Diseño de prácticas de laboratorio reales de temas de mediciones electrónicas para la Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Diseño de prácticas de laboratorio reales de temas de Mediciones Electrónicas para la Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica” Autor: Camilo Alejandro Manso Almaguer. Tutor: Ing. Osmar Gómez César. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Diseño de prácticas de laboratorio reales de temas de Mediciones Electrónicas para la Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica” Autor: Camilo Alejandro Manso Almaguer E-mail: [email protected]. Tutor: Ing. Osmar Gómez César E-mail: [email protected]. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad.. ____________________ Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. ___________________ Firma del Tutor. _____________________. ________________________. Firma del Jefe de Departamento. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. La vida es muy peligrosa. No por las personas que hacen el mal, sino por las que se sientan a ver lo que pasa. Albert Einstein..

(5) ii. DEDICATORIA. A mis padres, Alberto y Pilar, quienes me han apoyado incansablemente en este empeño y cuyo sacrificio constituye mi mayor fuente de inspiración para alcanzar mis sueños. A mi hermano, Frank, que ha sido la luz a seguir toda mi vida, guiándome por el camino correcto..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres Alberto y Pilar que han dedicado todo su amor y esfuerzo en mi formación como profesional; por ser ejemplo de sacrificio, constancia y fuente de inspiración en el logro de mis metas. A mi hermano Frank por apoyarme en todo momento y guiarme por el camino correcto. A mis amigos que siempre estuvieron presente en malos y buenos momentos, que me apoyaron en momentos difíciles: Coca, Rolo, Bejuco, Soca, Omarito, Albert, Julio, Oscar, Rigo, Yordani, Leo, Edgar, Tyto, Taira, Majagua y en especial al Gallego que ha sido mi compañero y hermano durante muchos años. A Nidia y Liarenis que estuvieron a mi lado y me apoyaron durante todos estos años en momentos muy difíciles. A Betty y su piquete del comedor que fueron incondicionales conmigo. A Juanita por su ayuda desinteresada durante este tiempo. A Osmar por su constante ayuda en estos años y durante la realización de la tesis. A todos mis profesores que contribuyeron en mi formación profesional..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. Para lograr la confección del presente trabajo y alcanzar los resultados esperados, se desarrollaron las tareas técnicas siguientes: . Realización de una revisión bibliográfica de las principales tendencias relacionadas con la enseñanza de las Mediciones Electrónicas en el mundo.. . El diagnóstico de las condiciones actuales del laboratorio 308 de la FIE.. . Diseño de las prácticas de laboratorio reales.. . La caracterización de las prácticas de laboratorio reales existentes y diseñadas.. . Elaboración del informe final del Trabajo de Diploma.. __________________. _________________. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. La Instrumentación Electrónica es una técnica que se ocupa de la medición de cualquier tipo de magnitud física, de su conversión a magnitudes eléctricas y de su tratamiento para proporcionar información para un sistema de control o una persona. La presente investigación se dedica al diseño de prácticas de laboratorio reales sobre temas de Mediciones Electrónicas para la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. Para ello, se identificaron tendencias relacionadas con la enseñanza de la Instrumentación Electrónica en diferentes universidades del mundo. También se realizó el diagnóstico de las condiciones actuales del laboratorio 308 de la FIE. Además, se diseñaron cuatro prácticas de laboratorio reales que contienen ejercicios de aplicaciones de sensores: termistor, LED y otros, que incluyen etapas de acondicionamiento con amplificadores de instrumentación; y se compararon los resultados obtenidos en estas con las prácticas existentes. Como resultado de la investigación se demostró que con el multímetro digital RIGOL DM3058 se obtiene una mayor exactitud en las mediciones con respecto a los antiguos instrumentos; que los valores obtenidos en el laboratorio se corresponden con los obtenidos en las simulaciones en Proteus y presentados por el fabricante en las hojas de datos..

(9) vi ÍNDICE. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA. INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA ............................................................................. 7 1.1 Enseñanza de la Instrumentación Electrónica en universidades del mundo ................. 7 1.2 Herramientas de software empleadas en la enseñanza de la Instrumentación Electrónica ........................................................................................................................ 14 1.2.1 MATLAB............................................................................................................. 15 1.2.2 PROTEUS ............................................................................................................ 16 1.2.3 OrCAD ................................................................................................................. 17 1.2.4 LabView............................................................................................................... 18 1.3 Conclusiones parciales ................................................................................................ 19 CAPÍTULO 2.. RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES. DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS............................................................ 20 2.1 Diagnóstico general del laboratorio 308 de la FIE ..................................................... 20 2.1.1 Equipamiento del laboratorio 308........................................................................ 21 2.1.2 Maleta .................................................................................................................. 23 2.1.3 Sensores ............................................................................................................... 24 2.1.4 Convertidor analógico/digital .............................................................................. 25.

(10) vii 2.1.5 Amplificadores Operacionales ............................................................................. 25 2.2 Ejemplos de aplicaciones del uso de estos componentes ........................................... 26 2.2.1 Aplicaciones con sensores ................................................................................... 26 2.2.2 Aplicaciones con convertidores analógicos/digitales .......................................... 28 2.2.3 Aplicaciones con amplificadores operacionales .................................................. 29 2.3 Conclusiones parciales ................................................................................................ 33 CAPÍTULO 3.. PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE. MEDICIONES ELECTRÓNICAS ....................................................................................... 34 3.1 Características de las prácticas de laboratorio reales existentes ................................. 34 3.2 Características de las prácticas de laboratorio reales diseñadas ................................. 36 3.3 Análisis de los resultados obtenidos en el montaje de los laboratorios ...................... 37 3.3.1 Resultados de la práctica de laboratorio real 1 .................................................... 37 3.3.2 Resultados de la práctica de laboratorio real 2 .................................................... 40 3.3.3 Resultados de la práctica de laboratorio real 3 .................................................... 41 3.3.4 Resultados de la práctica de laboratorio real 4 .................................................... 43 3.4 Conclusiones parciales ................................................................................................ 46 CONCLUSIONES ................................................................................................................ 47 RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 49 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 50 ANEXOS .............................................................................................................................. 54 Anexo 1. Datasheet del sensor AD22103. ...................................................................... 54. Anexo 2. Datasheet del sensor AD592. .......................................................................... 55. Anexo 3. Datasheet del sensor ADXL327. .................................................................... 56. Anexo 4. Datasheet del sensor SHT71. .......................................................................... 57. Anexo 5. Datasheet del sensor TMP01. ......................................................................... 58.

(11) viii Anexo 6. Datasheet del sensor LM35............................................................................. 59. Anexo 7. Datasheet del sensor ADXL330. .................................................................... 60. Anexo 8. Datasheet del convertidor ADC0808CCN. ..................................................... 61. Anexo 9. Datasheet del amplificador AD820................................................................. 62. Anexo 10 Datasheet del amplificador LM741. ............................................................... 63 Anexo 11 Datasheet del amplificador LM339. ............................................................... 64 Anexo 12 Datasheet del amplificador AD8542. ............................................................. 65 Anexo 13 Datasheet del amplificador TL082. ................................................................ 66 Anexo 14 Datasheet del amplificador OP27................................................................... 67 Anexo 15 Datasheet del amplificador OP482................................................................. 68 Anexo 16 Datasheet del amplificador INA114............................................................... 69 Anexo 17 Datasheet del amplificador TL084. ................................................................ 70 Anexo 18 Datasheet del amplificador L297. .................................................................. 71 Anexo 19 Datasheet del amplificador OP37................................................................... 72 Anexo 20 Práctica de laboratorio real 1.......................................................................... 73 Anexo 21 Práctica de laboratorio real 2.......................................................................... 77 Anexo 22 Práctica de laboratorio real 3.......................................................................... 79 Anexo 23 Práctica de laboratorio real 4.......................................................................... 82.

(12) INTRODUCCIÓN. En todas las ramas de las Ciencias Técnicas, se han obtenido importantes logros con la ayuda de las mediciones. Las mediciones de temperatura, presión, humedad, flujo, nivel, etc., han posibilitado el grado de desarrollo actual de la industria y el incremento, tanto de la productividad, como de la calidad de los productos[1]. En el campo de la Electrónica, las Mediciones Electrónicas se reflejan en la Instrumentación electrónica, técnica que se ocupa de la medición de cualquier tipo de magnitud física, de su conversión a magnitudes eléctricas y de su tratamiento para proporcionar información para un sistema de control o una persona. En esta técnica se diseña un sistema de medida electrónico, es decir, cuando se usa un sensor y se procesa la información proveniente de variables tanto físicas como químicas, a partir de las cuales se realiza la visualización y control de los procesos, empleando dispositivos electrónicos[2]. Las Mediciones Electrónicas se han desarrollado en todas las ramas de la ciencia, por ejemplo: se implementan en la medicina con la adquisición de datos para equipos médicos mediante microprocesadores, PICs y PC embebida (embedded); a través de sistemas basados en Radiofrecuencia, Bluetooth, ZigBee, Sistema Global para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile communications, GSM), Servicio General de paquetes vía radio (General Packet Radio Service, GPRS) y Sistema Universal de Telecomunicaciones Móviles (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS). También se desarrollan dispositivos de monitorización de señales vitales, el cual consiste en un dispositivo modular multiparamétrico diseñado para su uso en entornos fijos y móviles, con capacidad para conectarse a una red por medio de diversos dispositivos. Se desarrollan sistemas de visualización y control de equipos médicos compuestos por una pantalla y su placa de control.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. capaz de mostrar los diferentes parámetros de un equipo de respiración mediante una interfaz gráfica de usuario[3]. Existen otras aplicaciones de medición electrónica que han aparecido en el mercado a partir de la utilización en forma masiva de teléfonos inteligentes o tabletas del tipo iPad, por ejemplo: Redfish Instruments ha desarrollado un multímetro digital inalámbrico que se compone de una unidad de hardware controlada por un iPhone/ iPad, que proporciona la interfaz de usuario donde simula ser un multímetro tradicional y en la que se puede apreciar la gran llave selectora rotativa de funciones que permite medir tensión, corriente y resistencia. Brinda estadísticas de mínimos y máximos, retención del registro de datos, trazador de curvas de medición, ofrece la posibilidad de enviar las lecturas, o datos obtenidos, mediante correo electrónico, subirlos a una web y como funcionalidad curiosa incluye un sistema capaz de reproducir en audio hablado los valores registrados durante la medición[4]. La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema de adquisición de datos consiste de sensores, hardware de medidas y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable[5]. En la Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas (UCLV) se han llevado a cabo investigaciones sobre las Mediciones Electrónicas en las carreras de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica y en Ingeniería Eléctrica con tesis de grado como: "Actividades prácticas para la asignatura Mediciones Electrónicas" de Damián Aguilar Salazar defendida en el 2013, donde se propone un sistema de prácticas de laboratorios reales y simulados para la asignatura de Mediciones Electrónicas y "Confección de un manual de consulta y ejercitación para la asignatura Mediciones Electrónicas" de Antonio Tella López defendida en el 2011, donde se confecciona un manual de consulta y ejercitación que permite facilitar el estudio de la asignatura Mediciones Electrónicas con el uso de las TIC. La asignatura Mediciones Electrónicas se imparte en el tercer año, segundo semestre, de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE) de la UCLV. Esta asignatura consta de 48 horas distribuidas en: siete.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. conferencias, siete clases prácticas, dos seminarios, tres laboratorios reales, dos laboratorios simulados y tres evaluaciones parciales. La asignatura posee como evaluación final una tarea integradora en el cual se realiza el diseño de un SAD correspondiente a un sistema de medición electrónico. En el tema 1 se imparten los conceptos generales aplicados en las mediciones electrónicas, los principios de trabajo y diseño de los instrumentos de medición analógicos más utilizados: voltímetro, amperímetro, óhmetro, osciloscopio e instrumentos digitales de medición; en el tema 2 se analizan las variables físicas más comunes que son medidas, los métodos y principios utilizados en la medición de temperatura, presión, iluminación, los tipos de ruido que afectan las mediciones y el diseño de sistemas de mediano nivel de complejidad con elementos primarios de medición. En el tema 3 se dedica al estudio de los amplificadores de instrumentación (AI), amplificadores de aislamiento, multiplexores analógicos, circuitos de muestreo y retención (sample and hold, S/H), elementos que junto a los elementos primarios de medición o sensores forman la etapa de adquisición de datos. Durante cursos anteriores ha existido poca motivación de los estudiantes que cursan la asignatura debido a las siguientes razones: . pobre interrelación de la asignatura con otras de la disciplina de Electrónica.. Solo el curso pasado se preparó una tarea integradora que consistió en el diseño de un canal de medición utilizando conocimientos abordados en las asignaturas de Electrónica Analógica III, Microprocesadores I y Mediciones Electrónicas que incluía el diseño de filtros, uso de reguladores integrados, microcontrolador 8051, aplicaciones con circuito integrado 555, osciladores; mientras en cursos previos esta tarea consistía en el diseño de un Sistema de Adquisición de Datos (SAD) con componentes solo abordados en esta asignatura. . los estudiantes de la ingeniería poseen pocos conocimientos de la herramienta de simulación Proteus.. Los estudiantes de tercer año de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica no han empleado esta herramienta de software antes de recibir esta asignatura, por lo que la familiarización con Proteus se realiza durante el primer laboratorio de la asignatura, limitando el aprovechamiento máximo de esta actividad. . la asignatura contiene solo tres prácticas de laboratorio real..

(15) INTRODUCCIÓN. 4. En la primera y la segunda prácticas para poder realizar el montaje del diseño de los instrumentos de medición: amperímetro, voltímetro y óhmetros analógicos mediante mecanismo de d’ Arsonval es necesario utilizar el multímetro analógico existente en el laboratorio lo cual afecta las mediciones en el diseño obtenido debido a que se tiene en cuenta la impedancia interna de este instrumento; mientras que en la tercera práctica, dedicada a la medición de temperatura con termorresistencias (Resistor temperature Detector, RTD), y termopares, únicos sensores existentes en la facultad, se desarrolla en el local 211 donde solo se dispone de un solo puesto de trabajo para efectuar la medición, para una extensa matrícula de la ingeniería que alcanza más de 50 estudiantes en el año, lo cual limita el desempeño de los estudiantes y su evaluación en la práctica. . en las clases prácticas se abordan ejercicios de diseño de circuitos con sensores para medir deformación, temperatura e intensidad luminosa.. Pero no se verifica su funcionamiento a través del montaje real en prácticas de laboratorio debido a que en el presente curso escolar se recibieron en la FIE nuevos componentes: sensores. de humedad, intensidad luminosa, amplificadores. de instrumentación,. amplificadores operacionales y otros, necesarios para poder realizar prácticas de laboratorio reales. La presente investigación será de gran importancia para la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y por ende para el departamento de Telecomunicaciones y Electrónica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica, desde el punto de vista teórico y práctico, así como para aquellas personas que se incentiven a indagar en el tema, dado que se realizará el diseño de prácticas de laboratorio reales de temas de Mediciones Electrónicas. Tomando en consideración las razones anteriormente expuestas, se plantea el siguiente problema de investigación: ¿Cómo contribuir al acercamiento de temas de Mediciones Electrónicas en la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica de acuerdo a las capacidades materiales disponibles actualmente en los laboratorios? Esta investigación tiene como objeto de estudio las Mediciones Electrónicas y el campo de estudio lo constituyen las prácticas de laboratorio reales..

(16) INTRODUCCIÓN. 5. Para dar cumplimiento al problema de investigación, se propone el siguiente objetivo general: Diseñar prácticas de laboratorio reales sobre temas de Mediciones Electrónicas para la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. Para resolver el problema de investigación y dar cumplimiento al objetivo general, se plantean los siguientes objetivos específicos: . Identificar tendencias relacionadas con la enseñanza de las Mediciones Electrónicas.. . Diagnosticar las condiciones actuales del laboratorio 308 de la FIE.. . Caracterizar las prácticas de laboratorio reales diseñadas.. . Comparar los resultados de las prácticas de laboratorio diseñadas con las existentes desde el punto de vista real y simulado.. De los objetivos específicos propuestos, surgen las siguientes interrogantes científicas, a las cuales se les dan respuestas en el desarrollo de la investigación: . ¿Cuáles son las principales tendencias relacionadas con la enseñanza de. las. Mediciones Electrónicas en el mundo? . ¿Cuáles son las condiciones actuales del laboratorio 308 de la FIE?. . ¿Qué características poseen las prácticas de laboratorio reales diseñadas?. . ¿Cómo comparar los resultados de ejercicios de las prácticas de laboratorio con las existentes?. Para cumplir los objetivos establecidos, el informe de la investigación se estructuró en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el capítulo 1 se exponen las principales tendencias relacionadas con la enseñanza de la Instrumentación Electrónica en universidades del mundo y las principales herramientas de software empleadas en ella. En el capítulo 2 se lleva a cabo el diagnóstico general del laboratorio 308 destinado a los estudiantes de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica en cuanto a sus equipos y componentes disponibles. También se realiza un estudio de las principales aplicaciones que se desarrollan con estos componentes en el mundo..

(17) INTRODUCCIÓN. 6. En el capítulo 3 se describen las prácticas de laboratorio reales de Mediciones Electrónicas existentes hasta el curso pasado, posteriormente se comparan las nuevas prácticas de laboratorio diseñadas con respecto a estas, destacando sus principales ventajas y se realiza el análisis de los resultados del montaje real de ambas prácticas..

(18) CAPÍTULO 1.. TENDENCIAS ENSEÑANZA. RELACIONADAS DE. LA. CON. LA. INSTRUMENTACIÓN. ELECTRÓNICA. Los avances tecnológicos de los últimos años han abierto posibilidades para cambiar la estructura rígida de los laboratorios tradicionales por una estructura flexible que se apoya en las computadoras, circuitos de acondicionamiento, hardware de adquisición de datos y software. Constituyen todos estos elementos la plataforma sobre la cual se desarrolla la Instrumentación electrónica actual[6]. En el siguiente capítulo se exponen las principales tendencias relacionadas con la enseñanza de la Instrumentación Electrónica en universidades del mundo y las principales herramientas de software empleadas en ella. 1.1 Enseñanza de la Instrumentación Electrónica en universidades del mundo La vinculación de la educación con la tecnología ha ampliado las oportunidades para transformar y mejorar los procesos de enseñanza y aprendizaje. En la enseñanza de la ingeniería, especialmente en el área de laboratorios, el problema de la rapidez del cambio tecnológico adquiere especial relevancia[6]. A continuación se ejemplifican las principales tendencias relacionadas con la enseñanza de la Instrumentación Electrónica en algunas universidades del mundo, donde se observa la incorporación de estos cambios como apoyo a esta enseñanza. Es de gran importancia resaltar que la asignatura Mediciones Electrónicas es tratada en la mayor parte de las universidades del mundo como Instrumentación Electrónica..

(19) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 8. En la Universidad de Almería, España, la Instrumentación Electrónica es una asignatura obligatoria que se estudia en el primer cuatrimestre del cuarto año de la Ingeniería en Electrónica Industrial. Esta también se estudia en las carreras de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Química Industrial. La asignatura consta de 150 horas clases repartidas en 45 horas presenciales del estudiante y 105 horas no presenciales. Se imparten 7 temas en la asignatura: . Tema 1: Introducción a los Sistemas Electrónicos de Medida.. . Tema 2: Muestreo de señales.. . Tema 3: Conversión A/D y D/A.. . Tema 4: Acondicionadores de señal.. . Tema 5: Sensores y transductores.. . Tema 6: Sistemas de Adquisición de Datos.. . Tema 7: Instrumentación electrónica distribuida.. Las actividades prácticas se realizan a través de cuatro laboratorios de los temas: "Instrumentos de medida de precisión, amplificadores y analizadores de redes", "Desarrollo de un medidor de temperatura con Pt100", "Desarrollo de un medidor de conductividad en líquidos" y "Desarrollo de un amplificador de electrocardiografía". Se debe resaltar que los laboratorios se realizan online y es obligatoria su participación. El alumno debe superar una prueba escrita o examen final que constituye el 70% de la calificación final y, que se compone de dos partes, teniendo que alcanzar en ambas una calificación mínima: un cuestionario tipo test de carácter teórico y fundamental, y un desarrollo de cuestiones sobre problemas prácticos relacionado con el contenido del curso. El 30% restante se basa en la evaluación continua de la labor del estudiante, teniendo en cuenta aspectos como: la elaboración de una serie de ejercicios planteados en cada una de las unidades docentes, sobre los aspectos fundamentales de dicha unidad y que el alumno debe remitir al profesor, en un determinado plazo; la realización de prácticas de laboratorio donde el alumno pone en práctica los conocimientos que va adquiriendo en cada módulo de la parte teórica; la participación activa en las sesiones presenciales así como en los foros de debate que posee la asignatura; la asistencia y comportamiento del alumno en las sesiones presenciales de teoría y prácticas[7]. En la Universidad de Alcalá, la Instrumentación Electrónica es una asignatura obligatoria que se estudia en el primer cuatrimestre del tercer año del Grado de Ingeniería Electrónica.

(20) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 9. de Comunicaciones (GIEC). La asignatura aborda los conceptos relacionados con los instrumentos de medida electrónicos, tanto los relativos a su uso como a su caracterización y diseño. Se analizan las diferentes estructuras de dichos sistemas, métodos de calibración y el cálculo de incertidumbre. Se estudian diferentes sensores, así como los circuitos electrónicos necesarios para extraer y acondicionar la información captada por estos. Para el buen aprovechamiento de la asignatura es necesario que el alumno disponga de los conocimientos previos y competencias adquiridas en las asignaturas de teoría y análisis de circuitos, así como las referentes a electrónica. Se imparten 3 temas: . Tema 1: Introducción a los Sistemas de Instrumentación (9 horas).. . Tema 2: Sensores (7 horas).. . Tema 3: Circuitos para el acondicionamiento de señales y sensores (18 horas).. Los laboratorios son sobre electrónica de medida donde el alumno tiene que diseñar y caracterizar diferentes circuitos, así como utilizar y programar una tarjeta de adquisición de datos usando la herramienta de simulación LabView. La evaluación final consiste en la realización de las prácticas de laboratorio, dos pruebas parciales, diferentes pruebas escritas de la materia impartida durante el curso y un examen final[8]. En la Universidad de Sevilla, España, la Instrumentación Electrónica es una asignatura obligatoria que se imparte en el segundo cuatrimestre de tercer año en la Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica (UMA-US). La asignatura consta de una parte teórica donde se abordan temas como transductores, acondicionamiento de señal, ruido e interferencia en Instrumentación electrónica y una parte práctica con laboratorios de cada una de las etapas características en un instrumento electrónico y laboratorios con Smart Sensors. Las clases teóricas se reparten en 32 horas presenciales y 48 horas no presenciales y consiste en clases magistrales en las que se explican los contenidos teóricos de la asignatura y, de forma complementaria, se proponen problemas para que los alumnos los desarrollen; y las prácticas de laboratorio en 15 horas presenciales y 10 no presenciales, donde el alumno aplica los conceptos dados en la teoría y para ello tiene que realizar una labor previa de reforzamiento de los conceptos que se aplicarán. Durante las prácticas, el alumno tiene que aplicar los conocimientos previos en el entorno de laboratorio con equipos de Instrumentación. También se desarrollan tutorías colectivas de contenido programado donde.

(21) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 10. el profesor resuelve las dudas conceptuales de los alumnos relacionadas con la asignatura. Para ello el alumno realiza una labor previa de preparación en la que evalúa sus conocimientos para pedir la ayuda necesaria en los puntos correspondientes. El alumno realiza un trabajo acerca de un tema relacionado con los contenidos de la asignatura a fin de profundizar en aspectos de ésta que considere interesantes desde el punto de vista profesional. El alumno expondrá el trabajo en clase. El sistema de evaluación consta de evaluaciones continuas mediante pruebas escritas, un examen final teórico-práctico, el seguimiento del trabajo de investigación y el seguimiento de las prácticas de laboratorio[9]. En el Laboratorio de Instrumentación Electrónica de la Universidad de Sevilla, en el quinto año de Ingeniería en Telecomunicaciones se desarrolla un proyecto en el cual se diseña un sistema de seguridad vehicular mediante una maqueta de un vehículo a escala al que se le incorporan diversos elementos como sensores que detectan los eventos producidos (como detección de impactos sobre el vehículo, detección de elevación del mismo, presencia de algún intruso en el interior del habitáculo), procesando dicha información capturada a través de la adaptación sensor-microcontrolador y actuando según el estado del sistema de seguridad que puede activarse o desactivarse vía teléfono móvil y mediante consola de teclado alfanumérico presente en el propio vehículo. En caso de detección de un evento y activación del sistema de seguridad entra en funcionamiento el microcontrolador activando el protocolo de envío de un SMS (Short Message Service) al usuario predefinido[10]. En la Universidad Nacional Experimental del Táchira, Venezuela, la Instrumentación Electrónica está ubicada en el décimo semestre. Esta asignatura se orienta a la formación del futuro ingeniero en el diseño de sistemas de medición por medios electrónicos. Como una de las asignaciones principales los estudiantes deben desarrollar un proyecto en el cual seleccionan el sensor, diseñan su circuito de acondicionamiento, el hardware de adquisición de datos y la aplicación en la computadora, utilizando el software LabView para realizar la medición y análisis de la señal física como: temperatura, velocidad, presión, nivel, flujo, desplazamiento. También se imparte la asignatura "Laboratorio de instrumentación electrónica", la cual se cursa en el décimo semestre. Aquí los estudiantes diseñan instrumentos virtuales en el computador utilizando el software LabView, para desarrollar experiencias con circuitos electrónicos en el laboratorio. Entre ellas se destacan la medición de señales analógicas usando las diferentes técnicas de adquisición de datos, generación de.

(22) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 11. señales analógicas a través del computador, determinación de las constantes de tiempo en un circuito resistivo capacitivo (RC) y determinación de las curvas características de transistores[6]. En la Universidad Politécnica de Cartagena, España, la asignatura "Instrumentación electrónica I" fue sustituida por la asignatura "Tecnología Electrónica", la cual se cursa en el primer año de la carrera, en el segundo cuatrimestre, y tiene asignadas semanalmente 3 horas de teoría y 3 horas de prácticas. En el laboratorio de Tecnología Electrónica se disponen de 12 puestos de trabajo, lo que permite realizar grupos pequeños ya que son ocupados por solo dos alumnos. Cada puesto está formado por un osciloscopio analógico, un generador de señales y una fuente de alimentación. A cada uno de los puestos se le ha asignado un casillero en el cual el alumno guarda el polímetro digital, las sondas del osciloscopio, los cables de alimentación y demás herramientas necesarias. Además al comienzo de la práctica se les proporciona los componentes que van a utilizar en ella y una placa board para realizar el montaje. Para la realización de las prácticas los alumnos disponen del libro “Prácticas de Laboratorio de Tecnología Electrónica”, que ha sido elaborado, tras varios años de experiencia docente, por los profesores que imparten esta asignatura. Con este libro se pretende que el alumno disponga del material necesario tanto a la hora de realizar las prácticas como posteriormente cuando deba estudiar para su examen. Cada una de las prácticas está a su vez dividida en tres apartados: . Un primer punto que recoge los fundamentos teóricos que el alumno debe aprender en el transcurso de la práctica y que son explicados al comienzo de la misma.. . Descripción de la práctica, donde se describe el montaje y los componentes empleados así como cada uno de los pasos a seguir en el desarrollo de ésta. Para ello se dispone de figuras donde el alumno ve el montaje que debe realizar.. . Finalmente un apartado de hoja de resultados con tablas y espacios reservados para comentarios donde el alumno debe anotar los resultados de sus prácticas.. La evaluación de las prácticas se realiza mediante un examen tipo test de los conocimientos adquiridos en el desarrollo de ellas, que supone el 30% de la nota total de la asignatura; el resto de la nota es el examen final de la asignatura que abarca todos los contenidos abordados en la asignatura[11]..

(23) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 12. En la Universidad Tecnológica de Pereira en la maestría de "Instrumentación Física" se imparte la asignatura electiva "Instrumentación electrónica" para la docencia. En la asignatura se tratan temas como: errores comunes en las mediciones, sensores y actuadores, transductores capacitivos, resistivos, inductivos, piezoeléctricos y transductores de campo magnético. Se realiza una lista de ejercicios de aplicación práctica de los transductores a partir de la curva de calibración de termopares, curva de calibración de un sensor de presión, curva de calibración de un sensor de Efecto Hall, el estudio de alternativas para la medida de desplazamiento, velocidad y aceleración de un móvil[12]. En la Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, se imparte la asignatura Sistemas de Instrumentación Electrónica, la cual, tiene asignada una carga lectiva de 4,5 créditos, lo que equivale a una dedicación del estudiante de 112,5 horas, de las cuales 42 horas corresponden a actividades presenciales (26 horas de asistencia a clases de teoría y problemas, 10 horas de asistencia a prácticas de laboratorio y 6 horas para evaluaciones). Las otras 70,5 horas corresponden a actividades no presenciales (10 h para la realización de simulaciones de circuitos y sistemas de preparación de las prácticas y 60,5 horas de estudio). La asignatura se ha estructurado en dos partes: una parte teórica y una parte práctica. Cada una de estas partes contiene actividades presenciales, actividades no presenciales dirigidas y actividades de evaluación. La parte teórica comprende las exposiciones teóricas y la resolución y/o discusión de problemas y ejemplos, pasando de una actividad a otra a criterio del profesor. La parte práctica comprende la realización de un proyecto que conlleva un conjunto de circuitos que se deben simular y/o montar y experimentar. Las actividades presenciales de la parte práctica consisten en 5 prácticas de laboratorio, de dos horas de duración, que se realizan en equipos de dos o tres estudiantes. El número de estudiantes en las sesiones de prácticas se limita a 15. Cada práctica lleva asociado un conjunto de tareas a realizar como preparación previa de la práctica. Es recomendable realizar con detenimiento la preparación previa de la práctica ya que facilita significativamente su comprensión y su realización en el laboratorio. A fin de facilitar el estudio de la asignatura, se indica al estudiante todo tipo de material que pueda ser útil como: libros de texto, colecciones de problemas, colecciones de preguntas de examen y material empleado en las clases. Parte de este material está disponible en el Campus Digital. Los laboratorios virtuales se realizan con la ayuda del software LabView[13]..

(24) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 13. En la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia se realizó un material educativo computarizado para la enseñanza de la Instrumentación Electrónica, desarrollado como elemento de apoyo docente para introducir el funcionamiento de equipos como el osciloscopio, el multímetro y el generador de señales. El programa resultante incluye audio, videos, animaciones y texto que permiten al estudiante familiarizarse con los equipos antes de entrar en contacto físico con ellos en el laboratorio de prácticas. Al ingresar en el programa, el usuario tiene acceso a la lista de sus objetivos, a un glosario de términos técnicos y a la información de cada aparato. En cada instrumento se incluye su definición, descripción de los principales tipos y aplicaciones más comunes; asimismo, se describen las partes del equipo a través de una serie de pantallas con un alto grado de interactividad. Finalmente, se presenta una sección de evaluación, con preguntas de selección múltiple que permiten al usuario controlar el avance de su proceso formativo[14]. En la Universidad de San Buenaventura de Medellín, Colombia, se desarrolló un material educativo de apoyo para la enseñanza de la Instrumentación Electrónica con el diseño e implementación de varias prácticas virtuales de laboratorio y se migraron los contenidos de las prácticas a un sitio Web piloto. Se realiza un laboratorio basado en la Web donde se implementa completamente una práctica de adquisición de datos con un sensor inteligente de temperatura, se elabora una guía de prácticas de laboratorio y un material de apoyo a los cibernautas relacionados con las temáticas del curso de Instrumentación Electrónica. Este proyecto presenta ventajas tanto para administradores como para usuarios de las prácticas, porque sólo se requiere tener instalado LabView en el punto del experimento, en el equipo que hace de servidor, y en donde los usuarios se conectan a través de equipos portátiles al experimento, simplemente utilizando un navegador web como Internet Explorer, Google Chrome o Mozilla Firefox[15]. En el Instituto Tecnológico de Chihuahua, México, la Instrumentación Electrónica es una asignatura básica del nuevo plan de Maestría en Ciencias en Ingeniería Electrónica. La asignatura tiene como objetivo que los estudiantes adquieran los conocimientos de los conceptos y técnicas, en la caracterización de los instrumentos y/o sistemas de medición, en el análisis de la incertidumbre en la medición, estudios de reproducibilidad y repetibilidad, las distintas formas de medir una variable y diseño de sensores inteligentes. Esta cuenta con cinco temas repartidos en conceptos básicos: caracterización de sistemas o instrumentos de.

(25) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 14. medición, incertidumbre en las mediciones, sensores e introducción a los sensores inteligentes. Para la evaluación final toman en cuenta las tareas, las prácticas, los exámenes y el proyecto final[16]. En la Universidad. Nacional de Santiago del Estero, Argentina, la Instrumentación. Electrónica está ubicada en el octavo módulo, cuarto año, la cual tiene como objetivo conocer los principios de funcionamiento, implementación, uso y mantenimiento de los sistemas y equipos electrónicos de medida. En la asignatura se abordan los siguientes temas: transductores y acondicionadores de señal, procesamiento analógico de la señal: filtros, multiplicadores y conversores AD y DA, circuitos analógicos de conmutación, transmisión de señales, tele medida por tensión, corriente y frecuencia, problemas de medida e Instrumentación, sistemas de adquisición de datos (SAD), conceptos generales de diseño y utilización de los sistemas de adquisición de datos. Se prevé una práctica de laboratorio en la que, trabajando con un par de sensores de temperatura y un actuador, los estudiantes diseñen un sistema sencillo de control de temperatura. Se desarrollan dos talleres, uno de introducción al software LabView y otro del uso del software para utilizar la PC como un sistema de adquisición de datos. La evaluación final incluye las evaluaciones parciales y sistemáticas, un laboratorio final en LabView y el examen final[17]. En la Universidad de la República, Uruguay, se lleva a cabo un curso de Instrumentación Electrónica para la biología experimental. En el curso se imparten temas como: medición de valores constantes en el tiempo, medición de señales variables en el tiempo, amplificadores de estado sólido, comparador con histéresis y transductores. Los laboratorios se desarrollan de manera práctica en cada uno de los temas con un laboratorio final que representa el 50% de la nota final[18]. 1.2 Herramientas de software empleadas en la enseñanza de la Instrumentación Electrónica Los simuladores han evolucionado muy rápidamente, junto a los modelos de componentes de todo tipo, lo que, unido a la evolución de los ordenadores sobre los que se ejecutan, han hecho de la simulación una herramienta ampliamente utilizada para el diseño de circuitos y sistemas digitales. Entre los simuladores comerciales que más se destacan hoy en día para el ámbito docente en computadoras personales se destacan: LabView, MATLAB-Simulink,.

(26) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 15. OrCAD PSPICE, Proteus, Multisim, Cascop, utilizadas en muchas universidades del mundo. A continuación se describen algunas de sus principales características. 1.2.1 MATLAB MATLAB es un lenguaje de programación técnico de alto nivel y un entorno interactivo para el desarrollo de algoritmos, visualización y análisis de datos, y cálculo numérico. Con MATLAB se pueden resolver problemas de cálculo más rápido que otros lenguajes de programación tradicionales, tales como C, C++ o Fortran. Dado que la Instrumentación se enfoca en la creación de circuitos electrónicos analógicos, tradicionalmente MATLAB no ha formado parte de las herramientas utilizadas en este campo, al estar destinada al procesado de datos. La aparición de técnicas y dispositivos mixtos (que mezclan electrónica analógica y digital) ha provocado que la Instrumentación incorpore, cada vez más, equipos de procesamiento. Desde el año 2010 MathWorks ha intentado dar respuesta a esos nuevos retos, creándose nuevos toolboxes con nuevas e importantes novedades nunca antes vistas en la suite. Por ejemplo: . “Serial Port Instrument Communication” para poder comunicar MATLAB con dispositivos electrónicos mediante RS-232.. . MATLAB Instrument Control Toolbox, para controlar dispositivos electrónicos.. . Data Acquisition Toolbox para adquirir datos desde circuitos electrónicos.. . Image Acquisition Toolbox para obtener información de tipo audiovisual desde dispositivos periféricos.. El Data Acquisition Toolbox le permite conducir directamente a MATLAB los datos medidos en directo. Puede controlar y comunicarse con hardware de adquisición de datos de fabricantes tales como National Instruments, Agilent Technologies y ComputerBoards, y crear interfaces personalizadas con el hardware usando el kit adaptador. Usando el Instrument Control Toolbox, puede comunicarse con instrumentos a través de los protocolos de comunicación Bus de Interfaz de propósito General (General Purpose Interface Bus, GPIB) y Extensión para VMEbus para Instrumentación (VMEbus eXtension for Instrumentation, VXI). El toolbox proporciona también interfaces gráficas de usuario (GUIs) intuitivas para crear objetos de instrumentos y comunicar con instrumentos..

(27) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 16. Un ejemplo del uso del MATLAB es el diseño de un sistema para la adquisición de señales electrocardiográficas. Este sistema consta de una etapa de instrumentación conectada a un cable para electrocardiograma que toma los potenciales de nueve electrodos superficiales, con ellos se adquieren tres derivaciones bipolares y seis derivaciones precordiales. Las nueve derivaciones son filtradas usando dos filtros analógicos de Butterworth de cuarto orden, paso alto y paso bajo, en cascada y luego fueron adquiridas a través de una tarjeta de adquisición de datos NI USB-6215. Finalmente, las derivaciones son visualizadas y almacenas en Matlab[19]. 1.2.2 PROTEUS Proteus es un sistema completo de diseño electrónico que combina un avanzado programa de captura de esquemas, un sistema de simulación mixto (analógico y digital) basado en SPICE y un programa para disposición de componentes en placas de circuito impreso y autoruteado. Se trata de un software comercial fabricado por Labcenter Electronics, caracterizado por su potencia y facilidad de uso. Se compone de cuatro módulos: . ISIS: En él se realiza el modelo esquemático del circuito. Para ello cuenta con una librería de más de 6000 dispositivos tanto analógicos como digitales que incluyen: transductores de temperatura, humedad y vibración, dispositivos optoelectrónicos, convertidores de frecuencia/voltaje y viceversa, amplificadores de instrumentación, convertidores AD y DA, circuitos de muestreo y retención y otros.. . ARES: En él se realiza la placa de circuito impreso (PCB) además de que puede posicionar automáticamente los componentes y hacer las pistas.. . Prospice: Se encarga de simular el comportamiento del circuito.. . VSM: Permite simular el comportamiento de un microcontrolador de las familias PIC, AVR, cargando el archivo HEX y Proteus lo simula; además puede interactuar con diferentes periféricos[20].. En la FIE de la UCLV se han desarrollado proyectos finales, utilizando Proteus, de la asignatura Mediciones Electrónicas impartida en tercer año de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, integrándose con las asignaturas Electrónica Analógica III y Microprocesadores I, consistentes en el diseño de un canal de medición para controlar una variable física, utilizando el microcontrolador 8051, reguladores integrados, osciladores.

(28) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 17. y PLL. En la figura 1.1 se muestra un ejemplo de un circuito simulado desarrollado en la herramienta Proteus, correspondiente a la tarea final de un equipo de estudiantes de la carrera, donde se emplea el sensor de temperatura LM35 para controlar el nivel y temperatura de un líquido en un depósito, cuyos valores se muestran en el display mostrado.. Figura 1.1. Canal de medición usando un LM35, donde se controla el nivel y temperatura de un líquido en un depósito. 1.2.3 OrCAD OrCAD es un programa ampliamente utilizado para el diseño de circuitos electrónicos. Consta de dos bloques básicos: una herramienta para la simulación del comportamiento de circuitos electrónicos (PSPICE), y una herramienta para el diseño de placas de circuito impreso, PCB (Layout). Como paso previo para la simulación del circuito y el diseño del PCB es necesario realizar la captura del esquema del circuito que se quiere analizar. OrCAD realiza tres tipos de análisis: DC (análisis de corriente directa), AC (respuesta en frecuencia de circuito) y transitorio (evolución del circuito en el tiempo). Tiene una gran facilidad de manejo, numerosas librerías, además de su gran potencia y funcionalidad[21]. En la Universidad Carlos III de Madrid se desarrolló un proyecto final de carrera de un sistema de adquisición de datos con aislamiento por sonda óptica basado en la tarjeta PDA14 en OrCAD. La simulación se lleva a cabo utilizando las características del SFH250 cuyo.

(29) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 18. modelado en OrCAD está representado por una fuente de corriente que emula la corriente generada por el fotodiodo, junto con un condensador en paralelo que representa la capacidad parásita del diodo. El amplificador utilizado en las simulaciones es el amplificador LM6181, debido a la existencia del componente dentro del programa. En la figura 1.2 se muestra el modelo patrón que se utiliza para el circuito receptor. En general este diseño sirve para analizar el amplificador LM6181, mientras que para el OPA380, por ejemplo, cambia la posición del fotodiodo, es decir, la fuente de corriente alterna tiene que cambiar su polarización[22].. Figura 1.2. Modelo patrón utilizado en el circuito receptor. 1.2.4 LabView LabView es un entorno de programación destinado al desarrollo de aplicaciones, similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan C o BASIC. Mientras que dichos programas (C o BASIC) sus lenguajes de programación se basan en líneas de texto para crear el código fuente del programa, LabView emplea la programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en diagramas de bloques[23]. En la Universidad de Valencia, España, se desarrollan laboratorios de adquisición de datos usando la herramienta de simulación LabView. Se usa una tarjeta de datos labjack disponible en el laboratorio la cual permite la consecución de señales de 12 bits para PC con conexión.

(30) TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA ENSEÑANZA DE LA INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA. 19. USB. La tarjeta dispone de 8 entradas analógicas y 4 entradas analógicas diferenciales de 12 bits, de las cuales solo se usan dos entradas una para la señal de voltaje tomada desde el puente de Wheatstone con el termistor y la otra para la señal de voltaje tomada del LM335; esta tarjeta también cuenta con 20 puertos de entrada/salida digitales. La labjack cuenta con librerías aplicables a National Instruments LabView. En este laboratorio solo se usa la parte de lectura de datos, aunque con el resto de los bloques se puede leer y escribir, pero para la práctica el único interés es la lectura y visualización de los datos; los demás bloques se añadieron con el objetivo de ingresar la temperatura en función del voltaje, debido a que la tarjeta arroja valores de voltaje y lo que se necesita en la práctica es visualizar la temperatura[24]. 1.3 Conclusiones parciales En este capítulo se analizaron las principales tendencias de la Instrumentación Electrónica en diferentes universidades del mundo, tanto de América como de Europa, resaltando en sus planes de estudio las ventajas y desventajas de este con respecto al nuestro. Finalmente se realizó un estudio de las principales herramientas de simulación utilizadas para la realización de los laboratorios en estas universidades: MATLAB, Proteus, OrCAD y LabView, destacando LabView como la más utilizada por la mayoría de las universidades y mostrando ejemplos concretos que demuestran la importancia de los laboratorios en la asignatura Instrumentación Electrónica..

(31) CAPÍTULO 2.. RECURSOS. PARA. LABORATORIO. LAS. REALES. PRÁCTICAS DE. TEMAS. DE DE. MEDICIONES ELECTRÓNICAS. En este capítulo se lleva a cabo el diagnóstico general del laboratorio 308 de la FIE, local donde se imparten las clases de prácticas de laboratorio de la asignatura Mediciones Electrónicas de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, en cuanto a sus equipos y componentes disponibles. Se identifican principales aplicaciones de los componentes incorporados a la facultad que serán utilizados en posteriores prácticas de laboratorio. 2.1 Diagnóstico general del laboratorio 308 de la FIE Los estudiantes de la carrera de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica de la Facultad de Ingeniería Eléctrica tienen a su disposición dos laboratorios, uno real y otro simulado, para la impartición de la asignatura Mediciones Electrónicas desarrollada en el segundo semestre de tercer año. Los laboratorios reales se imparten en el laboratorio 308, el cual posee 10 puestos de trabajo, cada uno equipado con un osciloscopio, una fuente con multicanales DC, un multímetro digital, un generador de señales mini-digital y una breadboard como se muestra en la figura. Además se cuenta con 12 maletas disponibles para la realización de los laboratorios..

(32) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. 21. Figura 2.1. Puesto de trabajo del laboratorio 308. 2.1.1 Equipamiento del laboratorio 308 RIGOL DM3058 Es un multímetro digital diseñado especialmente para realizar medidas de alta precisión, multifuncionales y automáticas. Permite la combinación de funciones básicas de medida con múltiples funciones matemáticas, así como una función de medida aleatoria con sensor. El DM3058 cuenta con una pantalla LCD monocroma de alta resolución junto con una clara disposición del teclado para hacer que resulte sencillo y ágil su uso. Además, soporta interfaces múltiples como RS-232, USB, LAN y GPIB además de disco de memoria flash, puede también trabajar con él mediante un terminal virtual y desde un acceso remoto de red. Entre sus principales características se hallan: . Resolución de 5 ½ dígitos.. . La función de doble display le permite visualizar dos características de una señal síncronamente.. . Rango de tensión DC entre 200 mV y 1000 V.. . Rango de corriente DC entre 200 μA y 10 A.. . Rango de frecuencia entre 20 Hz y 1 MHz.. . Posibilidad de clonar toda la configuración para clonar otro DM3058 vía el disco USB o para copia de seguridad..

(33) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. . 22. Software de control para PC y software de edición para el sensor aleatorio incluido[25].. RIGOL Serie DS1000D/E Es un osciloscopio con almacenamiento digital que ofrece una excepcional visión y medida de las formas de onda en un equipo compacto y ligero. Algunas de sus principales características son: . 16 canales digitales opcionales (osciloscopio con analizador lógico), cada canal puede encenderse/apagarse independientemente o en grupos de 8 bits.. . Pantalla TFT LCD Mono/Color con resolución 320X234.. . Proporciona almacenamiento e impresión por USB, el firmware es actualizable a través de la conexión USB.. . Función Transformada rápida de Fourier (Fast Fourier Transform, FFT) incluida, contador de frecuencia.. . Filtros digitales, incluye Filtro paso bajo (FPB), Filtro paso alto (FPA)[26].. XJ1631 XJ1631 es un generador de funciones mini-digital que consiste en la integración de circuitos y transistores. Este puede tener hasta cinco formas de onda a la salida, incluyendo seno, cuadrado, triángulo, pulso y formas de ondas. La frecuencia de la señal es variable de 0.1 Hz a 2 MHz en siete pasos y mostrado por cuatro display de LED digitales. La amplitud máxima de la señal es 20 Vp-p. Algunas de sus principales características son: . Máximo offset DC de ± 10 V.. . Impedancia de salida de 50 Ω ± 5 Ω.. . Consumo de potencia de aproximadamente 18.5 VA.. . Suministro de voltaje de 220 V ± 10 % y 50 Hz ± 5 %.. . Dimensiones de 240 mm x 100 mm x 300 mm.. . Señal de salida con amplitud (open) > 3 Vp-p y tiempo < 25 ns[27]..

(34) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. 23. XJ17 Series XJ17 series es una fuente de alto desempeño y precisión con multicanales DC, con modos de voltaje constante, corriente constante, auto corriente de corte a la salida con funciones de protección. En el modo auto tracking puede conectar las salidas del canal 1 y el canal 2 en paralelo o en serie para proveer doble corriente o voltaje de salida. Las principales características de este equipo son: . 4 canales de salida ajustables (XJ174 series).. . Voltaje linear de 0 – 30 V.. . 4 sets de LED para el display de voltaje y corriente de salida.. . Bajo ruido y rizado de menos de 1 mV de 5 Hz – 1 MHz.. . Protección de corriente de salida.. . Conexiones series o paralelas.. 2.1.2 Maleta El THGMW-E1 MCU51-MCU96-UPC8088 es la maleta disponible para la realización de los laboratorios de la asignatura Mediciones Electrónicas. Esta se puede conectar a una PC, un multímetro o un osciloscopio. Presenta voltaje AC de 200 V ± 5 %, un fusible de 2 A, potencia DC de + 5 V (5 A), + 12 V (1 A) y -12 V (1 A). La PC para la conexión puede ser IBM o compatible con CPU P4- 2.0 G, disco duro de 10 GB, 1 puerto paralelo, 1 puerto serie, 1 puerto USB y sistema Windows XP/ 7 de 32 bits. La temperatura es de – 10 ºC a 40 ºC y la humedad relativa menor del 85 %. Los sensores contenidos en la maleta son: una Pt 100, una balanza de 1 kg, sensores infrarrojos, LED y como convertidores: LM 323, convertidor voltaje-frecuencia (V/F), convertidor frecuencia-voltaje (F/V) y el ADC0809CCN. También presenta un buzzer de 5 V y un relay de 2.2 V. En la figura 2.2 se muestra la maleta..

(35) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. 24. Figura 2.2. Maleta utilizada en los laboratorios. 2.1.3 Sensores AD 22100: Este sensor de temperatura con salida de voltaje y señal de acondicionamiento presenta las siguientes características: . Temperatura de 200 ºC.. . Precisión de ± 2 % de la escala total.. . Linealidad de ± 1 % de la escala total.. . Coeficiente de temperatura de 22.5 mV/°C.. . Opera con una sola alimentación.. . Salida proporcional a temperatura.. . Protección de voltaje reservada.. . Mínimo autocalentamiento.. . Salida de alto nivel con baja impedancia[28].. AD 22151: Este sensor magnético con salida lineal presenta las siguientes características:.

(36) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. . Compensación ajustable a operación unipolar o bipolar.. . Ganancia ajustable.. . Compensación de temperatura de primer orden ajustable[29].. 25. Un fragmento de la información de los datasheet de los restantes sensores presentes en el laboratorio se muestra del anexo 1 al anexo 7. 2.1.4 Convertidor analógico/digital ADC0809CCN: Este convertidor A/D presenta las siguientes características: . Fácil interfaz para todo microprocesador.. . Opera con 5 V dc o se ajusta a un voltaje de referencia analógico.. . Resolución de 8 bits y 8 canales multiplexados con direcciones lógicas.. . Opera con una sola alimentación de 0 a 5 V.. . Salida conocida como voltaje TTL[30].. Un fragmento de la información del datasheet del convertidor se muestra en el anexo 8. 2.1.5 Amplificadores Operacionales AD 8226: Este amplificador de instrumentación presenta las siguientes características: . Ganancia ajustable con un resistor externo.. . Margen de ganancia de 1 a 1000.. . Entrada protegida.. . Dos fuentes de suministro, una de 2.2 V a 36 V y la otra de ±1.35 V a ±18 V.. . Ancho de banda de 1.5 MHz para ganancia G= 1.. . Razón de rechazo al modo común (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) de 90 dB para G= 1.. . Ruido de entrada de 22 nV/√Hz..

(37) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. . Típico suministro de corriente de 350 μA.. . Rango de temperatura de −40 °C a 125 °C[31].. 26. LM 324: Este amplificador operacional de baja potencia presenta las siguientes características: . Compensación de frecuencia interna para ganancia unitaria.. . Ganancia de voltaje dc de 100 dB.. . Ancho de banda para ganancia unitaria de 1 MHz.. . Rango de voltaje para una sola alimentación de 3 V a 30 V.. . Baja corriente de entrada de 45 nA.. . Voltaje de salida de 0 V para fuente de alimentación Vcc = 1.5 V balanceado[32].. Un fragmento de la información de los restantes amplificadores presentes en el laboratorio se muestra del anexo 9 al anexo 19. 2.2 Ejemplos de aplicaciones del uso de estos componentes 2.2.1 Aplicaciones con sensores El sensor AD22100 es utilizado en el diseño de un termómetro digital para la medida de la temperatura. El dispositivo se alimenta con un regulador LM7805 que proporciona un voltaje de 5 V. Este sistema de medida de temperatura es de utilidad en procesos donde se requiere un control de temperatura con el ordenador o establecer automatización con relación a alguna variable. El dispositivo construido permite controles de temperatura en intervalo desde –50 °C a 150 °C. La precisión de las medidas de temperatura próximas a temperatura ambiente es de ± 0.1ºC. En el programa LabView se puede desarrollar un panel frontal para la adquisición de datos de voltaje y temperatura en función del tiempo usando el sensor AD22100. En la figura 2.3 se muestra el panel frontal del programa en LabView de adquisición de datos de temperatura en función del tiempo usando el sensor AD22100[33]..

(38) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. 27. Figura 2.3. Panel frontal del programa en LabView[33]. El sensor AD22151 es utilizado en un nuevo sistema para la ayuda en el enclavamiento distal de varillas intramedulares usadas en fracturas de huesos largos. El método general consiste en introducir una varilla de acero en el canal medular óseo y después asegurar la varilla usando tornillos en la parte proximal y distal del punto de abordaje con el fin de evitar la rotación y desplazamiento del hueso. El sistema consiste en un imán de neodimio de forma cilíndrica encapsulado en una capa de plástico insertado en el hueco de la varilla intramedular antes de que esta sea introducida en el canal medular óseo, el cual es el “imán objetivo” y es el punto que una vez encontrado indica el punto exacto donde taladrar el hueso. Para localizar al imán se usa un sensor de flujo magnético de alta sensibilidad el AD22151, al cual se le puede programar la ganancia por medio de una resistencia externa y además posee compensación por cambios de temperatura. El corazón del sistema se basa en un microcontrolador que lee los datos enviados por el sensor y en base a eso modifica la ganancia del sistema para localizar el punto con mayor flujo magnético y de esta manera el punto donde se encuentra el centro del agujero de la varilla intramedular. La señal del sensor AD22151 es filtrada en forma analógica y después es promediada en el microcontrolador para minimizar y discriminar perturbaciones que pudiera haber en el medio ambiente. En la figura 2.4 se muestra la parte frontal donde se encuentra el sensor de flujo magnético que ayuda a localizar el agujero de la varilla intramedular[34]..

(39) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. 28. Figura 2.4. Sensor de flujo magnético[34]. 2.2.2 Aplicaciones con convertidores analógicos/digitales El convertidor ADC0809CCN es utilizado para el diseño de un Sistema de Adquisición de Datos serial con el microcontrolador 8051. El corazón del sistema es el convertidor de 8 bits y 8 canales multiplexados. El convertidor usa aproximaciones sucesivas como técnica de conversión. Este convertidor elimina la necesidad de ajustes externos de ceros y de escala completa. Los elementos utilizados son una tarjeta AT89C52, el CI ADC0809CCN, 8 potenciómetros de 10 kΩ, una fuente regulada de 5 V, un IBM PC con puerto serie RS232 y un cable serie null modem. La conexión del ADC0809CCN con el microcontrolador AT89C52 se muestra en la figura 2.5.. Figura 2.5. Conexión del ADC0809CCN con el microcontrolador AT89C52[35]..

(40) RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS. 29. Para ajustar el voltaje de las entradas analógicas de los 8 canales se usan los 8 potenciómetros en lugar de usar sensores. La tarjeta AT89C52 se conecta a través de su puerto serie al puerto RS232 de la PC. Se usa un cable de 3 hilos con configuración NULL-MODEM. Se implementa un programa para el 8051 que haga una secuencia de escaneo de los 8 canales analógicos y envíe los datos adquiridos a un buffer en su RAM interna y después lo envíe por su puerto serie a la PC. Se programa el puerto serie del 8051 que opere en modo 1 y a la PC (a través de Hyperterminal), sin control de flujo, sin paridad, un bit de parada y a una velocidad de 9600 bps. El resultado final del Sistema de Adquisición de Datos serial se muestra en la figura 2.6 [35].. Figura 2.6. Sistema de Adquisición de Datos serial[35]. 2.2.3 Aplicaciones con amplificadores operacionales Una de las aplicaciones de los amplificadores operacionales es el diseño de un driver CNC DIY para motores paso a paso con el uso de dos circuitos integrados, L298 para el manejo de la corriente y el L297 para el control de la secuencia de conmutación y el control de la corriente de bobinado para el motor paso a paso. El driver diseñado es controlado por el paso, la dirección y entradas de selección de modo de funcionamiento. El chip de motores paso a paso L297 realiza algunas de las funciones de un microordenador de control. El L297 integra.