Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Laboratorio Electrónica B
Informe Final Modulo
Proyecto A2 Módulo 4 ALARMA
“Sistemas de Transmisión de Información de
audio mediante un puntero LASER”
Profesores: Integrantes: Grupo: 46 Fecha: 16-05-19
Daniel Rodríguez Alexander Palacio Versión: 2.1
Gustavo Marín Jorge Lefenda
Matías Jofré Patricio Carrasco
2
Contenido 1.- Introducción ................................................................................................................................... 3
1.1.- Propósito ................................................................................................................................. 3
1.2.- Contexto .................................................................................................................................. 3
2.-Arquitectura .................................................................................................................................... 4
2.2.- Diagrama de contexto ............................................................................................................. 4
2.3.- Diagrama de bloques .............................................................................................................. 4
2.4.- Enumeración de módulos ....................................................................................................... 5
2.5.- Descripción de Módulos.......................................................................................................... 6
2.5.1.1.- Detector ........................................................................................................................ 6
2.5.1.2.- Diagrama de Detector y ecuaciones de diseño. ............................................................ 6
2.5.2.1.- INLUM ........................................................................................................................... 6
2.5.2.2.- Diagrama de INLUM y ecuaciones de diseño. ............................................................... 7
2.5.3.1.- ALARMA ........................................................................................................................ 8
2.5.3.2.- Diagrama de ALARMA y ecuaciones de diseño. ............................................................ 8
3.- Requisitos de sistema................................................................................................................... 12
3.1.- Requisitos funcionales Modulo 4 .......................................................................................... 12
3.2.- Requisitos de prueba ............................................................................................................ 12
3
1.- Introducción En el presente documento se describe la primera etapa de desarrollo del módulo de
detección de señal para el complejo “Sistema de Transmisión de Información de
Audio mediante un Puntero Láser”. Se explica e ilustra los submódulos que lo
componen mediante Diagrama de contexto, de bloques, descripciones y definiciones
de módulos, requisitos funcionales y de prueba.
1.1.- Propósito
El propósito del sistema es informar al usuario si la señal transmitida por el láser fue recibida o no, en caso de que se haya recibido se informará mediante el encendido de un LED verde, en caso contrario, se encenderá un LED rojo y se emitirá un sonido de advirtiendo que la señal no se recibió.
1.2.- Contexto
El diseño de este módulo se enmarca dentro del curso de Laboratorio de Electrónica B. Se pretende familiarizar al alumno con la toma de decisiones dentro de un proyecto.
4
2.-Arquitectura La siguiente figura muestra las componentes del sistema y sus principales
interacciones. Las componentes se definen para cumplir con los requisitos
funcionales (RF)
Las componentes aparecen indicadas con su nombre corto o abreviatura.
2.2.- Diagrama de contexto
La siguiente figura muestra las entradas y salidas del módulo 4 a desarrollar: Con
alimentación Vcc que recibe una señal acondicionada de un láser que transmite
información a través de una onda cuadrada de frecuencia 50 [KHz]. Tiene salida Val
que es una señal sinusoidal por la cual se emite la alarma de 500[Hz] por si hay
interferencia y Vdet que prende el LED correspondiente si hay interferencia de señal
o no en el láser.
Figura 1 "Diagrama de contexto"
2.3.- Diagrama de bloques La siguiente figura muestra los bloques internos del Módulo 4 a trabajar en el sistema
y sus principales interacciones. Los bloques aparecen indicados con su nombre
corto o abreviatura.
5
Figura 2: Diagrama de bloques
2.4.- Enumeración de módulos La Tabla 1 muestra los bloques internos del Módulo 4. Por cada Bloque se entrega
una breve descripción de lo que realiza y muestra la sección en la que se puede
encontrar con más detalle.
Tabla 1 " Bloques del Módulo 4 "
Módulo Propósito Sección Detector Detector de funcionamiento del Tx/Rx. Permite
obtener un nivel de señal de acuerdo con la presencia de haz de luz recibido
2.5.1.2
Alarma Indica el funcionamiento del receptor, luz verde: operación OK, Luz roja no hay recepción 2.5.3.2
INLUM Genera una señal de 500 Hz senoidal durante 2 segundos, al detectarse el corte de la recepción 2.5.2.2
6
2.5.- Descripción de Módulos En este apartado se describen los módulos internos que conformarán el sistema.
2.5.1.1.- Detector El detector consiste en un filtro condensador que generará una señal de rizado
cercano al valor Vcc cuando haya presencia de una entrada de tren de pulsos con
nivel de tensión Vcc. El capacitor se descargará si no se presenta dicha señal.
Posterior a ello se entregará a la salida un valor Vcc o 0[V] dependiendo del valor
del voltaje en la señal filtrada.
2.5.1.2.- Diagrama de Detector y ecuaciones de diseño.
Figura 3: Filtro de condensador, generador de señal Ripple. Comparador de nivel de entrada.
Cuando se está en presencia de una señal PWM se debe generar una señal
de Ripple 𝑉𝑑𝑒𝑡 que permita generar un nivel continuo el cual se comparará
con 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝. si se cumple que
𝑉𝑑𝑒𝑡 > 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝
Entonces 𝑉𝑂𝑢𝑡𝐷𝐸𝑇 = 12[V].
Si se tiene que 𝑽𝒂𝒄𝒐𝒏𝒅 = 𝟎[𝑽] entonces el condensador se descargará y 𝑽𝒅𝒆𝒕
se comparará con un valor de voltaje 𝑽𝒄𝒐𝒎𝒑, si se cumple que
𝑉𝑑𝑒𝑡 < 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝
Entonces 𝑉𝑂𝑢𝑡𝐷𝐸𝑇 = 0[V].
Dada la ecuación de descarga del capacitor
𝑉(𝑡) = 𝑉𝑖 ∗ 𝑒−𝑡
𝑅𝐶 , 𝑉𝑖 = 12[𝑉]
Se tienen 2 parámetros de diseño para 𝑅1 𝑦 𝐶1:
𝑉(𝑇) = 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝: Voltaje de comparación con 𝑉𝑑𝑒𝑡. Dicho voltaje debe ser
inferior a 12[V] y mayor al voltaje mínimo del amplificador operacional que se
esté implementando. Se recomienda un valor de 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝 =𝑉𝑐𝑐
2.
7
𝑇: Este tiempo es el retardo hasta la detección una vez comienza la descarga
del capacitor. Este tiempo debe ser mayor a 1
50[𝑘𝐻𝑧] . Se recomienda ajustar un
tiempo cercano al segundo
Dejando los componentes en función de los parámetros anteriores se tiene que
𝑹𝟏 ∗ 𝑪𝟏 =𝑻
𝐥𝐧(𝟏𝟐
𝑽𝒄𝒐𝒎𝒑)
Para el diseño de 𝑅2 𝑦 𝑅3 se tiene que, por divisor de tensión
𝑽𝒄𝒐𝒎𝒑 =𝑹𝟑 ∗ 𝑽𝒄𝒄
𝑹𝟐 + 𝑹𝟑
𝑽𝒄𝒐𝒎𝒑 se utilizará para las próximas etapas de comparación, se recomienda utilizar
𝑽𝒄𝒐𝒎𝒑 =𝟏
𝟐∗ 𝑽𝒄𝒄
2.5.2.1.- INLUM Este módulo consiste en el encendido y apagado de un LED verde y un LED rojo
que indicará si la recepción de la señal fue correcta o no: si se recibe señal de
entrada, entonces se enciende el LED verde, en caso contrario, se enciende LED
rojo.
2.5.2.2.- Diagrama de INLUM y ecuaciones.
.
Figura 5: Sistema de LEDs que informan al usuario el estado de la señal de entrada.
Con OutDET en 12[V] conduce LED verde, con OutDET en 0[V] conduce LED rojo.
Para ambos casos se debe cumplir que la corriente no supere los 20[mA] por los
LED. Se debe tomar en cuenta la impedancia 𝑍𝑇ℎ generada por el divisor de tensión
para generar dicho rango, por leyes de Kirchoff
8
𝑹𝟒 =𝑶𝒖𝒕𝑫𝑬𝑻 − 𝑽𝒗𝒆𝒓𝒅𝒆
𝑰𝑳𝑬𝑫
𝑹𝟓 =(𝑽𝒄𝒄 − 𝑽𝒓𝒐𝒋𝒐)
𝑰𝑳𝑬𝑫− 𝒁𝑻𝒉
Debido a que Vcc > OutDET, se busca un 𝑽𝑿 inferior a OutDET para la correcta
conducción del LED rojo. Se debe diseñar 𝑹𝟔 𝒚 𝑹𝟕 para que
𝑽𝒙 =𝟏
𝟐𝑽𝒄𝒄
2.5.3.1.- ALARMA Este módulo consiste en generar una señal de salida sinusoidal de 500Hz de
duración 2 segundos cuando a su entrada se recibe una señal que indica que a la
entrada del módulo general no ha habido señal, en el caso de haber receptado señal,
la señal de salida no debe generarse.
2.5.3.2.- Diagrama de ALARMA y ecuaciones. Para generar los tiempos deseados se usarán dos configuraciones de 555, uno será
monoestable y el otro será aestable. El aestable servirá para generar un tren de
activación cada 10 segundos para que el monoestable genere 2 segundos de voltaje
Vcc en ciclos de 10 segundos.
Figura 6: Configuración aestable, encargada de generar tren de activación de 1 segundo en
ciclos de 10 segundos.
9
Se analizará los parámetros dados para el correcto funcionamiento de este
módulo:
Para el 555 en modo astable se considera lo siguiente :
Se observa que debido a la configuración dada del propio 555 se tiene dos
ecuaciones de análisis, en donde se llamará T1 al periodo en que la señal se
mantiene en 12 [V] y T2 al periodo en que la señal se mantiene en 0 [V]
𝑇1 = 0,693(𝑅3 + 𝑅2) ∗ 𝐶1
𝑇2 = 0.693 ∗ 𝑅2 ∗ 𝐶1
esto se puede desglosar de la siguiente manera:
𝑅10 =𝑇2
0.693 ∗ 𝐶1
𝑅12 =𝑇1 − 0,693 ∗ 𝑅2 ∗ 𝐶1
0,693 ∗ 𝐶1=
𝑇1 − 𝑇2
0,693 ∗ 𝐶1
Entonces, para el diseño de las resistencias se tiene que:
𝑹𝟏𝟎 =𝑻𝟐
𝟎. 𝟔𝟗𝟑 ∗ 𝑪𝟏
𝑹𝟏𝟐 =𝑻𝟏 − 𝑻𝟐
𝟎, 𝟔𝟗𝟑 ∗ 𝑪𝟏
Ahora se analizará el 555 monoestable, el cual se ira activando gracias al tren de
pulsos anterior:
Se observa que debido a la configuración dada del propio 555 se tiene una ecuación
de análisis, en donde se llamará T al periodo en que la señal se mantiene en 12 [V],
durante el resto del tiempo sin ser activado el Trigger se considerará 0[V].
𝑻 = 𝟏, 𝟏 ∗ 𝑹𝟏𝟏 ∗ 𝑪𝟐
Para el caso de la resistencia R11 se considera una mayor a 400 [Ω], que por
simplicidad es de protección al transistor, en el caso de R9 se considera para cuando
el transistor está en saturación el cual impide que llegue voltaje al pin reset del 555
por lo que se recomienda una resistencia mayor a 1[kΩ] para no quemar la
resistencia. El funcionamiento de esta parte del módulo es que cuando haya señal
OutDet, el transistor está en saturación y debido a la resistencia R9 toda la corriente
se va por el emisor del transistor haciendo que no llegue voltaje a el pin reset, por
ende, los 555 no están en funcionamiento ya que este pin este negado. El caso
contrario es cuando no hay señal y el transistor esta trabajando en corte, por ende,
a los pines reset de los 555 le llega un nivel de voltaje Vcc, y como están negados
el sistema comienza a funcionar.
10
Figura 7: Puente de Wien, oscilador que genera onda senoidal de período 500Hz
El circuito de la figura 6 corresponde a un puente de Wien, oscilador que genera una
onda senoidal. 𝑅13 𝑦 𝑅14 componen la ganancia inversora del sistema. La ganancia
que debe tener este amplificador debe compensar la atenuación causada por las
redes RC. Esta ganancia debe estar por encima de 1 para asegurar la oscilación.
La ganancia se obtiene con la primera fórmula. Como la ganancia debe ser mayor
que 1, la ecuación se simplifica y se obtiene la segunda fórmula:
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛=
1 +𝑅14𝑅13
3 + 𝑗 (𝜔𝑅𝐶 −1
𝜔𝑅𝐶)
↔𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛=
1 +𝑅14𝑅13
3≥ 1
↔𝑹𝟏𝟒
𝑹𝟏𝟑≥ 𝟐
Se recomienda ajustar el valor de dichas resistencias utilizando un potenciómetro
de 10k[Ω].
Se debe obtener una frecuencia de 500[Hz], la frecuencia 𝑓𝑟 de oscilación del
sistema viene dada por
𝑓𝑟 =1
2𝜋√𝑅15 ∗ 𝑅16 ∗ 𝐶4 ∗ 𝐶5
Haciendo 𝑅15 = 𝑅16 = 𝑅 𝑦 𝐶4 = 𝐶5 = 𝐶 la expresión se simplifica a
11
𝒇𝒓 =𝟏
𝟐𝝅 ∗ 𝑹 ∗ 𝑪
Se recomienda trabajar con resistencias superiores a 1[kΩ] debido a la presencia
de amplificadores
Figura 8: Switching Transistor.
El circuito de la figura 8 tiene dos estados: OUT tendrá el valor de 0[V] cuando el
transistor se encuentre en saturación, es decir, cuando en la base hayan 12[V]. OUT
tendrá el valor de 𝑉𝑤𝑖𝑒𝑛 cuando el transistor se encuentre en corte, es decir, cuando
en la base hayan 0[mA]. Esto somete a la salida a la activación del temporizador
𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 en la entrada del amplificador U5. La función de U5 es determinar la
conmutación de 𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 e invertir su valor: cuando se active el pulso de 2 segundos
del temporizador, se tendrá 𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 = 12[𝑉], por lo que al pasar por el amplificador,
en la base se tendrán -12[V] y se tendrá la señal sinusoidal en OUT por el tiempo
que dure 𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 en 12[V] de amplitud , el cual está configurado para durar 2
segundos. 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝 permite generar la conmutación.
Las resistencias 𝑅17 𝑦 𝑅18 son de protección y permiten que se cumplan las leyes de
Kirchoff en los dos estados del transistor. Por simplicidad se asume
𝑹𝟏𝟕 = 𝑹𝟏𝟖
Tomar en cuenta que se está en presencia de amplificadores operacionales.
12
3.- Requisitos de sistema
3.1.- Requisitos funcionales Modulo 4
Los requisitos funcionales definen el comportamiento del sistema. Es decir, describen lo que debe hacer el sistema.
• Detector
RF1: La señal de entrada 𝑉𝑎𝑐𝑜𝑛𝑑 debe ser filtrada para lograr una tensión no
regulada, continua, presentando una ondulación “Ripple” adecuada.
RF2: A partir del valor de tensión del “Ripple”, generar un nivel de tensión
continuo en 12[V] y 0[V], a partir de esto, el sistema debe determinar si hay
señal de entrada o no.
• INLUM
RF3: Indicar al usuario la presencia de recepción de señal encendiendo LED
verde con nivel de tensión en Vcc . Encender LED rojo en caso contrario
cuando no se detecta señal.
• ALARMA
RF4: Generar una señal sinusoidal de 500[Hz] durante 2 segundos cada 10
segundos a partir de un nivel de tensión en “LOW” de 0[V] en 𝑉𝑂𝑢𝑡𝐷𝐸𝑇 para
comunicar al usuario la incorrecta recepción.
3.2.- Requisitos de prueba
Los requisitos de prueba son pruebas que se deben hacer sobre el sistema para determinar que se cumplan los requisitos funcionales.
• Detector
RP1: comprobar el valor OutDET 12[V] cuando hay presencia de Ripple y
0[V] cuando no lo hay.
• INLUM
RP3: Se debe medir la corriente por los LEDs tal que sea inferior a 20[mA]
cada vez que el voltaje en sus terminales permita su conducción. Medir
20[mA] en LED verde cuando hay señal de entrada, medir 20[mA] en LED
rojo cuando no hay entrada.
RP4: Comprobar el valor de la señal de salida del módulo “Detector” en 12[V]
cuando el LED verde está encendido y en 0[V] cuando el LED rojo está
encendido.
• ALARMA
13
RP5: Verificar el correcto funcionamiento del oscilador puente de Wein
midiendo Vwien, el cual genera una señal sinusoidal de amplitud Vcc y
frecuencia 500[Hz] indefinidamente.
RP6: Se debe medir un pulso de amplitud Vcc que dure prendido por 2 [s]
cada 10[s] en 𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 al ocurrir la conmutación de 12[V] a 0[V] en OutDET.
RP7: Medir el voltaje en los reset de los 555 en cada caso medir VCC cuando
esta llegando una señal de entrada y 0 [V] cuando no está llegando señal
de entrada. Para verificar el correcto funcionamiento de los 555.
RP8: Se debe medir una señal sinusoidal de salida de 500Hz con duración
de 2 segundos cada 10 segundos y comprobar que se genera cuando la
señal 𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 conmuta de 12[V] a 0[V].
14
4.- Simulaciones y Mediciones.
DETECTOR: Se utilizó 𝐶1 = 1[𝑢𝐹] 𝑦 𝑅1 = 1[𝑘Ω] con un voltaje 𝑉𝑐𝑜𝑚𝑝 = 6[𝑉].
Figura 9: Simulación módulo detector
Figura 9: Ripple de V_Det
Usando un amplificador TL072 en la fase del detector , para observar mejor si hay
presencia de ripple , se mide con el generador de señales con una onda cuadrada de menor
15
frecuencia ( con respecto a 50[Khz]) que es lo que se aprecia en la figura 9. Con una
frecuencia de 50[Khz] se observa un nivel continuo para la percepción humana.
Figura 10: Voltaje 2.8[V] cuando no se presenta señal en el detector .
Como se usa un amplificador TL072 cuando no se presenta señal en la entrada del detector
el voltaje de este amplificador cae a 2,5 [V] según datasheet , como se muestra en la figura
10 que cae alrededor de 2,8 [V] por lo cual usando el TL072 para las fases de comparación
no se puede realizar dicha comparación con un voltaje menor a 3 [V] (para no trabajar en
el caso ímite).
Observaciones: para esta fase de detección se recomienda usar el amplificador TL072 en
vez del amplificador LM324 (que es el que puede llegar a 0 [V]) ya que se requiere detectar
una señal de 50 [khz] y según los Slew rate de cada uno, del TL072 = 13 [V/µs] y LM324 =
0,3 [V/µs] es mas factible trabajar con el TL072 en la parte de mayor frecuencia y para las
fases posterior de comparación se necesita el LM324 ya que se necesita un nivel de 0 [V].
16
Figura 11: Voltaje OutDET en presencia de una señal PWM de 50kHz .
Como se observa en la figura 11 se muestra el nivel de comparación cuando hay señal de
entrada ( de alrededor 12 [V]) y cuando no se presenta señal de entrada este nivel es 0 [V]
ya que en esta fase de comparación se usa el amplificador LM324.
Figura 12: en rojo voltaje OutDet usando como señal de entrada cuadrada de 10 [HZ]
17
En la figura 12 se uso el generador de señales como entrada al detector , como una
cuadrada de 10 [V] y frecuencia 10 [Hz] como única finalidad observar que cuando hay
señal de 12 [V] se prende el led verde y cuando no hay señal (0[V]) se prende el led rojo.
INLUM: Se utilizó 𝑅4 = 𝑅5 = 600[Ω] con un voltaje 𝑉𝑋 = 6[𝑉].
Figura 13: Simulación INLUM.
ALARMA: los valores utilizados fueron 𝑅8 = 480[Ω] 𝑅9 = 10𝑘[Ω] 𝑅10 = 10𝑘[Ω] 𝑅11 = 20𝑘[Ω]
𝑅12 = 100𝑘[Ω] 𝑅13 = 5𝑘2[Ω] 𝑅14 = 10𝑘5[Ω]𝐶2 = 100[𝑢𝐹]𝐶3 = 100[𝑢𝐹] 𝐶4 = 100[𝑛𝐹] 𝐶5 =
100[𝑛𝐹] 𝑅15 = 3𝑘2[Ω] 𝑅16 = 3𝑘2[Ω] 𝑅17 = 480[Ω] 𝑅18 = 480[Ω]
Figura 14: 555 𝑒𝑛 𝑚𝑜𝑑𝑜 𝑎𝑠𝑎𝑡𝑏𝑙𝑒 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 ℎ𝑎𝑦 𝑠𝑒𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
18
Figura 15 : en azul salida de 555 astable y en rojo salida de 555 en monoestable
Como se observa en la figura 14 , es la salida del 555 en modo astable cuando no se detecta
señal se genera esta onda cuadrada de 8,7[s] en alto y alrededor de 1 [s] en bajo el cual
hace de trigger para activar el 555 en modo monoestable , que su salida es un pulso en alto
que dura 2,6 [s](como muestra la figura 15) lo cual en la fase que viene activa el puente de
wein para que pueda sonar en el parlante durante esos 2,6 [s].
Figura 16: Señal Sinusoidal puente de Wien
19
Como muestra la figura 7 del puente de wein para poder probarlo en la práctica se remplaza
la resistencia R13 por un potenciómetro multivuelta de 10 k[Ω] donde uno de los extremos
va conectado a tierra , el pin de al medio va al pin negativo del amplificador mientras que el
extremo sobrante va conectado a la resistencia R14 que tiene valor de 1k [Ω], esto es para
poder calibrar y ajustar de manera mas precisa la Gancia del puente de wein.
Figura 17: simulación con alimentación +12 y -12 en Wien.
En la figura 17 es la ultima fase de la alarma donde la salida del puente de wein va
conectado al colector de un transistor npn. La alarma se activa cuando el transistor está en
corte, es decir, cuando 𝑉𝑡𝑒𝑚𝑝 está en alto.