GENERADOR DE SEÑALES CON LM741 - SIGNAL GENERATOR
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Este documento describe el desarrollo de un generador de señales utilizando amplificadores operacionales LM741, destacando su funcionalidad para producir señales eléctricas con características controladas como frecuencia y amplitud. Se presentan diferentes tipos de osciladores, así como un análisis de resultados indicando que, aunque se lograron las señales deseadas, la señal sinusoidal presentó imperfecciones. Además, se discute la importancia de elegir componentes adecuados en la construcción de circuitos para mejorar la precisión de los resultados.
GENERADOR DE SEÑALES CON LM741 - SIGNAL GENERATOR
- 1. Universidad Autonoma de Baja California . 1 GENERADOR DE SEÑALES CON LM741 Marcos Marcos Fernando [email protected] RESUMEN: El desarrollo de este proyecto fue el realizar un generador de señales, para poder realizarlo se recurrió a los conocimientos obtenidos durante el curso, aplicando diferentes configuraciones con Amplificadores Operacionales, algunos son los Integradores, Derivadores, etc. 2 INTRODUCCIÓN La función de un generador de señales es producir una señal dependiente del tiempo con unas características determinadas de frecuencia, amplitud y forma. Algunas veces estas características son externamente controladas a través de señales de control; el oscilador controlado por tensión es un claro ejemplo.Para ejecutar la función de los generadores de señal se emplea algún tipo de realimentación conjuntamente con dispositivos que tengan características dependientes del tiempo (normalmente condensadores).Haydos categorías de generadores de señal: osciladores sintonizados o sinusoidales y osciladores de relajación. Los osciladores sintonizados emplean un sistema que en teoría crea pares de polos conjugados exactamente en el eje imaginario para mantener de una manera sostenida una oscilación sinusoidal. Los osciladores de relajación emplean dispositivos biestables tales como conmutadores, disparadores Schmitt, puertas lógicas, comparadores y flip-flops que repetidamente cargan ydescargan condensadores. Las formas de onda típicas que se obtienes con este último método son del tipo triangular, cuadrada, exponencial o de pulso. 3 TEORIA Generador de señales. El generador de señales es uno de los instrumentos de laboratorio más útiles. Su función es producir señales eléctricas a las cuales se les puede modificar algunos parámetros como amplitud, frecuencia, ciclo útil, etc. Lo que permite hacer pruebas de equipos, análisis de circuito y en general, una gran cantidad de experimentos y pruebas tanto a nivel académico, como de mantenimiento de aparatos electrónicos. Aspectos generales. Los generadores son instrumentos que producen señales de prueba para ser aplicadas a los circuitos que ensamblamos con el fin de determinar su buen funcionamiento. También pueden ser muy útiles en la reparación de aparatos de audio como amplificadores, grabadoras y equipos de sonido en general. Los más comunes son los generadores en la escala de señales llamadas “de audio” o sea 0 y 100 kHz. Generalmente, producen señales con forma de onda seno, triangular, cuadrada y algunas veces en forma de diente de sierra. Estos instrumentos se utilizan para entregar o inyectar diferentes tipos de señal a los circuitos electrónicos, ya sean prototipos, de producción industrial, o a circuitos que requieran reparación. Esta señal debe ser entonces escuchada,observada,medida o analizada por algún otro medio para determinar si el aparato bajo prueba o análisis está trabajando bien. En otras palabras, los generadores de señal permiten simular, de una manera fácil y precisa, las señales reales que se procesan en los diferentes aparatos electrónicos. Este proceso, en forma general, se representa en la figura 1. Figura 1. Procedimiento utilizado para probar aparatos electrónicos con un generador de señales. Tipos de generadores de señal. Los generadores de señal se clasifican según las señales que producen, la frecuencia de las mismas, su construcción y por algunas características especiales que les incorporan sus fabricantes. Es tan amplio el espectro, que podemos encontrar desde un generador de onda cuadrada que nosotros mismos podemos fabricar con dos transistores, unas cuantos resistencias y condensadores, hasta sofisticados generadores programables con microprocesador, interface para computadora, teclado y pantalla,entre otros. En la figura 2 tenemos una muestra de algunos de estos modelos de generadores. Figura 2. En el mercado se encuentran generadores de señal de diferentes clases. Parámetros de los generadores. Es importante, al tratar este tema, conocer o repasar algunos conceptos básicos yla terminología que se utiliza para describir las funciones ycaracterísticas de los generadores de señal.Se dice que son generadores de señal por que producen una corriente eléctrica o electrónica que tiene una forma de onda variable o corriente alterna con características definidas. Las principales características que tiene una señal son la forma de onda, la frecuencia y la amplitud. La
- 2. Universidad Autonoma de Baja California . 2 forma de onda, como su nombre lo indica, tiene que ver con la forma geométrica que tiene la señal y son las más comunes en electrónica la forma seno o sinusoidal. La onda cuadrada, los pulsos, la onda triangular, la onda diente de sierra y las ondas de forma compleja que resultan de la combinación de varias señales o de algún proceso dentro de un circuito; en la figura 3 tenemos la representación de estas forma de onda. Figura 3. Los generadores de señales pueden entregar diferentes tipos de onda, en la figura se muestran las más comunes. 4 DESARROLLO Los siguientes componentes son necesarios para armar el generador de señales. - 3Resistencias de 1MΩ - 1 Potenciómetro de 10kΩ - 4Capacitores de1pF - 3 LM741 (Amplificador operacional) - Cables para conexión - Protoboard - 2 Pares Cable banana-caimán - 2 Punta de Osciloscopio - 1 Fuente de Voltaje - 1 Osciloscopio - Cables de conexión Procedimiento Figura 4. Generador de Señales El circuito que se armóestá conformado por tres etapas, la primera etapa es de un oscilador de relajación, de la cual obtenemos la señal cuadrada, la cual se puede observar en las figura 5 y 6. Figura 5.Señal cuadrada obtenida del Oscilador de relajación. Figura 6. Señal cuadrada La señal obtenida de nuestro circuito oscilador de relación,es pasada por una segunda etapa,que es la de integración,de esta manera la señal cuadrada obtenida pasa a la salida de este circuito como una señal diente de sierra,las cuales se pueden observan en las figuras 7 y 8.
- 3. Universidad Autonoma de Baja California . 3 Figura 7. Señal obtenida de la segunda etapa, integrando la señal cuadrada. Figura 8. Onda diente de Sierra Para poder obtener la señal sinusoidal, la señal obtenida de primer circuito integrador (de la cual se obtuvo la señal diente de sierra),se hace pasar la señal diente de sierra por una etapa de integración nuevamente, los resultados pueden observarse en la siguientes figuras (Figura 9 y 10). Figura 9. Señal obtenida de la segunda etapa de integración. Figura 10. Señal de onda Sinusoidal. 5 ANALISIS DE RESULTADOS 5.1 Discusión de la precisión y exactitud de las mediciones. Se obtuvieron buenos resultados del circuito, la señal cuadrada fue perfecta, igualmente la señal diente de sierra, el único detalle que surgió fue por la señal sinusoidal, esta no fue perfecta y se puede observar en la Figura 10. 5.2 Análisis de los posibles errores de medición. El generador de señales se realizó con Amplificadores Operacionales LM741, la aplicación de este tipo de integrado nos muy apto para este tipo de proyectos, por ello los resultados obtenidos no fueron totalmente aceptables, además de los componente utilizados (Tomando en cuenta que tiene tolerancias que no son tomadas en cuenta al momento de diseñar un circuito). 5.3 Descripción de cualquier resultado anormal. Las tres señales que se pretendían obtener fueron la cuadrada,diente de sierra y la sinusoidal y se tuvieron solamente problemas con la última, la cual fue un tanto imperfecta. 5.4 Interpretación de los resultados Se obtuvieron los resultados que se pretendían alcanzar, con una pequeña cantidad de imperfecciones, con lo cual hemos aprendido que tenemos que saber elegir los componentes aptos al momento de armar un proyecto.
- 4. Universidad Autonoma de Baja California . 4 6 APENDICE Integrador Ideal Figura 11.Circuito Integrador Integra e invierte la señal (Vin y Vout son funciones dependiente del tiempo) 𝑉𝑜𝑢𝑡 = ∫ − 𝑉𝑖𝑛 𝑅𝐶 𝑑𝑡 + 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑡 0 𝑉𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑜𝑟𝑖𝑔𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 (𝑡 = 0) Este circuito también se usa como filtro. Oscilador Este circuito de relajación es un oscilador de histéresis, llamado así por la histéresis creada por el bucle de realimentación positiva implementado con el comparador. Un circuito que implementa esta forma de conmutación histérico, se conoce como disparador Schmitt. Él solo es un Multivibrador Biestable. Sin embargo, la lenta realimentación negativa añadida al disparador por el circuito RC, hace que el circuito oscile de forma automática. Es decir, la suma del circuito RC convierte el multivibrador biestablehistérico, en un Circuito Multivibrador Astable. En este circuito, cuando la tensión en el condensador alcanza cada umbral (V+ o V-), la fuente de carga cambia su valor de la fuente de alimentación positiva (VDD) a la fuente de alimentación negativa (VSS), o viceversa. Para resolver el circuito de una manera más sencilla, se utilizan resistencias del mismo valor, es decir, R1=R2=R3=R. Por lo tanto, V+ se establece por Vout a través de un divisor de tensión resistivo: 𝑉+ = 𝑉𝑜𝑢𝑡 2 V- se obtiene utilizando la Ley de Ohm y la ecuación diferencial del condensador: 𝑉𝑜𝑢𝑡 − 𝑉− 𝑅 = 𝐶 ∗ 𝑑𝑉− 𝑑𝑡 Reorganizando la ecuación diferencial de V- de una forma estándar, se consigue lo siguiente: 𝑑𝑉− 𝑑𝑡 + 𝑉− 𝑅𝐶 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅𝐶 Observe que hay dos soluciones a la ecuación diferencial, la solución particular o la solución homogénea. Resolviendo para la solución particular, la solución es una constante. En otras palabras, V-=A, donde A es una constante, y dV-/dt=0. 𝑑𝑉− 𝑑𝑡 = 𝑉− 𝑅𝐶 𝐴 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 Se utiliza la transformada de Laplace para resolver la siguiente ecuación homogénea: 𝑑𝑉− 𝑑𝑡 + 𝑉− 𝑅𝐶 = 0 Y el resultado es: 𝑉− = 𝐵𝑒 −1 𝑅𝐶 𝑡 V- es la suma de la solución particular y la homogénea: 𝑉− = 𝐴 + 𝐵𝑒 −1 𝑅𝐶 𝑡 𝑉− = 𝑉𝑜𝑢𝑡 + 𝐵𝑒 −1 𝑅𝐶 𝑡 Despejar B requiere la evaluación de las condiciones iniciales. En el t=0, Vout=VDD y V-=0. Sustituyendo estas condiciones iniciales en la ecuación anterior: 0 = 𝑉𝐷𝐷 + 𝐵 𝐵 = −𝑉𝐷𝐷 Frecuencia de Oscilación 𝑓 = 1 2 ln(3)𝑅𝐶 7 CONCLUSION La aplicación de circuitos Osciladores e integradores hicieron posible el desarrollo de este proyectos, con el desarrollo de esta práctica nos fue posible comprender y tener una idea de las diferentes etapas que tienen los generadores de señales que utilizamos en clases, porque generalmente las utilizábamos pero no sabíamos cómo es que se generaban las señales, y ahora hemos podido saber cómo funcionan y las características que tiene un generador de señales. 8 BIBLIOGRAFIA http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/generador.h tm http://daqcircuitos.net/index.php/generadores-de- senales/generador-de-onda-cuadrada/94-generador-de- onda-cuadrada