Objetivo: Por medio de un sistema de adquisición de datos analógicos (cero a cinco Volts) mostrar los valores recibidos en un Display (dispositivo para mostrar resultados) de 7 segmentos los valores correspondientes del valor analógico de entrada.
Hipótesis: Se obtendrán una señal analógica por medio de un sensor, en este caso un potenciómetro, y se convertirá en señal digital que se representara por medio de un display conectado a un dispositivo lógico programable que estará diseñado para que la señal digital se demuestre en forma de dígitos.
Marco Teórico: Conversión de señal analógica a digital
La conversión analógica-digital (CAD) o digitalización consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas. El conversor ADC (Analog-to-Digital Converter - Conversor Analógico Digital) tiene que efectuar los siguientes procesos:
Muestreo de la señal analógica.
Cuantificación de la propia señal
Codificación del resultado de la cuantificación, en código binario.
Esto representado en la siguiente figura 1.
Fig. 1. Procesos de la conversión A/D.
Para realizar el muestreo (sampling) de una señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de tensión o voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal, la siguiente figura 2 demuestra el comportamiento de la onda.
Fig. 2. Grafica en una onda senoidal de 0 a 7v.
Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es la cuantificación (quantization) de la señal analógica. La cuantificación representa el componente de muestreo de l as variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el sistema numérico decimal, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario, en la figura 3 se puede observar la cuantificación de la onda.
Fig. 3. Grafica de la onda cuantificada.
Después de realizada la cuantificación, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario.
Fig. 4. Grafica de señal digital.
Una señal analógica es aquella cuya amplitud (típicamente tensión de una señal que proviene de un transductor y amplificador) puede tomar en principio cualquier valor, esto es, su nivel en cualquier muestra no está limitado a un conjunto finito de niveles predefinidos como es el caso de las señales cuantificadas. Esto no quiere decir que se traten de señales de infinita precisión (un error muy extendido): las señales analógicas reales tienen un ruido que se traduce en un intervalo de incertidumbre. Esto quiere decir que obtenida una muestra de una señal analógica en un instante determinado, es imposible determinar cuál es el valor exacto de la muestra dentro de un intervalo de incertidumbre que introduce el ruido. Y no existe (ni puede existir) ningún soporte analógico sin un nivel mínimo de ruido, es decir, de infinita precisión. A continuación en la figura 5 mostraremos la variación de una señal analógica.
Fig. 5. Representación gráfica de señal analógica.
En cambio, una señal digital es aquella cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos también discretos. Como se muestra en la figura 6.
Fig. 6. Representación gráfica de señal digital.
Ventajas de la señal digital
Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales. Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores, que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente. Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal. La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad. Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas.
Desarrollo Experimental: Materiales:
Un eliminador de baterías con la siguientes características: Voltaje de entrada 110-220 V de corriente alterna Frecuencia 50-60 Hz Intensidad de corriente mayor de 500 mA 1 resistencia de 10 kΩ ⁄ de W
7 resistencias de 330 Ω ⁄ de W 1 Push buttons Circuito integrado GAL16V8
1 Capacitor electrolítico de 10 µF 1 capacitor cerámico de 150 pf 1 ADC 0804 (convertidor analógico digital) 1 Display de 7 segmentos 1 Potenciómetro de 10 KΩ
Procedimiento:
Se realizara un circuito de convertidor de señal analógica a digital es aquel que sus valores de salida se representan con numeración binaria es decir 1 y 0 . El primer paso es trasladar el comportamiento del circuito en una tabla de verdad la cual tenemos a continuación (tabla 1):
Tabla 1. Comportamiento del circuito.
Como siguiente se seleccionaran los valores de la primera función (fa) que son los indicados en la figura 7, y se pasaran los valores a un mapa de Karnaugh como el mostrado en la figura 8.
Fig. 7. Imagen de selección de valores.
Fig. 8. Imagen de mapa de Karnaugh.
Enseguida de realizara el procedimiento de agrupaciones y se obtendrán los minitérminos requeridos como en la figura 9, representado en la siguiente función: Fa = AC’D’ + AB’ + A’BC’D + A’B’CD + A’BCD’
Fig. 9. Imagen de agrupación de valores.
Esto se aplicara para todas las funciones de la tabla de verdad.
Ya obtenidas las funciones Booleanas, se implementaran en un dispositivo programable GAL usando la captura esquemática y compilando ispLEVER Project Los pasos para obtener el circuito integrado a la medida por medio de captura esquemática se muestran a continuación: A. Inicio 1A. Abra el programa Isp System Starter (siga los pasos señalados en la figura 10).
Fig. 10. Imagen de pasos para abrir programa.
O bien, dé doble clic con el apuntador del mouse en el icono que se muestra en el escritorio de la pantalla de Windows. 2A. Cree un nuevo proyecto (File, New Project) (ver figura 11).
Fig. 11. Imagen de pasos para crear nuevo proyecto.
3A. Dé nombre del proyecto (Project name) como se muestra en la figura 12.
Fig. 12. Imagen de ventana para crear nuevo proyecto.
4A. Seleccione el dispositivo GAL16V8ZD. (Los pasos se muestran en la figura 13.)
Fig. 13. Imagen de ventana para seleccionar dispositivo.
5A. Seleccione el nuevo archivo fuente. (Los pasos se indican en la figura 14 y 15).
Fig. 14. Imagen de ventana para crear nuevo archivo.
Fig. 15. Imagen de ventana para crear archivo de captura ABEL - HDL.
B. Construcción del archivo en ABEL-HDL 1B. Nombre del archivo como se presenta en la figura 16. El nombre que se asigne para identificar este archivo no debe exceder de ocho caracteres.
Fig. 16. Imagen de ventana para dar nombre a archivo.
2B. Capture el archivo ABEL-HDL para las funciones A, B, C, y D en el editor de textos de ABEL y asigne las terminales 1, 2, 3, y 4 a las funciones, respectivamente. Para las salidas Fa, Fb, Fc, Fd, Fe, Ff, y Fg asigne las terminales 19, 18, 17, 16, 15, 14 y 13.
Guarde el archivo completo una vez que cumpla con la estructura como en la figura 17 y compile el archivo.
Fig. 17. Imagen de Archivo ABEL-HDL incluyendo TEST_VECTORS.
3B. Obtenga los archivos Reporte como se muestra en la figura 18.
Fig. 18. Imagen de Archivo chip report.
C. Enlazar (Link) 1C. Link Design (enlazar el diseño). Verifique si el o los archivos contienen un código válido. En caso de que no se acepte aparecerá un mensaje que incluye una explicación y un código de error. 2C. Create Fuse Map (obtener el archivo del mapa de fusibles). En este proceso se obtienen dos archivos: El archivo reporte con extensión .rep contiene la información de las ecuaciones, la distribución de terminales pin out, el porcentaje de utilización del dispositivo, etcétera. El archivo JEDEC con extensión .jed tiene el mapa de fusibles, el cual será utilizado para programar el dispositivo. Para efectuar todos los pasos de este proceso, dé doble clic con el apuntador del mouse sobre los iconos que están en la ventana de Processes for Current Source. Al realizar la operación correctamente aparecerá una señal de aprobación en cada uno de ellos, como lo muestra la siguiente figura 19.
Fig. 19. Imagen de ventana de ispLever project.
Archivo Reporte 6 Este archivo se genera como resultado de la compilación.
Ecuaciones: Fa = (A&!B) # (A&!C&!D) # (!A&B&!C&D) # (!A&!B&C&D) # (!A&B&C&!D) Fb = (B&!C) # (B&C) # (A&C) # (C&D) Fc = (A&!C) # (A&C) # (B&C) # (C&D) # (!A&B&!D) Fd = (!A&!B) # (!A&!C&D) # (!A&C&!D) # (A&!C&!D) # (A&!B&!C) # (!B&C&D) Fe = (!A&!B) # (!C&D) # (A&D) # (A&B&C) Ff = (!A&!B) # (C&D) # (A&!C) # (A&B) Fg = (A&!C) # (A&D) # (B&D) # (B&C)
Chip Diagram:
D. Programar el dispositivo. 1D. Ejecutar el programa del programador. 2D. Seleccionar del dispositivo en el menú Select.
3D. Cargar del archivo JEDEC (F3). 4D. Colocar el dispositivo en el socket. 5D. Programar (F5). 6D. Borrar el dispositivo (Erase). 7D. Programar el dispositivo (Program). A continuación se conectaran los componentes en la tabla de conexiones, para conectar el convertidor ADC 0804 se cuenta con un diagrama de apoyo (ver figura 20).
Fig. 20. Diagrama de ADC0804.
Como primer paso se colocaran los componentes en la tabla de conexiones, como se muestra en la figura 21, después se conectara el convertidor ADC0804 como la indica la figura anterior (figura 20).
Fig. 21. Imagen de componentes en tabla de conexiones.
En las terminales o líneas de entrada 6 se conectara un alambre hacia la línea donde esta conectara la terminal 2 del potenciómetro y la terminal 7 del ADC 0804 se conectara a la línea de GND (tierra o negativo). Las terminales de la 11 a la 14 del ADC 0804 irán conectadas a las terminales 1 a la 4 para representar el sistema combinacional por medio de impulsos o señal digital, esto de la siguiente forma:
Terminal 11 Terminal 12 Terminal 13 Terminal 14
a terminal 1 de GAL. a terminal 2 de GAL. a terminal 3 de GAL. a terminal 4 de GAL.
El GAL por medio de la programación deberán mostrarse los siguientes rangos de valores en el display:
a) Señal baja por medio de una letra que lo identifique (ejemplo L low o B baja). b) Señal normal con los números del 0 al 9. c) Señal alta por medio de una letra que lo identifique (ejemplo H High o A alta).
Para esto debemos conectar las terminales de salida 19 a 13 del GAL hacia una resistencia de 330 después al display (una resistencia por cada salida) como se indica en la figura 22.
Fig. 22. Imagen de conexiones de GAL a Display.
Ω
y
Para que el circuito funcione correctamente, el potenciómetro deberá de ir conectado con su primera terminal a VCC y la 3 terminal a GND o viceversa, recordando que el potenciómetro es una resistencia y no tiene polaridad. Concluyendo estos pasos se deberá tener un circuito conectado de la siguiente forma (ver fig. 23).
Fig. 23. Diagrama del circuito terminado.
En caso de que el circuito no funcione revisar nuevamente el diagrama del adc0804 y asegurar que este correctamente conectado (ver fig. 20), si el display arroja valores distintos a los establecidos revisar programación y tabla de verdad 1.
Discusión de resultados: Se realizaron pruebas con la siguiente metodología: a) Señal baja por medio de una letra que lo identifique (L low). b) Señal normal con los números del 0 al 9. c) Señal alta por medio de una letra que lo identifique (H High). Estas letras y números son representados en el display dependiendo de la variación de voltaje del potenciómetro. Los resultados fueron capturados en la tabla 2:
Tabla 2. Tabla de verdad resultados del circuito.
Resultados generales
Fotografía del circuito concluido: circuito convertidor de señal analógica a digital conectando un sensor de 0 a 5 v hacia un convertidor analógico digital ADC0804, obteniendo un sistema combinacional por medio de un PLD conectado hacia un Display de 7 segmentos, representado en la figura 24.
Fig. 24. Resultados finales de conexión del circuito.
Conclusiones: Se demostró el resultado de la conversión de la señal analógica a digital por medio de un componente electrónica ADC0804, el cual recibía una señal analógica de un potenciómetro y convertía en señal digital hacia un PLD, que fue programado para realizar un sistema combinacional conectado a un display reflejando valores con relación a la tabla de verdad ya obtenida, se comprobó la hipótesis y se aprendió el funcionamiento de dicho convertidor de señal.
Bibliografía: Fundamentos de diseño digital, César A. Leal Chapa, FIME, UANL. Sistemas digitales, Ronald J. Tocci 8va edición
M.C. Juan Ángel Garza Garza http://jagarza.fime.uanl.mx
