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

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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].

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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

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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].

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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]

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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

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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

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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.