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Electrónica Completa
Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno
Termómetro digital
¿No será muy complejo entender como
funciona un termómetro digital? No, y creo que estamos en el momento
indicado como para hacerlo. Todos los dispositivos electrónicos actuales están diseñados de
acuerdo a la topología de circuito mostrada en la figura1 desde el mas
grande hasta el mas pequeño. La idea de que un micro es demasiado caro
debe ser desterrada por completo de su mente. Los micros mas económicos
pueden costar menos de U$S 1 y eso si tienen
encapsulado. Los equipos mas económicos como algunos videojuegos
clásicos tienen los micros soldados sobre las plaquetas y en ese caso el
costo es prácticamente inexistente al extremo que una conocida casa de
comidas rápidas regala un cuenta pasos a sus clientes que hacen un
consumo mayor a U$S 10. 
Fig.1 Topología de un circuito con microcontrolador
- Los medidores 1 y 2 (pueden existir más) son los
componentes encargados de leer los parámetros a mostrar; en nuestro caso
la temperatura del block y tal vez la tensión de batería. Observe
que están conectados a los bloques siguientes solo por un cable (y el
obvio retorno por masa).
- Luego se observan dos bloques indicados como conversores A/D.
- Observe que su salida es una conexión mas gruesa de lo habitual llamada “bus“.
Significa que no esta formada por un solo cable sino por varios; tantos
como lo indique el numero que la acompaña en nuestro ejemplo
8. Esos 8 cables por cada medidor significa que el microcontrolador
debe tener por lo menos 16 patas de entrada. Como son muchas patas el
micro se encarece; por eso los fabricantes suelen integrar los bloques
conversores dentro del micro.
- El micro procesa la información y la coloca en un bus de salida de 8 patas o menos.
- Por último es posible tener más de un dispositivo de salida,
por ejemplo se puede reservar una pata para excitar un parlante que
emita un tono cuando la temperatura supere los 90ºC o la tensión de
bateria sea inferior a 11,5V o superior a 13,5.
¿Cuántas patas debe tener el micro? Todo depende del dispositivo de observación o display:
- pueden ser simples LEDs como en el medidor que fabricamos en la lección anterior
- un display de 8 segmentos que contiene 8 LEDs
formando un número y su punto decimal se pueden usar 2 y entonces leer
la temperatura del 1 al 99 es decir de 1º en 1º o usar uno y leer de 10º
en 10º. En este caso se medirá por 3 segundos la temperatura y luego
por otros 3 la tensión de batería.
- un display LCD que suele llamarse display
inteligente. Por lo general son de dos renglones de 32 dígitos lo que
permite algunos lujos como hacer que el dispositivo mande un mensaje de
saludo cuando se enciende el motor y luego mida la temperatura en un
renglón y la tensión de batería en otro. El mensaje puede ser mas largo
que el display porque puede caminar por la pantalla.
- un display de matriz de punto que puede presentar una imagen en la pantalla junto con un texto
Funcionamiento del sistema El bloque de entrada medidor de temperatura puede ser perfectamente
el transistor indicado en la entrega anterior. La tensión de batería no
requiere medidor. Estos dos primeros dispositivos pueden llamarse
genéricamente transductores. Uno será el transductor T/V o temperatura
en tensión y el otro podríamos indicarlo como V/V porque no convierte
nada.
- El conversor toma la señal analógica de entrada (en este caso es una tensión pero podría ser una corriente, una potencia, etc.)
- la transforma en un número binario que en este caso es de 8 bits
- ese número sale del conversor por ocho patas en donde puede haber un cero (cero volt) o un uno (5 V en el caso clásico)
El lector debe hacer un esfuerzo mental para fijar la idea abstracta
de un número binario como el estado eléctrico de las 8 patas de salida
del conversor (en nuestro particular tomamos 8 pero pueden ser cualquier
número). Con 8 patas se pueden representar 256 estados posibles de
ese conjunto de patas obteniendo este número como el resultado de 28
perfectamente calculable en una calculadora científica. El conversor
puede predisponerse para que genere un cero para cierta tensión de
entrada y el número 100 para tal otra con adecuados preset sobre sus
patas de ajuste. Si los conversores son internos se admite el ajuste de
tensión con preset sobre algunas patas o el ajuste por programa. Con los números binarios ya en el medidor comienza el tratamiento de
los mismos que en este caso es la conversión de los binarios de entrada
en estados alos o bajos en las patas de salida que representen el número
digital correspondiente al binario codificado según el medidor que se
utilice. A continuación vamos a analizar el detalle de los bloques comenzando de atrás hacia delante. Indicadores de salida o displays Si el medidor es un display de leds el código debe ser adecuado para
encender la barra adecuada del digito adecuado. Como en todos los
proyectos que usan este tipo de display se repetiría el mismo circuito
tiene una gran logica usar un programa que nos ayude a programar y a
diseñar dispositivos con PIC. En el Niple cuando se selecciona
“display de LEDs” el programa arma automáticamente el circuito de la
figura siguiente. 
Fig.2 Conexión directa de un display de LEDs a un PIC Observe que se trata de un dibujo genérico que sirve desde 1 a 6
dígitos que se conmutan con los transistores inferiores que operan como
llaves comunes a todos los segmentos. Cada transistor utiliza una pata
de salida del micro para que el digito tenga la posibilidad de encender
uno, dos, etc. o todos sus dígitos de acuerdo a la información enviada
por las patas dato(0) a dato(6). Este proceso se llama multiplexación y
consiste en encender una barra determinada, en una fase determinada de
las señales que excitan a los transistores. Por ejemplo para encender el numero 71 debemos llevar al estado alto
(5V) las señales Display Nº 1; Dato(1) y Dato(2) y todas las otras a
cero. Así encendemos el numero 1 en el digito menos significativo (nota:
aunque Dato(1) y dato(2) estén altos los segmentos b y c del digito mas
significativo permanecen apagado porque falta Display Nº 6. Un instante
después se cambian las señales llevando al estado alto Display Nº 6;
dato (0); dato (1) y dato (2) con todos los demás en bajo y así
sucesivamente y a un ritmo tal que no se note el parpadeo. ¿No es
difícil programar toda esta secuencia? No, con el NIPLE es instantáneo
porque esa parte del programa ya esta generada y solo se la debe llamar. Como el micro utilizado en este caso es de 18 patas solo tiene 13
patas destinadas a puertos de entrada o salida (se declaran como de
entrada o salida en el mismo programa del micro) y estamos usando 9, no
quedan muchas patas disponibles. Otra pata se destina a la alarma sonora
y solo quedan 2 patas. Esto significa que se debe usar otro modelo de
PIC en donde esas entradas son analógicas. Hay otros recursos para ahorrar patas de salida. Es un integrado
llamado expansor de puerto o conversor de BCD a 7 segmentos cuyo
circuito se puede observar en la figura 3. 
Fig.3 Excitador de display de LEDs con expansor de puerto Observe que economizamos 3 patas porque el CD4511 convierte el código
de 7 segmentos en otro llamado BCD que solo requiere 4 patas. El NIPLE
simplemente tiene las dos opciones de circuito y Ud. elige la que desea
generándose el sector del programa correspondiente en forma automática. Los display de LEDs ya están considerados una antigüedad. Actualmente
se utilizan los llamados pomposamente “Display inteligentes”. Se trata
de dispositivos que funcionan con un display LCD pero que poseen una
plaqueta con un microcontrolador. 
Fig.4 Display inteligente El display tiene un conector que se debe conectar al PIC según la
figura 26.2.4 en donde observamos como ejemplo un contador de eventos. 
Fig.5 Circuito con un display inteligente Este display posee 2 renglones de 32 caracteres alfanuméricos lo que
permite una fluida comunicación con el usuario a palabras completas y
sin multiplexado de funciones. En efecto en el display de LEDs solo
tenemos un display de dos dígitos que se turnan para indicar la
temperatura y la tensión de batería. Esto puede ser confuso y es posible
confundir las lecturas, en el display LCD tenemos suficiente lugar para
escribir: Y hasta podemos darnos el lujo de que el auto nos salude con nuestro
propio nombre cuando lo ponemos en marcha, o que nos indique alguna
sucesión de acciones de seguridad por ejemplo. Y cuando termina la secuencia de ordenes recién comienza a medir la
temperatura y la tensión de batería indicando de que parámetro se trata y
agregando la unidad correspondiente. Esto se puede hacer con o sin el
NIPLE, pero sin el NIPLE requiere mucho tiempo de programación. En
cambio utilizando el NIPLE se escribe simplemente el texto tipeando en
la PC. Es muy fácil también lograr que un renglón que esta cerca de un
limite peligroso, pero aun aceptable, genere el texto titilando para
llamar la atención. Por último se podría utilizar un display de
matriz de puntos que puede generar letras; números y graficar el cambio
de temperatura desde que el motor arrancó. Conversores analógicos a digitales El proceso de extraer la información digital de la analógica es la
denominada conversión analógico/digital. Y como va a ser una
información digitalizada vendrá expresada con 0s y 1s, ya que el
encargado de tratarla será el micro del dispositivo. La conversión analógico/digital viene ya de tiempos remotos, aunque
no se entendía como lo hacemos actualmente. Todos usamos salidas
digitales en la vida corriente; por ejemplo, cuando un amigo nos
pregunta ¿como estás? las posibles respuestas pueden ser dos: bien o
mal. Pero realmente podemos sentir muchos estados intermedios:
excelente, malísimamente mal, regular, etc. etc. Es una escala completa
de variaciones analógicas de nuestros sentimientos. Al dar la respuesta
estamos realizando dos procesos conocidos como cuantización o
cuantificación, un muestreo y una codificación. El muestreo, significa que nos analizamos en un determinado instante,
el presente y la cuantización implica que podemos responder: bien o
mal, bien, mal o regular; muy bien, bien regular y mal etc. etc. y la
codificación es que transformamos el estado en una palabra entendible
por nuestro interlocutor. Trasladando este sencillo ejemplo a la electrónica, podemos definir
el valor de una variable X (nuestro estado en ese instante) el cual,
dentro de nuestro esquema de convertidor analógico/digital , se
denominará “muestreo” o toma de una muestra del valor a medir. Por
último la señal digital que ingresa al siguiente dispositivo debe tener
ciertas características y por lo tanto la señal digital se debe
codificar antes de enviarla a la salida/salidas digitales. Este proceso
se llama codificación. El funcionamiento de la conversión analógico/digital estriba en que
la información analógica no es directamente manipulable, ni procesable
por un micro (por supuesto sin conversor interno). La ventaja enorme de
los procesos digitales es que pueden almacenarse indefinidamente sin
degradarse y pueden inclusive reproducir la señal analógica sin un error
apreciable. El ejemplo mas destacable en la actualidad, es la técnica de
grabación digital, donde la señal analógica que es una representación
eléctrica de la voz o el sonido de un instrumento, será sometida a
muestreo y transformada en lenguaje binario. Los unos y ceros que se
obtienen en esta acción serán los que, posteriormente, se grabaran sobre
un disco compacto (CD). Estos discos gracias a la tecnología láser,
podrán ser reproducidos con una calidad de sonido increíblemente igual a
la original. Aunque existe gran diversidad de conversores analógicos/digitales,
todos ellos han de cumplir los tres procesos citados anteriormente:
- Muestreo
- Cuantificación
- Codificación
Los conversores analogico/digital se pueden La conversión analógico/digital se pueden dividir en dos grandes grupos :
- De bucle abierto
- De realimentación
Los conversores de bucle abierto generan un código digital
directamente bajo la aplicación de una tensión en la entrada. Dentro de
esta familia, se pueden distinguir los siguientes tipos :
- Analógico a frecuencia
- Analógico a anchura de impulso
- Conversión en cascada
El conversor de realimentación, sin embargo, genera una secuencia de
números digitales, los convierte en un valor analógico y los compara con
la entrada. La salida digital resultante será el valor más cercano al
hacer la comparación. En este grupo, los tipos más importantes son:
- Rampa en diente de sierra
- Rampa binaria
- Conteo continuo
- Aproximaciones sucesivas
- Conversión no lineal
- Doble rampa
No tiene mayor sentido para el alumno conocer la totalidad de estos
conversores. Por lo tanto vamos a analizar solo algunos. Inclusive
vamos a simplificar la teoría indicando que en EEUU se conoce a estos
circuitos simplemente como de hold and sampling que traducido
literalmente quiere de decir de “medir y mantener”. Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen
una relación biunívoca entre el valor de la señal en su entrada y la
palabra digital obtenida en su salida. La relación se establece en la
mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión de referencia muy bien
estabilizada. La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el
teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación.
Una clasificación de los conversores A/D simplificada, es la siguiente:
- Conversores de transformación directa
- Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar
- Circuitos de captura y mantenimiento (S/H: Sample and Hold)
Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo
de la señal analógica (durante un corto intervalo de tiempo) y el
posterior mantenimiento de dicho valor durante un tiempo mucho mayor.
Generalmente el mantenimiento se realiza sobre un condensador durante el
tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha. El esquema
básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su
representación simplificada, se ofrece en la figura 6. 
Fig.6 Sistema de muestreo y retención El conversor A/D manda un impulso de pequeño ancho por la línea de
control, que activa el interruptor electrónico. El capacitor C, se carga
durante este corto tiempo de muestra. En el caso ideal, la tensión en
el capacitor es igual al valor instantáneo de la tensión de entrada.
Posteriormente cuando se abre la llave el capacitor debe mantener la
tensión adquirida. En la figura 7se observa las señales para una entrada
de tensión triangular (roja). En verde se puede observar la salida y en
azul la señal de control del interruptor. 
Fig.7 Oscilogramas de muestreo y retención Observemos que aun no se produjo la digitalización de la salida;
solo se modifico la señal para proceder posteriormente a
digitalizarla. En una palabra le damos al valor a medir un estado fijo
para realizar la codificación sobre algo que no varía durante el tiempo
necesario para que el codificador pueda obtener un resultado. Uno de los conversores A/D que podemos entender con mayor facilidad
es conversor a comparadores porque se parece al medidor con LEDs que
vimos en la entrega anterior.
Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación
están claramente separados y el ejemplo nos aclara la teoría.
- El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan
entre un número finito de niveles de tensión. Estos comparadores
reciben en sus entradas la señal analógica a medir junto con una tensión
de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las
tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de
entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual
permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la
cuantificación.
- A continuación será necesario un codificador que nos entregue la
salida digital con forma de número binario. Si el alumno no entendió muy
bien la teoría le recomendamos que sigua el ejercicio prático y luego
vuelva a leerla.
Recuerde nuestro voltímetro de LEDs. Si hacemos un voltímetro de 0 a 1
V con diez LEDs, el estado de la salida se mantiene constante de 0 a
100 mV (todo apagado) luego cambia y se mantiene constante entre 100 y
200 mV y así sucesivamente hasta los 1000 mV. Es decir que si se
conecta una fuente variable a la entrada y se sube su valor linealmente,
el sistema transforma la rampa de entrada en una escalera de salida sin
necesidad de usar un capacitor para memorizar. Esto es una ventaja del
sistema porque el capacitor lentifica el proceso. 
Fig.8 Conversor A/D completo del tipo por comparadores Este conversor es entonces de alta velocidad, ya que el proceso de
conversión es directo en lugar de secuencial, reduciéndose el tiempo de
conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y
el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de
baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son
necesarios 2.N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y
encarecimiento excesivos en cuanto se desee obtener una resolución alta. Ya sabemos como funciona la sección de entrada del conversor por
comparadores. Pero para que sirve el codificador. Como ejemplo dibujamos
un sistema de 2 bits. Es decir que si usamos una Vref de 1V tendremos
tensiones de inflexión de 0,25; 0,5; 0,75 y 1V. Con tensiones de 0 a
0,25V todas las entradas están bajas. Con tensiones de 0,25 a 0,5V se
pone alta la entrada A1 y así sucesivamente hasta que con tensiones de
0,75 a 1V se ponen altas las cuatro entradas al codificador. El conversor se debe comportar entonces según la siguiente tabla.
| Tension de entrada en V |
A1 V |
A2
V |
A3
V |
B0
V |
B1
V |
| 0 – 0,25 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 0,25 – 0,5 |
5,6 |
0 |
0 |
1 |
0 |
| 0,5 – 0,75 |
5,6 |
5,6 |
0 |
0 |
1 |
| 0,75 – 1 |
5,6 |
5,6 |
5,6 |
1 |
1 |
Tabla de verdad del conversor por comparadores de 2 bits ¿Qué hay adentro del comparador? en la fig.8 se puede observar el
circuito completo de nuestro conversor de 2 bits. Comienza con un
circuito conocido que es el medidor de ventana analizado en la entrega
anterior. En este caso tenemos 4 ventanas y tres comparadores. La salida
del circuito de entrada se puede observar mediante tres indicadores de
estado X1, X2 y X3 ajustando el potenciómetro R11 que no forma parte del
circuito (es la fuente de señal de prueba). Trabajo práctico Como trabajo práctico aconsejamos al alumno que realice la simulación
y observe como se van encendiendo los medidores paulatinamente pero sin
que se apague el anterior. El circuito cumple su función como medidor y
el técnico entiende claramente cual es la tensión de entrada. Pero un
micro no podría entender esa información directamente porque no se trata
del equivalente eléctrico de un código binario. El micro debería tener
un programa especial que transforme esa información en un código
binario, para luego establecer el procesamiento matemático debido, o la
operación de encendido de pantallas de cualquier tipo. Pero para que el codificador sea sencillo es conveniente que el
medidor sea del tipo de punto volante. Es decir que se encienda un led y
que se apaguen todos los inferiores. Recuerde que los CI integrados
“voltímetro de leds” tenían un terminal de predisposición que modificaba
el funcionamiento como barra o punto volante. En nuestro circuito
se agregan los transistores Q1 y Q2 para realizar esa función. Q1 se
encarga de apagar A1 cuando se enciende A2, o cuando se enciende A3
mediante los diodos D1 y D3 y los resistores R10 y R8. En realidad D1 y
D3 no se necesitarían si el estado bajo de los comparadores fuera cero;
pero en realidad es de unos 800 mV y alcanza para saturar a los
transistores llave. Aun agregando los transistores no tenemos un código binario. En
efecto si queremos un medidor de dos bits no podemos tener la
información sobre tres salidas A1, A2 y A3. Se requiere un codificador
que se realiza con un sumador a diodos sobre las salidas B0 y B1.
- Ahora cuando la tensión es menor a 0,25V las dos salidas están en cero porque las tres entradas lo están.
- Cuando la tensión de entrada supera los 0,25V pero es menor a 5V A1
se va a 5,6V, B0 pasa a 5V por la caída en D4. Q1 está cortado porque
las otras salidas A2 y A3 son nulas.
- Cuando llevamos la entrada entre 0,5 y 0,75 V, A2 pasa al estado
alto y B1 también por el diodo D5. B0 pasa al estado bajo porque Q1
conduce una tensión debido a D3 R8.
- Por último cuando la tensión de entrada supera los 0,75V, A3 pasa al
estado alto y levanta las dos salidas mediante los diodos D6 y D7 sin
importar el estado de los transistores.
- Ahora si tenemos una salida binaria que puede interpretar cualquier
micro y anotarla en el display con todos los números, pero no espere que
el display escriba otra cosa más que 0,0; 0,25; 0,5; 0,75V es decir que
fabricamos un instrumento clase 25%.
Pero podemos usar un CI voltímetro de LEDs con 8 comparadores
obteniendo una medición de 2.N-1 bits es decir 16-1 = 15 bits con lo
cual se obtienen 32768 valores posibles de la salida lo cual significa
un voltímetro clase 100/32768 = 0,003% que es una precisión
asombrosa. ¿El lector debe estar pensando donde esta la trampa? No
hay tal trampa pero el circuito del codificador será realmente complejo y
probablemente debamos utilizar algo mas que diodos y transistores, Por
otro lado la precisión depende de la tensión de referencia y de la
estabilidad de los divisores, que seguramente reducirán la precisión a
niveles mucho más modestos. Pero esto nos deja una enseñanza. El
sector digital del instrumento se puede hacer tan preciso como se desee
pero siempre existen errores de la sección analógica indispensable para
el funcionamiento del dispositivo. Conclusiones Probablemente el alumno se debe haber quedado con dudas respecto de
esta lección. Es que el mundo digital siempre parece más difícil que el
analógico. Inclusive algún profesor de electrónica de estilo clásico que
se nutre de nuestro curso debe esta pensando que estamos haciendo una
mezcla explosiva de circuitos analógicos y digitales que no es
didáctica. Ya avisé yo al comenzar el curso que no era un curso clásico. Mi método es llevar al alumno por los dos mundos al mismo tiempo. En dos años seguramente todos los amplificadores de audio serán
digitales e inclusive comenzaran a aparecer los parlantes y los bafles
digitales. El sueño del ingeniero, de un equipo que lea un dispositivo
digital (el CD) y llegue hasta el oído del usuario en forma digital ya
se cumplió. Solo se requiere algo de tiempo para reemplazar los viejos
amplificadores analógicos a medida que se van quemando. Y ese
sueño, equivale a un planeta verde, con menos polución porque el
rendimiento de los amplificadores digitales es superior al 90% (casi el
ideal del 100%).
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