Práctica N11
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Electrónica Analógica II
1
Resumen—. En el presente ensayo se trata de dar a
conocer las aplicaciones de los Comparadores con Amplificadores Operacionales en configuración de comparador con referente cero, Comparador con referencia diferente de cero, Comparador con histéresis con ventana regulable. En especial en este ensayo se hace un estudio profundo de los Comparadores con Amplificadores Operacionales.
Índice de Términos — Comparadores con
Amplificadores Operacionales.
I. INTRODUCCIÓN
Un comparador analiza una señal de voltaje en una entrada
respecto a un voltaje de referencia en la otra entrada. El
amplificador operacional de propósito general se utiliza como
sustituto de los CI diseñados específicamente para
aplicaciones de comparación.
Desafortunadamente, el voltaje de salida del amplificador
operacional no cambia con mucha velocidad. Además sus
salida cambia, entre los límites fijados por los voltajes de
saturación, +Vsat y - Vsat, alrededor de ± 13 V. Por tanto, su
salida no puede alimentar dispositivos, como los CI de lógica
digital TTL, que requieren niveles de voltaje entre 0 y +5 V.
Tanto el amplificador operacional de propósito general como
el comparador no operan con propiedad si hay ruido en
cualquier entrada. Para resolver este problema, se aprenderá
como con agregar retroalimentación positiva se resuelve el
problema de ruido
II. TEMA:
Comparadores con Amplificadores Operacionales.
III. OBJETIVOS
1. Diseñar calcular y comprobar el funcionamiento del
siguiente circuito Comparadores con Amplificadores
Operacionales.
2. Comparador con referente cero.
3. Comparador con referencia diferente de cero.
4. Comparador con histéresis con ventana regulable y
referente central regulable.
5. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de
un circuito detector de cruce por cero de una onda
sinusoidal.
6. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de
un circuito generador de funciones con las tres
señales.
IV. MARCO TEÓRICO
A. Los Comparadores.
Los comparadores son circuitos no lineales que, como su
nombre indica, sirven para comparar dos señales (una
de las cuales generalmente es una tensión de referencia)
y determinar cuál de ellas es mayor o menor. La tensión
de salida tiene dos estados (binaria) y se comporta como
un convertidor analógico-digital de 1 bit. Su utilización
en las aplicaciones de generación de señal, detección,
modulación de señal, etc, es muy importante y
constituye un bloque analógico básico en muchos
circuitos.
Cuando comparan lo hacen con respecto a una referencia
y la salida puede ser un estado alto (VOH) o un estado
bajo (VOL).
Si usamos como refencia cero voltios el circuito se
comporta como un detector de cruce por cero. Asi
podemos tener:
Detector de cruce por cero (Voltaje de referencia
terminal invertente.)
)(VVi VsatVs
)(VVi VsatVs
PRÁCTICA N11
Juan Valdez.
Electrónica Analógica II
2
Detector de cruce por cero (Voltaje de referencia
terminal No invertente.)
)(VVi VsatVs
)(VVi VsatVs
B. Efectos de ruido sobre los circuitos
comparadores.
Los Amplificadores Operacionales pueden actuar como
comparadores cuando la ganancia diferencial en lazo
abierto sea alta (>10.000) y la velocidad no sea un factor
crítico. Como ejemplo, el OA 741 se comporta como un
elemento de entrada lineal si la tensión de entrada en
modo diferencia está comprendida entre los valores –
65µV<V <+65µV. Fuera de ese rango la etapa de salida
del amplificador entra en saturación y puede
comportarse como comparador.
En la figura se muestra una aplicación sencilla del OA
741 como comparador. El amplificador carece de
realimentación y en la figura también se puede observar
que siempre que Vi > VT, entonces la salida es baja, y
viceversa, si Vi < VT la salida es alta. Los límites alto y
bajo de V son establecidos por las tensiones de
alimentación; en este caso ±15V. La figura también
muestra un ejemplo del comportamiento de este circuito
a una entrada V analógica.
Aunque los OAs funcionalmente pueden actuar como
comparadores, sus limitaciones hacen que sean
inservibles para muchas aplicaciones. Tienen una
limitación en frecuencia importante, un slew-rate bajo
y unos retrasos tan elevados que únicamente son válidos
a frecuencias bajas. Además, los OAs están pensados
para actuar como amplificadores e incluyen técnicas de
compensación en frecuencia no necesarias cuando
operan como comparadores. A veces es necesario
añadir una circuitería adicional cuando los niveles de
tensión tienen que ser compatibles con TTL, ECL o
CMOS. Por estas limitaciones, se han desarrollado
comparadores monolíticos especialmente concebidos
para aplicaciones de comparación.
La función de un generador de señal es producir una
señal dependiente del tiempo con unas características
determinadas de frecuencia, amplitud y forma.
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).
C. Generador de onda triangular.
En la figura se muestra un circuito generador de onda
triangular bipolar básico. La onda triangular, VA, se
obtiene a la salida del circuito integrador 741. A la salida
del comparador 301 se presenta una señal de onda
cuadrada, VB.
El circuito integrador 741 y el circuito comparador 301
se conectan para construir un generador de onda
triangular.
D. Generador de onda cuadrada.
El siguiente circuito es un oscilador de relajación
hecho con un amplificador operacional con
realimentación positiva. La tensión en la entrada no
inversora del amplificador operacional es el
resultado de acoplar la tensión de salida a través de
un divisor de resistencias compuesto de R1 y R2.
Electrónica Analógica II
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La tensión en la entrada inversora se desarrolla como
parte de una combinación RC. Si la entrada
diferencial es positiva, la salida del amplificador
operacional se satura cerca del valor positivo de la
fuente de alimentación. Por el contrario, si la entrada
diferencial es negativa, la salida se satura cerca del
valor negativo de la fuente de alimentación.
Cuando la salida se halla en un valor positivo, el
capacitor se carga hacia este valor en forma
exponencial con una constante de tiempo RC. En
algún punto, este crecimiento en la tensión de la
entrada inversora hace que el amplificador
operacional cambie al otro estado, donde la tensión
de salida es negativa.
Entonces el capacitor empieza a descargarse hacia
este valor negativo hasta que la entrada diferencial
se vuelve negativa.
E. Generador de onda senoidad.
Las propiedades de selección de frecuencias del puente de
Wien estudiadas en la teoría son muy adecuadas para la red de
realimentación de un oscilador. El oscilador de puente de
Wien se utiliza mucho en los instrumentos de laboratorio de
frecuencia variable llamados generadores de señales.
V. LISTADO DE MATERIALES
Cantidad Descripción Precio
2 TL084CN 4.00
11 AO 741 3.85
6 Pot. 10K 2.00
Varios Capacitores 0.75
Varias Resistencias 1.00
2 Diodos 00.50
Total $11.60
VI. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
A. Comparador con referente cero no ivertente.
Diseño:
U1
OPAMP_5T_VIRTUAL
R1
1kΩ
VEE
-12V
VCC
12V
XFG1
XSC1
A B
Ext Trig+
+
_
_ + _
Cálculos:
Formas de Onda
Electrónica Analógica II
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Verificación del funcionamiento en Laboratorio:
Forma de Onda Obteni en Laboratorio
B. Comparador con referente diferente de cero.
Diseño:
Cálculos:
Formas de Onda
Forma de Onda Obteni en Laboratorio
C. Comparador con histéresis con ventana regulable y
referente central regulable.
Diseño:
Cálculos:
Formas de las Ondas
Electrónica Analógica II
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Forma de ondas obtenidas en laboratorio:
D. Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de un
circuito detector de cruce por cero de una onda sinusoidal
Diseño:
Cálculos:
Forma de Onda
Electrónica Analógica II
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Forma de onda obtenida en laboratorio:
E. Generador de funciones con las tres señales.
Diseño:
U1
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
U2
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
U3
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
U4
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
R1
10kΩ
C1
1µF
R2
100kΩ
R3
100kΩ
C2
0.1µF
R4100kΩ R5
100kΩ
R6
10Ω
Key=A
CONTROL DE FRECUENCIA
50%
U5
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
U6
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
U7
LM741CJ
3
2
4
7
6
51
VCC
12V
VEE
-12V
R7
1kΩ
R81MΩ
Key=A
AMPLITUD
50%
R9
1kΩ
R10
1kΩ
R11
1kΩ
R121kΩ
R131kΩ
R14
1MΩ
Key=A
OFFSET
50%
VDD
12V
VSS
-12V
S1
Key = Espacio
TRIANGULAR
SENOIDAD
CUADRADA
XSC1
A B
Ext Trig+
+
_
_ + _
Cálculos:
Generador de onda Cuadrada:
Generador de onda Triangular:
Vs = Vi.t / τ t * 2 = 1 / f
13.5 = 2.0,3m / τ t = 0.3 ms
τ = 44 us
C = 0.1 uF R = 898 Ω
13 = 5.4 / R.C
RC = 1.538
C = 10 uF R = 153.8 k Ω
V = (R2 / R1).Vs
12 = (R2 / R1).13
R1 = 1 kΩ R2 = 923 Ω
Generador de onda Sinusoidal:
Vs = Vi.t / τ t * 2 = 1 / f
13.5 = 2.0,3m / τ t = 0.3 ms
τ = 44 us
C = 0.1 uF R = 898 Ω
13 = 5.4 / R.C
RC = 1.538
C = 10 uF R = 153.8 k Ω
V = (R2 / R1).Vs
12 = (R2 / R1).13
R1 = 1 kΩ
Electrónica Analógica II
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Forma de Onda
Onda cuadrada
Variasion del offset
Variacion de la frecuencia
Variacion de la apliatud.
Onda seniodad
Variasion del offset
Variacion de la apliatud.
Variacion de la frecuencia
Onda triangular.
Variasion del offset
Variacion de la apliatud.
Variacion de la frecuencia
Forma de onda obtenida en laboratorio: Onda Senoidal:
Variando frecuencia y Amplitud:
Variando Amplitud, Frecuencia y Offset:
Electrónica Analógica II
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Onda Cuadrada:
Variando frecuencia y Amplitud:
Variando Amplitud, Frecuencia y Offset:
Onda Triangular:
Variando frecuencia y Amplitud:
Electrónica Analógica II
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Variando Amplitud, Frecuencia y Offset:
Combinando todas las formas de Onda Obtenemos:
VII. CONCLUSIONES
Traer todos los cálculos correspondientes para
dedicarse en el laboratorio solo a comprobar.
Traer todos los materiales correspondientes para
no pasar tiempo al momento de realizar las
prácticas.
Al realizar la práctica los valores calculados en
casa coincidieron con los valores obtenidos en el
laboratorio.
Luego de armar el circuito generador de
funciones procedimos a comprobar su
funcionamiento obteniéndose en el laboratorio a
la salida del circuito todas las señales correctas
estas son las formas de onda triangular cuadrada
y sinusoidal todas en forma correcta..
Como vimos luego de culminar con la
realización de la práctica este es un circuito muy
simple y a la vez muy útil para la comprobación
del funcionamiento de algunos circuitos
electrónicos ya que es un circuito completo que
tiene calibración de offset, amplitud y
frecuencia.
VIII. CONCLUSIONS
Bring all calculations to engage in the lab just to
check.
Bring all appropriate materials for not spending time
at the time of practice.
When making practice at home the calculated values
agreed with values obtained in the laboratory.
After assembling the circuit function generator
proceeded to test it obtained in the laboratory at the
output of all the right signals these are the triangular
waveforms sine square and all properly ..
As we saw after completing the practical realization
of this circuit is very simple but very useful for
checking the operation of some electronic circuits
since it is a complete circuit that has calibration
offset, amplitude and frequency.
REFERENCIAS
[1] http://www.lecroy.com/Applications/ProbesProbing/default.asp
[2] http://www.uv.es/gcamps/materialea/ [3] webdiee.cem.itesm.mx [4] Robert Boylestad & Louis Nashelsky, ―Teoría de circuitos
de electrónica‖, Prentice Hill, 1992