Laboratorio de Control Automático Guia Nº1

“Adquisición, procesamiento y generación de señales por computador”

Objetivos Esta experiencia tiene como objetivo adquirir, procesar y generar señales análogas de baja frecuencia mediante una tarjeta de adquisición de datos, adquirir experiencia en el uso del programa LabVIEW para el desarrollo y operación de “Instrumentos Virtuales” (VI) en tiempo real, y analizar las señales capturadas en archivo mediante Matlab & Simulink y compararlas con las señales análogas originales capturadas con WaveStar. Keywords: Conversores AD/DA, LabVIEW, Matlab & Simulink 1. Trabajo Previo El desarrollo de esta sección debe ser incluido en el informe final, y además es evaluado mediante un quiz junto con el análisis de los resultados obtenidos en el laboratorio.

1.1 Explique el funcionamiento de un conversor DA del tipo R-2R, y el de un conversor AD de aproximaciones sucesivas. Deduzca una expresión para el error de cuantización cuando se utiliza un conversor AD de n bits.

1.2 Indique a que frecuencia fm se debe muestrear una señal periódica de frecuencia f de forma tal que la señal muestreada resultante contenga la misma información que la señal original

1.3 Estudie el material relacionado con LabVIEW disponible en la página web de la asignatura. En particular estudie la guía para comenzar, el manual básico y el de simulación de LabVIEW, y explique el funcionamiento de los componentes utilizados en el VI de la figura 1.

1.4 Estudie el material relacionado con Matlab & Simulink disponible en la página web de la asignatura. En particular estudie la guía para comenzar y el Help Desk de Matlab, y explique el funcionamiento de los componentes utilizados para obtener la respuesta del lazo realimentado de la figura 2.

2. Trabajo en Laboratorio Reconozca los diferentes elementos del sistema de adquisición de datos basado en la tarjeta NI PCI-6221, y consulte al ayudante la forma de conectar un generador de señal sinusoidal de amplitud A = 5[V] y frecuencia f = 1[Hz] al canal 0 de entrada analógica y un osciloscopio al canal 0 de salida analógica.

2.1 Abra la utilidad “Measurement & Automation Explorer” (MAX) para configurar tareas de adquisición de datos con la tarjeta NI PCI-6221, es decir, para definir los canales a utilizar, los rangos de voltaje de entrada y salida, y el modo de adquisición de datos. Para esta experiencia, configure tareas de canal simple para adquirir y generar señales análogas bipolares en el rango ±10[V] referenciadas a tierra común (RSE), con temporización por hardware (1[kHz]).

2.2 Abra “LabVIEW” y elija crear un VI nuevo (Blank VI). Reconozca el

panel frontal y el diagrama de bloques, así como las paletas “Controls”, “Functions” y “Tools”. Seleccione el bloque “Simulation Loop” de la carpeta de funciones “Control Design & Simulation” y construya un VI como el que se muestra en la figura 1 para leer periódicamente una señal análoga, desplegar un gráfico con su valor en el tiempo, y generar una señal de salida igual a la de entrada. Además agregue los bloques necesarios para guardar las señales de entrada y salida en un archivo.

2.3 Utilizando el VI creado en 2.3, defina 4 valores de “Period” dT = {10,

100, 250, 750} [ms] y mida en cada caso utilzando osciloscopio el tiempo de muestreo efectivo Ts y compárelo con el valor de dT seleccionado. Capture las señales en cada caso y justifique el valor dT que usted elegiría, de forma que no se pierda información de la señal leída.

Figura 1. Componentes de un Instrumento Virtual

2.4 Agregue a su diagrama de LabVIEW, con dT = 10 [ms], los bloques

necesarios para implementar el diagrama de bloques de la Figura 2a. Y obtener la respuesta del lazo realimentado de la figura 2b a un tren de pulsos, para K = 1 y K = 10. Para ello conecte un generador de pulsos de amplitud A = 5[V] y frecuencia f = 1[Hz] al canal 0 de entrada análoga y mida el canal de salida 0. Capture el panel frontal y el

diagrama de bloques del VI final con “Imprimir Pantalla” y el programa “Paint”.

Figura 2. Simulación del lazo realimentado con K=10

2.5 Utilice el VI desarrollado en el punto anterior, con dT = 10 [ms], pero ahora conecte al canal 0 de entrada análoga un generador de señal sinusoidal de amplitud A = 5[V] y frecuencia f = 1[Hz], para obtener la respuesta del lazo realimentado de la figura 3 a una señal sinusoidal. y guarde las señales de entrada y salida en un archivo para K = 1 y K = 10. En ambos casos mida la amplitud y fase de la señal de salida.

Figura 3. Simulación del lazo realimentado con K=10

2.6 Construya un nuevo VI para leer periódicamente 3 canales de entrada y

escribir 2 canales de salida, desplegar 2 gráficos, uno con el valor de los canales de entrada y el otro con los valores de los canales de salida. Agregue los bloques necesarios para generar señales (Pulsos, Triangulares y Sinusoidales), de cualquier frecuencia y amplitud. Además agregue los bloques para guardar todas las señales de entrada y salida en un archivo.

2.7 Implemente en protoboard un circuito RC como el de la Figura 4. Utilizando el VI desarrollado en 2.6 genere una señal cuadrada de amplitud A = 5[V] y frecuencia f = 0.5[Hz] para alimentar el circuito RC (E). Utilice el VI desarrollado para medir la corriente i y el voltaje v, cuando R=5KΩ y C=47uF. A partir de los datos obtenidos obtenga la constante de tiempo τ del circuito RC.

Figura 4. Circuito RC

2.8 Utilizando el VI desarrollado en 2.6 genere una señal sinusoidal de

amplitud A = 5[V] y frecuencia f = 10[rad/sec] para alimentar el circuito RC (E). Utilice el VI desarrollado para medir el voltaje v cuando R=10KΩ y C=4700uF. A partir de los datos obtenidos obtenga la amplitud y fase del voltaje v.

2.9 A partir del esquema de 2.8 genere una señal sinusoidal de amplitud A = 5[V] y frecuencia f = {0.1, 0.5, 1.0, 5.0, 10, 50, 100}[rad/sec]. A partir de los datos obtenidos obtenga el diagrama de bode y la frecuencia de corte del circuito RC. (Nota: La frecuencia se corte se define cuando la Amplitud es igual a -3dB).

3. Informe Final Prepare un informe utilizando la plantilla distribuida en la web, con:

3.1 El desarrollo de cada punto del trabajo previo. 3.2 Los resultados obtenidos en cada punto del trabajo en laboratorio, en

particular: • Explique brevemente los pasos realizados en cada punto. • Responda las preguntas asociadas a cada punto • Presente las imágenes del osciloscopio capturadas con WaveStar

cuando corresponda. • Utilice Matlab para graficar los datos capturados y adjunte las

imágenes del diagrama de bloques y del panel frontal de cada VI finalmente desarrollado. Utilice el comando “stairs” para graficar con Matlab los datos guardados en archivo, y justifique desde el punto de vista teórico los resultados obtenidos.

• Realice comparaciones entre los valores obtenidos y los valores teóricos de cada uno de los experimentos.