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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"
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"
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
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.
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.
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.
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
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.
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
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
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
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
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
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.
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.
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.
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.
CAPÍTULO 1. TENDENCIAS RELACIONADAS CON LA
ENSEÑANZA DE 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.
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
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
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
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].
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].
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
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,
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.
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 auto-
ruteado. 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
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
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
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.
CAPÍTULO 2. RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE
LABORATORIO REALES DE TEMAS 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.
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.
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].
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.
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:
RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES
ELECTRÓNICAS 25
Compensación ajustable a operación unipolar o bipolar.
Ganancia ajustable.
Compensación de temperatura de primer orden ajustable[29].
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.
RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES
ELECTRÓNICAS 26
Típico suministro de corriente de 350 μA.
Rango de temperatura de −40 °C a 125 °C[31].
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].
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].
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].
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
RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES
ELECTRÓNICAS 30
toda la circuitería de control necesaria para controlar motores paso a paso bipolares y
unipolares. Usado con un driver de puente H doble como el L298N forma una completa
interfaz entre un microprocesador y un motor paso a paso bipolar. Se reciben señales de
control desde el controlador del sistema, normalmente un chip de microordenador y
proporciona todas las señales de accionamiento necesarias para la etapa de potencia. Además,
incluye dos circuitos de chopeo de modulación por ancho de pulso (PWM) para regular la
corriente en los devanados del motor. Dos versiones de este dispositivo están disponibles: el
L297 regular y una versión especial llamada L297A. El L297A incorpora un doblador de
pulso de paso y está diseñado específicamente para aplicaciones de posicionamiento en
cabezales de disqueteras. El corazón del diagrama de bloques del L297 es un bloque llamado
el traductor que genera las secuencias de fase adecuadas para los modos half-step (medio
paso), one-phase on (una fase encendida) de paso completo y two-phase-on (dos fases
activadas) de paso completo. Este bloque es controlado por dos entradas para modo de
operación (dirección (CW / CCW) y half / full) y un reloj de paso que avanza el traductor de
un paso al siguiente paso. Cuatro salidas son proporcionadas por el traductor para su posterior
procesamiento por el bloque de salidas lógicas que implementa las funciones inhibir (inhibit)
y chopeo (chopper). Internamente el traductor consta de un contador de 3 bit más algo de
lógica combinatoria que genera una secuencia básica de código Gray de ocho pasos. Las tres
secuencias de accionamiento se pueden generar fácilmente a partir de esta secuencia
principal. Esta secuencia de estados corresponde directamente al modo half-step,
seleccionado por un nivel alto en la entrada HALF / FULL. Los modos de paso completo son
obtenidos por omisión de los estados alternos en la secuencia de ocho pasos. El reloj de paso
omite la primera etapa del contador de 3 bits en el traductor. El bit menos significativo en
este contador no se ve afectado, por lo tanto, la secuencia generada depende del estado del
traductor cuando el modo de paso completo está activado (la entrada HALF/FULL se
encuentra en nivel bajo). Si el modo de paso completo se selecciona cuando el traductor se
encuentra en cualquier estado de número impar, se obtiene la secuencia de paso completo
two-phase-on. Por el contrario, el modo de paso completo one-phase-on se obtiene
seleccionando el modo de paso completo cuando el traductor se encuentra en un estado de
número par[36].
RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES
ELECTRÓNICAS 31
Otra de las aplicaciones de los amplificadores operacionales es el diseño de un indicador de
temperatura con el circuito integrado LM324. El indicador de temperatura es útil para
informar en forma visual el estado de una temperatura que se desea vigilar. El estado de la
temperatura se muestra con ayuda de 4 diodos.
Un LED verde, que indica que la temperatura está en el nivel deseable.
Dos LEDs de color amarillo, que indican que la temperatura es mayor a lo normal.
Un LED de color rojo que avisa que la temperatura está muy alta y hay que actuar.
Para complementar el aviso de alta temperatura se incluye en el circuito un buzzer, que emite
un sonido claramente audible para avisar la emergencia. El indicador de temperatura se
implementa con ayuda de 4 comparadores. Se utiliza el circuito integrado LM324 que tiene
4 amplificadores operacionales tipo 741 juntos. Se ha creado una red divisora de voltaje con
los resistores R2, R3, R4, R5 y R6. Los voltajes son 2.4 V, 4.8 V, 7.2 V y 9.6 V. Cada uno
de estos voltajes están conectados directamente al terminal no inversor de los amplificadores
operacionales utilizados como comparadores. El terminal superior del termistor se conecta
directamente a todos los terminales inversores de los operacionales. Al variar la temperatura,
también lo hace el voltaje en el terminal superior del termistor. Este voltaje es comparado
con los voltajes que los comparadores tienen en su terminal no inversor y si es inferior envía
a la salida del comparador correspondiente un voltaje alto que activa el diodo LED. A mayor
temperatura, menor voltaje en el termistor y más LEDs se encienden. Cuando el comparador
inferior se activa, se enciende el LED rojo y también se activa el buzzer que da la alerta
auditiva que es muy importante. En la figura 2.7 se muestra el indicador de temperatura con
el circuito integrado LM324[37].
RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES
ELECTRÓNICAS 32
Figura 2.7. Indicador de temperatura con el circuito integrado LM324[37].
El amplificador operacional TL074 con tecnología JFET, es la versión de bajo ruido del
TL084. La baja distorsión armónica y bajo ruido, hacen del TL074 un integrado ideal para
aplicaciones de audio de alta fidelidad y de uso frecuente en preamplificadores estéreo con
tonos y fuente regulada. El TL074 tiene 4 amplificadores operacionales en su interior. Cada
dos amplificadores se encargan de un canal del preamplificador. En la figura 2.8 se muestra
el preamplificador de audio con ecualizador de tres bandas (bajos, medios y altos) que es útil
para complementar un amplificador, ya sea para uso casero o para videorockola.
RECURSOS PARA LAS PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES
ELECTRÓNICAS 33
Figura 2.8. Preamplificador estéreo con tonos y fuente regulada[38].
2.3 Conclusiones parciales
En este capítulo se realizó un diagnóstico general del laboratorio 308 de la FIE, destacando
las características del equipamiento utilizado en las prácticas de laboratorio reales.
Posteriormente se caracterizaron los nuevos componentes incorporados a la facultad,
destacando sus principales características. Finalmente se expusieron aplicaciones utilizando
los nuevos componentes, de las cuales algunas fueron incorporadas a las nuevas prácticas de
laboratorio reales corroborando su correcto funcionamiento.
CAPÍTULO 3. PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE
TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS
En el presente capítulo primero se describen las prácticas de laboratorio reales de Mediciones
Electrónicas existentes hasta el presente curso, posteriormente se comparan las nuevas
prácticas de laboratorio reales diseñadas con respecto a las anteriores, destacando sus
principales ventajas y finalmente se realiza el análisis de los resultados obtenidos mediante
el montaje real de ambas prácticas.
3.1 Características de las prácticas de laboratorio reales existentes
La asignatura Mediciones Electrónicas impartida en el tercer año de la carrera de Ingeniería
en Telecomunicaciones y Electrónica consta hasta el presente curso de 3 prácticas de
laboratorio reales, las cuales tienen los siguientes títulos:
Práctica real 1: “Errores en las mediciones”.
Práctica real 2: “Diseño de aplicaciones con mecanismo de d’ Arsonval”.
Práctica real 3: “Transductores”.
Cada práctica está compuesta por: título, objetivos, tarea previa y técnica operatoria. En la
tarea previa se orienta un problema donde el estudiante, de manera independiente y antes al
turno de laboratorio, debe calcular principales parámetros de los circuitos en los que hará las
mediciones en el laboratorio, apoyándose de los conocimientos adquiridos en conferencias y
clases prácticas previas.
El laboratorio real 1 tiene como objetivos: identificar de las fuentes de error que se cometen
en una medición y la cuantificación de su valor; y el diseño de amperímetros y voltímetros
analógicos construidos con mecanismo de d’ Arsonval. Para dar cumplimiento a los objetivos
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 35
del laboratorio, en la técnica operatoria se orienta el montaje de circuitos en la breadboard y
se realizan mediciones de voltaje y corriente con la ayuda del multímetro analógico U4317
y multímetro digital UT804. También se orienta el diseño de un voltímetro y un amperímetro
analógicos construidos usando un mecanismo de d’ Arsonval, los cuales son utilizados para
las mediciones y el cálculo de voltaje esperado, voltaje medido y el error relativo en el caso
del voltímetro y el cálculo de corriente esperada, corriente medida y error relativo en el caso
del amperímetro. Se simula el mecanismo de d'Arsonval mediante el multímetro analógico,
lo que trae consigo la inclusión de la impedancia interna del multímetro analógico en las
mediciones y un incremento del error debido al efecto de carga de este instrumento.
El laboratorio real 2 tiene como objetivos: la comprobación de los procedimientos de diseños
de voltímetros (CA y CD), amperímetros y óhmetros empleando mecanismo de d’ Arsonval;
y la medición del efecto de carga en un voltímetro eléctrico tomando en consideración el
nivel de impedancia del circuito. Para dar cumplimiento a los objetivos del laboratorio en la
técnica operatoria se orienta el montaje en la breadboard de un voltímetro de CD multirango
con diferentes campos de medida, el cual se conecta a la fuente de suministro de CD y al
voltímetro digital para calcular el voltaje esperado y el error relativo máximo para cada
campo de medida tomando como referencia el voltímetro digital. En la segunda parte del
laboratorio se orienta el montaje en la breadboard de un voltímetro de CA utilizando un
rectificador de onda completa para la escala de 2 V. Posteriormente se conecta el voltímetro
diseñado con el generador de señales y se calcula el voltaje esperado para diferentes escalas.
También se orienta el montaje de un óhmetro para un punto de diseño de 5.1 kΩ y una batería
de 1.5 V para posteriormente trazar la curva de resistencia a medir contra corriente del
mecanismo y construir una escala para el óhmetro según los datos obtenidos, con el objetivo
de verificar la no linealidad del óhmetro.
El laboratorio real 3 tiene como objetivo la comprobación de las principales características
de los transductores. Para dar cumplimiento al objetivo del laboratorio en la técnica
operatoria se orienta la medición de temperatura con termorresistencia y la obtención del
gráfico de resistencia en relación con la temperatura y de este modo verificar su carácter
lineal. Un segundo experimento o ejercicio consiste en la medición de temperatura con
termopar y la obtención del gráfico que muestra la relación entre la diferencia de potencial
(FEM) que genera sus terminales con respecto a la temperatura y además se orienta calcular
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 36
los coeficientes del modelo del termopar. Por último, se orienta un tercer ejercicio
relacionado con la medición de presión empleando galga de esfuerzo, no disponible en los
laboratorios de la facultad, para obtener el gráfico que muestra la relación entre la variación
de la resistencia con respecto a la presión y calcular el error de linealidad expresado en por
ciento.
Al final de cada práctica de laboratorio se le orienta al estudiante la entrega de un informe
donde se reflejan los resultados de las mediciones realizadas y la discusión de estos
resultados.
3.2 Características de las prácticas de laboratorio reales diseñadas
Las prácticas de laboratorio reales diseñadas tienen los siguientes títulos:
Práctica real 1: “Errores en las mediciones”.
Práctica real 2: “Puente de Wheatstone”.
Práctica real 3: “Medición de temperatura con transductores”.
Práctica real 4: “Acondicionamiento de la señal en el canal de medición”.
Las prácticas de laboratorios diseñadas constan de una tarea preliminar, que incluye
ejercicios donde el estudiante debe diseñar previamente el circuito que ha de utilizar en la
técnica operatoria para realizar las mediciones. También constan con un estudio
independiente, el cual el estudiante debe realizar después del laboratorio. En este estudio
independiente se orienta un ejercicio integrador, con un mayor grado de dificultad que los
existentes en la técnica operatoria, que abarca todos los contenidos del laboratorio y permite
que el estudiante consolide los mismos. Se diseñaron cuatro prácticas de laboratorio
incluyendo puente de Wheatstone y acondicionamiento de señales en el canal de medición
como nuevas prácticas de laboratorio, para comprobar mediante el montaje real el
funcionamiento de otros elementos primarios de medición cuyo principio de trabajo solo se
trataba en actividades teóricas (conferencias y clases prácticas) y el diseño de la etapa de
acondicionamiento correspondiente.
Los laboratorios se realizan con la ayuda de los nuevos componentes y equipos incorporados
a la facultad, lo que posibilita que los laboratorios diseñados incluyan ejercicios con otros
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 37
sensores y etapas de acondicionamiento, usando las maletas y los sensores actualmente
disponibles.
Las prácticas de laboratorio diseñadas se muestran en los anexos 20, 21, 22 y 23.
3.3 Análisis de los resultados obtenidos en el montaje de los laboratorios
A continuación se comparan los resultados obtenidos de los ejercicios de las prácticas de
laboratorio del curso presente con respecto a los conseguidos en las prácticas de laboratorio
propuestas para el nuevo curso, comparando los resultados obtenidos en el laboratorio con
los resultados desde el punto de vista teórico usando Proteus.
3.3.1 Resultados de la práctica de laboratorio real 1
A continuación se muestra los resultados de la práctica de laboratorio real 1, cuya orientación
se muestra en el anexo 20.
Para dar solución al ejercicio 1, el cual es un divisor serie resistivo, se realizaron tres
mediciones, una con el multímetro analógico presente en la facultad modelo U4317
(analógico), otra con el multímetro digital presente en la facultad modelo UT804 (digital), y
otra con el multímetro digital incorporado este año al laboratorio modelo RIGOL DM3058
(nuevo), para determinar la exactitud de las mediciones con estos instrumentos. En las tablas
3.1 y 3.2 se muestran los resultados de estas mediciones al variar la resistencia de carga RL.
Tabla 3.1. Mediciones de voltaje en RL del circuito del ejercicio 1.
Voltaje
esperado
Voltaje
medido(analógico)
Voltaje
medido(digital)
Voltaje
medido(nuevo)
RL= 1.1 kΩ 0.5 V 0.435 V 0.514 V 0.513 V
RL= 10 kΩ 2.5 V 2.1 V 2.543 V 2.541 V
RL= 150 kΩ 4.69 V 4.05 V 4.724 V 4.716 V
Exactitud (%)
para RL= 1.1 kΩ
-----
87 %
97.2 %
97.4 %
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 38
Tabla 3.2. Mediciones de corriente de RL del circuito del ejercicio 1.
Corriente
esperada
Corriente
medida(analógico)
Corriente
medida(digital)
Corriente
medida(nuevo)
RL= 1.1kΩ 450 uA 430 uA 466.36 uA 454.1 uA
RL= 10 kΩ 250 uA 230 uA 254.3 uA 248.7 uA
RL= 150 kΩ 31.25 uA 15 uA 31.43 uA 30.98 uA
Exactitud (%)
para RL= 10 kΩ
-----
92 %
98.28 %
99.48 %
Se aprecia que de los tres instrumentos utilizados el más exacto en cuanto a las mediciones
realizadas es el multímetro digital incorporado este año al laboratorio, lo cual demuestra que
es el instrumento más adecuado para la realización de estas mediciones. Para el cálculo de la
exactitud en las mediciones se ha utilizado la fórmula siguiente:
𝐴(%) = 100% − |(𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜)−(𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜)
𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝐸𝑠𝑝𝑒𝑟𝑎𝑑𝑜| ∗ 100 (3.1)
Donde:
Valor Esperado: El valor obtenido mediante cálculos teóricos de voltajes y corrientes
aplicando leyes de circuitos.
Valor Medido: Valor obtenido con el instrumento de medición.
A (%): Exactitud en la medición expresada en %.
El ejercicio 2 de la práctica real 1 es un divisor paralelo resistivo donde los resultados
obtenidos se muestran en las tablas 3.3 y 3.4.
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 39
Tabla 3.3. Mediciones de voltaje en el circuito del ejercicio 2.
Voltaje
esperado
Voltaje
medido(analógico)
Voltaje
medido(digital)
Voltaje
medido(nuevo)
RL= 1.1 kΩ 5.0 V 4.5 V 5.018 V 5.015 V
RL= 10 kΩ 5.0 V 4.6 V 5.02 V 5.018 V
RL= 150 kΩ 5.0 V 4.8 V 5.035 V 5.02 V
Exactitud (%)
para RL= 1.1 kΩ
-----
90 %
99.64 %
99.7 %
Tabla 3.4. Mediciones de corriente en el circuito del ejercicio 2.
Corriente
esperada
Corriente
medida(analógico)
Corriente
medida(digital)
Corriente
medida(nuevo)
RL= 1.1kΩ 4.55 mA 4.1 mA 4.57 uA 4.54 mA
RL= 10 kΩ 500 uA 480 uA 503.5 uA 498.4 uA
RL= 150 kΩ 33.3 uA 25 uA 33.5 uA 33.19 uA
Exactitud (%)
para RL= 150 kΩ
-----
75.1 %
99.4 %
99.67 %
Además, como resultado se puede apreciar que esta exactitud en todos los casos va en
aumento, demostrándole al estudiante el poco efecto de carga que presenta este instrumento
en las mediciones obtenidas cuando se aumenta el valor de la resistencia RL.
En esta práctica se incluyó un ejercicio en el estudio independiente con amplificador no
inversor, contenido abordado en Electrónica Analógica II, con el objetivo de analizar cómo
varía la ganancia de voltaje de este amplificador con la frecuencia y de este modo verificar
que a las frecuencias medias, la magnitud de esta ganancia se mantiene constante.
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 40
3.3.2 Resultados de la práctica de laboratorio real 2
A continuación se muestran los resultados de la práctica de laboratorio real 2, cuya
orientación se muestra en el anexo 21.
En esta práctica se montó el ejercicio 1, el cual es un puente de Wheatstone, donde se
muestran los siguientes resultados en la tabla 3.5.
Tabla 3.5. Voltaje de salida del puente.
Vo esperado(V) Vo medido (V) Exactitud (%)
Potenciómetro en 100 kΩ
1.622 1.644 98.64
Potenciómetro en 47 kΩ
0 0.003 ---
Potenciómetro en 52 kΩ
0.2273 0.2265 99.65
Este laboratorio consta de una tarea preliminar donde el estudiante debe haber calculado el
voltaje de salida del puente y realizar el diseño de un circuito para acondicionar mediante
este puente un potenciómetro. En la técnica operatoria se comparan los resultados reales
obtenidos con los de la tarea preliminar, corroborando el correcto funcionamiento del puente
partiendo primero de la calibración de este a 47 kΩ (dado que su voltaje medido solo difiere
al esperado en 3 milésimas) y el poco efecto de carga del multímetro RIGOL DM3058, al
presentar una ligera diferencia en los valores medidos con respecto a los valores esperados.
Para el cálculo del voltaje esperado se ha utilizado la siguiente fórmula:
𝑉𝑜 = 𝑉𝑒𝑥 (𝑅3
𝑅4+𝑅3−
𝑅2
𝑅2+𝑅1) (3.2)
Donde:
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 41
Figura 3.1. Puente de Wheatstone.
Vex: es el voltaje de alimentación del puente.
R3: potenciómetro utilizado.
El resto de los ejercicios de esta práctica permiten al estudiante comprobar el diseño de un
puente de Wheatstone, previamente diseñado en la tarea preliminar, usando un potenciómetro
y realizando las mediciones necesarias que ajusten el margen de salida con amplificador
operacional de uso general TL082.
3.3.3 Resultados de la práctica de laboratorio real 3
A continuación se muestran los resultados de la práctica de laboratorio real 3, cuya
orientación se muestra en el anexo 22.
En el ejercicio 1 se orienta determinar el valor de la resistencia que ofrece una Pt100 al variar
su temperatura desde 30 °C hasta 95 °C, realizar una comparación entre estos resultados
reales, los obtenidos en el Proteus y los mostrados en la hoja de datos del fabricante,
obteniéndose lo mostrado en la tabla 3.6.
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 42
Tabla 3.6. Medición de temperatura con Pt100.
Temperatura (ºC) Resistencia obtenida en
el laboratorio (Ω)
Resistencia obtenida en
Proteus 7.8 (Ω)
Resistencia dada por
el fabricante (Ω)
30 112 110.94 111.67
50 119.7 119.7 119.4
75 129.2 129.3 127.07 a 70 ºC
130.89 a 80 ºC
95 137.2 137.13 134.7 a 90 ºC
138.5 a 100 ºC
Después de realizar las mediciones se demuestra la exactitud de los nuevos equipos, ya que
con estos el estudiante puede comprobar la similitud de las mediciones obtenidas en el
laboratorio real con respecto a la simulación y la esperada por la información que ofrece el
fabricante, trayendo como ventaja que el estudiante utilice la información disponible en la
hoja de datos del sensor. Los resultados obtenidos demuestran que la Pt100 a medida que
aumenta la temperatura su resistencia se incrementa ligeramente, debido a su baja
sensibilidad (una pequeña variación inferior a 30 Ω para un cambio de temperatura de 65 ºC)
y se evidencia el carácter lineal que presenta este sensor.
En el segundo ejercicio se orienta determinar el valor que ofrece la resistencia de un termistor
de 10 kΩ al variar la temperatura desde 30 °C hasta 95 °C. Los resultados obtenidos se
muestran en la tabla 3.7.
Tabla 3.7. Medición de temperatura con termistor.
Temperatura (ºC) Resistencia (Ω)
30 6250
50 4822
75 3800
95 1300
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 43
Los resultados obtenidos en el laboratorio real no pueden ser comparados con las
simulaciones de Proteus ya que este termistor no se encuentra presente en su biblioteca de
componentes, pero se puede apreciar que a medida que aumenta la temperatura su resistencia
decrece drásticamente de forma no lineal verificándose su alta sensibilidad y no linealidad,
superior a la termorresistencia del primer ejercicio.
En el ejercicio 3 se orienta determinar el valor de la FEM (mV) si se varía la temperatura
utilizando un termopar. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3.8.
Tabla 3.8. Medición de temperatura con termopar.
Temperatura (ºC) FEM (mV) FEM en Proteus (mV) FEM en tabla (mV)[39].
30 1.18 1.2 1.203
50 2.015 2.02 2.022
75 3.05 3.06 3.058
95 3.84 3.89 3.888
Exactitud (%) -- 98.3 % 98.05 %
Para el cálculo de la exactitud en las mediciones se tomaron como referencia las mediciones
realizadas en Proteus 7.8 y los resultados contenidos en la tabla. Los resultados reales del
ejercicio 3 fueron comparados con los obtenidos en Proteus y los mostrados en las tablas de
termopar tipo K del libro Instrumentación Industrial (tipo de termopar que el estudiante en
dicha práctica de acuerdo a la información tabulada en este libro debe identificar, teniendo
en cuenta los resultados obtenidos de las mediciones efectuadas), mostrando a su vez que a
medida que es mayor la diferencia entre la temperatura medida y la temperatura ambiente, la
diferencia de potencial entregada por el termopar aumenta.
3.3.4 Resultados de la práctica de laboratorio real 4
A continuación se muestran los resultados de la práctica de laboratorio real 4, cuya
orientación se muestra en el anexo 23.
En el primer ejercicio se orienta el montaje de un circuito para el acondicionamiento de
sensores mediante el amplificador de instrumentación AD8226.
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 44
En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos:
Tabla 3.9. Ganancia de voltaje del amplificador.
Acción Av real Av del fabricante
Rg = 49.4 kΩ 1.92 2
Rg = 10 kΩ 6.33 5.94
Rg = 1 kΩ 49.33 50.4
Para el montaje del circuito real se utilizó una señal de entrada de 150 mVp-p y 1 kHz como
se muestra en la siguiente figura:
Figura 3.2. Señal de entrada del amplificador de instrumentación.
Para una Rg = 1 kΩ se obtuvo una señal de salida como se muestra en la siguiente figura:
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 45
Figura 3.3. Señal de salida del amplificador de instrumentación para Rg= 1 kΩ.
La señal de salida obtenida es de 7.4 V pico a pico y la señal de excitación es de 150 mV, lo
que da como resultado una ganancia de voltaje de 49.3.
La principal ventaja de este ejercicio consiste en que el estudiante aprecie que el ajuste de la
ganancia de voltaje de un amplificador de instrumentación se realiza solamente variando el
valor de la resistencia Rg. Además, le permite comparar la ganancia que ofrece el fabricante
con la información en su hoja de datos con respecto a la obtenida en la medición real.
El segundo ejercicio incluye un diseño de un canal de medición empleando el convertidor
ADC0809CCN a partir de la medición de temperatura que ofrece el termistor. El tercer
ejercicio consiste en comprobar el funcionamiento de un circuito de control y medida de
temperatura utilizando el sensor AD 590 y amplificadores OP 07 presente en la maleta. El
cuarto ejercicio muestra una aplicación de una alarma de temperatura activado por el
encendido de LEDs.
PRÁCTICAS DE LABORATORIO REALES DE TEMAS DE MEDICIONES ELECTRÓNICAS 46
3.4 Conclusiones parciales
En este capítulo se describieron las tres prácticas de laboratorio reales existentes hasta este
curso, caracterizadas por verificar el funcionamiento de los circuitos y sensores:
termorresistencias, termopares y galga de esfuerzo, que fueron abordados en clases y
conferencias previas. Se diseñaron cuatro prácticas de laboratorio reales y sus resultados
fueron comparados con las existentes mediante la simulación en Proteus y el montaje real,
demostrándose que con el multímetro digital RIGOL DM3058 se obtiene una mayor
exactitud en las mediciones con respecto a los antiguos instrumentos; se incluyeron ejercicios
de diseño en la tarea preliminar para ser comprobados mediante las mediciones
correspondientes en la técnica operatoria; y por último se incorporaron ejercicios de
aplicaciones de sensores: termistor, LED y otros que incluyen etapas de acondicionamiento
con amplificadores de instrumentación.
CONCLUSIONES
En el presente trabajo se propusieron cuatro prácticas de laboratorio reales diseñadas, de las
cuales se tomaron ejercicios para comprobar su correcto funcionamiento y para ser
empleadas en cursos posteriores. Durante su realización se arribó a las siguientes
conclusiones:
La enseñanza de las Mediciones Electrónicas en universidades del mundo se basa en
clases teóricas y prácticas. Los laboratorios reales se desarrollan con ayuda de
manuales de apoyo, donde se corroboran los contenidos teóricos dados. Estos
laboratorios representan un alto por ciento de la nota de la asignatura. Las asignaturas
consta de examen final y evaluaciones sistemáticas. Las herramientas de software
empleadas para el apoyo de esta enseñanza son: MATLAB, Proteus, OrCAD y
LabView, siendo este último el utilizado por la mayoría de las universidades.
Se realizó un diagnóstico del laboratorio 308 de la FIE, que cuenta con 10 puestos de
trabajo, cada uno equipado con una breadboard, un multímetro digital RIGOL
DM3058, un osciloscopio RIGOL Serie DS1000D/E, un generador de funciones
mini-digital XJ1631 y una fuente DC XJ17Series. Además, se cuenta con 12 maletas.
Se diseñaron cuatro prácticas de laboratorio reales, estructuradas por: un título,
objetivos, una tarea preliminar, que incluye ejercicios donde el estudiante debe
diseñar previamente el circuito que ha de utilizar en la técnica operatoria para realizar
las mediciones, una técnica operatoria y un estudio independiente donde se orienta
un ejercicio, con un mayor grado de dificultad que los existentes en la técnica
operatoria.
Después de realizar el montaje y la comparación de las prácticas de laboratorio reales,
se demostró que con el multímetro digital RIGOL DM3058 se obtiene una mayor
CONCLUSIONES 48
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 y
presentados por el fabricante en las hojas de datos y se incorporaron ejercicios de
aplicaciones de sensores: termistor, LED y otros que incluyen etapas de
acondicionamiento con amplificadores de instrumentación.
RECOMENDACIONES
Se considera que las siguientes recomendaciones pueden ser de utilidad para enriquecer el
estudio realizado y los resultados obtenidos:
Incluir las prácticas de laboratorio diseñadas en el P1 de la asignatura Mediciones
Electrónicas de cursos posteriores.
Diseñar un manual que incluya estas prácticas y otras, donde se aborden otras
aplicaciones utilizando los nuevos recursos incorporados a la FIE.
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[57] A. Devices, «Low Noise, Precision, High Speed Operational Amplifier-OP37», Data
Sheet, 2010.
ANEXOS
Anexo 1 Datasheet del sensor AD22103.
Tomado de[40].
ANEXOS
55
Anexo 2 Datasheet del sensor AD592.
Tomado de[41].
ANEXOS 56
Anexo 3 Datasheet del sensor ADXL327.
Tomado de[42].
ANEXOS 57
Anexo 4 Datasheet del sensor SHT71.
Tomado de[43].
ANEXOS 58
Anexo 5 Datasheet del sensor TMP01.
Tomado de[44].
ANEXOS 59
Anexo 6 Datasheet del sensor LM35.
Tomado de[45].
ANEXOS 60
Anexo 7 Datasheet del sensor ADXL330.
Tomado de[46].
ANEXOS 61
Anexo 8 Datasheet del convertidor ADC0808CCN.
Tomado de[30].
ANEXOS 62
Anexo 9 Datasheet del amplificador AD820.
Tomado de[47].
ANEXOS 63
Anexo 10 Datasheet del amplificador LM741.
Tomado de[48].
ANEXOS 64
Anexo 11 Datasheet del amplificador LM339.
Tomado de[49].
ANEXOS 65
Anexo 12 Datasheet del amplificador AD8542.
Tomado de[50].
ANEXOS 66
Anexo 13 Datasheet del amplificador TL082.
Tomado de[51].
ANEXOS 67
Anexo 14 Datasheet del amplificador OP27.
Tomado de[52].
ANEXOS 68
Anexo 15 Datasheet del amplificador OP482.
Tomado de[53].
ANEXOS 69
Anexo 16 Datasheet del amplificador INA114.
Tomado de[54].
ANEXOS 70
Anexo 17 Datasheet del amplificador TL084.
Tomado de[55].
ANEXOS 71
Anexo 18 Datasheet del amplificador L297.
Tomado de[56].
ANEXOS 72
Anexo 19 Datasheet del amplificador OP37.
Tomado de[57].
ANEXOS 73
Anexo 20 Práctica de laboratorio real 1
Práctica Real 1: “Errores en las mediciones”
Objetivos
1. Identificar las fuentes de error que se cometen en una medición y cuantificar su
valor.
Instrumentos a emplear:
1. Multímetro analógico U4317.
2. Multímetro Digital RIGOL DM3058.
3. Breadboard.
4. Fuente de alimentación.
Resistores (cantidad):
5. 1.1 kΩ (1)
6. 10 kΩ (2)
7. 150 kΩ (1)
Tarea Preliminar
Para los siguientes circuitos determine:
a) Voltaje en la carga RL del circuito de la figura 1.
b) Corriente en la carga RL del circuito de la figura 1.
c) Voltaje en la carga RL del circuito de la figura 2.
d) Corriente en la carga RL del circuito de la figura 2.
Técnica operatoria
1. Instrumente en la breadboard el circuito siguiente y realice las mediciones con el
multímetro analógico que permitan completar la tabla siguiente:
ANEXOS 74
Figura 1. Divisor serie resistivo.
Tabla 1. Mediciones con el circuito de la figura 1.
Medición 1: Voltaje en RL = 1.1 kΩ
Voltaje
Esperado
Voltaje
Medido
Error
absoluto
Error relativo
(%)
Exactitud
(%)
Medición 2: Voltaje en RL = 10 kΩ
Medición 3: Voltaje en RL= 150 kΩ
a) ¿Cuál de las mediciones obtenidas es la más exacta?
b) Enumere al menos 3 posibles fuentes de error que influyeron en las mediciones
realizadas.
c) Repita el ejercicio, pero empleando el multímetro digital. Compare los resultados
obtenidos con ambos instrumentos.
d) Repita los incisos anteriores, pero haciendo las mediciones necesarias que
permita completar la tabla 2.
R1
10k
RL150k
VsVALUE=5
ANEXOS 75
Tabla 2. Medición con el circuito de la figura 1.
Medición 4: Corriente en RL = 1.1 kΩ
Corriente
Esperada
Corriente
Medida
Error
absoluto
Error relativo
(%)
Exactitud
(%)
Medición 5: Corriente en RL = 10 kΩ
Medición 6: Corriente en RL= 150 kΩ
2. Repita el ejercicio 1 pero utilizando el circuito de la figura 2. Asuma RL como R2.
Figura 2. Divisor paralelo resistivo.
3. Realizando las mediciones necesarias, determine el valor mínimo que debe tener R2
para conseguir un error máximo de 5 % en la medición del voltaje de R2 del circuito
de la figura 2.
Estudio Independiente
1. Para el circuito amplificador que se muestra:
ANEXOS 76
Figura 3. Circuito con amplificador inversor.
a) Realice las mediciones necesarias que permitan completar la siguiente tabla, que
muestra la variación de la ganancia de voltaje con la frecuencia:
Tabla 3. Variación de la ganancia de voltaje del amplificador no inversor con respecto
a la frecuencia.
Frecuencia (Hz) Av
50
100
200
1000
3000
10000
50000
100000
b) Compare los resultados obtenidos con la simulación en Proteus, calculando la
exactitud en las mediciones. Justifique el por qué de la variación de las
mediciones obtenidas.
c) Grafique aproximadamente los resultados obtenidos.
ANEXOS 77
Anexo 21 Práctica de laboratorio real 2
Práctica Real 2: “Puente de Wheatstone”
Objetivos
1. Realizar mediciones con puente de Wheatstone usando sensores potenciómetros.
2. Diseñar circuitos sencillos usando potenciómetros en puentes de Wheatstone.
3. Diseñar circuitos de acondicionamiento de potenciómetros utilizando puente de
Wheatstone y amplificadores de instrumentación.
Instrumentos a emplear:
1. Multímetro Digital RIGOL DM3058.
2. Breadboard.
3. Fuente de alimentación.
4. Osciloscopio RIGOL Serie DS1000D/E.
Resistores (cantidad):
1. 47 kΩ (3)
2. Potenciómetro de 100 kΩ (1) (en la breadboard)
3. 100 kΩ (3)
4. 2.2 kΩ (1)
5. Amplificador operacional TL082 (2)
Tarea Preliminar
1. Para el circuito que se muestra en la figura 1, determine:
a) Voltaje a la salida del puente si el potenciómetro está en 100 kΩ.
b) El valor que debe tener el potenciómetro para calibrar el puente.
2. Diseñe un circuito con puente de Wheatstone que permita determinar la posición de
una pieza simulada a través de un potenciómetro que varíe en 5.1 kΩ. En su diseño
debe garantizar la condición de linealidad del puente.
a) Determine el voltaje de salida del puente si se alimenta con 9 Vdc.
b) Modifique el diseño de modo que se obtenga a la salida un voltaje que varíe de 0
a 5 Vdc. Para ello dispone de los componentes registrados en esta práctica.
ANEXOS 78
Técnica operatoria
1. Instrumente el puente de Wheatstone que se muestra en la figura y responda las siguientes
preguntas:
Figura 1. Puente de Wheatstone con potenciómetro.
a) Calibre el puente, determinando el valor adecuado del potenciómetro.
b) Complete los espacios en blanco de la tabla siguiente y justifique el por qué de las
diferencias obtenidas:
Tabla 1. Voltaje de salida del puente.
Vo esperado(V) Vo medido(V) Exactitud (%)
Potenciómetro en 100 kΩ
Potenciómetro en 47 kΩ
Potenciómetro en 52 kΩ
ANEXOS 79
c) Utilice la fórmula aproximada para calcular el voltaje de salida del puente en cada
caso del inciso b y justifique el por qué de las diferencias obtenidas:
Tabla 2. Voltaje de salida del puente.
Potenciómetro en Vo medido (V) exacto Vo (V) aproximado
100 kΩ
47 kΩ
52 kΩ
2. Monte el circuito diseñado en el ejercicio 2 de la tarea preliminar y realice las mediciones
necesarias que permitan responder las siguientes preguntas:
a) Determinar el voltaje de salida del puente cuando el potenciómetro está en el valor
mínimo.
b) Determine el voltaje de salida del puente cuando el potenciómetro está en el valor
máximo.
c) Compare el resultado obtenido en el inciso a) de la tarea preliminar con respecto
a la diferencia de los voltajes obtenidos en los incisos anteriores. Justifique el
motivo de esta diferencia.
3. Instrumente el circuito diseñado en el ejercicio 2 inciso b) de la tarea preliminar y
determine:
a) Rango de voltaje de salida del amplificador, mostrando esta señal en el osciloscopio.
Compárelo con el obtenido teóricamente.
b) Valor del potenciómetro para el cual el voltaje de salida es 2.5 Vdc.
Anexo 22 Práctica de laboratorio real 3
Práctica Real 3: “Medición de temperatura con transductores”.
Objetivos:
1. Medir temperatura con los sensores: Pt100, NTC y termopar.
2. Determinar parámetros característicos de estos sensores de temperatura.
Instrumentos a emplear:
3. Baño de María.
ANEXOS 80
4. Pt100.
5. Termopar.
6. NTC de 10 kΩ y 3.3 kΩ.
7. Multímetro digital RIGOL DM3058.
Tarea Preliminar
1. A un resistor dependiente de la temperatura construido de platino se le realizan las
siguientes mediciones:
Ro= 100 Ω para T= 0°C
Ro= 173.5 Ω para T= 100°C
a) Calcule el coeficiente α de variación con la temperatura.
b) Utilizando el coeficiente calculado en el inciso anterior completa la información que
aparece en la tabla 1.
c) Trace la característica transferencial del transductor.
d) Compare los resultados obtenidos con la simulación en Proteus.
2. Un termistor tiene una resistencia de 3.3 kΩ cuando T= 25ºC, mientras que alcanza 0.5 kΩ
cuando T= 800C. Halle:
a) ¿Qué tipo de termistor es?
b) Índice de sensibilidad de termistor.
c) La resistencia cuando T es de 50, 75,100 0C.
d) Trace la característica transferencial del transductor.
Técnica operatoria
Experimento #1: Medición de temperatura con Pt100
a) Sumerja la Pt100 en un baño de agua y conecte la alimentación del baño. Mida el valor
de la resistencia en función de la variación de la temperatura para un cambio desde la
temperatura ambiente hasta 100 ºC. Anote los resultados obtenidos en la siguiente
tabla y compárelos con los ofrecidos por el fabricante en su hoja de datos:
ANEXOS 81
Tabla 1. Medición de temperatura con Pt100.
Temperatura (ºC) Resistencia (Ω)
30
50
75
95
b) Obtenga el gráfico de Resistencia vs Temperatura.
c) Determine el valor de α (coeficiente lineal) de la termorresistencia.
Experimento #2: Medición de temperatura con termistor
a) Sumerja el termistor en un baño de agua y conecte la alimentación del baño. Mida el
valor de la resistencia en función de la variación de la temperatura para un cambio
desde la temperatura ambiente hasta 100 ºC. Anote los resultados obtenidos en la
siguiente tabla:
Tabla 2. Medición de temperatura con termistor.
Temperatura (ºC) Resistencia (Ω)
30
50
75
95
b) Obtenga el gráfico de Resistencia vs Temperatura. ¿Qué tipo de termistor es?
c) Determine el valor de β (coeficiente térmico) del termistor.
d) Repita los incisos anteriores utilizando la NTC de 10 kΩ. Compare los resultados
obtenidos entre ambos termistores y con respecto a la Pt100 y arribe a conclusiones.
Experimento #3: Medición de temperatura con Termopar
a) Sumerja el termopar en un baño de agua y conecte la alimentación del baño. Mida el
valor de la f.e.m en función de la variación de la temperatura para un cambio desde
ANEXOS 82
la temperatura ambiente hasta 100 ºC. Anote los resultados obtenidos en la siguiente
tabla y compárelos con los ofrecidos por el fabricante en su hoja de datos:
Tabla 3. Medición de temperatura con termopar.
Temperatura (ºC) FEM (mV)
30
50
75
95
b) Obtenga el gráfico de f.e.m vs Temperatura. ¿Qué tipo de termopar es?
Sugerencia: Consulte las tablas de termopares contenidas en el libro de texto “Electrónica
Industrial”.
Estudio Independiente
Entregue la respuesta de cada ejercicio en un informe en documento Word estructurado de la
siguiente forma:
Una página de portada con: nombre y apellidos, carrera, facultad.
Un desarrollo (de hasta 3 páginas) de los resultados obtenidos. Utilice la simulación
en Proteus para comprobar los resultados obtenidos. Arribe a conclusiones.
Anexo 23 Práctica de laboratorio real 4
Práctica Real 4: “Acondicionamiento de las señales en el canal de medición”.
Objetivos:
1. Determinar parámetros que caracterizan el canal de medición.
2. Realizar diseños poco complejos de circuitos del canal de medición.
Instrumentos a emplear:
1. Maleta.
2. Multímetro Digital RIGOL DM3058.
3. Breadboard.
ANEXOS 83
4. Fuente de alimentación.
5. Osciloscopio RIGOL Serie DS1000D/E.
Componentes (cantidad):
1. Amplificador de instrumentación AD8226 (1).
2. Resistores:
10 kΩ (1)
47 kΩ (1)
1.1 kΩ (1)
5 kΩ (5)
220 Ω (4)
3. Termistor de 10 kΩ (1).
4. LEDs rojo, amarillo y verde (4).
Tarea Preliminar
1. Diseñe el circuito del canal de medición (empleando el amplificador AD8226) que
permita brindar a la entrada del convertidor A/D ADC0809CCN una señal entre – 5 V y
5 V cuando el termistor de 10 kΩ varía su temperatura desde 25 a 75 °C.
Técnica operatoria
1. El amplificador de instrumentación AD8226 es utilizado para el acondicionamiento de
sensores. Excite la entrada no inversora con una señal sinusoidal de 75 mVp y frecuencia
de 1 kHz y la entrada inversora colocada a tierra.
a) Haga las mediciones necesarias que permitan completar la información que se muestra
en la siguiente tabla:
ANEXOS 84
Tabla 1. Ganancia de voltaje del amplificador.
Acción Av
Conecte una Rg = 10 kΩ
50
2
b) Analice las diferencias que se obtienen en la señal de salida si el terminal de referencia
se coloca una fuente de 1 Vdc.
c) Compare los resultados obtenidos en el inciso a) con los que ofrece el fabricante en su
hoja de datos.
2. Instrumente en la breadboard el circuito diseñado en el ejercicio 1 de la tarea preliminar
y haga las mediciones necesarias que permitan completar la información que se muestra
en la siguiente tabla:
Tabla 2. Parámetros del canal.
Temperatura Vo puente (V) Vo amplificador (V) Av
25 °C
75 °C
a) Compare los resultados obtenidos con los teóricos. Estime el error relativo cometido
en las mediciones.
3. En la siguiente figura se muestra la arquitectura de un circuito de control y medida de
temperatura utilizando el sensor AD 590 y amplificadores OP 07.
ANEXOS 85
Figura 1. Circuito de control y medida de temperatura.
a) Verifique su funcionamiento completando la siguiente tabla:
Tabla 3. Voltaje de salida del circuito de control y medida de temperatura.
Temperatura (°C) Vo en P8A (V) esperado Vo en P8A (V) medido
0 0
35 2.49
67 4.98
b) Determine el valor mínimo de temperatura que capta el sensor para que se active la
alarma y especifique cual es el voltaje de salida.
4. En el siguiente circuito se representa una alarma de temperatura con un termistor de 10
kΩ.
ANEXOS 86
Figura 2. Alarma de temperatura con termistor.
a) Determine la temperatura para la cual se enciende el LED verde (temperatura
deseable).
b) Determine la temperatura para la cual se encienden los LEDs amarillos (temperatura
superior a la deseable).
c) Determine la temperatura para la cual se enciende el LED rojo (temperatura a la cual
se activa el buzzer).
Componentes:
CI (circuito integrado): LM324.
Termistor: 1 de 10 kΩ.
Resistores: 5 de 5 kΩ (R2, R3, R4, R5, R6), 1 de 10 kΩ, 4 de 220 Ω (R7, R8, R9,
R11).
LEDs: 1 verde, 2 amarillos, 1 rojo.
1 buzzer de 5 V.
