). Durante la fase de integración de la señal, como dijimos, el lazo de autocero queda abierto y cambian los conmutadores internos, de forma que las entradas quedan conectadas a sus correspondientes entradas (pin 30 entrada baja y pin 31 entrada alta). A continuación el convertidor integra el voltaje diferencial en la entrada alta y la entrada baja durante un tiempo fijo. La entrada baja puede ser conectada al común para fijar la tensión del modo común. Al final de esta fase queda fijada la polaridad de la señal integradora. La
cual será visualizada posteriormente por el terminal veinte del circuito integrado, el cual entregara un estado alto cuando la tensión que ingresemos por la entrada de señal analógica posea polaridad inversa con respecto a la tensión de referencia.
Figura 6 Esquema de Funcionamiento de la Fase de Integración
Fase de lectura.- En la fase de lectura, los conmutadores se disponen de de forma tal que la entrada baja queda conectada al común y la entrada alta queda conectada al capacitor de referencia previamente cargado. La circuitería interna ya había determinado en la fase anterior la polaridad de la señal a medir y por lo tanto conectara al capacitor con la polaridad correspondiente (debido a esto es que existen conmutadores LE+ LE) para que la salida del mismo (pin 27) vuelva a cero. Este circuito analógico le entregara a la sección digital un pulso cuya duración dependerá del tiempo que dure la fase de lectura, el cual está determinado por el tiempo de descarga del capacitor de integración.
Figura 7 Flujo de Señales de la Fase de Lectura
Figura 8 Esquema de Funcionamiento de la Fase de Lectura
Tiempo necesario para que la salida vuelva a cero es proporcional a la carga del capacitor, y por lo tanto a la señal de entrada. La lectura digital en la pantalla será:
La señal de reloj (frecuencia de trabajo del circuito integrado) puede obtenerse de un oscilador externo aplicado a la pata 40, de un cristal entre las patas 39 y 40 o en su defecto de un oscilador RC utilizado entre las patas 38, 39, 40. La frecuencia de clock se dividida en primera instancia por cuatro para por un lado atacar las entradas de los contadores encascada y también actuar sobre las tres fases del ciclo de conversión de doble rampa, suponiendo un oscilador de 4 Khz. Durante los primeros mil ciclos entregados por el oscilador, el control digital los destina a la fase de integración (el cual es un tiempo fijo. Los próximos dos mil ciclos son destinados para la fase de lectura, pero la utilización total de este tiempo dependerá de la diferencia de entre la tensión de referencia cargada en el capacitor y la tensión analógica a medir, entonces en esta fase se pueden utilizar el tiempo que duran desde cero ciclos que será el momento en que no exista tensión alguna en la entrada analógica hasta llegar al punto en que se utilice el tiempo correspondiente a los dos mil ciclos que será el momento en el que el capacitor se encuentre cargado por completo. El tercer ciclo “fase de autocero” que tendrá como mínimo mil ciclos, puede llegar a extenderse hasta tres mil, ya que debe compensar con la fase de lectura para completar un total de cuatro mil ciclos como fue establecido anteriormente.
Figura 9 Funcionamiento de la Señal de Reloj
Figura 9 Comportamiento V vs. T del ICL7107 Entonces para obtener una lectura por segundo sabemos generar un oscilador de 16 KHz, si deseamos obtener una lectura más exacta debemos tomar más registros por segundo y por consiguiente aumentar la frecuencia del oscilador. Debe tenerse en cuenta para evitar frecuencias parasitas que afecten el normal funcionamiento del circuito integrado, generar un rechazo utilizando frecuencias del oscilador que sean múltiplos. Por ejemplo para rechazar a los posibles sesenta hertz proveniente de la corriente alterna se deben seleccionar sus múltiplos, 240 KHz, 120 KHz, 60KHz, 48 KHz, 42 KHz. En cambio para rechazar la frecuencia de 50 Hz se deben utilizar por ejemplos frecuencias como 200 kHz,100 KHz, 50 KHz, 48 KHz.
Si se observa para evitar la frecuencia de los 60 Hz como la de los 50 Hz se puede utilizar la frecuencia de 48 KHz, a partir de la cual se obtendrán una cantidad de tres muestras por segundo (recordando que se lograba una muestra por segundo con una frecuencia en el oscilador de 16 Khz. Resumiendo podemos decir que la sección analógica entregara un pulso a la sección digital de una duración que depende de la diferencia de tensión existente entre la tensión de entrada (señal analógica a medir) y el nivel de tensión que tenga cargado el capacitor de referencia. Este tiempo de duración del pulso que ir a hacia la sección digital puede llegar desde el tiempo que el oscilador entregue un pulso (momento en el cual la diferencia de tensión sea máxima) hasta el tiempo que el oscilador tarde en entregar dos mil pulsos (momento en el cual la diferencia es prácticamente nula). Cada ciclo que se encarga de completar el pasaje total por las tres fases ocupa un total de 4000 Hz que fue previamente dividida por cuatro, es decir que para obtener tres muestras por minuto debemos formar un oscilador del tipo RC entre las patas 38, 39y 40 del circuito integrado ICL 7107 del orden de los 48 KHz.
Sección digital Esta fase se encargara de recibir un pulso, cuya duración dependerá de la diferencia entre la tensión que coloquemos en la entrada analógica de tensión a medir y la tensión previamente cargada en el capacitor de referencia, y la transformara en una información digital expresada numéricamente a través de dos dígitos ánodo común.
Figura 10 Flujo de la Señal para el desplegado Internamente en la sección digital se encuentran dispuestos cuatro contadores BCD en cascada (el primero se encarga de contar unidades, el segundo decenas, el tercero centenas y el cuarto unidades de mil), a los cuales le ingresan los 4000 pulsos por cada ciclo del oscilador, pero solamente se encuentran habilitados para realizar la cuenta que se reflejara en la pantalla en el momento que ingrese al bloque digital el pulso que resulta de la diferencia de tensión entre la señal a medir y la tensión en el ca pacitor de referencia. Entonces si las tensiones son iguales el pulso que llega de la sección analógica será prácticamente cero sin poder realizar cuenta los contadores en cascada y visualizándose en la matriz de display el número cero. Al momento que la diferencia entre la tensión de entrada y la tensión almacenada en el capacitor de referencia sea máxima la cuenta llegara a su máximo valor, o sea dos mil. Quedando entre medio de estos dos parámetros toda la gama de valores de tensión a medir. Dentro de este bloque los cuatro contadores en cascada entregan el valor de la cuenta a una memoria que se encuentra sincronizada de forma tal que almacena los datos que recibió una vez terminado el pulso proveniente de la sección analógica, con el fin de liberar a los contadores en cascada para una nueva cuenta y que esta no se refleje en pantalla mientras se realiza. La información que se almacena en la memoria (que es del tipo BCD) ingresa a cuatro decodificadores de BCD a siete segmentos, que mediante una etapa de potencia son entregados a los cuatro dígitos.
Dentro de este bloque también existe una función denominada BP que se encarga, si se desea, de regular el tiempo de encendido de los dígitos. Dentro de la sección digital y trabajando en conjunto con el oscilador RC externo se encuentra el sistema de logica recontrol que se encargara de controlar las tres fases de la etapa analógica (autocero, integración y lectura).
Figura 11 Funcionamiento de la Sección Digital Como se ve en, el diagrama en bloque, los 4000 ciclos atacan a los contadores en su entrada de pulso, pero estos solo se encontraran habilitados para realizar la cuenta en el momento que les llegue el pulso desde la entrada analógica a la entrada de habilitación de estos contadores. Esta cuenta puede llegar desde cero hasta 1999 según la duración de este pulso o lo que es lo mismo la deferencia de la tensión de entrada a medir y la tensión presente en el capacitor de referencia. La pata test posee dos funciones, está unida a través de una resistencia a la alimentación de la sección digital y se utiliza como fuente de tensión negativa para excitar a los puntos decimales de la pantalla o cualquier otro segmento que se quiera iluminar. Con una corriente máxima de 1 mA. Si el terminal se une a positivo (+V) se encienden todos los segmentos, quedando una lectura en la pantalla de 1888, el consumo en este caso a través de este terminal es de 10 mA y se aplica tensión continua a los
segmentos, por lo tanto la prueba no puede extenderse por mucho tiempo, ya que causaría el calentamiento del circuito integrado y en el caso de usarse un LCD, como visualizador, la destrucción del mismo La frecuencia aplicada a BP (terminal 21) es la de reloj interno dividida por ochocientos. Para tres lecturas por segundo, es una onda cuadrada de sesenta hertz de una amplitud nominal de cinco volt.
En resumen…
Este circuito integrado pertenece a la familia de alta integración y bajo consumo, capaz de excitar a una matriz de dígitos siete segmentos ánodo común. Este circuito integrado presenta las siguientes características:
Autocero automático y menor de 10 µ-V, con una desviación con la temperatura menor a 1µ -V por grado centígrado. Tiene indicación automática de signo (polariza) Para la construcción de un voltímetro, solo es necesario añadirle diez componentes extremos y un visualizador (display de siete segmentos ánodo común) Corriente máxima en la entrada máxima 10 ρ-A. Puede funcionar con fuente simple de 9 V. Puede funcionar con +/- 5 V.
En la disposición de terminales nos encontramos con las salidas correspondientes a cada segmento para los dígitos, además de una salida que indica la polaridad de la señal a medir y por ultimo todas las entradas a partir de las cuales le configuraremos para el funcionamiento deseado al circuito integrado.
Figura 12 Disposición de las terminales del ICL7107
Figura 13 Aspecto físico del CI ICL7107
Desarrollo Material
R1 = 180k R4 = 1M R5 = 470k R6 = 560 Ohm C1 = 100pF C2, C6, C7 = 100nF C3 = 47nF C4 = 10nF C5 = 220nF P1 = 20k trimmer multi turn U1 = ICL 7107 LD1,2,3,4 = MAN 6960 common anode led displays
Esquemático
Figura 14 Esquemático para el diseño del voltímetro, empleando el CI ICL7107
Figura 15 Disposición para el display de siete segmentos
Para la alimentación del circuito empleamos el integrado ICL7660, cuyo esquemático es el siguiente:
Figura 16 Diseño de alimentación para el voltímetro
Esquema Final de Voltímetro
Conclusiones Un voltímetro es aquel aparato o dispositivo que se utiliza a fin de medir, de manera directa o indirecta, la diferencia potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. La tecnología actual ha permitido poner en el mercado versiones económicas y al mismo tiempo precisas para el uso general. Es posible diseñar un voltímetro a partir de amplificadores operacionales y gracias a su configuración ADC es posible obtener este tipo de instrumento de medición. Existen diferentes circuitos integrados que ya emplean estos principios lo que simplifica en gran medida la implementación del diseño de un voltímetro para diferentes voltajes de medición según nuestras necesidades. Brenda Miranda Ortega
El uso de amplificadores operacionales nos permite tener diferentes aplicaciones para la vida real tal como lo es el voltímetro que se implemento en esta práctica, sin utilizar micro controladores haciéndolo de manera analógica y por tanto reduciendo su costo. El integrado ICL7107 ya contiene los amplificadores en configuración ADClo que simplifica la circuitería y el costo del voltímetro, este integrado nos permite modificar el rango de medida a nuestra conveniencia que en este caso fue de 0 a 5 V.
Conclusiones Un voltímetro es aquel aparato o dispositivo que se utiliza a fin de medir, de manera directa o indirecta, la diferencia potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. La tecnología actual ha permitido poner en el mercado versiones económicas y al mismo tiempo precisas para el uso general. Es posible diseñar un voltímetro a partir de amplificadores operacionales y gracias a su configuración ADC es posible obtener este tipo de instrumento de medición. Existen diferentes circuitos integrados que ya emplean estos principios lo que simplifica en gran medida la implementación del diseño de un voltímetro para diferentes voltajes de medición según nuestras necesidades. Brenda Miranda Ortega
El uso de amplificadores operacionales nos permite tener diferentes aplicaciones para la vida real tal como lo es el voltímetro que se implemento en esta práctica, sin utilizar micro controladores haciéndolo de manera analógica y por tanto reduciendo su costo. El integrado ICL7107 ya contiene los amplificadores en configuración ADClo que simplifica la circuitería y el costo del voltímetro, este integrado nos permite modificar el rango de medida a nuestra conveniencia que en este caso fue de 0 a 5 V. Stephany Peñafort Flores Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico. Están constituidos por un galvanómetro cuya escala ha sido graduada en voltios. Existen modelos para corriente continua y para corriente alterna. Podemos diseñar un circuito gracias a circuitos integrados que ya contienen amplificadores que nos harán la conversión analógica a digital para las aplicaciones que queramos como en este caso fue el voltímetro. Alejandra Vargas Antonio
