302526 cad para electronica enero 2010

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UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNADESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA CONTENIDO DIDÁCTICO DEL CURSO: 302526 – CAD PARA ELECTRÓNICA

UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD NNAACCIIOONNAALL AABBIIEERRTTAA YY AA DDIISSTTAANNCCIIAA EESSCCUUEELLAA DDEE CCIIEENNCCIIAASS BBÁÁSSIICCAASS TTEECCNNOOLLOOGGÍÍAA EE IINNGGEENNIIEERRÍÍAA

PPRROOGGRRAAMMAA IINNGGEENNIIEERRIIAA EELLEECCTTRRÓÓNNIICCAA

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((DDiirreeccttoorr NNaacciioonnaall))

FFAABBIIAANN BBOOLLIIVVAARR MMAARRIINN ((AAccrreeddiittaaddoorr))

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This work is licensed under a Creative Commons Attribution‐NoDerivs 2.5 License. CURSO: CAD PARA ELECTRÓNICA @Copyright Universidad Nacional Abierta y a Distancia ISBN 2010 Vicerrectoría de Medios y Mediaciones

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ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO

El presente módulo fue diseñado en el año 2007 por el Ing. Juan Olegario Monroy Vásquez con la colaboración de la Ingeniera Sandra Isabel Vargas, ingeniera Electrónica especialista en Aprendizaje Autónomo y con mas de diez años de experiencia en docencia universitaria. El presente módulo ha tenido dos actualizaciones, desarrollados por el ing. Juan Monroy en los años 2008, 2009 y 2010, quien ha sido tutor de la UNAD en el CEAD de SOGAMOSO, desde el año 2001 y se desempeña actualmente como director del cuso a nivel nacional. Las actualizaciones del material incluyen aspectos de fondo y forma, e la parte de fondo se ha incluido nuevos capítulos donde se dan explicaciones sobre el manejo de la simulación a partir del aplicativo PROTEUS; en los aspectos de forma, se ha adaptado a los linimientos y estándares dados por la UNAD. Este mismo año el Ing. FABIAN BOLIVAR MARIN, tutor del CEAD de Neiva, apoyó el proceso de revisión de estilo del módulo y dio aportes disciplinares, didácticos y pedagógicos en el proceso de acreditación de material didáctico desarrollado en el primer periodo de 2010.

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INTRODUCCIÓN

Cad para Electrónica, es un modulo orientado a cada uno de los estudiantes y personas interesadas en diseñar y simular circuitos electrónicos, hacer modelamiento matemático y conocer los fundamentos de programación. Pretende entonces cubrir cada uno de estos aspectos a partir de la teoría que los fundamenta, con ejemplos y talleres que permitan realizar una mayor apropiación de cada uno de los conceptos que los soportan. En el mercado del software actualmente existe gran variedad de programas que cubre cada una de estas temáticas de forma discriminada o general convirtiéndose en una amplia gama de posibilidades a utilizar frente a las necesidades propias del estudiante o persona interesada; por tanto este módulo, de igual forma pretende orientar dentro de este conjunto de posibilidades y destacar aquel software que mejores prestaciones ofrezca. Se recomienda que para abordar este modulo se tenga conocimiento sobre los conceptos de: circuitos, electrónica básica y sistemas digitales básicos, para el manejo del diseño y simulación de los circuitos; ya que es indispensable que se conozcan cada uno de los elementos que conforman un circuito, sus características y comportamiento. Con estos conceptos se aborda el manejo de software presente en el medio y con el cual se pueda estructurar un circuito y simular su funcionamiento para observar su comportamiento y respuesta que ofrece. Esta temática corresponde a la primera parte de la unidad número 1, que se apoya y se soporta en el manejo de los sistemas operativos y su plena diferenciación desde el punto de vista de usuario final. En la siguiente parte de la unidad uno se maneja propiamente el diseño y simulación de circuitos electrónicos desde la clasificación en circuitos DC, AC Digitales y la generación de sus respectivos impresos, en cada uno de ellos se dan ejemplo paso a paso de cómo hacer el esquema y posterior simulación en software. Con el modelamiento matemático se inicia la segunda unidad, importante para el estudio de casos factibles de representarse a partir de funciones y/o ecuaciones matemáticas, para ello se deben manejar los conceptos de algebra lineal y cálculo diferencial

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En la siguiente parte de la segunda unidad se centra la atención en el manejo de los principios de la programación como herramienta para el desarrollo de software en lenguajes de programación de alto nivel y de bajo nivel, conceptos fundamentales en un Ingeniero Electrónico. Esta serie de elementos concatenados y bien estructurados proveen de herramientas al ingeniero Electrónico en un campo donde la precisión, el análisis, la puesta a prueba, la experimentación juegan un papel importante a la hora de diseñar alternativas de solución a problemas en el área de la electrónica; de ahí que estos aspectos se tomen en cuenta dentro del curso para enfocar la evaluación en ese sentido, en descubrir y fortalecer en el estudiante esa capacidad de análisis, ya sea de forma individual o grupal y que se ponen en evidencia a través de la autoevaluación y heteroevaluación. Finalmente es importante destacar que el estudiante dispone de una serie de recursos tecnológicos dispuestos para el desarrollo y acompañamiento en el proceso de aprendizaje, que orientados a través del tutor, buscan potenciar las habilidades individuales y de grupo a través de un campus virtual enriquecido con actividades, recursos, herramientas, material didáctico, fuentes documentales, enlaces de interés y profundización de temáticas entre otros.

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INDICE DE CONTENIDO

UNIDAD 1: CONCEPTOS DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS 1

CAPÍTULO 1: CONCEPTOS Y SOFTWARE 2

Lección 1. Circuito electrónico y clasificación 3

Lección 2. Descripción de Software Disponible Para Circuitos Electrónicos 7

Lección 3. Sistemas operativos 12

Lección 4. Características del sistema operativo gnu/linux 15

Lección 5. Características del sistema operativo Windows 18

CAPÍTULO 2: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS DC,AC 20

Lección 6. Dispositivos electrónicos e interconexión circuit maker 20

Lección 7. Dispositivos electrónicos e interconexión Proteus 29

Lección 8. Guardar y cargar circuitos circuit maker, proteus 38

Leccion 9. Simulación del circuito ac/dc y ejercicios de aplicación circuit maker 43

Leccion 10. Simulación del circuito ac/dc y ejercicios de aplicación proteus 49

CAPÍTULO 3: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES, CIRCUITOS IMPRESOS 60

Lección 11. Dispositivos electrónicos e interconexión circuit maker y proteus 60

Lección 12. Simulación de circuitos y ejercicios de aplicación circuit maker 64

Lección 13. Simulación de circuitos y ejercicios de aplicación proteus 67

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Lección 14. Diagrama esquemático de Circuitos impresos, importar y generar pcb circuit maker 71

Lección 15. Diagrama esquemático de Circuitos impresos, importar y generar PCB proteus 75

ACTIVIDAD DE UNIDAD 1 82

FUENTES DOCUMENTALES UNIDAD 1 83

UNIDAD 2: MODELAMIENTO MATEMÁTICO Y FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN 87

CAPÍTULO 1: TRATAMIENTO MATEMÁTICO 89

Lección 1. Polinomios y operaciones. 89

Lección 2. Derivadas e integrales definidas y no definidas 93

Lección 3. Señales continuas, discretas y funciones de transferencia 96

Lección 4. Respuesta temporal 98

Lección 5. Respuesta en términos de la frecuencia. 103

CAPÍTULO 2: OPERACIONES CON ARREGLOS 107

Lección 6. Arreglos - vectores 107

Lección 7. Arreglos – matrices 110

Lección 8. Otras formas de definir matrices. 113

Lección 9. Estructuras 117

Lección 10. Aplicaciones 119

CAPÍTULO 3: FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN 121

Lección 11. Conceptos y tipos de datos 121

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Lección 12. Instrucciones e/s y selección 124

Lección 13. Instrucciones repetitivas 131

Lección 14. Fundamentos de programación en matlab 137

Lección 15. Instrucciones repetitivas y funciones en matlab 141

ACTIVIDAD DE AUTOEVALUACIÓN UNIDAD 2 145

FUENTES DOCUMENTALES UNIDAD 2 146

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LISTADO DE TABLAS

Tabla 1. Principales elementos electrónicos y su simbología 4 Tabla 2. Componentes electrónicos en Circuit Maker 25 Tabla 3. Componente Digitales Circuit Maker 61 Tabla 4. Componentes Digitales Proteus 62 Tabla 5. Variantes de la función diff 93 Tabla 6. Ejemplos de derivadas en Matlab 94 Tabla 7. Variantes de la función int 95 Tabla 8. Ejemplos de integrales en Matlab 95 Tabla 9. Ejemplos de operaciones con vectores 109 Tabla 10. Funciones para trabajar con vectores 110 Tabla 11. Ejemplos de operaciones con matrices 112 Tabla 12. Funciones para el trabajar con matrices 113 Tabla 13. Funciones para trabajar con matrices particulares 114 Tabla 14. Formas de generar matrices a partir de otras 115 Tabla 15. Funciones para operar con estructuras 118 Tabla 16. Palabras clave en el pseudocódigo 122 Tabla 17. Simbología utilizada en los diagramas de flujo 123

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Tabla 18. Valores de verdad operador “and” 126 Tabla 19. Valores de verdad operador “or” 126 Tabla 20. Operadores lógicos en Matlab 138

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LISTADO DE GRAFICOS Y FIGURAS

Figura 1. Circuito Serie 6 Figura 2. Circuito Paralelo 6 Figura 3. Circuito Serie - Paralelo 6 Figura 4. Entorno general de trabajo Circuit Maker 21 Figura 5. Barra de Herramientas Circuit Maker 21 Figura 6. Dispositivos Electrónicos Circuit Maker 24 Figura 7. Selección de dispositivos Circuit Maker 26 Figura 8. Dispositivos en área de trabajo Circuit maker 27 Figura 9. Terminal de una componente Circuit Maker 28 Figura 10. Circuito amplificador 28 Figura 11. Entorno general de trabajo Proteus. 29 Figura 12. Barra de Herramientas Proteus 30 Figura 13. Dispositivos electrónicos Proteus 33 Figura 14. Listado de componentes Proteus 34 Figura 15. Interconexión de dispositivos Proteus 35 Figura 16. Dispositivos en área de trabajo Proteus 36 Figura 17. Terminal de una componente Proteus 37

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Figura 18. Circuito Amplificador 37 Figura 19. Guardar circuitos Ciruit Maker 38 Figura 20. Seleccionar carpeta Circuit Maker 39 Figura 21. Guardar circuitos Proteus 39 Figura 22. Seleccionar carpeta Proteus 40 Figura 23. Cargar circuitos Circuit Maker 40 Figura 24. Seleccionar archivos Circuit Maker 41 Figura 25. Ediciones de circuitos Circuit Maker 41 Figura 26. Cargar circuitos Proteus 42 Figura 27. Seleccionar archivos Proteus 42 Figura 28. Ediciones de circuitos Proteus 43 Figura 29. Montaje de amplificador en circuit Maker 43 Figura 30. Simulación de circuitos Circuit Maker 44 Figura 31. Respuesta amplificador en términos de la frecuencia 45 Figura 32. Ejercicio de aplicación circuit maker, mallas 45 Figura 33. Medidas tomadas con instrumentos en Circuit Maker, mallas 47 Figura 34. Ejercicio de aplicación Circuit Maker, amplificador 47 Figura 35. Medidas tomadas con instrumentos en Circuit Maker, amplificador 48 Figura 36. Resultados simulación del amplificador divisor de tensión en circuit Maker 49

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Figura 37. Montaje de amplificador en Proteus 50 Figura 38. Selección de componentes Proteus 50 Figura 39. Componentes seleccionados para el amplificador en Proteus 51 Figura 40. Componentes en el área de trabajo Proteus para amplificador 51 Figura 41. interconexión del montaje de amplificador en Proteus 52 Figura 42. Ubicación de instrumentos de medida amplificador Proteus 52 Figura 43. Ubicación de elementos de visualización Proteus 53 Figura 44. Arrastrar punto reprueba al área de visualización Proteus 54 Figura 45. Edición del visualizador en Proteus 54 Figura 46. Resultados simulación del amplificador en Proteus 55 Figura 47. Ejercicio de aplicación Proteus mallas 56 Figura 48. Medidas tomadas con instrumentos Proteus, mallas 57 Figura 49. Ejercicio de aplicación Proteus, amplificador 58 Figura 50. Medidas tomadas con instrumentos Proteus, amplificador 59 Figura 51. Resultados de simulación amplificador división de tensión en Proteus 60 Figura 52. Ejemplo para montaje de circuito digital 64 Figura 53. Resultado de simulación circuito digital Circuit Maker 65 Figura 54. Circuito astable Circuit Maker 65 Figura 55. Resultado de simulación circuito astable Circuit Maker 66

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Figura 56. Circuito Contador Digital Circuit Maker 66 Figura 57. Resultado de simulación circuito contador digital Circuit Maker 67 Figura 58. Ejemplo para montaje de circuito digital 67 Figura 59. Resultado de simulación circuito digital Proteus 68 Figura 60. Circuito astable Proteus 69 Figura 61. Resultado de simulación circuito astable Proteus 69 Figura 62. Circuito contador digital Proteus 70 Figura 63. Resultado de simulación circuito contador digital Proteus 70 Figura 64. Conectores Circuit Maker 71 Figura 65. Diagrama esquemático para generar PCB Circuit Maker 72 Figura 66. Ventana para exportación PCB 72 Figura 67. Ventana de Información del PCB generado Circuit Maker 73 Figura 68. PCB generado Circuit Maker 74 Figura 69. Ventana Salvar PCB Circuit Maker 74 Figura 70. Trazado de las pistas PCB circuit Maker 75 Figura 71. Conectores PCB 76 Figura 72. Diagrama esquemático para generar PCB Proteus 76 Figura 73. Ventana de configuración del listado de elementos en la red del PCB Proteus 77 Figura 74. Lista de red para PCB Proteus 78

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Figura 75. Ventana ARES-Proteus 78 Figura 76. Área para definir la capa de trabajo PCB Ares-Proteus. 79 Figura 77. Definición del área para el PCB Ares-Proteus 79 Figura 78. Elementos y conexiones del PCB recién generado Ares-Proteus. 80 Figura 79. Pistas generadas para el PCB Ares-Proteus 80 Figura 80. Ventana para configurar las características del PCB Ares-Proteus81 Figura 81. Entorno de trabajo Matlab 91 Figura 82. Operaciones en Matlab 92 Figura 83. Ejemplo de la gráfica de una señal continua en Matlab 97 Figura 84. Ejemplo de la gráfica de una señal en tiempo discreto en Matlab 97 Figura 85. Respuesta ante una entrada escalón unitario, , para un sistema de tiempo continuo 99 Figura 86. Respuesta ante una entrada escalón unitario modificando t, 100 Figura 87. Respuesta ante una entrada impulso unitario, para un sistema de tiempo continuo 100 Figura 88. Respuesta ante una entrada escalón unitario, para un sistema de tiempo discreto. 102 Figura 89. Respuesta ante una entrada impulso unitario, para un sistema de tiempo discreto. 102 Figura 90. Diagrama de Bode 103 Figura 91. Diagrama de Bode modificando el rango de frecuencias 104 Figura 92. Diagrama de Nichols. 105

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Figura 93. Diagrama de Nyquist 106 Figura 94. Resultado de usar el comando Margin 106 Figura 95. Matriz en Matlab 111 Figura 96. Circuito para manejo de mallas 119 Figura 97. Diagrama de la estructura general de un sistema. 124 Figura 98. Sintaxis diagrama de flujo de la instrucción condicional 127 Figura 99. Diagrama de Flujo para determinar el mayor de dos números 128 Figura 100. Diagrama de Flujo para determinar el mayor de tres números 129 Figura 101. Diagrama de Flujo que determina si una vocal es abierta o cerrada 130 Figura 102. Diagrama de flujo para generar los número de 1 a 20 132 Figura 103. Diagrama de Flujo para determinar la cantidad de divisores de un número. 134 Figura 104. Diagrama de Flujo para realizar una división entera entre dos números a partir de restas sucesivas 136

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UUNNIIDDAADD 11:: CCOONNCCEEPPTTOOSS DDIISSEEÑÑOO YY SSIIMMUULLAACCIIÓÓNN DDEE CCIIRRCCUUIITTOOSS

EELLEECCTTRRÓÓNNIICCOOSS INTRODUCCIÓN En el mercado del software actualmente existe gran variedad de programas que cubre cada una de estas temáticas de forma discriminada o general convirtiéndose en una amplia gama de posibilidades a utilizar frente a las necesidades propias del estudiante o persona interesada; por tanto este módulo, de igual forma pretende orientar dentro de este conjunto de posibilidades y destacar aquel software que mejores prestaciones ofrezca. Se recomienda que para abordar este modulo se tenga conocimiento sobre los conceptos de: circuitos, electrónica básica y sistemas digitales básicos, para el manejo del diseño y simulación de los circuitos; ya que es indispensable que se conozcan cada uno de los elementos que conforman un circuito, sus características y comportamiento. Con estos conceptos se aborda el manejo de software presente en el medio y con el cual se pueda estructurar un circuito y simular su funcionamiento para observar su comportamiento y respuesta que ofrece. Esta temática corresponde a la primera parte de la unidad número 1, que se apoya y se soporta en el manejo de los sistemas operativos y su diferenciación desde el punto de vista de usuario final. JUSTIFICACION La simulación de sistemas, procesos, circuitos, son fundamentales dentro de la etapa de diseño de todo ingeniero, disponer de herramientas que permitan realizar estos procesos, sin que ello implique riesgo para la integridad del ser humano se convierte entonces en un elemento indispensable a conocer y explorar; este modulo permite por tanto conocer los aspectos a tener en cuenta en una simulación y el software que puede brindar ese soporte. INTENCIONALIDADES FORMATIVAS Propósitos

• Afianzar los conceptos de diseño de circuitos electrónicos a partir de herramientas de software.

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• Fortalecer el proceso de análisis a partir de respuestas dadas por los circuitos simulados a través de software

• Utilizar el Computador como herramienta de análisis en el proceso de

diseño de circuitos Objetivos

• Dar a conocer los aspectos primordiales a tener en cuenta en el uso de herramientas de software para diseño, simulación y puesta a punto de circuitos electrónicos.

Competencias

• El estudiante utiliza las herramientas de software en el diseño de circuitos electrónicos, teniendo en cuenta los diferentes agentes que le afecten y haciendo uso de la simulación para determinar posibles fallas.

Metas de aprendizaje Al final del curso el estudiante:

• Diseñará circuitos electrónicos fruto de un análisis y simulaciones que definan su comportamiento ante diferentes circunstancias.

Denominación de Capítulos Capítulo 1. Conceptos y Software Capítulo 2. Diseño y simulación de circuitos DC, AC Capítulo 3. Diseño y simulación de circuitos Digitales, Circuitos Impresos

CAPÍTULO 1: CONCEPTOS Y SOFTWARE Introducción. En este capítulo se recuerdan los conceptos básicos a nivel de circuitos, de manera que en el momento de abordar la etapa de diseño, se maneje un mismo idioma, por otro lado de dan definiciones acerca de los sistemas operativos, sus características y los principales S.O. empleados en el mercado.

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Lección 1. Circuito electrónico y clasificación

Un circuito electrónico es una combinación de elementos conectados para formar una trayectoria completa, por la cual los electrones pueden moverse. La finalidad de un circuito es hacer uso de la energía de los electrones en movimiento. Por tanto un circuito es también un sistema de elementos o componentes con el cual la energía eléctrica puede cambiarse a otra forma de energía, como térmica, luminosa o magnética. Dentro de un circuito podemos encontrar básicamente cuatro categorías de elementos:

• Fuente de Energía. La fuente en un circuito produce la energía requerida para que los electrones se muevan. En electricidad esta energía es llamada voltaje o fuerza electromotriz.

• Conductores. Los conductores en un circuito proporcionan una trayectoria fácil por la cual los electrones pueden moverse a través del circuito. El cobre es el material conductor mas empleado ya sea en forma de alambre barras o canales.

• Carga. La carga es el elemento de un circuito que transforma la energía de los electrones en movimiento en alguna otra forma útil de energía. Una resistencia eléctrica es un elemento muy común de carga, cuando la corriente circula a través de ella, la energía de los electrones en movimiento se convierte en energía térmica.

• Dispositivo de Control. Son aquellos elementos que nos permiten ejercer un control del flujo de electrones.

Dentro de estas categorías encontramos un conjunto de elementos con funciones específicas que definen el comportamiento del circuito, cada uno de ello tiene una representación simbólica universal según la IEEE. En la Tabla 1, se hace una breve descripción de los principales elementos y su simbología.

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Tabla 1. Principales elementos electrónicos y su simbología

FUENTES DE ENERGÍA NOMBRE SIMBOLO DESCRIPCIÓN

FUENTE DE VOLTAJE

+1 0 v

+

-

V s 11 0 V

Proporciona el voltaje de alimentación a un circuito

FUENTE DE CORRIENTE I s 1

1 0 0 m A

Entrega la corriente necesaria de alimentación a un circuito

FUENTE DEPENDIENTE

1+

-

+

-

1+

-

Fuente cuya magnitud se establece a partir de la corriente o voltaje del sistema donde se encuentra, de acuerdo a cual de ellas sea, será fuente de corriente dependiente o fuente de voltaje dependiente

CONDUCTORES NOMBRE SIMBOLO DESCRIPCIÓN

FUSIBLES 1 A

1 A

Es un elemento que brinda una protección a otro dispositivo de acuerdo a un valor de intensidad establecido que circule por él durante un periodo de tiempo determinado, si se supera dicho valor un pequeño trozo de alambre dentro de él se funde.

ALAMBRE Hilo de conexión de tipo conductor

CABLE

Alambre o conjunto de ellos recubierto de un material aislante

CARGA NOMBRE SIMBOLO DESCRIPCIÓN

RESISTOR 1 k

Elemento que ofrece cierta oposición al paso de la corriente eléctrica

CONDENSADOR 1 u F

+1 u F

Dispositivo que almacena energía eléctrica, está basado en dos placa conductora paralelas, separadas por un dieléctrico.

BOBINA 1 m H

Elemento que almacena energía en forma de campo magnético.

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Tabla 1. Principales elementos electrónicos y su simbología (Continuación)

DISPOSITIVOS DE CONTROL NOMBRE SIMBOLO DESCRIPCIÓN

DIODO D I O D E

Dispositivo que permite el flujo de corriente en una sola dirección.

TRANSISTOR BJT N P N P N P

Dispositivo que amplifica la corriente, también es utilizado en conmutación

TRANSISTOR FET

N J F E T

P J F E T

Dispositivo de amplificación basado en un campo eléctrico que controla la conductividad de un canal.

TIRISTOR

T R I A C S C R

Dispositivo de cuatro capas que utiliza la realimentación interna para producir conmutación.

AMPLIFICADOR OPERACIONAL

O P A M P

Circuito electrónico que amplifica la diferencia de las dos señales de entrada.

RELEVADORES

Dispositivo electromecánico que funciona como un interruptor controlado por un electroimán.

Fuente: Juan Monroy (2007). Si desea ampliar el conjunto de símbolos electrónicos puede consultar la siguiente página http://www.simbologia-electronica.com/ Clasificación. Los circuitos electrónicos se clasifican en tres tipos de acuerdo a la forma como se interconectan los elementos en:

• Circuito Serie. Un circuito serie proporciona una única trayectoria a través de la cual los electrones pueden moverse de una Terminal de la fuente de energía a la otra. Se caracteriza porque la corriente que fluye es igual a través de cada uno de los elementos que lo componen mientras que el voltaje en cada uno de ellos es función del propio elemento.

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Figura 1. Circuito Serie

Fuente: Juan Monroy (2007).

• Circuito Paralelo. Un circuito paralelo permite mas de una trayectoria a

través de las cuales pueden fluir los electrones; se caracteriza entonces porque el voltaje en cada una de estas trayectorias es el mismo pero la corriente depende de los elementos que la componga.

Figura 2. Circuito Paralelo


• Circuito Serie-Paralelo (Mixto). Estos circuitos presentan las dos situaciones anteriores en cuanto a las trayectorias que pueden tomar los electrones y por ende las características de cada uno.

Figura 3. Circuito Serie - Paralelo


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Lección 2. Descripción de Software Disponible Para Circuitos Electrónicos

Simuladores: Los simuladores de circuitos electrónicos son herramientas de apoyo en el proceso de aprendizaje y diseño, dado que permiten establecer un ambiente virtual para una situación real de un circuito, a fin que el usuario tenga la oportunidad de participar, a través de un conjunto de herramientas, en el proceso de diseño y prueba en un área específica de la electrónica. En general, se puede decir que los simuladores de circuito son modelos que se construyen a partir de especificar un número de variables relevantes internas y también externas, las cuales deben permitir simular la operación del circuito electrónico en un ambiente bajo diferentes condiciones, y de esta forma estudiar su comportamiento y tomar las decisiones pertinentes. Herramientas: Los simuladores de circuitos electrónicos deben contar con herramientas que permitan:

• Disponer de elementos o componentes virtuales con características propias que permitan reflejar a los mismos de la vida real.

• Probar el circuito con señales de prueba con parámetros que faciliten la modificación de su comportamiento.

• Interactuar fácilmente con el usuario. • Visualizar adecuadamente los resultados de la simulación. • Generar circuitos impresos.

¿Para qué sirve un simulador?. Los simuladores de circuitos electrónicos ofrecen a los estudiantes e ingenieros una innovadora forma de:

• Perfeccionar sus habilidades • Aplicar conceptos fundamentales de la electrónica • Evaluar alternativas de solución desde el punto de vista funcional y

económico. • Generar el diseño y PCB definitivo de un circuito.

Descripción de software disponible. En el mercado existe gran variedad y gama de software diseñado para la simulación de circuitos electrónicos, dentro de esta variedad podemos encontrar software tipo beta, versiones profesionales, enfocados a plataformas específicas, de alto costo, bajo costo, libres, demo, versiones estudiantiles; sin embargo la intención aquí es conocer las características principales del software, para así formar un criterio inicial que permita elegir aquel que se ajuste a las necesidades y particularidades propias.

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A continuación se hace una breve descripción del software propietario o libre que se encuentra en el mercado, sin embargo en la siguiente página puede además de la descripción del software tener la posibilidad de descargar las versiones libres o demos, es necesario verificar que no se descargue software que no tiene licencia ya que no es legal su uso. http://formulagfc.galeon.com/productos771272.html http://olmo.pntic.mec.es/jmarti50/enlaces/d-electronico.html http://profesormolina.webcindario.com/download/enica/index.htm http://profesormolina.iespana.es/download/soft_enica.htm Kicad: Es un programa de código libre (GPL) software para la creación de esquemas electrónicos y circuitos impresos. Concebido y creado por Jean-Pierre Charras, investigador en el LIS Laboratorio de Imágenes y Señales) y profesor de electrónica en el Instituto Universitario de Tecnología de Saint Martin d'Hères, la suite Kicad es un conjunto de cuatro programas y un gestor de proyectos para realizar circuitos electrónicos:

• Eeschema: Creación de esquemas. • PcbNew: Realización de circuitos impresos. • Gerbview: Visualización de documentos generados en formato GERBER

(documentos de fototrazado). • Cvpcb: Utilidad de selección de las huellas físicas de los componentes

electrónicos utilizados en el esquema. • Kicad: Gestor de proyectos.

El gestor de proyectos, Kicad, permite seleccionar un proyecto y abrir la herramienta deseada (Eeschema, PcbNew, ...). Esta suite de programas se distribuye gratuitamente en open source con licencia GPL. Es útil para cualquier persona que desee crear circuitos impresos, simples o complejos. Estos programas (basados en WXWIDGETS.) son MULTI-PLATAFORMA, funcionan en LINUX y Windows y son actualizados regularmente. La versión precompilada Linux ha sido probada en Mandrake 9.2. o 10.0 (funciona en la 10.1)

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Puede ampliar la descripción i funcionalidad de ese en: http://iut-tice.ujf-grenoble.fr/kicad/Kicad_files/LogicielKicad_es.htm Cocodrilo Clips: Programa especialmente útil para crear diseños electromecánicos, controlar simulaciones, comprender diseños y sin fin de posibilidades más. Para crear los circuitos con los que se quiere practicar, tan sólo se debe elegir de entre toda la gama el componente que se desea incluir y arrastrarlo desde la barra de herramientas con el ratón. Del mismo modo los interruptores y botones se arrastran con el ratón. Al crear los circuitos se podrán observar numerosas animaciones en las que se pueden incluir tensión, fuerza, corriente y carga. También permite incluir motores y engranajes que giren mientras se encienden las lámparas. Las lecturas eléctricas y mecánicas se muestran en burbujas, mientras las trazas del osciloscopio revelan tensiones de impulso. El paquete incluye actividades para fotocopiar y ejemplos para probarlos directamente en el ordenador. Además ofrece ayuda Online tanto para principiantes como para expertos. http://www.profesoresinnovadores.net/software/verSoft.asp?id=1312 gEDA(GNU Electronic Design Automation): El proyecto gEDA esta trabajando en producir una suite completa de herramientas GPL para automatización de diseño electrónico (EDA). El proyecto gEDA esta orientado en la creación de una suite de Herramientas para la Automatización del Diseño Electrónico. Esta herramienta se utiliza para el diseño de circuitos electrónicos y eléctricos, simulación, prototipado y produccion. El proyecto gEDA se inició apartir de las herramientas EDA que eran para UNIX, gEDA inicialmente se desarrollaron para GNU/Linux, pero se esta empezando a desarrollar para otras plataformas UNIX. gEDA se asemejaría al orCAD o al PSPICE. Contempla una amplia librería de componentes. Una de las ventajas que tiene la última versión es la de poder exportar el circuito hecho con gschem al PCB, pudiendo de esa forma generar la placa de circuito impreso. www.bulma.net/pdf.phtml?nIdNoticia=1161 PCB (X11 Interactive Printed Circuit Board layout system): PCB es una herramienta para diseñar Placas de Circuito Impreso, nos permite generar el fotolito precio antes de insolar la placa para despues revelarla. http://pcb.ece.jhu.edu/

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VIPEC: es un analizador de circuitos electricos y electronicos, parte de un fichero de texto en el cual describimos el circuito electrico. Le asignamos el rango de frecuencias y caracteristicas del circuito. Generando como resultado graficas y tablas correspondientes a la simulacion. http://vipec.sourceforge.net/ TKGate: TKGate es un editor grafico y simulador de circuitos digitales, desarrollado con Tcl/TK. Incluyendo componentes basicos como puertas logicas (AND, OR, XOR, NAND, etc) Modulos estandares como sumadores, multiplicadores, registros, memorias, etc y finalmente transistores MOS. http://www.tkgate.org/ Xcircuit: Es un programa que permite dibujar circuitos eléctricos (aunque puede ser utilizado también para dibujar otras cosas). Es liviano, fácil de usar y produce resultados con calidad profesional y en formato EPS, por lo que resulta ideal para incluir circuitos en documentos LaTeX. También permite generar archivos Spice para simular el circuito. http://bach.ece.jhu.edu/~tim/programs/xcircuit/ SPICE es un acrónimo inglés de Simulation Program with Integrated Circuits Emphasis (Programa de simulación con énfasis en circuitos integrados). Fue desarrollado por la Universidad de California, Berkeley en 1975 por Donald Pederson. Es un estándar internacional cuyo objetivo es simular circuitos electrónicos analógicos compuestos por resistencias, condensadores, diodos, transistores, etc. Para ello hay que describir los componentes, describir el circuito y luego elegir el tipo de simulación (temporal, en frecuencia, en continua, parámetrico, Monte Carlo...). http://www.sqi.gu.edu.au/spice/ http://www.imse.cnm.es/~rocio/DOCs_GRAL/SPICE.pdf En 1984 nace de manos de MicroSim Corporation la primera adaptación para ordenadores personales: PSpice. Desde entonces, PSpice ha ido renovándose continuamente. Versiones ampliamente extendidas de PSpice son la 8.0 (última desarrollada por MicroSim) y la 9.1 (primera tras la fusión de OrCAD y MicroSim), hasta llegar a la 9.2, la última en el mercado. Esta revisión del simulador es la primera desde la fusión de Cadence y OrCAD. http://www.imse.cnm.es/~rocio/DOCs_GRAL/Design_Eval_8.pdf

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Electronic Workbench: Electronics Workbench brinda el software de captura esquemática y de simulación de circuitos. Se ecuentra Disponible como herramientas de diseño autónomas o como parte de un conjunto integral. El producto incluye software para captura de esquemáticos, simulación de circuitos (SPICE, VHDL y cosimulación patentada), diseño de PCBs y auto enrutado. Electronics Workbench reduce drásticamente el tiempo de desarrollo y creación de PCBs, con mayor precisión y con mayor costo-beneficio que otros paquetes de diseño; cada circuito que se dibuja está listo automáticamente para su simulación, de esta manera se puede comenzar pruebas en la etapa más temprana de su diseño. http://www.interactiv.com/ Altium Designer 6. Altium Designer es un sistema unificado, que incorpora todas las tecnologías y capacidades necesarias para el comple desarrollo de productos electrónico; se ha fortalecido y mejorado las áreas del sistema de diseño de PCBs, FPGAs y múltiples aplicaciones para diseño de productos electrónicos http://www.software-shop.com/Productos/Altium/altium.html Proteus: es un programa para simular circuitos electronicos complejos integrando inclusive desarrollos realizados con microcontroladores de varios tipos, en una herramienta de alto desempeño con unas capacidades graficas impresionantes. http://www.frino.com.ar/proteus.htm Orcad: Es el programa por excelencia para la creación de circuitos. Su uso es extremadamente sencillo (siempre y cuando se sepa lo que se quiere hacer) ya que es muy intuitivo: plasma el circuito con sus componentes, y simula lo que se desea obtener. http://es.geocities.com/siderio_orion/Orcad/Contenido.htm http://www.cadence.com/products/orcad/index.aspx Matlab: es la abreviatura de Matrix Laboratory (laboratorio de matrices). Es un programa de análisis numérico creado por The MathWorks en 1984. http://www.tecnun.es/asignaturas/Informat1/AyudaInf/aprendainf/matlab60/matlab60.pdf

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Lección 3. Sistemas operativos Los sistemas operativos hacen parte del software que se requiere para el funcionamiento y administración de los recursos de un computador, están compuestos por una serie de rutinas que soportan la ejecución de otros programas; para cumplir con estas tareas, es importantísimo que provean una interfaz que permita la comunicación con el usuario, en parte y gracias a esta última necesidad surgieron los sistemas operativos. Este tipo de software permite entonces al usuario de un computador, operarlo de manera práctica. Existen básicamente dos tipos de entornos en los cuales el usuario puede emitir dichas instrucciones: un entorno o interfaz de línea de comando y una interfaz gráfica Interfaz de Línea De Comandos: Esta interfaz se caracteriza porque el usuario escribe los comandos o instrucciones utilizando un lenguaje de comandos especial. Los sistemas con interfaces de líneas de comandos se consideran más difíciles de aprender y utilizar que los de las interfaces gráficas. Sin embargo, los sistemas basados en comandos son por lo general son programables, lo que les otorga una flexibilidad que no tienen los sistemas basados en gráficos carentes de una interfaz de programación. Interfaz gráfica del usuario: Este entorno permite al usuario elegir comandos, iniciar programas y ver listas de archivos y otras opciones a través de representaciones visuales (iconos) y listas de elementos del menú. Las selecciones pueden activarse bien a través del teclado o del ratón. Funciones De Los Sistemas Operativos

• Interpretar los comandos que permiten al usuario comunicarse con el ordenador.

• Coordinar y manipular el hardware de la computadora, como la memoria, las impresoras, las unidades de disco, el teclado o el ratón.

• Organizar los archivos en diversos dispositivos de almacenamiento, secundario como discos flexibles, discos duros, memorias usb, discos compactos, etc.

• Gestiona los errores de hardware y la pérdida de datos.

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• Servir de base para la creación del software logrando que equipos de marcas distintas funcionen de manera análoga, salvando las diferencias existentes entre ambos.

• Configura el entorno para el uso del software y los periféricos. Clasificación: Desde el punto de vista administrativo, podemos clasificar su labor en 3 áreas así:

• A nivel de Usuario

o Monousuario: El sistema operativo solamente recibe las ordenes y ejecuta los programas de un solo usuario.

o Multiusuario: Aquí el sistema operativo da la posibilidad de la

ejecución de un programa se haga desde diferentes usuarios de igual forma con los recursos.

• A nivel de tareas:

o Monotarea: Significa que el sistema operativo ejecuta solamente un proceso en un determinado momento, esto no significa que las labores propias del sistema operativo se vean afectadas en cuanto a su ejecución, hace referencia a tareas no propias del sistema operativo.

o Multitarea: Varias tareas pueden ejecutarse al mismo tiempo, esta

función la logra alternando los recursos entre las tareas que los solicitan dando la sensación de una ejecución simultánea.

• Manejo de recursos:

o Centralizado: Los recursos del computador, como su nombre lo indica, están centralizados de forma que solo son asequibles por un solo usuario en un solo instante de tiempo

o Distribuido: A diferencia del anterior los recursos de mas de un

computador en el mismo instante de tiempo.

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Ejemplos De Sistemas Operativos: A continuación se da un listado de sistemas operativos clasificados en las tres grandes familias presentes en el mercado. Familia Windows

• Windows 95 • Windows 98 • Windows ME • Windows NT • Windows 2000 • Windows 2000 server • Windows XP • Windows Server 2003 • Windows CE • Windows Mobile • Windows XP 64 bits • Windows Vista (Longhorn)

Familia Macintosh

• Mac OS 7 • Mac OS 8 • Mac OS 9 • Mac OS X

Familia UNIX

• AIX • AMIX • GNU/Linux • GNU / Hurd • HP-UX • Irix • Minix • System V • Solaris • UnixWare

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En el mercado básicamente podemos destacar dos de los sistemas operativos mas utilizados que son: GNU/Linux y Windows Lección 4. Características del sistema operativo gnu/linux En 1969 aparece UNIX, como resultado del trabajo de Ken Thompson, de Bell Labs, y posteriormente en conjunto con Dennis Ritchie y otros miembros del Bell Labs se obtuvo l primera versión de UNÍS, que estaba desarrollada en ensamblador, que luego fue escrita en lenguaje C lo que la hizo portable. Este se distribuye entre la comunidad universitaria con el nombre de POSIX Una de las características principales de este Sistema Operativo es el sistema de tiempo compartido, esto permite a varios usuarios utilizar el sistema simultáneamente, sin que se intervengan entre sí y sin notar la presencia de los demás. Los párrafos siguiente hacen describen las principales características de GNU/Linux, fueron tomadas de http://www.adrformacion.com/cursos/linux/leccion1/tutorial3.html

Multitarea. Linux desde su concepción fue diseñado como un sistema operativo multitarea, lo que le permite ejecutar varios programas a la vez, de forma que no tiene que esperar a que termine uno para empezar otro. La multitarea está controlada por el Sistema Operativo (S.O.) y no por las aplicaciones, por lo que es muy difícil que el fallo de un programa "cuelgue" el sistema por una mala utilización de los recursos del equipo. 32 bits reales. Linux permite aprovechar toda la potencia del procesador, corre a 32 bits reales en un procesador intel o amd, y a 64 bits en los nuevos procesadores que están llegando al mercado. Esto le confiere al sistema rapidez, eficacia, seguridad y fiabilidad. Multiusuario. Linux es un sistema operativo capaz de responder, simultáneamente, a las solicitudes de varios usuarios que empleen el mismo ordenador, incluso con necesidades distintas. Además proporciona los elementos necesarios para garantizar la seguridad y privacidad de los datos entre los diferentes usuarios. POSIX. es un estándar de la industria que asegura una calidad mínima en ciertas partes del S.O. y asegura la compatibilidad a nivel de código. De

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esta forma los programas POSIX que funcionan en un UNIX no tienen ningún problema para compilarse y ejecutarse en Linux. Estabilidad. Linux es robusto, por lo que si un programa falla no interrumpirá el trabajo de los demás. Entraremos al sistema, desbloquearemos el programa y podremos seguir utilizando el sistema sin ningún problema. Esta característica permite que el sistema funcione durante periodos muy largos de tiempo sin necesidad de parar y volver a arrancar. Soporte. Si compras una de las distribuciones de Linux dispondrás de soporte de las empresas que los distribuyen (Red Hat, Mandriva, SUSE, Ubuntu, etc.) o de otras muchas que se han especializado en Linux (desde gigantes como IBM o HP hasta empresas españolas como Activa Sistemas, Esware o Andago). Si aun así no lo ves claro aquí tienes una iniciativa que permite localizar empresas que dan soporte a aplicaciones de software libre. http://www.findopensourcesupport.com Es libre. Como disponemos del código fuente, podemos hacer cualquier modificación sin tener que esperar a que alguien nos envíe un "Service Pack" para solucionarlo. En el caso de que no sepamos arreglar el fallo podremos contratar a cualquier empresa para que lo arregle, aún cuando la empresa que nos vendió el programa haya cerrado o no le interese resolver nuestro problema, ya que se conoce el código fuente. Adaptación. Linux es un S.O. que evoluciona rápidamente adaptándose a las novedades del mercado y solucionando rápidamente los problemas que puedan surgir, además se puede personalizar tanto, que ahora mismo hay comunidades autónomas como Madrid (Max), Valencia (Lliurex) o Extremadura (Linex) que han hecho su propia distribución con fines educativos ( quién sabe si después de este curso te animas a crear la tuya!!!! Sistema de archivo. Linux puede operar con una gran variedad de sistemas de archivos, pudiéndolos leer y operar con ellos. Por ejemplo: FAT, VFAT, OS2/FS, ISO9660, ReiserFS, etc. Multiplataforma. Linux es soportado por los sistemas informáticos independientemente del microprocesador que lleven instalado (386, 486,

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Pentium, Pentium Pro, Pentium II, Pentium III, Pentium 4, AMD 64, Amiga, , Atari, Alpha, PowerPC, SPARC, RISC, etc...). Red. Linux fue desarrollado desde sus comienzos para trabajar en red. Su protocolo principal es TCP/IP, aunque soporta una gran variedad de protocolos como SLIP/PPP, PLIP, NFS, Telnet, TNP, SMTP, IPX, AppleTalk, etc. Además es capaz de mediar entre todo tipo de redes, permitiendo trabajar en red con equipos que utilicen sistemas operativos como Windows 98 o XP sin ningún problema. Entorno Gráfico. Linux puede trabajar con o sin entorno gráfico. Por ejemplo para funcionar de manera óptima en equipos con poca memoria o en servidores donde el entorno gráfico consume recursos innecesariamente. Si por el contrario queremos usar un entorno de ventanas, existen un sinfín de gestores (ICEwin y otros) y de entornos de escritorio (KDE y GNOME son los más populares) que permiten al usuario doméstico trabajar de una forma intuitiva. Distribuciones. Una distribución es un sistema operativo GNU/Linux unido a una serie de aplicaciones de configuración y de usuario "empaquetadas" juntas. Todas tienen en común el núcleo del sistema. Las diferencias entre unas y otras son las herramientas de configuración que utilizan y las diferentes aplicaciones que se incluyen junto al sistema operativo. Estas son algunas de las distribuciones mas comunes que hay en el mercado: Knoppix, http://www.knoppix-es.org/ Red Hat, http://fedora.redhat.com/ o http://www.redhat.es/fedora/ Debian, http://www.gnu.org, http://www.debian.org y http://www.es.debian.org SUSE, http://www.suse.com, http://www.novell.com/es-es/linux/suse/ Slackware, http://www.eslack.org/ Gentoo, http://www.gentoo-es.org Ubuntu, http:// www.ubuntu.com Mandriva (antes Mandrake), http://www.mandriva.com/es , http://www.mandrakefacil.org

En el siguiente enlace puede encontrar un manual en el que debe abordar el manejo de tareas cotidianas como crear carpetas, copiar archivos, instalar software. http://www.ant.org.ar/cursos/curso_intro/book1.html

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Lección 5. Características del sistema operativo Windows El sistema operativo Windows inicio como el sistema operativo D.O.S (Disk Operating System). En sus principios fue desarrollado junto con la empresa IBM, pero diferencias entre las partes hicieron que no fuera un lanzamiento en conjunto. Por el contrario, cada una de las empresas presentó "su" sistema operativo: PC-DOS (IBM) y MS-DOS (Microsoft). D.O.S. se presentaba como una consola o pantalla de texto con una línea de comandos que nos indicaba en qué directorio nos encontrábamos y a partir de allí se digitaban las ordenes a ejecutar. La última versión del producto como tal fue la 6.22, posteriormente apareció Windows 3.11 que en su corazón incluía la versión de DOS lo que lo convertía en un entorno operativo mas que un sistema operativo como ta, posteriormente apareció Windows 95, Windows 98/NT donde se eliminó el DOS como sistema independiente y en cambio aparece como un emulador de éste, además se incluía el manejo especializado de redes. Dentro de su evolución salió al mercado Windows 2000/Windows ME, orientado a empresas; Las dos últimas versiones en el medio son Windows XP SP2 (hace énfasis en los drivers) y Windows Vista. A continuación se muestra algunas de las principales características de Windows XP que fueron tomadas de: http://descargas.abcdatos.com/tutorial/descargarL11118.html

Protección de la red. Todos los ordenadores conectados a Internet necesitan protección frente a ataques basados en la red, como los del gusano Blaster. Esta protección es especialmente importante para los clientes domésticos conectados a Internet a través de un módem por cable, una línea ADSL o una conexión telefónica, así como para los usuarios de portátiles que no siempre están protegidos por un firewall corporativo. Navegación. web más segura. Para muchos clientes, la Web es algo que proporciona código malicioso y pop-ups indeseados. Los clientes también están preocupados por los sitios maliciosos que ofrecen descargas diseñadas para defraudarles o dañar sus ordenadores. Todos los clientes corren este riesgo, especialmente cuando navegan por sitios web con los que no están familiarizados. Las tecnologías de seguridad ofrecidas por Internet Explorer permiten una navegación web más segura, a la vez que mantienen intacta la experiencia de navegación completamente funcional, tanto para usuarios domésticos como corporativos de Windows XP.

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Protección de la memoria. Alguna aplicación maliciosa puede beneficiarse de la sobrescritura de búfer para atacar a un ordenador. La sobrescritura de búfer es una vulnerabilidad del software que copia demasiados datos, sobrescribiendo áreas de memoria y permitiendo la ejecución de código arbitrario. Los atacantes podrían aprovecharse potencial y remotamente de esta vulnerabilidad en cualquier ordenador conectado a Internet o a cualquier otra red (en el hogar o en la oficina) a través de ADSL, cable o conexión telefónica. Aunque no hay una técnica sencilla para eliminar completamente este tipo de vulnerabilidad, Microsoft está empleando tecnologías de seguridad para reducir la probabilidad y el riesgo de un ataque de diversas formas. Por ejemplo, Microsoft ha vuelto a compilar todo el código modificado desde el lanzamiento de Windows XP utilizando el último compilador Visual Studio® y el flag “/GS” para reducir la posibilidad de ciertas vulnerabilidades por sobrescritura de búfer. Correo electrónico y mensajería instantánea más seguros. El correo electrónico es una vía común por la que se sufren ataques maliciosos para infectar el ordenador y extender la infección. Las nuevas tecnologías de seguridad de Microsoft hacen más seguros el correo electrónico y la mensajería instantánea ayudando a detener la propagación de virus (como Sobig.F). Este incremento de la seguridad es más aplicable a los usuarios domésticos y pequeñas empresas que utilizan Outlook® Express o la mensajería instantánea (IM) Windows Messenger. Mejoras adicionales. Windows XP Service Pack 2 incluye mejoras adicionales tendentes a proporcionar al usuario las últimas actualizaciones tecnológicas, entre las que se incluyen las siguientes: • Actualización automática. SP2 será más conveniente para el cliente activando la actualización automática, que descargará e instalará automáticamente las actualizaciones más importantes. • Windows Media Player 9 Series. Windows Media® Player 9 Series ha pasado por una revisión integral de la seguridad, lo que ha dado como resultado un conjunto robusto de parámetros de seguridad (disponibles desde el menú Herramientas seleccionando Opciones) que permiten al usuario controlar más fácilmente los servicios disponibles en el reproductor. • Actualización bluetooth. Windows XP SP2 incluye un soporte actualizado para Bluetooth®, lo que permite al cliente beneficiarse de los últimos dispositivos inalámbricos, incluyendo ratones y teclados inalámbricos, impresoras inalámbricas y conexiones con teléfonos móviles y PDA.

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• Cliente de red de área local (LAN) inalámbrica unificada. El nuevo cliente LAN inalámbrico funcionará con un amplio abanico de inalámbricos de ultimísimo generación (hot spots). Permite al cliente conectar con estos últimos sin tener que instalar o actualizar un cliente de terceros. El cliente también se beneficia de una interfaz de usuario nueva que permite una desconexión más sencilla de los hot spots.

Puede ampliar este conjunto de características en https://www.microsoft.com/latam/windowsxp/pro/evaluacion/caracteristicas.asp En el siguiente enlace puede encontrar un manual introductoria al manejo de Windows XP, http://www.unav.es/cti/manuales/pdf/IntroWinXP.pdf

CAPÍTULO 2: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS DC,AC Introducción. En este capítulo se da la descripción del uso de dos aplicativos para el diseño y simulación de circuitos electrónicos, esto a través de ejemplos que parten de lo básico hasta un ejercicio completo donde se muestran los resultados de la simulación y se hacen las descripciones paso a paso. En cada lección se hace uso de pantallazos que muestran las ventanas que el estudiante debe observar en el proceso de diseño y simulación de circuitos electrónicos para problemas determinados. Lección 6. Dispositivos electrónicos e interconexión circuit maker Entorno General Como se menciono en el capitulo anterior existen múltiples programas de simulación de circuitos de manejo comercial y de manejo libre. Dentro del software propietario y uno de los mas utilizados hasta hace poco dentro de sus versiones estudiantiles se encuentra Circuit Maker que es un software de simulación de circuitos AC y DC A continuación se da una breve descripción del entorno de este programa

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Figura 4. Entorno general de trabajo Circuit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Barra de Herramientas. La barra de herramientas se puede catalogar como una representación grafica o acceso directo a las funciones de la barra de menú más empleadas durante el desarrollo de una actividad Los elementos que conforman esta barra y su descripción o funcionamiento se muestran en seguida.

Figura 5. Barra de Herramientas Circuit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007)

Panel Barra de

MenúDiagrama

Esquemático Barra de

Herramientas

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Despliegue.

Panel: Muestra o esconde el panel, el panel estará visible de forma predeterminada al iniciar la aplicación, al remover el panel se aumenta la visibilidad del área de dibujo. Manejo del documento.

Nuevo documento: Genera un nuevo esquemático, si se esta trabajando en otro proyecto y se presiona este botón se le pedirá que guarde su trabajo para empezar a trabajar en el nuevo proyecto.

Abrir documento: Abre un esquemático (diagrama del circuito) existente. De igual forma que Nuevo documento, si se esta trabajando con un proyecto antes de abrir el esquemático requerido se le pedirá guardar el documento.

Guardar documento: Guarda en una ruta determinada el esquemático con el que se esta trabajando.

Imprimir: Imprime el esquemático que se encuentre en el área de trabajo. Herramientas de dibujo.

Flecha: Esta herramienta se encarga de arrastrar y editar los componentes en el esquemático, dando la posibilidad de cambiar los valores propios del elemento. Esta herramienta permite la manipulación del alambrado.

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Herramienta de alambrado: Con la herramienta alambrado, podemos colocar alambres para conectar los dispositivos entre si y presionando la tecla SHIFT mientras se alambra se generara un alambrado tipo BUS de datos.

Texto: Con esta herramienta se puede colocar un texto en el esquemático.

Herramienta de borrado: Permite borrar componentes, texto y alambrados; si se presiona la tecla SHIFT se eliminan pequeños segmentos de alambre, de tal forma que se pueda corregir un detalle sin necesidad de eliminar todo un alambrado.

Lupa: Da una vista del esquemático que va del 10% al 1000%.

Ajustar a la ventana: Da la ampliación o reducción correspondiente de tal forma que se pueda ver al esquemático completo en la pantalla. Herramientas de manejo de componentes.

Rotar: Rota en un ángulo de 90° a uno o varios componentes seleccionados.

Reflejar: Refleja uno o más elementos seleccionados.

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Dispositivos Electrónicos

Figura 6. Dispositivos Electrónicos Circuit Maker

En el panel frontal se pueden encontrar todos los dispositivos incluidos en CIRCUITMAKER, estos se encuentran contenidos en diferentes categorías en las que se hace énfasis al tipo de dispositivos a las que pertenecen. Por ejemplo en la categoría .GENERAL se encuentran los elementos de uso más común: Elementos activos (Transistores y Diodos), elementos pasivos (resistencias, bobinas y condensadores), elementos para energizar circuitos (baterías, fuentes de voltaje y corriente) e instrumentos (Generador de señales, multímetro y generador de secuencias de datos). En la figura se observan las demás categorías aparte de las mencionadas, por ejemplo; en ACTIVE COMPONENTS se encuentran transistores (NPN, PNP), diodos de diferentes tipos y funciones (Rectificador, ZENER, Puentes de diodos, VARACTOR, etc.), otros tipos de transistor como el FET y MOSFET.


En la categoría de CAPACITORS se incluyen diferentes tipos de condensadores (polarizado, no polarizado y variable), en la categoría RESISTORS, de igual forma se pueden encontrar diferentes tipos o presentaciones de este componente (Resistencia, resistencia variable, etc.). En la siguiente tabla se observan algunos de los componentes de Circuit Maker

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Tabla 2. Componentes electrónicos en Circuit Maker Resistor Resistor Variable Condensador Condensador

polarizado Condensador

variable R 11 k

R 21 0 k 4 0 %

C 11 u F

+

C 21 u F

C 31 u F

Inductor Inductor variable Diodo Puente

Rectificador Diodo Led

L 11 u H

L 21 u H

D 1D I O D E

D 2B R I D G E

D 4L E D 1

Diodo Shottky Diodo Varactor Diodo Zener Transistor NPN Transistor PNP D 3

S C H O T T K Y

D 5V A R A C T O R

D 6Z E N E R

Q 1N P N

Q 2P N P

Transistor Darlington

FET canal N FET canal P IGBT IGBT

Q 3N P N 1

Q 3N J F E T

Q 4P J F E T

Q 1N I G B T

Q 1P I G B T

Parejas de transistores

UJT PUT SCR TRIAC

U 1S S M 2 2 1 0

Q 2U J T

P U T 1P U T

S C R 1S C R

Q 1

T R I A C

Pentodo Tetrodo Amp Operacional Fuente de voltaje Fuente de corriente

V 2P E N T O D E

V 3T E T R O D E

U 3I D E A L

+

-

V s 11 0 V

I s 11 0 0 m A

Fuente dependiente

Fuente dependiente

VCO Generador de funciones

Fusible

I c I s 11

+

-

+

-

V 2

+

-

+

-

V 4

1 k H z

V 1- 1 / 1 V

F 11 A

Conector Transformador Rele PLL Cristal c o n e c t o r T 1

R L Y 15 V C O I L

P L LS i gC o m pV o u t

V s s D e mV i nP C

V d d

U 2

X T A L 11 . 0 0 0 M H Z

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Tabla 2. Componentes electrónicos en Circuit Maker (Continuación) Motor paso a

paso Motor DC Parlante Antena Cable trenzado

1 A2

3 B4

M 2

M 1

S P K 1

8

A N T 1

C A B L 1

Cable coaxial Opto acoplador Multimetro C A B L 2

U 1

O P T O I S O

D C V

N O D A T A

Fuente: Construida a partir de imágenes de Circuit Maker versión Trial Juan Monroy (2007).

Interconexión de Dispositivos. Una vez se halla seleccionado el componente que se desea colocar en el área de trabajo de alguna de las librerías mencionadas anteriormente, el elemento se visualizara en la parte superior del panel y en la parte inferior aparecerán los modelos disponibles del dispositivo para que sea seleccionado. Por ejemplo si se desea un transistor NPN, éste se selecciona de la librería, aparece visualizado el símbolo y las referencias disponibles, por ejemplo 2N3370, 2N3458 etc. para escoger el modelo deseado

Figura 7. Selección de dispositivos Circuit Maker


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Los dispositivos pueden ser colocados en el área de trabajo, o haciendo doble clic sobre el elemento de la categoría y desplazando el Mouse o presionando el botón PLACE. Una vez colocado el elemento en el área de trabajo, se pueden modificar las propiedades del mismo haciendo doble clic sobre el mismo o dando clic derecho e ingresando a la opción DEVICE PROPERTIES Cuando se desea hacer el montaje de un circuito es importante mantener una proporción espacial de éste para ubicar cada uno de los elemento que lo componen, sin embargo esto no es una camisa de fuerza, ya que la mayoría de los programas permiten mover y reubicar los elementos, incluso si ya se han interconectado ajustando, dichas conexiones de manera automática. En la siguiente figura se observan el área de trabajo con los componentes de un circuito amplificador.

Figura 8. Dispositivos en área de trabajo Circuit maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Como se observa cada uno de los elementos que forman el amplificador no se ubicaron esperando dejarlos en su posición final, pero si de forma tal que no queden sobrepuestos, para reubicarlos se utiliza el Mouse haciendo clic sostenido

+ V

V 11 0 V

R 31 k

R 21 k

R 11 k

Q 1N P N

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con el botón izquierdo justo sobre el elemento que se desea mover y se arrastrándolo a la posición deseada. En ocasiones es necesario rotar los componentes, tarea que fácilmente se puede realizar mediante la opción ROTATE que aparece dando clic derecho sobre el elemento.

Para realizar la interconexión se utiliza la herramienta alambrar , para empezar el alambrado se hace click sobre este icono y se ubica el puntero del mouse en una de las terminales del componente, al hacer esto aparecerá un recuadro rojo alrededor de la terminal seleccionada, como se observa en la siguiente figura.

Figura 9. Terminal de una componente Circuit Maker


A continuación se mantiene presionado el botón izquierdo del mouse dirigiéndolo a la terminal del otro componente donde se desea hacer la conexión y soltándolo al realizar el contacto. Es importante mencionar que si por error se realiza una interconexión entre dos elementos que originalmente no están conectados, es posible eliminar dicha conexión haciendo clic sobre ella y presionando la tecla delete. Una vez se hacen las interconexiones debe observarse el circuito como se ve a continuación.

Figura 10. Circuito amplificador


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Como se observa fue necesario reubicar las resistencias, rotarlas y cambiar sus propiedades, al igual que se modifico las propiedades de la fuente DC.

Lección 7. Dispositivos electrónicos e interconexión Proteus

Entorno General. Otro de los software tipo propietario empleado con gran frecuencia es el Proteus, a continuación se da una breve descripción del entorno de trabajo de este programa

Figura 11. Entorno general de trabajo Proteus.

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009)

Barra de Herramientas. La barra de herramientas se puede catalogar como una representación grafica o acceso directo a las funciones de la barra de menú más empleadas durante el desarrollo de una actividad Los elementos que conforman esta barra y su descripción o funcionamiento se muestran en seguida.

Vista Completa Cto

Barra de Menú Diagrama

Esquemático

Barra de Herramientas Lista de

Componentes

Controles para Simulación

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Figura 12. Barra de Herramientas Proteus


Manejo del documento.

Nuevo documento: Genera un nuevo esquemático, si se esta trabajando en otro proyecto y se presiona este botón se le pedirá que guarde su trabajo para empezar a trabajar en el nuevo proyecto.

Abrir documento: Abre un esquemático (diagrama del circuito) existente. De igual forma que Nuevo documento, si se esta trabajando con un proyecto antes de abrir el esquemático requerido se le pedirá guardar el documento.

Guardar documento: Guarda en una ruta determinada el esquemático con el que se esta trabajando.

Importar o exportar diagrama esquemático

Imprimir: Imprime el esquemático que se encuentre en el área de trabajo.

Define área a imprimir

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Re-dibuja el diagrama esquemático

Visualiza/Oculta la malla guía de trabajo

Habilita/Deshabilita la especificación manual del origen de coordenadas

Centra en esquemático alrededor de la posición del cursor indicada.

Acercamiento con cada pulsación del Mouse

Disminuye la escala de la ventana de edición luego de hacer clic

Muestra el esquema completo existente en la ventada de edición

Amplia la zona seleccionada Herramientas de dibujo.

Modo selección: Esta herramienta se encarga de arrastrar y editar los componentes en el esquemático, dando la posibilidad de cambiar los valores propios del elemento. Esta herramienta permite la manipulación del alambrado.

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Modo Componente: Da acceso a las librerias de componentes que se pueden utilizar dentro del circuito a simular, permite colocar, orientar y editar componentes en la ventana de dispositivos.

Define un punto de unión, enlace o empalme, si se desea eliminar, se hace doble clic con el botón derecho del mouse sobre él.

Activa el modo de etiqueta de alambrado, permitiendo así bautizar puntos del alambrado con ciertos nombres; existen unos nombres reservados como: VCC, VDD,GND,VSS, ya que identifican los terminales de alimentación y tierra.

Ingresa al modo edición de texto (comentarios), para generar, editar y mover bloques de texto.

Modo de Alambrado, permite interconectar los elementos dentro del circuito electrónico.

Permite situar y editar sub-circuitos en el diseño.

Activa el modo de terminales, y ubica estas terminales en la ventana de lista de componentes.

Activa el modo de pines de dispositivos, y ubica estos tipos de pines en la ventana de lista de componentes.

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Activa el Modo Grafico, para visualizar señales indicadas en el circuito.

Activa en el listado de Componentes los generadores disponibles para usar en le circuito a simular.

Permite trabajar con el probador de voltaje y corriente respectivamente.

Ubica en el listado de componentes los instrumentos virtuales que es posible utilizar en el circuito electrónico. Dispositivos Electrónicos

Figura 13. Dispositivos electrónicos Proteus


1. Componentes

2. Pick from Libraries

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Para ingresar al listado de componentes disponibles para el diseño y simulación de circuitos electrónicos, primero debe dar clic en el icono de componentes y posteriormente en el botón (P) “Pick From Libraries”, una vez se da clic aparece un listado de los elementos disponibles organizados por categorías, se selecciona una categoría y la parte inferior aparece un listado de subcategorías, se elige una de ellas y aparece un listado componentes en la parte central de la ventana. Por ejemplo si deseamos insertar el transistor genérico debemos elegir la Categoría Transistor, la subcategoría Generic y el dispositivo NPN device

Figura 14. Listado de componentes Proteus


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Interconexión de Dispositivos. Se debe seleccionar cada uno de los elementos a utilizar desde la ventana de componentes, a medida que se eligen, estos van generando una lista en la ventana de componentes, de allí deben ser elegidos para ubicarlos en el área de trabajo. La selección se hace dando clic en el listado de componentes, al elemento a insertar, se desplaza el cursor al área de trabajo y se de clic para que aparezca la sombra del elemento y se desplaza el cursor hasta ubicar la posición donde aparecerá el componente en el circuito, y se imprime allí, dando una vez mas clic; esto se muestra en el siguiente grafico

Figura 15. Interconexión de dispositivos Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Mientras no se elija otro componente, cada vez que haga clic aparecerá la sombra del elemento y podrá insertar tantos como desee. Una vez estén dispuestos los elementos en el área de trabajo, se pueden modificar las propiedades del mismo haciendo doble clic sobre el mismo o dando clic derecho e ingresando a la opción “Edit Properties”

Clic en el listado

Clic en el área de trabajo

Desplazar el cursor y hacer clic

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Cuando se desea hacer el montaje de un circuito es importante mantener una proporción espacial de éste para ubicar cada uno de los elemento que lo componen, sin embargo esto no es una camisa de fuerza, ya que la mayoría de los programas permiten mover y reubicar los elementos, incluso si ya se han interconectado ajustando, dichas conexiones de manera automática. En la siguiente figura se observan el área de trabajo con los componentes de un circuito amplificador.

Figura 16. Dispositivos en área de trabajo Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Como se observa cada uno de los elementos que forman el amplificador no se ubicaron esperando dejarlos en su posición final, pero si de forma tal que no queden sobrepuestos, para reubicarlos se utiliza el Mouse haciendo clic se elige el elemento, luego haciendo clic pero sostenido, se arrastra a la posición deseada. En ocasiones es necesario rotar los componentes, tarea que fácilmente se puede realizar mediante la opción ROTATE CLOCKWISE (rotar sentido horario), ROTATE ANTI-CLOCKWISE (rotar sentido anti-horario) que aparece dando clic derecho sobre el elemento.

Para realizar la interconexión se utiliza la herramienta Bus , para empezar el alambrado se hace click sobre este icono y se ubica el puntero del mouse en una de las terminales del componente, al hacer esto aparecerá un recuadro rojo alrededor de la terminal seleccionada, como se observa en la siguiente figura.

37


Figura 17. Terminal de una componente Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) A continuación se hace clic en la terminal, presionado el botón izquierdo del mouse y se desplaza dirigiéndolo a la terminal del otro componente donde se desea hacer la conexión y se hace clic en el contacto. Es importante mencionar que si por error se realiza una interconexión entre dos elementos que originalmente no están conectados, es posible eliminar dicha conexión haciendo clic derecho sobre ella y seleccionando “delete wire” del menú contextual que aparece. Una vez se hacen las interconexiones debe observarse el circuito así:

Figura 18. Circuito Amplificador

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Como se observa fue necesario reubicar las resistencias, rotarlas y cambiar sus propiedades, al igual que se modifico las propiedades de la fuente DC.

38


Lección 8. Guardar y cargar circuitos circuit maker, proteus Guardar (Circuit Maker). Una vez tenemos el circuito terminado, podemos salvarlo utilizando la opción SAVE o SAVE AS del menú File tal como se observa en la siguiente figura

Figura 19. Guardar circuitos Ciruit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Realice el montaje que se ve en la anterior figura y grabe dicho circuito para simularlo posteriormente con las indicaciones dadas en el próximo tema. Una vez se ha elegido la opción save se despliega la ventana que nos permite seleccionar la ruta donde se guardará el archivo, se coloca el nombre y se da clic en guardar, es importante notar que este archivo se almacena con extensión .ckt

39


Figura 20. Seleccionar carpeta Circuit Maker


Guardar (Proteus). Armamos el circuito mostrado a continuación, (fuentes las encuentra dando clic en componente en “Simulator Primitives”, componente VSOURCE, y los instrumentos en “Virtual Instruments”. Una vez tenemos el circuito terminado, podemos salvarlo utilizando la opción SAVE DESIGN o SAVE DESIGN AS del menú File tal como se observa en la siguiente figura

Figura 21. Guardar circuitos Proteus


40


Una vez se ha elegido la opción save se despliega la ventana que nos permite seleccionar la ruta donde se guardará el archivo, se coloca el nombre y se da clic en guardar, es importante notar que este archivo se almacena con extensión .dsn

Figura 22. Seleccionar carpeta Proteus


Cargar (Circuit Maker). Circuit Maker permite llamar o abrir circuitos existentes, mediante la opción open ubicada en el menú File, como se observa en la siguiente figura

Figura 23. Cargar circuitos Circuit Maker


41


Seleccionada esta opción, se despliega una ventana donde escogemos la ruta y específicamente el archivo con el cual deseamos trabajar, dando clic en abrir se carga automáticamente el circuito en el área de trabajo.

Figura 24. Seleccionar archivos Circuit Maker


Teniendo el archivo en el área de trabajo se pueden realizar ediciones sobre ese circuito.

Figura 25. Ediciones de circuitos Circuit Maker


42


Cargar (Proteus). Proteus permite llamar o abrir circuitos existentes, mediante la opción OPEN DESIGN ubicada en el menú File, como se observa en la siguiente figura

Figura 26. Cargar circuitos Proteus


Seleccionada esta opción, se despliega una ventana donde escogemos la ruta y específicamente el archivo con el cual deseamos trabajar, dando clic en abrir se carga automáticamente el circuito en el área de trabajo.

Figura 27. Seleccionar archivos Proteus


43


Teniendo el archivo en el área de trabajo se pueden realizar ediciones sobre ese circuito.

Figura 28. Ediciones de circuitos Proteus


Leccion 9. Simulación del circuito ac/dc y ejercicios de aplicación circuit maker Simulación de Circuito Ac/Dc. Para simular el circuito debemos tener la totalidad de los componentes en el área de de trabajo y deben estar alambrados correctamente. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de un amplificador, antes de realizar el montaje observe cuidadosamente los elementos que lo componen guiándose por la tabla de dispositivos que aparece para circuit maker, determine su ubicación y agréguelos al área de trabajo, Posteriormente realice el alambrado de forma tal que se observe así:

Figura 29. Montaje de amplificador en circuit Maker

A C V 1 . 1 0 5 V

C 20 . 4 7 u F

C 11 u F

1 k H z

V 2- 5 0 0 m / 5 0 0 m V

+ V

V 12 0 V

Q 1N P N

R 51 k

R 43 k

R 32 0 k

R 22 k

R 12 2 0


44


Para iniciar la simulación pulsamos F10 o en la barra de menú Simulación/Run. Si el circuito se simula correctamente aparece un pantallazo como el siguiente

Figura 30. Simulación de circuitos Circuit Maker


En la parte inferior de la pantalla hay dos pestañas: Operating point y Transient Análisis. La primera nos permite observar en la pantalla los valores numéricos de voltajes, corrientes y potencias en cualquier lugar del circuito, el punto donde deseamos hacer la medición lo seleccionamos con la herramienta punto de prueba

. La segunda permite observar la forma de onda de una señal de voltaje, corriente o potencia en el circuito. La selección del punto de medida se hace con la herramienta punto de prueba. Otra opción de simulación es el Análisis en frecuencia (Análisis de Bode), que se activa en la barra de menú con la opción Simulation/Análisis setup, activando la casilla A.C., allí se configuran los parámetros de frecuencia en los cuales se realiza la simulación. Esta opción permite hacer un análisis del comportamiento del circuito en función de la frecuencia, para ello es necesario conocer como responden cada uno de los elementos en función de dicha frecuencia.

45


A continuación se muestra un ejemplo del mismo amplificador mirando su respuesta en términos de la frecuencia.

Figura 31. Respuesta amplificador en términos de la frecuencia


Ejercicios se Aplicación 1. Encontrar las corrientes de malla I1, I2 e I3 del siguiente circuito:

Figura 32. Ejercicio de aplicación circuit maker, mallas

+

-

V s 11 0 V

R 51 0R 4

5

R 38

R 24

R 11 0

Fuente: Juan Monroy (2007)

I2 I3

I1

46


Primero definimos el sistema de ecuaciones de malla del circuito.

023581059408422

321

321

321

=⋅+−⋅−=−⋅+⋅−=⋅−⋅−⋅

IIIIIIIII

Para resolver el sistema proseguimos a encontrar el determinante de la matriz A:

27402358

5948422=

−−−−−−

=Δ

Una vez que hemos encontrado el determinante de la matriz A hallamos el valor de cada incógnita del sistema en este caso I1, I2 e I3.

AI 4848.0274013202350

5910840

1 ==Δ

−−−−

=

AI 61.1274044202308

51048022

2 ==Δ

−−−−

=

AI 51.027401420058

10940422

3 ==Δ

−−−

−

=

47


Los resultados se comprueban haciendo el siguiente montaje en Circuit Maker

Figura 33. Medidas tomadas con instrumentos en Circuit Maker, mallas


2. En el circuito de la siguiente figura calcular los VCE e IC en DC. En AC medir la ganancia de voltaje AV

Figura 34. Ejercicio de aplicación Circuit Maker, amplificador


48


Tenemos que:

VKKKVVTH 8.3)8222/(22*1 =Ω+ΩΩ=

Ω=Ω+ΩΩΩ

= KKKKKRTH 34.17

822282*22

ARR

VVIETH

BETHB μ

β22

*)1(=

++−

=

mAII BC 2.2==β

VRIRIVV ECCcCE 04.31 =−−=

Haciendo el siguiente montaje podemos comprobar los resultados, observe los datos que muestran los indicadores de corriente y voltaje

Figura 35. Medidas tomadas con instrumentos en Circuit Maker, amplificador


3==E

ECV R

RIIRA

49


Finalmente haciendo la grafica de Transient Análisis, se puede observar el voltaje de salida, y calculando la ganancia de voltaje de este circuito como V0/ Vi y que da como resultado 3.

Figura 36. Resultados simulación del amplificador divisor de tensión en circuit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Leccion 10. Simulación del circuito ac/dc y ejercicios de aplicación proteus

Simulación de Circuito Ac/Dc. El primer paso de la simulación es colocar los componentes en el área de trabajo, como ejemplo vamos a trabajar un circuito amplificador BJT en la configuración divisor de tensión.

50


Figura 37. Montaje de amplificador en Proteus


Realizamos un listado de los componentes que se necesitan en el circuito, para el ejercicio: Resistencias de diversos valores, condensadores, transistor BJT, fuente DC y fuente AC. Haciendo clic en “Pick Devices” e ingresando en cada una de las categorías encontramos los dispositivos requeridos como se observa en la siguiente figura.

Figura 38. Selección de componentes Proteus


51


Los resistores se encuentran en la Categoría Resitors, en subcategorias existen diversas opciones en cuanto al valor nominal, potencia etc. De igual manera en la Categoria capacitors se tienen los Condensadores, en Transistors están las diversas clase de transistores como BJT, FET etc, en Simulator primitives tenemos las fuentes senosoidales como VSINE. Una vez estén los elementos en la lista de componentes podemos empezar a ubicarlos en el área de trabajo.

Figura 39. Componentes seleccionados para el amplificador en Proteus


Se selecciona el componente y se lleva al área de trabajo, ubicándolo con el mouse de manera que la interconexión pueda hacerse de manera fácil.

Figura 40. Componentes en el área de trabajo Proteus para amplificador


52


Se procede a hacer la conexión de los dispositivos con la herramienta Selection Mode, o con la herramienta buses mode.

Figura 41. Interconexión del montaje de amplificador en Proteus


Para realizar la simulación y observar los diferentes valores e corrientes y voltajes, se colocan dispositivos de medida como son voltímetros AC y amperímetros AC. Estos elementos se encuentran en Virtual Instruments Mode en la parte inferior izquierda de la barra de herramientas.

Figura 42. Ubicación de instrumentos de medida amplificador Proteus


53


Para lograr una visualización del comportamiento de la señal en el tiempo, es

necesario adicionar una punta de prueba de voltaje en la salida del circuito, y establecer un área donde se visualice la señal, para ello se usa la herramienta de

modo grafico , como se muestra a continuación

Figura 43. Ubicación de elementos de visualización Proteus


Para utilizar la punta de prueba se da clic en el icono , y se elige un punto en el alambrado de salida donde se pretende visualizar la señal; para ubicar el área de

visualización de la señal, se da clic en la herramienta modo gráfico , y posteriormente se da clic en la esquina superior izquierda del área elegida para ver la señal (dentro del área de trabajo), y se cierra dando clic en la esquina inferior derecha de dicha área. Definida el área, es posible visualizar la señal dando clic en el punto de prueba ubicado y luego con un nuevo clic se arrastra al área de visualización.

Ubicación punta de prueba voltaje

Área definida para visualizar la señal

54


Figura 44. Arrastrar punto reprueba al área de visualización Proteus


Para que Proteus realice el trazo de la señal de salida se debe presionar la barra espaciadora, provocando el cálculo de la salida y su grafica.

Figura 45. Edición del visualizador en Proteus


55


Es posible editar el modo grafico, dando clic derecho sobre él y eligiendo la opción “Edit Properties” y modificar por ejemplo el tiempo de parada “Stop time” digitando 10m (10 milisegundos, esto para una frecuencia de señal de 1 khz, frecuencia de la señal de entrada, en este caso).

Figura 46. Resultados simulación del amplificador en Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Ejercicios de Aplicación Aplicando los mismos ejercicios planteados para desarrollar con circuit maker tenemos: 1. Encontrar las corrientes de malla I1, I2 e I3 del siguiente circuito:

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Figura 47. Ejercicio de aplicación Proteus mallas

+

-

V s 11 0 V

R 51 0R 4

5

R 38

R 24

R 11 0


Primero definimos el sistema de ecuaciones de malla del circuito.

023581059408422

321

321

321

=⋅+−⋅−=−⋅+⋅−=⋅−⋅−⋅

IIIIIIIII

Para resolver el sistema proseguimos a encontrar el determinante de la matriz A:

27402358

5948422=

−−−−−−

=Δ

Una vez que hemos encontrado el determinante de la matriz A hallamos el valor de cada incógnita del sistema en este caso I1, I2 e I3.

AI 4848.0274013202350

5910840

1 ==Δ

−−−−

=

I2 I3

I1

57


AI 61.1274044202308

51048022

2 ==Δ

−−−−

=

AI 51.027401420058

10940422

3 ==Δ

−−−

−

=

Los resultados se comprueban haciendo el siguiente montaje en Proteus

Figura 48. Medidas tomadas con instrumentos Proteus, mallas

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) 2. En el circuito de la siguiente figura calcular los VCE e IC en DC. En AC medir la ganancia de voltaje AV

58


De igual manera como se simulo en Circuit Maker. En el circuito de la siguiente figura calcular los VCE e IC en DC. En AC medir la ganancia de voltaje AV

Figura 49. Ejercicio de aplicación Proteus, amplificador


Tenemos que:

VKKKVVTH 8.3)8222/(22*1 =Ω+ΩΩ=

Ω=Ω+ΩΩΩ

= KKKKKRTH 34.17

822282*22

ARR

VVIETH

BETHB μ

β22

*)1(=

++−

=

mAII BC 2.2==β

VRIRIVV ECCcCE 04.31 =−−=

3==E

ECV R

RIIRA

59


Haciendo el siguiente montaje podemos comprobar los resultados, observe los datos que muestran los indicadores de corriente y voltaje

Figura 50. Medidas tomadas con instrumentos Proteus, amplificador

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Finalmente haciendo la grafica de Analogue Analysis, se puede observar el voltaje de salida, y calculando la ganancia de voltaje de este circuito como V0/ Vi y que da como resultado 3.

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Figura 51. Resultados de simulación amplificador división de tensión en Proteus


CAPÍTULO 3: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE CIRCUITOS DIGITALES,

CIRCUITOS IMPRESOS

Introducción. En esta parte se aborda el proceso de diseño y simulación de circuitos electrónicos de tipo digital, al igual que el manejo de los diagramas esquemáticos para la generación del PCB o circuito impreso, necesario para conocer la disposición física y forma de conectar los elementos del circuito,

Lección 11. Dispositivos electrónicos e interconexión circuit maker y proteus Dispositivos Electrónicos. Podemos encontrar componentes de circuitos digitales como compuertas (GATES), multiplexores (MUX), contadores entre otros. Los circuitos digitales se encuentran en la mayoría de los sistemas electrónicos modernos, ya que con el avance en las tecnologías de integración de elementos en circuitos integrados se puede tener al alcance una gran cantidad de funciones que van desde: compuertas lógicas (SSI), sumadores binarios (MSI) y unidades de manejo de datos (LSI) y otros niveles de integración más elevados. Los componentes electrónicos digitales en Circuit Maker se encuentran en el panel frontal en las categorías DIGITAL ANIMATED, DIGITAL BASIC, DIGITAL BY FUNCTION, DIGITAL BY NUMBER, se pueden trabajar tanto en la presentación

61


individual o en circuito integrado. En la siguiente tabla se encuentran relacionados algunos de los elementos digitales que se trabajan en Circuit Maker.

Tabla 3. Componente Digitales Circuit Maker Indicador animado Indicador animado Indicador animado Display ASCII Display 7

segmentos

SF

R e s e t

C A R 1

SF

R e s e t

C A R 1

C

N O

N C

O C

W N D 1

7654321C P

D I S P 1

a b c d e f g .

V +

D I S P 2

Display 7

segmentos Diodo Led Lámpara Display Lógico Semáforo

1234

D I S P 4

D 1L E D 1

L 1

L 2

S E M 1

switch Compuerta AND Compuerta NAND Compuerta NOR Compuerta OR

V 25 V

U 9 A

U 1 0 A

U 1 1 A

U 1 2 A

Compuerta XNOR Compuerta XOR Buffer Inversor Sumador

U 1 3 A

U 1 4 A

U 1 A

U 3 A

7 4 L S 8 3A 4A 3A 2A 1B 4B 3B 2B 1

C i n

s 4s 3s 2s 1

C o u t

U 1 8

Flip flor tipo D Flip flor tipo JK Flip flor topo RS Comparador Latch

D

C P Q_Q

U 4

JC PK

RQ_Q

U 7 A

S

R Q_Q

U 8

7 4 L S 8 5A 3A 2A 1A 0B 3B 2B 1B 0

I A < BI A = BI A > B

A < BA = BA > B

U 17 4 L S 8 5

7 4 L S 3 7 3

D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0

Q 7Q 6Q 5Q 4Q 3Q 2Q 1Q 0

O E E

U 3

Multiplexor Memoria PROM Memoria Ram Registro Contador

7 4 L S 3 7 3

D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0

Q 7Q 6Q 5Q 4Q 3Q 2Q 1Q 0

O E E

U 3

P R O M 3 2C S

A 4A 3A 2A 1A 0

O 7O 6O 5O 4O 3O 2O 1O 0

U 1

P R O M 3 2C S

A 4A 3A 2A 1A 0

O 7O 6O 5O 4O 3O 2O 1O 0

U 1

7 4 L S 1 6 5

D 7D 6D 5D 4D 3D 2D 1D 0

D SP LC EC P

Q 7 NQ 7

U 1

4 0 1 7

C P 1C P 0

M RQ 0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5Q 6Q 7Q 8Q 9

Q 5 - 9

U 2 0

Fuente: Construida con imágenes Circuit Maker versión Trial Juan Monroy (2007).

62


Los elementos una vez seleccionados se colocan en el área de trabajo y se ubican en una posición favorable para su posterior conexión. Los componentes electrónicos digitales en Proteus no se encuentra clasificados de manera específica como en Circuit Maker, se encuentra en diferentes categorías a las que se puede llegar pulsando el icono de componentes En la siguiente tabla se encuentran relacionados algunos de los elementos digitales que se trabajan en Proteus.

Tabla 4. Componentes Digitales Proteus Indicador animado Indicador animado Indicador animado Display ASCII Display 7

segmentos

Display 7 segmentos

Diodo Led Lámpara Display Lógico Semáforo

switch Compuerta AND Compuerta NAND Compuerta NOR Compuerta OR

Buffer Compuerta XOR Buffer Inversor Sumador

63


Tabla 4. Componentes Digitales Proteus (Continuación)

Flip flor tipo D Flip flor tipo JK Flip flor topo RS Comparador Latch

Multiplexor Memoria PROM Memoria Ram Registro Contador

Fuente: Construida con imágenes de Proteus versión Trial Juan Monroy (2009). Interconexión de Dispositivos. Como ya se había mencionado en las lecciones

anteriores, para realizar la interconexión se utiliza la herramienta alambrar en

circuit Maker y la herramienta Bus en Proteus. Para Circuit Maker se inicia el alambrado haciendo clic sobre este icono y ubicando el puntero del mouse en una de las terminales del componente, al hacer esto recuerde que aparecerá un recuadro rojo alrededor de la terminal seleccionada; enseguida y manteniendo presionado el botón izquierdo del mouse se arrastra a la terminal del otro componente donde se desea hacer la conexión y soltándolo al realizar el contacto. Es importante mencionar que si por error se realiza una interconexión entre dos elementos que originalmente no están conectados, es posible eliminar dicha conexión haciendo clic sobre ella y presionando la tecla delete. Para empezar el alambrado en Proteus, se hace clic sobre este icono y se ubica el puntero del mouse en una de las terminales del componente, al hacer esto aparecerá un recuadro rojo alrededor de la terminal seleccionada; a continuación se hace clic en la terminal, presionado el botón izquierdo del mouse y se desplaza dirigiéndolo a la terminal del otro componente donde se desea hacer la conexión y se hace clic en el contacto. Es importante mencionar que si por error se realiza

64


una interconexión entre dos elementos que originalmente no están conectados, es posible eliminar dicha conexión haciendo clic derecho sobre ella y seleccionando “delete wire” del menú contextual que aparece.

Lección 12. Simulación de circuitos y ejercicios de aplicación circuit maker A manera de ejemplo haga el montaje del siguiente circuito usando Circuit Maker

Figura 52. Ejemplo para montaje de circuito digital

V 25 V

V 10 V

L 1U 1 C

U 1 B

U 1 A


Simulación De Circuitos. Antes de realizar la simulación se debe seleccionar Modo Digital en la barra de menú Simulation/Digital Mode/Run. De esta manera puede distinguir en el led los estados del la salida del circuito en función de las señales de entrada. A Continuación observe el pantallaza que se genera al momento de realizar la simulación del circuito digital seleccionado.

65


Figura 53. Resultado de simulación circuito digital Circuit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Ejercicios De Aplicación 1. Realizar un circuito astable con el Integrado LM555, observar la forma de onda producida y la frecuencia de la misma.

Figura 54. Circuito astable Circuit Maker

. I C

+ 1 2 V

1 G n d2 T r g3 O u t4 R s t 5C t l6T h r7D i s8V c c

5 5 5

+

C T. 1 u F

+

C 1. 0 1 u F

R L1 0 k

R A1 k

R B1 k

R 12 k


66


Para observar la forma de onda activamos el modo de simulación Transient Analysis en Simulation/Analog Mode, y se ejecuta la simulación mediante el comando Run.

Figura 55. Resultado de simulación circuito astable Circuit Maker


2. Diseñe un circuito contador digital de 0 a 9, que responda a la señal de un pulsador como activación del conteo

Figura 56. Circuito Contador Digital Circuit Maker


67


Al realizar la simulación del circuito, se observa a través del display siete segmentos el conteo que se esta llevando a cabo y la forma de control elegida

Figura 57. Resultado de simulación circuito contador digital Circuit Maker


Lección 13. Simulación de circuitos y ejercicios de aplicación proteus A manera de ejemplo haga el montaje del siguiente circuito usando Circuit Maker

Figura 58. Ejemplo para montaje de circuito digital

V 25 V

V 10 V

L 1U 1 C

U 1 B

U 1 A


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Simulación De Circuitos. Una vez seleccionados los componentes a utilizar en el circuito, se colocan en el área de trabajo y se procede a la simulación. En la siguiente gráfica observe el pantallazo generado para la simulación de un circuito lógico

Figura 59. Resultado de simulación circuito digital Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Ejercicios de Aplicación 1. Realizar el circuito astable con el Integrado LM555, observar la forma de onda producida y la frecuencia de la misma. Realice el siguiente montaje

69


Figura 60. Circuito astable Proteus


Para observar la forma de onda colocamos una punta de prueba y seleccionamos el espacio donde se desea mostrar la señal, se ejecuta la simulación con el botón Play y se visualiza la grafica haciendo clic en la barra espaciadora.

Figura 61. Resultado de simulación circuito astable Proteus


70


2. Diseñe un circuito contador digital de 0 a 9, que responda a la señal de un pulsador como activación del conteo

Figura 62. Circuito contador digital Proteus


Se seleccionan las componentes necesarias en el circuito y se llevan al área de trabajo. El tren de pulsos lo encuentra en la categoría “Generators” en la opción DPATTERN, y la frecuencia de los pulsos los ajusta editando las propiedades del dispositivo.

Figura 63. Resultado de simulación circuito contador digital Proteus


71


Lección 14. Diagrama esquemático de Circuitos impresos, importar y generar pcb circuit maker

Diagrama Esquemático. La realización de un circuito impreso requiere que previamente se halla hecho el diagrama esquemático. Como se ha visto anteriormente el diagrama esquemático se realiza en Circuit maker colocando los componentes en el área de trabajo, se debe tener cuidado con las conexiones al exterior de la placa tales como entradas de señal, conexiones de fuentes de alimentación, micrófonos, salidas a parlantes etc. Estas conexiones se colocan en el diagrama esquemático seleccionando en el panel frontal en la categoría CONNECTORS, en donde se encuentran diversos tipos de conectores como:

Figura 64. Conectores Circuit Maker

J 6

P 1 J 5

J 4

J 3

J 2

e n t 1

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Un ejemplo de estas conexiones se muestra en el siguiente diagrama esquemático, donde se reemplazo la fuente de alimentación por un conector de dos entradas al cual se le asignaron nombres a los pines (Vcc y GND), y la señal de entrada al circuito como otro conector donde será conectada posteriormente la señal a ser amplificada.

72


Figura 65. Diagrama esquemático para generar PCB Circuit Maker

G N DV c c

J 2

J 1

C 11 u F Q 1

N P N

R 41 k

R 31 k

R 21 k

R 11 k


Importar Circuitos y Generación del PCB. Una vez se tenga el diagrama esquemático se procede a exportar el circuito a un programa de elaboración de PCB, Circuit Maker trae la conexión directa a estos programas a través del

siguiente icono . Pulsando este icono aparece la ventana de exportación para crear el PCB, en la pestaña se puede seleccionar el programa mediante el cual se desea crear el impreso, aparecen Traxmaker que es el programa asociado por defecto a Circuit Maker y otros como Protel, Tango y Orcad entre otros.

Figura 66. Ventana para exportación PCB


73


Tomamos el programa por defecto TraxMaker y activamos todas las opciones que aparecen en la parte izquierda de la ventana. En la parte derecha tenemos la oportunidad de seleccionar el tamaño de la placa en largo y ancho (este valor esta dado en mils: milésimas de pulgada), presionamos OK y aparece una ventana de salvar PCB, se da un nombre al archivo y se guarda. Una vez se ha exportado el circuito, automáticamente se abre el programa traxmaker y aparece el grafico de la placa impresa con los componentes y una ventana de información del proceso, damos OK en esta ventana y nos da un informe de errores so lo solicitamos, en caso contrario desaparece la ventana y nos permite observar solamente la placa de circuito impreso. Si esta aparece muy pequeña la ampliamos con la herramienta zoom.

Figura 67. Ventana de Información del PCB generado Circuit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Como se observa en la siguiente figura los componentes aparecen organizados automáticamente. El enrutado de las pistas se puede realizar manual o automáticamente, seleccionando la opción en la barra de menú ROUTE.

74


Figura 68. PCB generado Circuit Maker

Fuente: Tomado pantallazo Circuit Maker versión Trial (2007) Si se elige la opción manual se debe realizar cada una de las conexiones entre los componentes, si se escoge la opción board el trazado se realiza automáticamente y aparece una ventana para salvar el trabajo realizado hasta el momento damos OK y el trazado de las pistas aparece automáticamente.

Figura 69. Ventana Salvar PCB Circuit Maker


75


Figura 70. Trazado de las pistas PCB circuit Maker


Se puede guardar el archivo del pcb, con la opción save en la subdivisión de la opción File de la barra de menú.

Lección 15. Diagrama esquemático de Circuitos impresos, importar y generar PCB proteus Diagrama Esquemático. Al igual que en Circuit maker para la realización de un circuito impreso es necesario que previamente se haya hecho el diagrama esquemático. Como se dijo anteriormente es necesario tener cuidado con las conexiones al exterior de la placa, tales como: entradas de señal, conexiones de fuentes de alimentación, micrófonos, salidas a parlantes etc. Estas conexiones se colocan en el diagrama esquemático seleccionando de la lista de componentes los CONNECTORS, en donde se encuentran diversos tipos de conectores como:

76


Figura 71. Conectores PCB

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Un ejemplo de estas conexiones se muestra en el siguiente diagrama esquemático, donde se reemplazo la fuente de alimentación DC por un conector de dos entradas, la señal de entrada AC y la tierra del circuito como otro conector de dos entradas, donde será conectada posteriormente la señal a ser amplificada y finalmente otro conector de dos entradas para la salida amplificada del cto.

Figura 72. Diagrama esquemático para generar PCB Proteus


77


Importar Circuitos y Generar el PCB Una vez se tenga el diagrama esquemático se abre procede a exportar el circuito a un programa de elaboración de PCB, primero se genera un listado de la red del circuito diseñado, para eso se selecciona la opción Tools/Netlist Compiler, aparece una ventana donde permite modificar algunos parámetros para al generación del listado.

Figura 73. Ventana de configuración del listado de elementos en la red del PCB Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Se hace clic en OK y parece una ventana con la lista de red así:

78


Figura 74. Lista de red para PCB Proteus


Seleccionamos Close. Para ingresar a la herramienta que maneja el PCB, damos clic en el icono del

botón Ares , se abre la ventana para la generación del PCB, en ella

Figura 75. Ventana ARES-Proteus


79


En esta ventana de Ares, es necesario definir el área de la placa que contendrá los elementos del circuito electrónico, entonces, primero se define como capa de trabajo Board Edge,

Figura 76. Área para definir la capa de trabajo PCB Ares-Proteus.


Luego, se hace clic en el icono 2D Graphics Box y dentro del área de trabajo se marca un rectángulo (clic esquina superior izquierda, arrastrar el Mouse y clic en la esquina inferior derecha) que indica el tamaño de la placa que contendrá los componentes.

Figura 77. Definición del área para el PCB Ares-Proteus


Se da clic en botón de AUTO-PLACER y automáticamente adiciona los componente en su formato PCB mostrando una las conexiones entre los elementos así:

80


Figura 78. Elementos y conexiones del PCB recién generado Ares-Proteus.


Posteriormente se da clic en el botón de AUTOROUTER y Ares genera las pistas así:

Figura 79. Pistas generadas para el PCB Ares-Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) Antes de utilizar estas herramientas es necesario caracterizar el grosor de las pistas y el lado de la placa en el que van a aparecer. Estas características se modifican en la opción Set Strategies del menú System

81


Figura 80. Ventana para configurar las características del PCB Ares-Proteus

Fuente: Tomado pantallazo Proteus versión Trial (2009) De estas opciones es necesario definirlas de acuerdo al tipo de circuito a implementar, por ejemplo, si el alambrado maneja señales considerables de corriente (circuitos de potencia), se debe utilizar la opción Power del grupo Tactics.

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ACTIVIDAD DE UNIDAD 1 Se plante el siguiente problema para que a través de él se haga un ejercicio de autoevaluación para poder identificar aquella temática en la cual se debe reforzar el trabaja o hacer mayor profundización y consulta Realice el diseño y montaje de un amplificador clase C, de forma tal que se logre sintonizar una frecuencia de 2,56 Mhz y verifique que:

a. Sintonice solo esa frecuencia b. Verifique el factor de calidad c. Duplique el valor de la capacitancia y mantenga el valor de la inductancia,

observe la frecuencia de resonancia d. Duplique el valor de la inductancia y mantenga el valor inicial de la

capacitancia, observe la frecuencia de resonancia e. De los dos ejercicios anteriores concluya

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FUENTES DOCUMENTALES UNIDAD 1 BIBLIOGRAFIA Circuitos Johnson D. (1996). Análisis básico de circuitos eléctricos (5ta. Ed). Mexico: Prentice Hall. Richard Dorf. (1997). Circuitos eléctricos Introducción al análisis y diseño (2da. Ed). Colombia: Alfaomega. Richard Dorf (2000). Circuitos eléctricos introducción al análisis y diseño (3ra Ed.). Mexico: Alfaomega. Comunicaciones Andrew Hopper. (1989). Diseño de redes locales. USA: Addison-Wesley. Carlson (1997). Sistema de comunicación. Colombia: McGraw Hill. Stremler (1993). Introducción a los sistemas de comunicación. USA: Addison Wesley. Tanenbaum. (1997). Redes de computadoras (3ra Ed). Mexico: Prentice Hall. Tomasi: (1996). Sistemas de comunicaciones electrónicas (2da Ed). Mexico: Prentice. Electrónica Análoga Horestein. (1997). Microelectrónica, circuitos y dispositivos (2da Ed). Mexico: Prentice Hall. Malvino. (1999). Principios de electrónica (6ta Ed). España: McGraw Hill. Millman and Grabel. (1988). Microelectronics. USA: Mc. Graw Hill. Robert Boylestad. (1997). Electrónica Teoría de circuitos. Mexico: Prentice Hall.

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Electrónica Digital Floyd. (1993). Fundamentos de sistemas digitales (6ta Ed). España: Prentice Hall. Mano. (1987). Diseño Digital. Mexico: Prentice Hall. Malvino. (1993). Principios y aplicaciones digitales. España: Marcombo. Tocci. (1993). Sistemas digitales, Principios y aplicaciones (5ta Ed). Mexico: Prentice Hall. Microprocesadores y Microcontroladores Barry Brey. (1994). Los microprocesadores Intel avanzados. Mexico: Noriega. Herbert Tabú. (1983). Circuitos digitales y microprocesadores. España: McGraw Hill. José Adolfo González Vásquez.(1994). Introducción a los microcontroladores de 16 Bits. España: McGraw Hill. Peter Abel. (1996). Lenguaje ensamblador y programación para PC IBM y compatibles. Mexico: Pearson. Simulación Hilario Pérez. (2000). Simulación y electrónica analógica. Prácticas y problemas. Colombia: Alfaomega. Raczynski (1993). Simulación por Computadoras. Mexico: Noriega. Ross. (1999). Simulación (2da Ed). Mexico: Prentice Hall. Stanley Wolf. (1980). Guía para mediciones electrónicas y practicas de laboratorio. Mexico: Prentice Hall. Simulación, Un enfoque practico. Coss. Limusa. 1992. Mexico

85


SITIOS WEB Circuitos Francisco Jose Molina Lopez. (2004). Electrónica Fácil. (2004). [en línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://www.electronicafacil.net/circuitos/ Universidad de Santiago de Chile, Departamento de Física. [en línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://fisica.usach.cl/~iolivare/guia11_bateriasycircuitosdc.pdf Simbología Electrónica. (1998). [en línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://www.simbologia-electronica.com/ Microprocesadores microcontroladores The EE compendion. (2009). [en línea]. Recuperado el 19 de Julio de 2009, de http://ee.cleversoul.com/ Arquitectura RISC, Vs Cisc. (). [en línea]. Recuperado El 19 de Julio de 2009, de http://www.azc.uam.mx/publicaciones/enlinea2/num1/1-2.htm Microprocesadores. [en Línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://www.duiops.net/hardware/micros/micros.htm Microcontroladores. (). [en Línea]. Recuperado El 19d e julio de 2009, de http://www.geocities.com/TheTropics/2174/micro.html Electrónica Advances in electronics. (2000). [en línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://www.electronica2000.250x.com/ Sección de Electrónica. [en Línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://www.pablin.com.ar/electron/ Francisco Jose Molina Lopez. (2004). Electrónica Fácil. (2004). [en línea]. Recuperado el 19 de julio de 2009, de http://www.electronicafacil.net/ Circuitos Electrónicos Curiosos. [en Línea]. Recuperado el 19d e julio de 2009, de http://perso.wanadoo.es/v.dominguez/

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87


UUNNIIDDAADD 22:: MMOODDEELLAAMMIIEENNTTOO MMAATTEEMMÁÁTTIICCOO YY FFUUNNDDAAMMEENNTTOOSS DDEE PPRROOGGRRAAMMAACCIIÓÓNN

INTRODUCCIÓN Con el modelamiento matemático se inicia la segunda unidad, importante para el estudio de casos factibles de representarse a partir de funciones y/o ecuaciones matemáticas, para ello se deben manejar los conceptos de algebra lineal y cálculo diferencial En la siguiente parte de la segunda unidad se centra la atención en el manejo de los principios de la programación como herramienta para el desarrollo de software en lenguajes de programación de alto nivel y de bajo nivel, conceptos fundamentales en un Ingeniero Electrónico.

JUSTIFICACION La representación del mundo real a través de un modelo matemático es una herramienta fundamental en la ingeniería, ya que a partir de estos modelos se pueden hacer estudios de comportamiento de los sistemas y de alguna manera llegar a predecir los efectos o respuestas de estos ante determinados estímulos, de ahí la necesidad de conocer aplicativos que permitan manejar esos modelos matemáticos.

La programación de elementos microprocesados o microcontrolados cada vez cobra mayor importancia, derivada de la necesidad de ejercer un control sobre un sistema o procesos a través de código y circuitos, razón por la cual es necesario manejar los conceptos que fundamentan la programación y a través de un aplicativo hacer visible los algoritmos de control.

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INTENCIONALIDADES FORMATIVAS Propósitos

• Desarrollar soluciones que den respuestas a problemas que involucren programación de microprocesados y microcontrolados y de la interacción entre un circuito externo y el computador.

Objetivos

• Desarrollar en el estudiante la habilidad de diseñar e implementar soluciones a problemas que involucren el uso de la microprogramación y el modelamiento matemático.

Competencias

• El estudiante maneja el modelamiento matemático en la solución de problemas que así lo requieran.

• El estudiante elabora una solución completa a problemas que requieran manejo de programación a bajo nivel.

Metas de aprendizaje Al final del curso el estudiante:

• Aplicará herramientas de modelamiento matemático en la solución de problemas determinados

Denominación de Capítulos Capítulo 1. Tratamiento Matemático Capítulo 2. Operaciones con arreglos Capítulo 3. Fundamentos de Programación

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CAPÍTULO 1: TRATAMIENTO MATEMÁTICO

Introducción. En este capítulo se muestra la forma como a través de un aplicativo se puede resolver algunas de las operaciones matemáticas frecuentes al diseñar circuitos o hacer modelamiento de sistemas Lección 1. Polinomios y operaciones.

El modelamiento matemático es parte fundamental dentro de la ingeniería, ya que los problemas que se intentan resolver son diversos, algunos muy complejos y particulares, con este modelamiento se busca encontrar una representación matemática de una situación para hallar su solución, en la mayoría de los casos los modelos planteados no se pueden resolver por métodos analíticos, o a su vez la resolución de estos es rutinaria y fácilmente se puede recurrir a herramientas computacionales que realicen esta tarea. El proceso que se lleva a cabo al representar matemáticamente un problema de ingeniería, involucra tareas como las de discretizar el problema, es decir, en vez de usar una ecuación que describa el comportamiento a través de todo el tiempo, se formulan muchas ecuaciones (algebraicas) que describen el comportamiento en un punto en particular o para un instante en particular del tiempo. Luego todas estas ecuaciones, se ingresan a un software que resuelve y entrega las soluciones de estas ecuaciones; estas soluciones deben ser válidas por datos esperados por los ingenieros, si concuerdan, se garantiza entonces que el modelo es una buena representación de la situación, si por el contrario no son los resultados esperados, se debe revalidar el modelo, ajustarlo e iniciar el proceso nuevamente. Dentro del software con mayor acogida en ingeniería está el MATLAB que es un entorno de computación y desarrollo de aplicaciones para llevar a cabo proyectos en donde se encuentren implicados elevados cálculos matemáticos y la visualización gráfica de los mismos. MATLAB integra análisis numérico, cálculo matricial, proceso de señal y visualización gráfica y un lenguaje de programación de alto nivel. Aunque existen otros programas de calculo, los ejemplos tratados en este capitulo se desarrollan en MATLAB versión estudiantil debido a su gran versatilidad y amplia difusión.

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Antes de entrar en el manejo que le da Matlab a la solución de las ecuaciones, miremos el siguiente párrafo que muestra la importancia del modelamiento matemático dentro de la industria: El matemático Carlos Conca fue precursor en acercar el modelamiento matemático a la industria. A comienzos de la década del ’80, mientras hacía su Doctorado de Estado en Matemáticas, en la Universidad Pierre et Marie Curie, Paris VI, fue requerido por un equipo de ingenieros de la empresa “Electricité de France” (EDF) para que investigara un problema de resonancia, que presentaba el haz de tubos de los condensadores e intercambiadores de calor en las centrales nucleares francesas. Carlos Conca recuerda que por aquel entonces no era bien visto que un matemático se ocupara de problemas de origen industrial. Sin embargo, a raíz de esta solicitud, se originó un debate en el departamento de matemáticas donde se desempeñaba, que terminó con una solución salomónica: se creó en forma independiente una pequeña unidad de matemáticas aplicadas al interior de su departamento. Regresa a Chile en 1987, con el interés de plasmar este tipo de experiencias en el país, e intentar vincular la matemática más fundamental con las aplicaciones industriales. Se asocia a otros ingenieros del Departamento de Ingeniería Matemática de la Universidad de Chile, y en Abril del 2000, fundan el Centro de Modelamiento Matemático (CMM). Desde aquí, se propone la tarea de consolidar una capacidad mecánico matemática de primer nivel, capaz de afrontar los problemas de la metalurgia del cobre chileno a nivel competitivo mundial. http://www.bioplanet.net/magazine/bio_mayjun_2004/bio_2004_mayjun_cmm.htm Polinomios. Con un polinomio a= 01...21 =++++ −− ssss nnn y un polinomio

b= 01...21 =++++ −− ssss mmm pueden realizarse las operaciones básicas

tales como suma, resta, multiplicación, división etc. En el entorno de Matlab se introducen los polinomios expresados como vectores, es decir incluyendo solamente los coeficientes del polinomio. Por ejemplo el polinomio

Se introduce en Matlab como

p= [1 2 4]

42)( 2 ++= sssp

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Donde las componentes del vector p corresponden a los coeficientes del polinomio, dichas componentes deben ir separadas por espacios o por comas. En la siguiente a se muestra el entorno de trabajo de Matlab, allí se puede por ejemplo, ingresar el polinomio anterior.

Figura 81. Entorno de trabajo Matlab

Fuente: Tomado pantallazo Matlab versión Trial (2007) Operaciones. Matlab permite realizar la suma, resta, multiplicación, división y evaluación de polinomios con los siguientes comandos. Las operaciones como suma y resta se trabajan directamente como p1+p2 o p1-p2, habiendo definido previamente los polinomios. Otras funciones útiles en la manipulación de polinomios son: • poly Inicia un polinomio. Si el argumento es una matriz cuadrada devuelve

el polinomio característico, si es un vector devuelve un polinomio cuyas raíces son los elementos del vector.

• roots Devuelve las raíces del polinomio cuyos coeficientes son los elementos del vector argumento.

• polyval Calcula el valor del polinomio en el punto dado • polyder Deriva un polinomio. • polyint Integra analíticamente un polinomio. • conv Multiplica dos polinomios. • deconv Divide dos polinomios • Roots Encuentra las raíces de un polinomio

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Por ejemplo dado los polinomios

Se pueden realizar las operaciones básicas como

En matlab se realizan como se observa en la siguiente figura

Figura 82. Operaciones en Matlab

Fuente: Tomado pantallazo Matlab versión Trial (2007)

6421 23 +++= sssp

757221 23 +++=+ ssspp53221 23 +−+=− ssspp

62526212062*1 2345 +++++= ssssspp

44.0666.02/1 += spp

1432 2 ++= ssp

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Lección 2. Derivadas e integrales definidas y no definidas

Derivadas Para determinar la derivada simbólica de una expresión simbólica se usa la función diff, la cual tiene cuatro variantes:

Tabla 5. Variantes de la función diff

Variante Descripción diff(f) Derivada ordinaria: Devuelve la derivada de la

expresión f respecto de la variable independiente por omisión.

diff(f,n) Derivada de orden superior n: Devuelve la n-ésima derivada de la expresión f respecto de la variable independiente por omisión.

diff(f,'t') Derivada parcial ordinaria: Devuelve la derivada de la expresión f respecto a la variable t.

diff(f,'t',n) Derivada parcial de orden superior n: Devuelve la n-ésima derivada de la expresión f respecto a la variable t.


Para realizar la derivada en Matlab se debe definir la variable como una variable simbólica esto se realiza con el comando syms o a través de apóstrofos, por ejemplo: >> syms x, y; >> y='x^2'; Una vez definida la variable se puede utilizar alguno de los comandos mencionados anteriormente. A continuación se muestran algunos ejemplos

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Tabla 6. Ejemplos de derivadas en Matlab

Operación Instrucción en Matlab

1. ( )2638 24 −+− xxxdxd

>> syms x; >> f=8*x^4-3*x^2+6*x-5; >> diff(f) ans = 32*x^3-6*x+6

2. xdxd cos

>> syms x; >> f=cos(x); >> diff(f) ans = -sin(x)

3. )( 2 xexdxd

» syms x; » f=x^2*exp(x); » diff(f) ans = 2*x*exp(x)+x^2*exp(x)

Derivadas de orden superior

4. ( )2638 242

2

−+− xxxdxd

>> syms x; >> f= f=8*x^4-3*x^2+6*x-5; >> diff(f,2) ans = 96*x^2-6


Integrales definidas y no definidas. Para integrar una función simbólica f en MATLAB se utiliza la función int, la cual busca una expresión simbólica F tal que diff(F)=f. Sin embargo, es posible que dicha integral no exista o que MATLAB no pueda encontrarla, en este caso devuelve la expresión sin evaluarla. La función int tiene cinco variantes

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Tabla 7. Variantes de la función int

Variante Descripción int(f) Devuelve la integral de la expresión f respecto a la

variable independiente por omisión. int(f,'t') Devuelve la integral de la expresión f respecto a la

variable t. int(f,a,b) Devuelve la integral de la expresión f respecto a la

variable independiente por omisión evaluada en el intervalo [a,b], donde a y b son expresiones numéricas.

int(f,'t',a,b) Devuelve la integral de la expresión f respecto a la variable t evaluada en el intervalo [a,b], donde a y b son expresiones numéricas.

int(f,'m','n') Devuelve la integral de la expresión f respecto a la variable independiente por omisión evaluada en el intervalo [m,n], donde m y n son expresiones simbólicas.


Al igual que con las derivadas, para realizar el proceso de integración se debe definir la variable como simbólica, y se procede a utilizar el comando int. A continuación se presentan algunos ejemplos:

Tabla 8. Ejemplos de integrales en Matlab

Operación Instrucción en Matlab Integral indefinida

1. ( )∫ ++ dxxx 122

» syms x; » f=x^2+2*x+1; » int(f) ans = 1/3*x^3+x^2+x

2. ∫ dxxe x )( 2

» syms x; » f=x*exp(2*x); » int(f) ans = 1/2*x*exp(2*x)-1/4*exp(2*x)

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Tabla 8. Ejemplos de integrales en Matlab (Continuación)

Operación Instrucción en Matlab Integral definida

3. ∫π

0

dxxsen » syms x; » f=sin(x); » int(f,0,pi) ans = 2

4. dxx∫

− +

α

α21

1

» syms x; » f=1/(1+x^2); » int(f,-inf,inf) ans = Pi

5. ∫ +b

a

dxx 13 » syms x; » f=sqrt(3*x+1); » int(f,'a','b') ans = 2/9*(3*b+1)^(3/2)-2/9*(3*a+1)^(3/2)


Lección 3. Señales continuas, discretas y funciones de transferencia Señales Continuas y Discretas. Las señales son funciones del tiempo que representan la evolución de una determinada variable, como puede ser el voltaje en los extremos de un condensador, la temperatura de un horno, o la actividad eléctrica del corazón. Se clasifican en señales continuas y discretas. Si deseamos graficar una señal continua, por ejemplo una onda senoidal con una frecuencia f=5 hertz (un periodo T=1/5=0.2 s), se debe definir:

• Un vector t, que contenga el rango de valores dentro del cual se va a graficar la función, vector tiempo.

La sintaxis de este vector es t=valor inicial:incremento:valor final; Para este caso el valor inicial es 0 s; El valor final se puede elegir de forma tal que permita mostrar los ciclos de la señal según la frecuencia, por lo que se selecciona de 1s. El incremento se sugiere que sea 1/100 del valor final.

t=0:0.01:1; • Otro vector con los valores de la función, A seno (2π f t); A=amplitud =1

f=5; y=1*sin (2*pi*f*t);

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• Emplear el comando para graficarla plot(t,y);

Figura 83. Ejemplo de la gráfica de una señal continua en Matlab


Para graficar una señal senoidal discreta, en lugar de definir el vector t, se define un vector del número de muestras que se desea graficar. La señal senosoidal discreta se define como A seno (2*pi*F*n) (F=frecuencia de la señal discreta que es la relación entre la frecuencia de la señal que se va a muestrear, 5 Hz y la frecuencia de muestreo, por ejemplo 100 Hz), y se utiliza el comando stem para realizar la grafica. n=0:100; % número de muestra F= 5/100; y=1*sin(2*pi*F*n); % A=1 stem(n,y);

Figura 84. Ejemplo de la gráfica de una señal en tiempo discreto en Matlab


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Funciones de Transferencia. La función de transferencia es la relación entre la señal de salida y la señal de entrada a un sistema. En tiempo continuo esta relación se da en Transformada de Laplace, es decir en términos de la variable s, y en tiempo discreto se da en Transformada Z, en términos de la variable z. Por ejemplo:

continuosistemaundeciatransferendeFunciónsssX

sYsG26

1)()()( 2 ++==

discretosistemaundeciatransferendeFunciónzz

zzXzYzG

26)()()( 2 ++==

Lección 4. Respuesta temporal

Para obtener la respuesta de un sistema en el tiempo ante una entrada estándar, debe primero definirse el sistema. Para ello puede establecerse en MatLab la función de transferencia propia del sistema o las ecuaciones de estado. La función de transferencia de un sistema es una relación formada por un numerador y un denominador. El numerador Num(s) y el denominador Den(s) deben determinarse como vectores, cuyos elementos son los coeficientes de los polinomios del numerador y del denominador en potencias decrecientes de s. Por ejemplo, para definir la función de transferencia:

431)( 2 ++

=ss

sG

En matlab >>num=[1]; >>den=[1 3 4]; Para determinar la respuesta en el tiempo para una entrada escalón unitario de este sistema se usa el comando step indicando el vector del numerador y del denominador entre paréntesis. step(num,den)

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>>step(num,den) MatLab presenta la respuesta en el tiempo en la ventana de figuras:

Figura 85. Respuesta ante una entrada escalón unitario, , para un sistema de tiempo continuo

Fuente: Tomado pantallazo Matlab versión Trial (2007) Puede definirse el tiempo en el cual se desea la respuesta al escalón, mediante un vector de tiempo t, step(num,den,t) >>t=0:0.1:20; >>step(num,den,t) Se define t como un vector cuyo elemento inicial es 0, su elemento final es 20 y existen elementos que son el incremento desde 0 hasta 20 de 0.1 en 0.1. Al ejecutar el comando step se obtiene en la ventana de figuras la respuesta escalón para los primeros 20 segundos.

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Figura 86. Respuesta ante una entrada escalón unitario modificando t,


Para obtener la respuesta en el tiempo para una entrada impulso unitario se usa el comando impulse. Si se define el sistema en MatLab por los polinomios del numerador y denominador de la función de transferencia tenemos: » num=[1 ]; » den=[1 3 4]; » impulse(num,den) MatLab presenta la respuesta en el tiempo en la ventana de figuras:

Figura 87. Respuesta ante una entrada impulso unitario, para un sistema de tiempo continuo


101


Para los sistemas de tiempo discreto Matlab permite calcular la respuesta temporal ante diferentes señales de entrada Debe definirse el numerador Num(z) y el denominador Den(z) como vectores, cuyos elementos son los coeficientes de los polinomios del numerador y del denominador en potencias decrecientes de z. Por ejemplo, para definir la función de transferencia:

8.05.13.05.0)( 2 +−

+=

zzzzG

En matlab >>num=[0.5 0.3]; >>den=[1 -1.5 0.8]; Para determinar la respuesta en el tiempo para una entrada escalón unitario de este sistema se usa el comando filter(num,den, u) indicando el vector del numerador y del denominador y la señal escalón definida como u(k) entre paréntesis. » num=[0.5 0.3]; » den=[1 -1.5 0.8]; » u= ones(1,41); » y=filter(num,den,u); » plot(y,'o') El comando filter hace un calculo numérico, pero no realiza la grafica directamente, por lo cual hay que utilizar el comando plot para obtener un resultado grafico. MatLab presenta la respuesta en el tiempo en la ventana de figuras:

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Figura 88. Respuesta ante una entrada escalón unitario, para un sistema de tiempo discreto.


Para determinar la respuesta en el tiempo para una entrada impulso unitario se usa el comando filter(num,den, u) indicando el vector del numerador y del denominador y la señal impulso definida como u(k) entre paréntesis. » num=[0.5 0.3]; » den=[1 -1.5 0.8]; » u= [1 zeros(1,40)]; » y=filter(num,den,u); » plot(y,'o') Y se obtiene en la ventana de figuras

Figura 89. Respuesta ante una entrada impulso unitario, para un sistema de tiempo discreto.


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Lección 5. Respuesta en términos de la frecuencia. Para el estudio de un sistema en el dominio de la frecuencia existen tres herramientas disponibles en MatLab que son: los diagramas de Bode, de Nyquist y de Nichols. Para obtener el diagrama de Bode de una función de transferencia, se definen dos vectores cuyos elementos son los coeficientes de los polinomios del numerador y del denominador en potencias decrecientes de s. Estos vectores son usados en el comando bode con la siguiente sintaxis: bode(num,den). Por ejemplo, se define la función de transferencia:

431)( 2 ++

=ss

sG

En Matlab >>num=[1]; >>den=[1 3 4]; >>bode(num,den) En el diagrama de figuras se observa el diagrama de Bode

Figura 90. Diagrama de Bode


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Para especificar un rango deseado de frecuencias en las cuales se desea obtener el diagrama de Bode, se emplea un vector de frecuencias en el que se especifica la frecuencia inicial, el incremento y la frecuencia final. Por ejemplo: >>W=0:0.1:100; >>bode(num,den,W) Este comando muestra el diagrama de Bode entre 0 y 100 rad/s.

Figura 91. Diagrama de Bode modificando el rango de frecuencias

Fuente: Tomado pantallazo Matlab versión Trial (2007) Otra herramienta de análisis en el dominio en la frecuencia que ofrece MatLab es el diagrama de Nichols. Para obtener el diagrama de Nichols se utiliza el comando nichols, cuya sintaxis es igual a la del comando bode. Si se define num como el vector de los coeficientes del polinomio del numerador y den como el del denominador: >>num=[1]; >>den=[1 3 4]; >>nichols(num,den)

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MatLab presenta en la ventana de figuras el diagrama de Nichols:

Figura 92. Diagrama de Nichols.

Fuente: Tomado pantallazo Matlab versión Trial (2007) Otra herramienta de análisis en el dominio en la frecuencia que ofrece MatLab es el diagrama de Nyquist. Para obtenerlo se utiliza el comando nyquist, con sintaxis igual a la de los dos comandos anteriores >>num=[1]; >>den=[1 6 5]; >>nyquist(num,den) MatLab presenta en la ventana de figuras el diagrama de Nyquist:

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Figura 93. Diagrama de Nyquist


Para obtener el margen de ganancia, el margen de fase, la frecuencia de cruce de ganancia y la frecuencia de cruce de fase MatLab dispone del comando margin. Margin (num,den) devuelve el diagrama de Bode con el calculo de margen de fase y margen de ganancia. Por ejemplo » num=[1]; » den=[1 0.5 2]; » margin(num,den)

Figura 94. Resultado de usar el comando Margin


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El comando [Gm,Pm,Wcg,Wcp] = margin(num,den) devuelve los valores numericos de margen de fase, margen de ganancia y las frecuencias en las cuales se dan estos cruces. Por ejemplo » num=[1]; » den=[1 0.5 2]; » [Gm,Pm,Wcg,Wcp]=margin(num,den) Gm = Inf Pm = 53.6248 Wcg = NaN Wcp = 1.6103

CAPÍTULO 2: OPERACIONES CON ARREGLOS Lección 6. Arreglos - vectores Concepto. En la mayoría de lenguajes de programación las matrices y los vectores se constituyen como un conjunto de datos del mismo tipo que son agrupados bajo un mismo nombre y donde se especifica la cantidad de elementos que los componen, en Matlab para definir una matriz o un vector no es necesario establecer su tamaño, el programa determina el numero de filas y de columnas de acuerdo al número de elementos que se proporcione. Los vectores se definen por filas o por columnas, por ejemplo un vector fila x se expresa: >>x=[1 5 6] La respuesta de matlab es

x= 1 5 6 Un vector columna se expresa como

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y=[1; 3; 6] se observa en la pantalla como

y= 1 3 6 Operación con Vectores. Matlab permite realizar operaciones con vectores y con matriz de datos. Las siguientes instrucciones nos permiten la manipulación de vectores. Dado los vectores p1 y p2, tenemos • p1+p2, p1-p2 Operaciones básicas con vectores • p’ Transpuesta de un vector • p=a:n:b Genera un vector cuyas componentes van desde a hasta b

con intervalos de n • p(n) Accede a la componente n del vector p • k*p1 Multiplica el vector p1 por el escalar k • p1.*p2 Multiplica elemento a elemento los vectores p1 y p2 • p1.^n Eleva a la enésima cada componente de p1. En la siguiente tabla se muestran algunos ejemplos de las operaciones con vectores.

109


Tabla 9. Ejemplos de operaciones con vectores

Operación Instrucción en Matlab 1. [1 3 5 7] + [2 4 6 4] » p1=[1 3 5 7];

» p2=[2 4 6 4]; » p1+p2 ans = 3 7 11 11

1. Calcular la transpuesta del siguiente vector

[1 3 5 7]

» p1=[1 3 5 7]; » p1' ans = 1 3 5 7

2. Hallar el componente número 3 del siguiente vector

[1 3 5 7]

p1=[1 3 5 7]; » p1(3) ans = 5

4. Calcular 5*[1 3 5 7] » p1=[1 3 5 7]; » 5*p1 ans = 5 15 25 35

3. Multiplicar componente a componente los siguientes vectores

[1 3 5 7] [2 4 6 4]

» p1=[1 3 5 7]; » p2=[2 4 6 4]; » p1.*p2 ans = 2 12 30 28

4. Elevar al cuadrado las componentes de

[1 3 5 7]

» p1=[1 3 5 7]; » p1.^2 ans = 1 9 25 49

Fuente: Juan Monroy (2007) Funciones que actúan sobre Vectores En la siguiente tabla se muestran algunas de las funciones que permiten trabajar con vectores exclusivamente, tomando a x como un vector tenemos:

110


Tabla 10. Funciones para trabajar con vectores

Función Descripción [max,pos]=max(x) Devuelve el valor máximo de x y la posición que

ocupa min(x) Devuelve el valor mínimo y la posición que ocupa sum(x) Suma los elementos de un vector Mean(x) Retorna el valor medio de los elementos de un

vector prod(x) Producto de los elementos de un vector [y,i]=sort(x) Ordena de menor a mayor los elementos del vector

x. Devuelve el vector ordenado en y, y un vector i con las posiciones iniciales en x de los elementos ordenados


Estas funciones se pueden aplicar a los vectores columna que componen una matriz, si estas funciones se quieren aplicar a las filas de la matriz basta aplicar dichas funciones a la matriz traspuesta. Lección 7. Arreglos – matrices

Concepto. En Matlab la matriz es un conjunto de datos del mismo tipo al cual debe asignársele un nombre. Para definir una matriz no hace falta establecer previamente su tamaño ya que Matlab lo determina de acuerdo al número de elementos que se ingresan. Las matrices se definen por filas, los elementos de una misma fila están separados por espacios o comas, y las filas están separadas por enter o punto y coma (;). Por ejemplo la matriz

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

987654321

A

Se define e ingresa en Matlab como >> A=[1 2 3; 4 5 6; 7 8 9]

111


A = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Y lo muestra así:

Figura 95. Matriz en Matlab

Fuente: Tomado pantallazo Matlab versión Trial (2007 Operación Con Matrices. Matlab permute realizar las operaciones básicas al igual que con los vectores y además proporciona comandos adicionales para desarrollar otras operaciones. Los comandos básicos son los siguientes. Dados las matrices a1 y a2: • a1+a2, a1-a2 Operaciones básicas con matrices • a’ Transpuesta de la matriz a • a(n,m) Accede a la componente n,m de una matriz a • k*a Multiplica la matriz a por el escalar k • a1.*a2 Multiplica elemento a elemento las matrices a1 y a2 • a.^n Eleva a la enésima cada componente de a1. • Inv (a) Calcula la inversa de una matriz • Det (a) halla el determinante de a • reshape(a,x,y) cambia el orden de una matriz • b=a(:) convierte la matriz a en un vector • ones (n) Crea una matriz cuadrada de orden n cuyos componentes son

unos • eye (n) Crea una matriz diagonal de orden n

112


A continuación se presentan algunos ejemplos

Tabla 11. Ejemplos de operaciones con matrices

Operación Instrucción en Matlab 1.

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

− 325648171

593761842

» a1=[2 4 8;1 6 7; -3 9 5]; » a2=[1 7 -1;8 4 6;-5 2 3]; » a1+a2 ans = 3 11 7 9 10 13 -8 11 8

2. Calcular la transpuesta de

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

− 593761842

» a1=[2 4 8;1 6 7; -3 9 5]; » a1' ans = 2 1 -3 4 6 9 8 7 5

2. Calcular la inversa de

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

− 593761842

» a1=[2 4 8;1 6 7; -3 9 5]; » inv(a1) ans = -0.7174 1.1304 -0.4348 -0.5652 0.7391 -0.1304 0.5870 -0.6522 0.1739

3. Encontrar el componente (2,3) de la matriz

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

− 593761842

» a1=[2 4 8;1 6 7; -3 9 5]; » a1(2,3) ans = 7

4. Cambiar el orden de la siguiente matriz

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

− 159337616842

a=[2 4 8 6;1 6 7 3; -3 9 5 1]; » reshape(a,2,6) ans = 2 -3 6 8 5 3 1 4 9 7 6 1

7. Crear una matriz diagonal de orden 4

» eye(4) ans = 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1


113


Funciones que actúan sobre Matrices. En la siguiente tabla se muestran algunas de las funciones para el manejo de matrices, por supuesto que exige que sus argumentos sean matrices (A).

Tabla 12. Funciones para el trabajar con matrices

Función Descripción V = poly(A) Devuelve un vector v con los coeficientes del

polinomio característico de la matriz cuadrada A t = trace(A) Retorna la traza t (suma de los elementos de la

diagonal) de una matriz cuadrada A [m,n] = size(A) Devuelve el número de filas m y de columnas n de

una matriz rectangular A N = size(A) Devuelve el orden de una matriz cuadrada A nf = size(A,1) Devuelve el número de filas de A nc = size(A,2) Retorna el número de columnas de A Exp(A) Calcula la exp a cada uno de los elementos de la

matriz A Sqrt(A) Calcula la raíz cuadrad a cada uno de los

elementos de la matriz A log(A) Calcula el logaritmo en base diez a cada uno de los

elementos de la matriz A B = inv(A) Calcula la inversa de A. D = det(A) Retorna el determinante d de la matriz cuadrada A X = linsolve(A,b) La función linsolve permite resolver sistemas de

ecuaciones lineales. Esta función no trata de averiguar las características de la matriz que permitan hacer una resolución más eficiente: se fía de los datos suministrados por el usuario. Si son incorrectos arrojara datos de igual tipo sin ningún mensaje de error.

Fuente: Juan Monroy (2007) Lección 8. Otras formas de definir matrices. Además de la alternativa de definir una matriz a partir del teclado, es posible en MATLAB utilizar otras formas más potentes y generales de definir y/o modificar matrices. Tipos De Matrices Predefinidos. MATLAB dispone de varias funciones orientadas que permiten definir fácilmente matrices de tipos particulares.

114


Algunas de estas funciones son las siguientes:

Tabla 13. Funciones para trabajar con matrices particulares Función Descripción

eye(3) forma la matriz unidad de tamaño (3×3) zeros(3,2) forma una matriz de ceros de tamaño (3×2) Ones(2) forma una matriz de unos de tamaño (2×2) linspace(x1,x2,n) genera un vector con n valores igualmente

espaciados entre x1 y x2 logspace(d1,d2,n) genera un vector con n valores espaciados

logarítmicamente entre 10^d1 y 10^d2. Si d2 es pi, los puntos se generan entre 10^d1 y pi

Rand(4) forma una matriz de números aleatorios entre 0 y 1, con distribución uniforme, de tamaño (4×4)

randn(3) forma una matriz de números aleatorios de tamaño (3×3), con distribución normal, de valor medio 0 y varianza 1.

magic(4) crea una matriz (4×4) con los números 1, 2, ... 4*4, con la propiedad de que todas las filas y columnas suman lo mismo

Kron(x,y) produce una matriz con todos los productos de los elementos del vector x por los elementos del vector y. Equivalente a x'*y, donde x e y son vectores fila

compan(pol) construye una matriz cuyo polinomio característico tiene como coeficientes los elementos del vector pol (ordenados de mayor grado a menor)


Existen otras funciones que puede consultar en el archivo matlab70primero.pdf de la documentación anexa Formación De Una Matriz A Partir De Otras. MATLAB permite crear una nueva matriz a partir de otra o de otras, pero requiere de dos funciones auxiliares:

• [m,n]=size(A) devuelve el número de filas y de columnas de la matriz A. Si la matriz es cuadrada basta recoger el primer valor de retorno

• n=length(x) calcula el número de elementos de un vector x

115


Tabla 14. Formas de generar matrices a partir de otras

Función Descripción zeros(size(A)) Forma una matriz de ceros del mismo orden de la

matriz A previamente creada ones(size(A)) Crea una matriz de unos del mismo orden de la

matriz A previamente creada A=diag(x) Forma una matriz diagonal A cuyos elementos

diagonales son los elementos del vector existente x x=diag(A) Genera un vector x a partir de los elementos de la

diagonal de la matriz A ya existente diag(diag(A)) Crea una matriz diagonal a partir de la diagonal

principal de la matriz A blkdiag(A,B) Genera una matriz diagonal de submatrices a partir

de las matrices A y B Triu(A) Forma una matriz triangular superior a partir de una

matriz A. Tril(A) Forma una matriz triangular inferior a partir de una

matriz A. Fuente: Juan Monroy (2007)

Operador dos Puntos (:). Este operador se puede usar de varias formas. Ejemplos:

• Definir un vector x de forma tal que sus elementos estén compuestos por los números dados en un rango. El incremento por defecto es de 1,

>> x=5:10 x = 5 6 7 8 9 10

• Definir un vector en un rango dado, con un incremento específico

>> x=5:1.5:10 x = 5.0000 6.5000 8.0000 9.5000

116


• Extraer los elementos de una fila de la matriz A

>> A=magic(3) A = 15 0 6 7 32 7 1 22 20

• El siguiente comando extrae los 2 primeros elementos de la segunda fila: >> A(2, 1:2) ans = 7 32

• El siguiente comando extrae todos los elementos de la primera fila: >> A(1, :) ans = 15 0 6

• Los elementos de la última fila se extraen con el comando >> A(end, :) ans = 1 22 20

• Extraer los elementos de determinadas filas

>> A([1 3],:) ans = 15 0 6 1 22 20 Reemplazar los elementos de determinadas filas de una matriz B por las de otra matriz A >> B([1 2 3],:)=A(1:3,:)

117


B = 15 0 6 7 32 7 1 22 20 Lección 9. Estructuras Concepto. Las estructuras son elementos que pueden almacenar variables de diferente tipo bajo un mismo nombre, por ejemplo podemos crear una estructura que contenga el nombre del estudiante, código y genero. A diferencia de los lenguajes de programación, no hace falta definir previamente el modelo o patrón de la estructura. Una posible forma de hacerlo es crear uno a uno los distintos campos, como en el ejemplo siguiente: >> estudiante.nombre='Pedro' estudiante = nombre: 'Pedro' >> estudiante.codigo=123456789 estudiante = nombre: 'Pedro' codigo: 123456789 >> estudiante.genero=’M’ estudiante = nombre: 'Pedro' codigo: 123456789 genero=’M’ Para el acceso a los miembros o campos de una estructura se utiliza el operador punto (.), este se ubica entre el nombre de la estructura y el nombre del campo (por ejemplo: estudiante.nombre). También puede crearse la estructura por medio de la función struct(): >> estudiante = struct('nombre', 'Pedro', 'codigo', 76589,’genero’,’M’) estudiante = nombre: 'Pedro' codigo: 123456789 genero=’M’

118


Pueden crearse vectores y matrices (e hipermatrices) de estructuras. La siguiente instrucción da un ejemplo: >> estudiante (8) = struct('nombre', 'Pedro', 'codigo', 76589,’genero’,’M’) Por medio de esta instrucción se crea un vector de 8 elementos donde el octavo elemento es inicializado con los argumentos de la función struct(); el resto de los campos se inicializan con valores vacios Para añadir nuevos campos a la estructura simplemente se realiza como si se accediera a él para darle un valor >> estudiante(5).edad=44; Funciones para operar con estructuras. Algunas de las funciones que se pueden utilizar en Matlab para el manejo de las estructuras son las siguientes:

Tabla 15. Funciones para operar con estructuras

Función Descripción fieldnames() Devuelve un vector de celdas con cadenas de

caracteres que recogen los nombres de los campos de una estructura

isfield(E,s) Determina si la cadena s es un campo de una estructura E

isstruct(E) Permite determinar si E es o no una estructura rmfield(E,s) Elimina el campo s de la estructura E getfield(E,s) Retorna el valor del campo especificado s. de la

estructura E. setfield(E,s,v) Asigna el valor v al campo s de la estructura E.


Estructuras Anidadas. MATLAB permite definir estructuras anidadas, es decir estructuras con campos que a la vez son estructuras. Para acceder a los campos de la estructura más interna se utiliza dos veces el operador punto (.), como puede verse en el siguiente ejemplo

119


>> clase=struct('Zona','Boyacá','Cead','Sogamoso', ... 'estudiante', struct('nombre','Maria', 'edad',25)) clase = Zona: 'Boyacá' Cead: 'Sogamoso' estudiante: [1x1 struct] >> clase.estudiante(2).nombre='José'; >> clase.estudiante(2).edad=27; >> clase.estudiante(2) ans = nombre: 'José' edad: 27 >> clase.alum(1) ans = nombre: 'Maria' edad: 25 Lección 10. Aplicaciones Retomando el ejercicio de la lección 9 y 10 en donde se pedía encontrar las corrientes de malla I1, I2 e I3 del circuito:

Figura 96. Circuito para manejo de mallas

+

-

V s 11 0 V

R 51 0R 4

5

R 38

R 24

R 11 0


Se Define el sistema de ecuaciones de malla del circuito.

023581059408422

321

321

321

=⋅+−⋅−=−⋅+⋅−=⋅−⋅−⋅

IIIIIIIII

I2 I3

I1

120


Resolviendo el sistema proseguimos a encontrar el determinante de la matriz A:

27402358

5948422=

−−−−−−

=Δ

Una vez que hemos encontrado el determinante de la matriz A procedemos a buscar las incógnitas del sistema en este caso I1, I2 e I3.

AI 4848.0274013202350

5910840

1 ==Δ−

−−−

=

AI 61.1274044202308

51048022

2 ==Δ

−−−−

=

AI 51.027401420058

10940422

3 ==Δ−−

−−

=

Matlab nos permite el cálculo de las corrientes mediante el cálculo de los determinantes de la siguiente forma » a=[22 -4 -8;-4 9 -5;-8 -5 23]; » det(a) ans = 2740 » b=[0 -4 -8;10 9 -5;0 -5 23]; » I1=det(b)/det(a)

121


I1 = 0.4818 » a=[22 -4 -8;-4 9 -5;-8 -5 23]; » c=[22 0 -8;-4 10 -5;-8 0 23]; » I2=det(c)/det(a) I2 = 1.6131 » d=[22 -4 0;-4 9 10;-8 -5 0]; » a=[22 -4 -8;-4 9 -5;-8 -5 23]; » I3=det(d)/det(a) I3 = 0.5182

CAPÍTULO 3: FUNDAMENTOS DE PROGRAMACIÓN

Introducción. Este último capítulo esta dedicado a conocer los fundamentos de programación, de forma tal que se conviertan en herramientas valiosas en el momento de crear código para ejerce control sobre ciertos procesos o sistemas a partir de elementos microprocesados o micrcontrolados. Lección 11. Conceptos y tipos de datos En esta unidad se busca conocer los elementos básicos en la programación y a partir de ellos definir soluciones a problemas de programación a bajo nivel, conceptos fundamentales para el manejo de circuitos programables. Conceptos. Un algoritmo es un conjunto de pasos lógicos, exentos de ambigüedad, que buscan solucionar un problema determinado. Los algoritmos se pueden representar a partir de diagramas de flujo o de pseudocódigo. Pseudocódigo: El pseudocódigo utiliza palabras del lenguaje cotidiano para reasentar así el conjunto de pasos a seguir. Dentro de las palabras están:

122


Tabla 16. Palabras clave en el pseudocódigo

PALABRA DESCRIPCIÓN

Inicio Determina el punto de partida del algoritmo, o de una subrutina

Fin Finaliza el algoritmo, o una subrutina

Leer Representa la captura de información a través de cualquier medio o dispositivo de entrada.

Imprimir Representa la visualización de información a través de cualquier medio o periférico de salida.

SI..Entonces Permite diseñar condicionales

SI..Entonces..De lo contrario

Además de la condición permite determinar las instrucciones a ejecutar si la condición no se cumple.

Y, O Permiten realizar operaciones lógicas al diseñar una condición

En caso de Evalúa el valor de una variable dentro de un conjunto de posibles alternativas.

Para Determina el número de veces a repetir un conjunto de instrucciones.

Mientras

Repite un grupo de instrucciones tantas veces como se cumpla una condición evaluada al inicio de cada ciclo repetitivo.

Hacer..mientras

Repite un grupo de instrucciones tantas veces como se cumpla una condición evaluada al final de cada ciclo repetitivo.

Fuente: Juan Monroy (2007) Diagrama de Flujo: El diagrama de flujo utiliza símbolos gráficos para representar el conjunto de pasos del algoritmo. Dentro de estos símbolos básicos y que se requieren para estructurar algoritmos para programación a bajo nivel tenemos:

123


Tabla 17. Simbología utilizada en los diagramas de flujo

SÍMBOLO DESCRIPCIÓN

Determina el punto de partida del algoritmo

Finaliza el algoritmo, o permite definir el inicio de una subrutina

Representa la captura de información a través de cualquier medio o dispositivo de entrada.

Representa la visualización de información a través de cualquier medio o periférico de salida.

Permite diseñar condicionales

Permite estructurar el desarrollo de una operación aritmética o lógica.

Indica el sentido en el que se ejecutan las instrucciones

Fuente: Juan Monroy (2007) Tipos de datos. Aunque para la programación abajo nivel se manejan únicamente representaciones binarias de la información, es importante reconocer que a nivel de computadores existen los siguientes tipos de datos:

• Numéricos: Aquel conjuntos de datos que representa cifras numéricas ya sea su parte entera únicamente (números enteros), o su parte entera y decimal (números reales). Ejemplo Enteros: 45; 56; 78; -34 Reales: 23.56; 5789.09; 0.00000067;

124


• Alfanuméricos: Conjunto de datos formados por información de tipo carácter, la cual puede agruparse para formar las cadena de caracteres, o presentarse de manera individual formando el carácter. Ejemplo Caracteres: ‘4’; ‘i’; ‘A’ Cadenas: “hola Mundo”; “Unad”; “Cad Electrónica 1911”

• Boléanos: Son datos que pueden presentar únicamente dos valores posibles, ya se un 1 lógico o un cero lógico, los cuales representan la presencia o ausenta de voltaje y dependiendo del contexto pueden significar la presencia de 5 voltios y 0 voltios respectivamente, 3.3 v y 0 v,

Lección 12. Instrucciones e/s y selección Instrucciones de Entrada/Salida. Como se mostró con anterioridad, existen elementos que permiten definir el procedimiento para la captura de información y la visualización de resultados, en cada uno de estos procesos interviene elementos tanto para la captura de los datos, así como para su visualización, estos elementos pueden ser por ejemplo sensores, interruptores, pulsadores, cualquier elementos que permita realizar la captura de una señal, de igual forma para la visualización podemos utilizar: leds, display siete segmentos, matriz de leds, motores, etc, es decir cualquier elemento que permita reflejar el resultado de la información procesada; sin embargo a nivel de algoritmo esto no tiene relevancia ya que solo necesitamos representar la operación, esto cobra importancia en el momento del diseño del circuito.

Figura 97. Diagrama de la estructura general de un sistema.


PROCESAMIENTO

• Sensores • Interruptores • Pulsadores • Salida Ctos

• Leds • Display Siete

Segmentos • Matriz de leds • Motores

ENTRADA SALIDA

Pseudocódigo: IMPRIMIR

Diagrama

Pseudocódigo: LEER

Diagrama

de Flujo

125


Instrucciones de Selección. Este tipo de instrucciones permite decidir entre ejecutar un grupo de instrucciones o no, dependiendo de que se cumpla o no una condición. La condición se evalúa para determinar si es cierta, es decir si su valor de verdad es verdadero. Comparadores. La condición se diseña comparando dos elementos a parir de los siguientes comparadores:

• Mayor que > • Menor que <

• Mayor o igual >=

• Menor o igual <=

• Igual =

• Diferente <>

Ejemplo

• a>b ; la respuesta a esta comparación solo puede ser verdadera o falsa • A>=56 ;se compara una variable con una constante

• 78<=B ; no se puede determinar su valor de verdad ya que se

desconoce el valor de la variable B

• 34<>56 ;su valor de verdad (verdadero) se puede determinar ya que se están comparando dos constantes

Operadores lógicos. Si se necesita hacer más de una comparación, se requiere el uso de operadores lógicos, los cuales operan los valores de verdad de cada comparación para así llegar a un único valor. Los operadores lógicos utilizados son el “y” y el “o”, cuyas tablas de verdad se relacionan a continuación.

126


• Operador “y”, “^”, “and”

Tabla 18. Valores de verdad operador “and”

C1 C2 C1 y C2 V V V V F F F V F F F F


• Operador “o”, “v”, “or”

Tabla 19. Valores de verdad operador “or”

C1 C2 C1 o C2 V V V V F V F V V F F F


Condicionales. Una vez tratados los comparadores y operadores lógicos vamos a trabajar con la condicional a partir de un ejemplo y mostrando el algoritmo en pseudocódigo y en diagramas de flujo, pero antes vamso a considerar la sintaxis de cada uno de ellos Sintaxis Diagrama de Flujo

127


Figura 98. Sintaxis diagrama de flujo de la instrucción condicional


La ubicación del “Si” o el “No”, pueden ir en cualquiera de las puntas de rombo, lo importante es definir claramente cada uno de los caminos a tomar dad la respuesta cierta ó falsa de la condición. Sintaxis Pseudocódigo Si (Condición) entonces _______ _______ Instrucciones a ejecutar si se cumple la condición _______ De lo contrario _______ _______ Instrucciones a ejecutar si no se cumple la condición _______ Fin si Es importante aclarar que no es posible que exista un “De lo contrario” sin la presencia de un Si… entonces

Condición

Instrucciones a ejecutar si se cumple la condición

Instrucciones a ejecutar si NO se cumple la condición

•••

• • •

•••

No

Si

128


Ejemplos Ejemplo 1. Suponga que s requiere realizar un programa que determine cuales el mayor de dos números: Solución. Es necesario tener en cuenta que los dos números deben ser leídos (ingresar a través de cualquier dispositivo de entrada), los vamos a denominar N1 y N2 Pseudocódigo Inicio Leer N1 Leer N2 Si N1>N2 entonces Imprimir N1 De lo contrario Imprimir N2 Fin Si Fin

Figura 99. Diagrama de Flujo para determinar el mayor de dos números


Inicio

N1, N2

N1>N2

N2 N1

Fin

Si No

129


Ejemplo 2. Realizar un algoritmo para determinar el mayor de tres números. Pseudocódigo Inicio Leer N1,N2,N3 Si (N1>N2) y (N1>N3) entonces Imprimir N1 De lo contrario Si (N2>N3) Imprimir N2 De lo contrario Imprimir N3 Fin si Fin si Fin El primer Si determina si el mayor de los tres número es N1, si esto no es cierto, queda por evaluar cual de los otros dos números es mayor, N2 o N3.

Figura 100. Diagrama de Flujo para determinar el mayor de tres números


Inicio

N1, N2,N3

N1>N2 y N1>N3

N3

N1

Fin

Si No

N2>N3

N2

Si

No

130


Ejemplo 3. Realice un algoritmo que determine si una vocal leída es abierta o cerrada Pseudocódigo Inicio Leer vocal Si (vocal=’a’) o (vocal=‘e’) o (vocal=’o’) entonces Imprimir “Vocal Abierta” De lo contrario Imprimir “Vocal Cerrada” Fin si Fin Es necesario utilizar el operador “o” ya hay tres posibilidades de que la vocal sea abierta, por tanto al evaluar cada una de ellas “a”, “e” y “o” se debe llegar a la misma respuesta.

Figura 101. Diagrama de Flujo que determina si una vocal es abierta o cerrada


Inicio

vocal

(vocal = ‘a’) O (vocal = ‘e’) O

Vocal Cerrada

“Vocal Abierta

Fin

Si No

131


Lección 13. Instrucciones repetitivas

Ordenes que permiten repetir un número determinado de veces la ejecución de un grupo de instrucciones. Básicamente encontramos tres tipos de instrucciones: PARA. Se recomienda su uso cuando se conoce de antemano el número de veces a repetir. Sintaxis Para variable=valor inicial, hasta valor final, variable=variable+incremento _________ _________ Instrucciones a repetir _________ Fin para La variables es la que lleva el conteo del número de veces que se ha repetido las instrucciones, por ello debe tener un valor inicial y un valor final, para poder llevar el conteo es necesario determinar de cuanto en cuanto se cuenta, de ahí que sea necesario definir el “incremento” de la variable Ejemplo Realice un algoritmo para imprimir los número de 1 hasta 20 Pseudocódigo Inicio Para i=1, hasta 20, i=i+1 Imprimir i Fin para Fin

132


Figura 102. Diagrama de flujo para generar los número de 1 a 20

Fuente: Juan Monroy (2007) MIENTRAS. Se utiliza cuando es necesario verificar una condición antes de ejecutar cada uno de los ciclos posibles de repeticiones. Sintaxis Mientras (Condición)

_________ _________ Instrucciones a repetir _________ Fin Mientras Ejemplo. Realice un programa que determine el número de divisores de un número m. Suponemos la existencia de una función Residuo que calcula el resto de una división.

Inicio

i

Fin

Si

No

i=1

i=20

i=i+1

133


Pseudocódigo Inicio Leer m

Divisor=1 Cantidad_divisores=0 Mientras (Divisor<=m)

If (Residuo(m,Divisor)=0) entonces Cantidad_divisores=Cantidad_divisores+1

Fin si Divisor=Divisor+1

Fin Mientras Imprimir (Cantidad_divisores)

Fin En la siguiente figura se muestra el diagrama de flujo correpsondiente

134


Figura 103. Diagrama de Flujo para determinar la cantidad de divisores de un número.


Inicio

m

Divisor=1

Divisor<=m

Residuo(m,Divisor) =0

Cantidad_divisores=Cantidad_divisores+1

Si

Si

Divisor=Divisor+1

No

No

Cantidad_divisores

Fin

135


HACER .. MIENTRAS. Se usa cuando es necesario repetir un grupo de instrucciones y al final de cada ciclo determinar si es necesario volver a repetir o no. Sintaxis Hacer

_________ _________ Instrucciones a repetir _________ Mientras (Condición) Ejemplo. Realice un programa que realice una división entera entre dos números A y B a partir de restas sucesivas. Suponemos A mayor que B Pseudocódigo Inicio Leer A Leer B

Cociente=0 Hacer

A=A-B Cociente=Cociente+1

Mientras (A>B) Imprimir (Cociente)

Fin En la siguiente figura se muestra el diagrama de flujo correspondiente

136


Figura 104. Diagrama de Flujo para realizar una división entera entre dos números a partir de restas sucesivas


Inicio

A,B

Cociente=0

A>B

Cociente=Cociente+1

Si

A=A‐B

No

Cociente

Fin

137


Lección 14. Fundamentos de programación en matlab

MATLAB es una aplicación en la que se puede programar, es decir configurar una serie de instrucciones para que se realice una tarea específica, no es tan potente como un lenguaje de Programación como C++ o Java, pero ofrece un buen número de posibilidades y se convirtiéndose en una herramienta importante de aprendizaje en los fundamentos de programación, esenciales en la implementación de circuitos programables. Operadores Relacionales. MATLAB utiliza la siguiente simbología para el manejo de operadores relacionales: < menor que > mayor que <= menor o igual que >= mayor o igual que == igual a ~= diferente a Al igual que en C, si una comparación se cumple el resultado es 1 (true), mientras que si no se cumple es 0 (false). Recíprocamente, cualquier valor distinto de cero es considerado como true y el cero equivale a false. Ejemplo >> A=[5 -3;2 1]; B=[0 -3;1 7]; >> A==B ans = 0 1 0 0 Operadores Lógicos. La simbología que utiliza MATLAB para los operadores lógicos son:

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Tabla 20. Operadores lógicos en Matlab

Operador Descripción & (y). Se evalúan siempre el valor de verdad de los dos

operandos, el resultado es true sólo si ambos son true. && (y breve). No necesariamente termina evaluando los dos

operandos, si el primer operando es false ya no se evalúa el segundo, esto porque el resultado final ya no puede ser más que false. Es muy útil sobre todo cuando se trabaja con matrices, reduciendo el tiempo de cálculo y proceso

| (o) Retorna false si al evaluar ambos operandos cada uno de ellos es false de lo contrario devuelve true.

|| (o breve). si el primer operando es true ya no se evalúa el segundo, pues el resultado final no puede ser más que true.

~ Negación lógica, si el operando es true retorna false xor(A,B) Realiza un "o exclusivo", es decir, devuelve false si

ambos operandos tienen el mismo valro de verdad de lo contrario retorna trae


El siguiente ejemplo muestra como se utilizan los operadores y a la vez como filtrar un posible error de división por cero al usar un operador breve r = (b~=0) && (a/b>0); Condicionales. MATLAB dispone de instrucciones sentencias para realizar las condicionales, vistas en las lecciones anteriores Instrucción If Sintaxis general if condicion sentencias end

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Sintaxis de bifurcación múltiple es decir se concatenan las condiciones en función de lo que se desea evaluar o ejecutar if condicion1 bloque1 elseif condicion2 bloque2 elseif condicion3 bloque3 else % opción por defecto para cuando no se cumplan las condiciones 1,2,3 bloque4 end Ejemplo >>r=30000; >>if r==10000 disp (‘Resistencia de 10 kilo ohmios’) elseif r==20000 disp (‘Resistencia de 20 kilo ohmios’) elseif r==30000 disp (‘Resistencia de 30 kilo ohmios’) end Resistencia de 30 kilo ohmios Instrucción Switch La instrucción switch realiza una tarea análoga a los if...else if concatenados. Sintaxis switch expresion

case Valor1,

bloque1 case {Valor2, Valor3, Valor4}

bloque2 ... otherwise, % opción por defecto

bloque3

end

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Los bloques de instrucciones deben ubicarse hacia la derecha según la dependencia de la instrucción anterior a ella, esto se hace para que el programa resulte más legible, resultando más fácil ver dónde empieza y termina la bifurcación o el bucle. Es muy recomendable seguir esta práctica de programación. En la sintaxis la palabra expresión hace referencia a la variable o resultado de operación que se pretende evaluar, este se compara con casa uno de los posibles valores ubicados como Valor1, Valor2, etc, si resulta ser igual a uno de ellos, se ejecuta el bloque de instrucciones que dependan de ello, si no resulta ser igual a alguno de estos valores se ejecutar lo que dependa de otherwise. >>r=30000; >>switch r case 10000 disp (‘Resistencia de 10 kilo ohmios’) case 20000 disp (‘Resistencia de 20 kilo ohmios’) case 30000 disp (‘Resistencia de 30 kilo ohmios’) end Resistencia de 30 kilo ohmios Lectura Y Escritura Interactiva De Variables. A continuación se da una explicación de cómo utilizar una forma sencilla de leer variables desde teclado y escribir mensajes en la pantalla. Función Input. La función input permite capturar un valor digitado por el usuario, para ello permite imprimir un mensaje en la línea de comandos de MATLAB, con el fin de guiar al usuario en el proceso; después de imprimir el mensaje, el programa espera que el usuario teclee el valor numérico o la expresión; el usuario puede teclear los valores de un vector o matriz o en general cualquier expresión, esta es evaluada con los valores actuales de las variables de MATLAB y el resultado se devuelve como valor de retorno. Ejemplo >> semestre = input('Por favor digite el semestre que cursa')

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La variable semestre almacenará un valor de tipo numérico Otra forma de emplear la función es estableciendo que no evalúe la expresión introducida por el usuario (a través del parámetro 's') así: >> nombre = input('¿Digite su nombre?','s') Acá la expresión digitada por el usuario no es evaluada y se almacena en la cadena nombre como texto. Función Disp La función disp permite imprimir en pantalla un mensaje de texto o el valor de una matriz, pero sin imprimir el nombre de la variable. En realidad, disp siempre imprime vectores y/o matrices: las cadenas de caracteres son un caso particular de vectores. Considérense los siguientes ejemplos de cómo se utiliza: >> disp('Gracias por su atención ') >> nombre = input('¿Digite su nombre?','s') >> disp(nombre)

Lección 15. Instrucciones repetitivas y funciones en matlab

Instrucciones Repetitivas Instrucción For. La instrucción for repite un conjunto de instrucciones un número predeterminado de veces. A continuación se muestra su sintaxis en Matlab for i=1:n

Instrucciones a repetir end Esto hace que la variable i tome los valores desde 1 hasta n, incrementándose de a uno en uno por cada repetición que ejecute. Es posible hacer que los valores que tome la variable i, se asignen desde un vector (vector_de_valores) así:

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for i=vector_de_valores Instrucciones a repetir

end También es posible determinar el valor del incremento así: for i=m:-0.5:10

Instrucciones a repetir end La variable i toma valores desde m, decrementándose de -0.5 en -0.5 hasta que sea menor a 10. Una última sintaxis para la instrucción for es la siguiente (tenga en cuenta que A es una matriz). Aca la variable i es un vector que va tomando en cada iteración el valor de una de las columnas de A. for i=A

Instrucciones a repetir end Cuando se introducen interactivamente en la línea de comandos, los for se ejecutan sólo después de introducir la sentencia end que los completa. A continuación mostramos el código en Matlab para el algoritmo ejemplo de la instrucción Para dado en el Tema 17. >> for i=1:10 disp (i) end 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

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Instrucción While. La estructura de la instrucción tiene la siguiente sintaxis while condicion

Instrucciones a repetir end Los ciclos repetitivos terminan cuando todos los elementos de condicion sean false (es decir, cero). A continuación mostramos el código en Matlab para el algoritmo ejemplo de la instrucción Mientras dado en el Tema 17. >> m = input('Por favor digite un número '); Por favor digite un número 8 >>Divisor=1; >>Cantidad_divisores=0; >>while Divisor<=m If mod(m,Divisor)==0 Cantidad_divisores=Cantidad_divisores+1; end Divisor=Divisor+1; end >>disp (Cantidad_divisores) 4 Funciones En Matlab. Una función es un conjunto de instrucciones que cumplen una tarea específica y que se agrupan bajo un nombre, una función tiene nombre, valor de retorno y argumentos; se invoca utilizando su nombre en una expresión o como un comando más. Las funciones se pueden definir en ficheros de texto *.m como se explica mas adelante. Considérense los siguientes ejemplos de llamada a funciones: >> n=length(x); calcula el número de elementos de un vector x >> a = cos(ang); Calcula el coseno del ángulo almacenado en ang

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En MATLAB es posible manejar funciones que no tienen argumentos, éstas no llevan paréntesis, por lo que a simple vista no es fácil diferenciarlas de simples variables. Definición de Funciones. Para definir las funciones es necesario digitar el código como un archivo ASCII, es decir un archivo tipo texto sin formato, para ello se puede utilizar cualquier editor de texto y grabando el archivo sin formato y con extensión .m. La primera línea de un archivo que contenga el código o instrucciones de una función debe tener la forma: function [lista de valores de retorno] = name(lista de argumentos) donde name es el nombre de la función. Entre corchetes y separados por comas van los valores de retorno (siempre que haya más de uno), y entre paréntesis también separados por comas los argumentos. Puede haber funciones sin valor de retorno y también sin argumentos. Los argumentos son los datos de la función y los valores de retorno sus resultados. La ejecución de una función termina cuando se llega a su última sentencia ejecutable. Si se quiere forzar el que una función termine de ejecutarse se puede utilizar la sentencia return, que devuelve inmediatamente el control al entorno de llamada. A continuación se muestra un ejemplo de la forma como quedaría la típica primer función a realizar cuando se aprende a programar function holamundo() dispo (‘hola Mundo’) end Para ampliar el tema de la definición o creación de funciones consulte la página 76 de el archivo anexo ‘matlab70primero.pdf’ donde se explica con mayor detalle cada uno de los pasos a seguir, antes de hacer dicha consulta debe inspeccionar la temática del debugger para conocer el editor de texto de Matlab

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ACTIVIDAD DE AUTOEVALUACIÓN UNIDAD 2 Se plante el siguiente problema para que a través de él se haga un ejercicio de autoevaluación para poder identificar aquella temática en la cual se debe reforzar el trabaja o hacer mayor profundización y consulta 1. Grafique las funciones sinusoidales del ejercicio de autoevaluación de la Unidad uno, duplicando su amplitud. 2. Realice un programa en Matlab que permita leer dos matrices y promediar el valor de sus diagonales. Las matrices deben ser de 4x4. 3. Realice un programa en Matlab que capture el valor en ohmios de una resistencia, y exprese dicho valor en la unidad mas conveniente, la unidad mas conveniente es aquella en la que menor cantidad de cifras se utilice, por ejmplo 10000000 ohmios equivale a 10 Megaohmios Tabajar hasta el rango de Gigaohmios.

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FUENTES DOCUMENTALES UNIDAD 2 BIBLIOGRAFIA Microprocesadores y Microcontroladores Barry Brey. (1994). Los microprocesadores Intel avanzados. Mexico: Noriega. Herbert Tabú. (1983). Circuitos digitales y microprocesadores. España: McGraw Hill. José Adolfo González Vásquez.(1994). Introducción a los microcontroladores de 16 Bits. España: McGraw Hill. Peter Abel. (1996). Lenguaje ensamblador y programación para PC IBM y compatibles. Mexico: Pearson. Modelamiento Matemático Allen Angel. (1992). Álgebra intermedia. Mexico: Prentice Hall. Ayres, Jr. (1991). Cálculo diferencial e integral (3ra Ed). España: McGraw Hill. Granville. (1996). Cálculo diferencial e integral. Mexico: Limusa. Grossman (1996). Álgebra lineal. Colombia: McGraw Hill. Larson. (1994). Introducción al Algebra Lineal. Mexico: Limusa. Señales y Sistemas Papoulis (1986). Sistemas digitales y analógicos, transformadas en FOURIER, estimación espectral. España: Marcombo. Arnold. (1992). Sistema moderno de procesamiento de datos. Mexico: Limusa. Irarrazaval. (1999). Análisis de señales. Chile: McGraw Hill.

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