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“VI Simposio Internacional de Electrónica: Diseño, Aplicaciones, Técnicas Avanzadas y Retos Actuales”

DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO PARA LA MEDICIÓN Y EVALUACIÓN DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS EN EQUIPOS DE

AUDIO

DESIGN OF AN AUTOMATIC SYSTEM FOR THE MEASURE-MENT AND EVALUATION OF ELECTRICAL PARAMETERS IN AU-

DIO EQUIPMENT Ms.C. Ing. Leydiana Montesino Duque

1, Ms.C Ing. Seriosha Rodríguez Hernández

1, Dr.C. Ing. Enri-

que Valdés Zaldívar 2

1 Centro de Investigación y Desarrollo Técnico del MININT, Cuba, [email protected]

2 Centro de Investigaciones en Microelectrónica, CUJAE, Cuba, [email protected]

RESUMEN

El presente trabajo surge de la necesidad de diseñar un sistema automático para la medición y evaluación de parámetros eléctricos en equipos de audio. Este sistema automatizado se basa en la instrumentación virtual, y está formado por elementos de hardware y de software. El hardware del sistema está formado por una PC y la plataforma NI ELVIS de la empresa National Instruments. Como software se diseñó un programa (instrumento virtual) con LabVIEW, garantizando las prestaciones requeridas para el sistema. El sistema efectúa pruebas de respuesta de frecuencia, de la cual se obtienen otros parámetros necesarios para la evaluación de los equipos. Se realiza una comprobación práctica con el objetivo de validar el sistema. Los resultados de las mediciones demuestran los beneficios de la automatización.

Palabras Clave: Sistemas ATE, Instrumentación Virtual, Parámetros Eléctricos.

ABSTRACT:

The present work arises from the need to design an automatic system for the measurement and evaluation of electrical parameters in audio equipment. This automated system is based on virtual instrumentation, and con-sists of hardware and software elements. The system hardware consists of a pc and NI ELVIS platform from National Instruments. As software, a program (virtual instrument) is designed with LabVIEW, guaranteeing the required features for the system. The system performs frequency response tests, from which other parameters necessary for the evaluation of the equipment are obtained. A practical check is carried out in order to validate the system. Measurement results demonstrate the benefits of automation.

KeyWords: ATE Systems, Virtual Instrumentation, Electrical Parameters.

1. INTRODUCCIÓN

Hoy en día, la industria de producción de equipos electrónicos ha elevado notablemente su capacidad productiva debido, fundamentalmente, al elevado grado de automatización de las líneas de produc-ción. Esta elevada productividad impone el desafío de realizar los controles de calidad a una gran can-tidad de equipos sin que esto represente atrasos en la producción y entrega de los productos o disminu-

ción de las exigencias de los controles.

Como respuesta al elevado grado de automatiza-ción de las líneas de producción, surgieron tecnolo-gías que permitieron automatizar la realización de los controles de calidad. En la actualidad existen los llamados sistemas de pruebas automáticas (ATE, Automatic Test Equipment, por sus siglas en inglés). Un sistema ATE es un equipo o conjunto de equipos cuyo propósito es realizar pruebas a dispo-sitivos conocidos como dispositivos bajo prueba

Montesino, L.; Rodríguez, S., Valdés, E. | “DISEÑO DE UN SISTEMA AUTOMÁTICO PARA LA MEDICIÓN Y EVALUACIÓN DE PARÁMETROS

ELÉCTRICOS EN EQUIPOS DE AUDIO”


(DUT, Device Under Test), o unidades bajo prueba (UUT, Unit Under Test). Estos sistemas son am-pliamente utilizados en la industria de la electrónica para comprobar componentes, circuitos, equipos y sistemas durante el ciclo de producción, y encontrar rápidamente los fallos, antes de que la pieza o equipo puedan ser utilizadas en un producto de consumo final. [1]

Muchas compañías garantizan la calidad de sus productos por medio de diferentes tipos de sistemas ATE estandarizados para la industria. De acuerdo a su propósito se pueden clasificar en sistemas para detectar errores en la producción de placas de cir-cuito impreso sin ningún componente ensamblado y con componentes ensamblados; y sistemas para realizar pruebas funcionales a los equipos o a sus bloques funcionales. [1]

En la actualidad, el alto grado de automatización de los ATE permite ejecutar gran cantidad de medicio-nes y evaluar los resultados en tiempos relativa-mente cortos. Por otra parte, gracias a la aplicación de los principios de la Instrumentación Virtual (IV), el software se ha convertido en un elemento esen-cial de los sistemas ATE que permite realizar medi-ciones cada vez más complejas. La IV le ha confe-rido a los ATE mayores potencialidades, flexibilidad, reusabilidad y ha significado una reducción de cos-tos. En estos casos el personal técnico especializa-do se limita a realizar funciones de configuración, mantenimiento, puesta en marcha y supervisión. [1-3]

2. DISEÑO DEL SISTEMA AUTOMATIZADO

Este artículo presenta el diseño de un sistema [4] que corresponde con un sistema ATE para realizar pruebas funcionales a equipos o a sus bloques fun-cionales. Permitirá realizar, de forma automatizada, un grupo significativo de mediciones de parámetros eléctricos en equipos de audio, que forman parte de los mencionados controles de calidad. La solución propuesta aprovecha las ventajas de la instrumen-tación virtual para el diseño de sistemas de medi-ción, automatización y control. En específico, el desarrollo del sistema toma como base la platafor-ma NI ELVIS producida por la empresa National Instruments y la experiencia acumulada por los autores en la temáticas relacionadas con la instru-mentación virtual.

2.1 Plataforma NI ELVIS

NI ELVIS es un producto de la empresa National Instruments basado en LabVIEW y concebido para el diseño y construcción de prototipos en universi-dades, laboratorios de ingeniería, institutos de in-vestigación científica, y otros lugares donde se re-

quieran desarrollar aplicaciones de instrumentación virtual. La plataforma está compuesta por un con-junto de 12 instrumentos virtuales (VI, Virtual Ins-truments) desarrollados en LabVIEW que se ejecu-tan en una PC, una tarjeta de adquisición de datos (TAD) multifunción, una estación de trabajo y un área de diseño (prototyping board). Posee una gran flexibilidad para implementar sistemas con diferen-tes niveles de complejidad. Reduce los costos en equipamiento de laboratorio y refuerza la asimila-ción de conocimientos a través del trabajo práctico [5]. La figura 1 muestra una vista general del con-junto de equipos que conforman la plataforma NI ELVIS.

Figura 1: Plataforma NI ELVIS. [6]

La estación de trabajo y el área de diseño brin-dan conexiones a los terminales de entrada/salida de la tarjeta de adquisición de datos y ofrecen facili-dades para el trabajo como: generadores de funcio-nes con ajuste de frecuencia y amplitud, fuentes de alimentación y conectores estandarizados (BNC, banana y otras). El conjunto de instrumentos virtua-les está compuesto por: un multímetro digital, un osciloscopio, un analizador de Bode, un generador de funciones, un generador de onda arbitraria, un analizador dinámico de señales, un analizador de impedancia, fuentes de alimentación variable (por software y hardware), un módulo de lectura de bus digital, un módulo de escritura de bus digital, un analizador de corriente-voltaje de dos hilos, y un analizador de corriente-voltaje de tres hilos. [5]

2.2 Hardware del Sistema

El sistema utiliza como hardware la plataforma NI ELVIS, aprovechando algunas de sus potencialida-des. El diagrama en bloques del hardware a diseñar se muestra en la figura 2. Es posible apreciar que, del total de recursos disponibles en la TAD, solo serán utilizados una salida analógica (AO 0) para generar las señales de estímulo a inyectar en la entrada del DUT (en nuestro caso equipos de au-dio) y dos entradas analógicas para adquirir: la se-ñal de respuesta del DUT (AI 1) y la señal de estí-mulo generada (AI 0) por la propia TAD.




DUT

Generación

Adquisición

TAD

-Vcd

+Vcd

Estación de Trabajo y Área de Diseño del NI ELVIS

PC + VI “Analizador Espectral v 1.0”

Interfaz USB

Entrada de ReferenciaSeñal

de Salida

AO 0

AI 0

AI 1

Figura 2: Diagrama en Bloques del Hardware del

Sistema.

Para obtener la función transferencial compleja de un DUT se debe inyectar en su entrada una señal de estímulo de tipo sinusoidal sin distorsión, medir la señal de respuesta o salida del dispositivo y cal-cular la relación entre la salida y la entrada respecto a la amplitud y fase. Este procedimiento deberá ser repetido para todo el rango de frecuencias de inte-rés modificando la frecuencia de la señal de sinu-soidal de estímulo y manteniendo su amplitud cons-tante y fase, o sea, haciendo un barrido de frecuen-cia. La figura 3 muestra el esquema de conexiones para realizar los algoritmos de los barridos de fre-cuencia.

DUT

TAD

AO 0AI 1

AI 0

AI 9

AI 8

AI GND

22 kΩ al 1%

22 kΩ al 1%

AO 0

Generador

Señal de estímulo

Señal de estímulo

Señal de respuesta

Figura 3: Esquema para la Respuesta en Frecuen-

cia.

El sistema aprovecha las potencialidades del NI ELVIS en lo referente a: generación y adquisición de señales de CA y generación de voltajes de CD para alimentación de los DUT. La PC, acoplada a los elementos hardware a través de una interfaz estandarizada USB, permitirá ejecutar el instrumen-to virtual denominado “Analizador Espectral v1.0” que, a su vez, servirá como interfaz gráfica de usua-rio encargada de permitir la gestión de las medi-ciones y de mostrar y almacenar los resultados de las mismas. El sistema cumple con las especificaciones si-guientes:

Rangos de voltajes de la señal sinusoidal a aplicar como estímulo a la entrada del DUT. (Salida analógica de la TAD): ±0.1 V, ±0.2 V, ±0.5 V, ±1 V, ±2 V, ±5 V y ±10 V.

Máxima corriente asociada a la señal sinu-soidal a aplicar como estímulo a la entrada del DUT. (Salida analógica de la TAD): ±5 mA.

Rangos de voltajes de la señal sinusoidal a medir como respuesta a la salida del DUT. (Entrada analógica de la TAD): ±0.1 V, ±0.2 V, ±0.5 V, ±1 V, ±2 V, ±5 V y ±10 V.

Frecuencia mínima y máxima de la señal si-nusoidal asociada al barrido de Frecuencias respectivamente: 10 Hz y 20 kHz.

Tipos de Barridos de Frecuencias: Lineal, Décadas; Octavas y Tercios de Octavas (se-gún ANSI S1-11-2004 (class1) [7] y Persona-lizados.

Pruebas que realiza: - Respuesta de Ganancia vs. Frecuencia,

que incluye: Frecuencia de máxima ampli-tud y valor máximo de amplitud; Frecuencia de corte a las bajas y amplitud de corte a las bajas; Frecuencia de corte a las altas y amplitud de corte a las altas.

- Respuesta de Fase vs. Frecuencia. - Respuesta de Porciento Total de Distorsión

de Armónicos (%THD) vs. Frecuencia. - Respuesta de Porciento Total de Distorsión

de Armónicos + Ruido (%THD+N) vs. Fre-cuencia.

- Respuesta de la relación Distorsión/Ruido (SINAD en dB) vs. Frecuencia.

Filtros de Ponderación por Software: A, B y C (según la norma ANSI S1.4-1983). [8]

Formato del Reporte de Salida: Documento de MSO Word.

La TAD NI USB-6251 forma parte de los elementos hardware de la plataforma NI-ELVIS, producida por la corporación National Instruments. Pertenece a la serie M de dispositivos de adquisición de datos multifunción de alta velocidad, presenta un excelen-te desempeño en la generación y adquisición de señales analógicas en todo el rango de frecuencias de audio, y además cuenta con las entradas y salidas necesarias para la ejecución de todas las mediciones. A continuación son expuestas sus principales características [9]:

Familia: DAQ M Series, modelo: USB-6251.

Entradas Analógicas: 16 Single-Ended/8 Dife-rencial.

Resolución CAD: 16 bits.

Frecuencia máxima de muestreo para las en-tradas analógicas: 1.25 MS/s single channel multiplexada entre la cantidad de entradas ana-lógicas usadas.




Rangos de voltaje de las entradas analógicas: ±10 V, ±5 V, ±2 V, ±1 V, ±0.5 V, ±0.2 V, ±0.1 V.

Salidas Analógicas: 2.

Resolución CDA: 16 bits.

Frecuencia máxima de actualización para las salidas analógicas: 2.86 MS/s (1 canal), 2 MS/s (2 canales).

Rangos de voltaje de las salidas analógicas: ±10 V, ±5 V.

Corriente en las salidas analógicas: ±5 mA.

Digital I/O (Entradas/Salidas): 24.

Contadores/ Temporizadores: 2.

2.3 Software del Instrumento Virtual

El instrumento virtual deberá ser capaz de generar todas las señales de control de los elementos hard-ware para ejecutar la adquisición de las señales de respuesta y su procesamiento, así como los paque-tes de datos necesarios para describir las señales sinusoidales de estímulo a generar. Para implemen-tar estas funcionalidades serán aprovechados los VIs y subVIs del paquete de drivers NIDAQmx y de las paletas de funciones especializadas en la gene-ración y en el procesamiento de señales sinusoida-les, disponibles en el ambiente de desarrollo Lab-VIEW. Además serán utilizados los VIs y subVIs del módulo “Sound&Vibration” que permiten implemen-tar funciones de procesamiento digital de señales tales como los filtros de ponderación A, B y C.

La figura 4 muestra el diagrama de flujo de datos del sistema en el cual es posible apreciar, de forma más detallada, el vínculo entre los elementos de hardware y software del sistema.

VI Principal (IGU): “Analizador Espectral v1.0”

SubVIs para la gestión de la generación y adquisición

Drivers NIDAQmx.

Funciones y VIs propios de LabVIEW.

Interfaz Estandarizada USB

TAD NI USB 6251

Estación de Trabajo y Área de Diseño del NI ELVIS

DUT

generación adquisición

estímulo

generación adquisición

respuesta

SOFTWARE

PC

HARDWARE

Vcd

Figura 4: Diagrama del flujo de datos de la solución

basada en la instrumentación virtual.

En el caso particular del software aparecen sus tres capas fundamentales organizadas de forma jerár-

quica. En el nivel superior se encuentra el VI princi-pal o VI de interfaz gráfica de usuario (“Analizador Espectral v1.0”), que, como su nombre indica, atiende todos los eventos generados por los usua-rios. Una segunda capa de VIs, que son invocados por el VI principal, ejecuta funciones tales como: Creación, configuración, ejecución y destrucción de las tareas de adquisición y generación de datos; Procesamiento de señales; Almacenamiento y pu-blicación de datos. Por último, en el nivel inferior se encuentran los drivers de la colección NIDAQmx que permiten la comunicación con los dispositivos de adquisición de datos a través de interfaces es-tandarizadas como el puerto USB, en este nivel también se encuentran todas las funciones y VIs propios de LabVIEW.

Entre los VIs diseñados se encuentran:

Creación y Configuración de las tareas de genera-ción y adquisición:

Configurar generación.vi y Configurar adquisi-ción.vi: constituyen VI que crean y configuran los parámetros de cada tarea respectivamente co-mo el canal físico a usar, las unidades, muestras por canal, frecuencia de muestreo, etc.

Generación.vi y Adquisición.vi: VIs que ejecutan las tareas de generación y adquisición. En el caso de la generación se tienen en cuentan pa-rámetros como la amplitud del generador (de la salida analógica) y la componente de DC que el usuario configure, para luego escribir las señales y esperar hasta que termine para detener la ta-rea. En la adquisición se leen los datos, se de-tiene la tarea y se corrigen los errores de fase entre las dos señales analógicas usadas (AI0 y AI1).

Corrector de errores de fase de DAQ.vi: este VI realiza la corrección de los errores de fase entre las señales de las entradas analógicas. Estos errores son generados al ejecutar tareas de ad-quisición de forma simultánea sobre múltiples entradas empleando TAD con un solo canal de conversión A/D.

Generación del listado de frecuencias según el tipo del barrido:

Frecuencias del generador.vi: genera una lista de frecuencias si son seleccionados los barri-dos: lineal, décadas, octavas o tercios de octa-vas. En el caso del barrido lineal se tienen en cuenta parámetros configurables por el usuario (frecuencia de inicio y de fin, e incremento).

Procesamiento de los datos:

Análisis.vi: VI donde se realizan los cálculos de la respuesta de Ganancia vs. Frecuencia, la res-puesta de Fase vs. Frecuencia, %THD+N, SI-NAD (dB) y %THD. Además se aplican los filtros de ponderación a la señal de respuesta, y se ob-tienen los valores de DC y el rms de la señal ge-nerada.




El instrumento virtual diseñado permite realizar las mediciones mencionadas en el epígrafe 2.2. El usuario, antes de ejecutar el instrumento virtual, deberá realizar las conexiones pertinentes entre la TAD, la estación de trabajo, el área de diseño del NI ELVIS y el DUT. Una vez realizadas estas cone-xiones, para comenzar el trabajo con el instrumento virtual deberán ser configurados los controles de la interfaz gráfica de usuario que permiten seleccionar y configurar la medición deseada. El instrumento virtual admite aplicar una serie de filtros de ponderación (A, B y C) a las señales ad-quiridas, que se rigen por las curvas de ponderación estandarizadas internacionalmente según la norma ANSI S1.4-1983 [8]. Una vez concluida la ejecución de cualquiera de las posibles mediciones, el instrumento virtual permite generar un reporte previo de los datos asociados a las mediciones realizadas. Este reporte puede ser regenerado cuantas veces lo estime el usuario. Además, el reporte podrá ser guardado en la me-moria en forma de fichero de MSO Word. También es posible realizar evaluaciones de la res-puesta de Ganancia vs. Frecuencia para comprobar si la respuesta obtenida se corresponde con los valores de respuestas patrón almacenados en un fichero de datos con formato de hoja de datos deli-mitada por tabulaciones con extensión .txt.

2.4 Panel Frontal del Instrumento Virtual

El panel frontal del instrumento muestra al usuario una interfaz gráfica con 23 controles y 7 indicadores agrupados en 3 áreas lógicas: configuración, con-troles y reportes. En la figura 5 se muestra el panel frontal del instrumento.

La sección de configuración agrupa los controles que permiten establecer las condiciones de la medi-ción e introducir los datos sobre el DUT y el usuario que aparecerán en el reporte final, además de la evaluación del DUT.

En la sección de controles se encuentran los en-cargados de configurar la salida analógica y las entradas analógicas. Un control para para estable-cer el valor de atenuación a aplicar sobre los datos obtenidos del muestreo de la señal de estímulo. Además de una serie de controles para ejecutar y abortar el barrido de frecuencias, realizar y salvar el reporte, realizar la evaluación, para leer y cargar los datos de amplitud y frecuencia del fichero de barrido personalizado, y de realizar la búsqueda automati-zada de los parámetros de la curva de respuesta de ganancia vs. Frecuencia.

La sección de reportes permite publicar los datos obtenidos de las mediciones y configurar la forma en que son presentados estos datos.

Figura 5: Panel Frontal del Instrumento Virtual.

2.5 Diagrama en Bloques del Instrumento Virtual

El algoritmo del instrumento virtual se basa en una máquina de estados con 4 estados:

Inicialización del programa.

Espera.

Error.

Salir del programa.

El programa comienza con la ejecución del algorit-mo del estado de “Inicialización” que es el encarga-do de iniciar todas las variables y registros, e ir al estado de espera automáticamente. El estado de “Espera”, como su nombre lo indica, ejecuta una espera infinita, interrumpida cada vez que es gene-rado un evento de usuario. En tal caso, es ejecuta-do el algoritmo correspondiente al evento en cues-tión y se regresa al estado de espera infinita. Si el usuario indica el cierre de la aplicación se pasa al estado “Salir”. Si durante la ejecución de algún algo-ritmo de respuesta a los eventos de usuario se pro-duce un error, entonces se pasa automáticamente al estado “Error”. El estado de “Error” procesa el error, muestra al usuario un cuadro de diálogo con la información correspondiente a la fuente del error, se elimina el error y luego se regresa al estado de “Espera”. El estado de “Salir” del programa cierra de forma ordenada el instrumento virtual. La figura 6 muestra un diagrama de flujo que representa la relación entre los estados del algoritmo del instru-mento virtual.




INICIALIZACIÓN

ESPERA

SALIREVENTOS DE

USUARIO

ERROR

Figura 6: Diagrama General de Flujo del VI “Analiza-

dor Espectral”.

Para implementar la máquina de estado descrita fue utilizado una estructura tipo lazo while “ While loop”, la cual tiene como condición de parada la decisión de cerrar el instrumento virtual. Dentro de este lazo fue colocada una estructura “Case” que contiene los subdiagramas de los 4 estados del instrumento virtual. El tránsito de un estado a otro es posible a través del terminal de selección de la estructura case y de un registro de desplazamiento colocado en el lazo exterior. A su vez, el subdiagrama de la estructura case correspondiente al estado de “Es-pera” contiene una estructura de eventos estáticos que contiene todos los subdiagramas de respuesta a los eventos de usuario.

2.6 Esquemas de Conexión y Algoritmos de los Barridos de Frecuencia

El instrumento virtual “Analizador Espectral v1.0” permite obtener las curvas del comportamiento (respuestas), de varios parámetros que permiten caracterizar al DUT en el dominio de la frecuencia. Estas curvas son:

Respuesta de Ganancia vs. Frecuencia.

Respuesta de Fase vs. Frecuencia.

Respuesta de Porciento Total de Distorsión de Armónicos vs. Frecuencia (%THD).

Respuesta de Porciento Total de Distorsión de Armónicos + Ruido vs. Frecuencia (%THD+N).

Respuesta de la Relación Distorsión/Ruido vs. Frecuencia (SINAD).

Para obtener estas respuestas fueron diseñados dos algoritmos de procesamiento de los datos del barrido de frecuencia. Un primer algoritmo permite obtener simultáneamente los parámetros de la fun-ción transferencial compleja del DUT, o sea, el comportamiento de la amplitud y la fase en el domi-nio de la frecuencia. Este algoritmo se ejecutará siempre que sean seleccionadas las opciones “Ga-nancia” o “Fase” mediante el control “Respuesta”. El segundo algoritmo permitirá obtener simultánea-mente los parámetros %THD+N, SINAD y %THD y se ejecutará siempre que sea seleccionada alguna de estas opciones mediante el control “Respuesta”. Por tanto, solo será necesario ejecutar dos algorit-mos para obtener toda la información posible

2.6.1 Algoritmo para Obtener los Datos de Ganancia y Fase.

Este algoritmo permite calcular la función de res-puesta de frecuencia (FRF) de un DUT, calculando la razón compleja entre la señal de respuesta del DUT y la señal de estímulo aplicada al DUT en el dominio de la frecuencia. La señal de estímulo será inyectada en el DUT desde la salida analógica de la TAD (AO0), también será directamente inyectada en una de las entradas analógicas (AI0), de la pro-pia tarjeta. La señal de respuesta del DUT será inyectada en otra de las entradas analógicas de la TAD (AI1). De esta forma es posible tener lecturas de datos tanto de la señal de estímulo como de la señal de respuesta.

La figura 7 muestra el diagrama de flujo del algorit-mo para obtener las respuestas de Ganancia vs. Frecuencia y Fase vs. Frecuencia.

Cálculos de Parámetros

¿Filtros de Ponderación?

SI

Aplicación de los Filtros de Ponderación A, B o C a la salida del DUT.

Configuración de tareas

NO

¿Atenuación?

SI

NO

Destrucción de las tareas de generación y adquisición datos.

Reinicio del indicador de progreso de la ejecución del barrido a su

valor por defecto (vacío).

Salto al estado de espera

¿Último valor del

barrido frecuencia?

SI

NO

Cálculo de los valores de la componente de CD y valor rms

de la señal del generador

Figura 7: Diagrama de flujo del algoritmo para ob-

tener las respuestas de Ganancia vs. Frecuencia y

fase vs. Frecuencia.

Dentro de la configuración de tareas se realiza: la creación de la lista de frecuencias, la creación y configuración de las tareas de generación y adquisi-ción, la generación de los datos de la señal sinusoi-dal de estímulo, el inicio de la tarea de escritura (generación) de los datos sobre la TAD, el inicio de la tarea de lectura (adquisición) de los datos desde la TAD, y el fin de las tareas de generación y adqui-sición de datos.

En el cálculo de los parámetros se ejecuta: el cálcu-lo de la frecuencia, la amplitud y la fase de las seña-




les de estímulo y de respuesta del DUT, además del cálculo de los valores de la función de respuesta de frecuencia.

2.6.2 Algoritmo para obtener los datos de %THD+N, SINAD y %THD

El algoritmo para el cálculo de los parámetros %THD+N, SINAD y %THD actúa solo sobre los datos de salida del DUT. El diagrama de flujo del algoritmo para obtener las respuestas de %THD vs. Frecuencia, %THD+N vs. Frecuencia y SINAD vs. Frecuencia tiene la misma secuencia que el de obtener las respuestas de Ganancia vs. Frecuencia y fase vs. Frecuencia, con la diferencia que des-pués que se haya aplicado del coeficiente de ate-nuación o no se halla configurado ningún valor de atenuación, se pasa al cálculo de los valores de %THD, %THD+N y SINAD. Los valores de THD y THD+N deberán son multiplicados por 100 para poder expresarlos en por ciento. Seguidamente se ejecuta el cálculo de los valores de la componente de CD y valor rms de la señal del generador. Los VIs empleados para obtener los valores de THD, THD+N y SINAD son:

Harmonic Distortion Analyzer.vi: Toma la se-ñal de respuesta del DUT y ejecuta un análi-sis completo de armónicos. Retorna la fre-cuencia fundamental detectada, las ampli-tudes de todos los armónicos y la distor-sión total de armónicos (THD).

SINAD Analyser.vi: Toma la señal de res-puesta del DUT y retorna la frecuencia fun-damental detectada, el SINAD (dB) y la dis-torsión total de armónicos más ruido (THD+N).

Los análisis de ambos VI se ejecutan para cada conjunto de muestras que corresponden a un valor de frecuencia de la señal de respuesta del DUT. De acuerdo a la cantidad de valores de frecuencia se-gún el barrido, será la cantidad de veces que estos se ejecutaran.

3. VALIDACIÓN DEL SISTEMA DISEÑADO

Este epígrafe aborda la comprobación práctica de la efectividad del sistema automático diseña-do. Para ello, el sistema es empleado en la realización de una medición que comprueba los parámetros del transformador TAMURA TTC-142-2 [10] que da el fabricante. Consiste en comprobar:

Las pérdidas por inserción en 0 dBm.

La respuesta de ganancia vs. frecuencia en el valor nominal (0 dBm).

El THD en 0 dBm. Se utilizó el instrumento virtual del instrumento vir-tual “Analizador Espectral” con la siguiente configu-

ración:

Barrido: Décadas (10 Hz-20 kHz).

Rango de la Salida Analógica (Generador Rango sal): ± 2 V.

Amplitud de la Salida Analógica (Generador Amp): 1.1 V (0 dBm sobre 600 Ω).

Rango de las entradas analógicas (Adquisición Rango Ent): ±2 V.

Atenuación: -6 dB.

Los demás controles se dejan los valores por defecto.

La figura 8 muestra la forma en que deben ser co-nectados los terminales de la tarjeta de adquisición de datos situados en el área de diseño que trae la plataforma NI ELVIS para el trabajo con el instru-mento virtual “Analizador Espectral”.

1

6

2

5

3

4

600Ω

300Ω

Medición de

Señal

de Salida

AO 0

AI GND

600Ω

Medición de

Señal

de Entrada

AI 0

AI GND

AI 9

AI 8

AI GND

GEN

Figura 8: Esquema de conexiones para la comproba-

ción del transformador TAMURA TTC-142-2.

Los datos del Transformador TAMURA TTC-142-2 para 0 dBm se muestran en la tabla I.

Tabla I: Datos del Transformador TAMURA TTC-142-

2 para 0dBm. [10]

Parámetro Hoja de datos del Fabri-

cante en 0dBm

Pérdida de Inserción -1.9 dB Max @ 1.8 kHz

Respuesta de Ga-

nancia vs. Frecuen-

cia (relativa a 1.8

kHz)

-1.3 dB @ 500 Hz

+0.3 dB @ 3500 Hz

-2.5 dB @ 300 Hz

+0.3 dB @ 3500 Hz

%THD -2.5 dB @ 300 Hz

Resultados: Los resultados de las mediciones para 0 dBm (valor nominal de operación del transforma-dor) que se obtuvieron en la medición con el instru-mento virtual se muestran en la tabla II.




Tabla II: Resultados de las mediciones del Transforma-

dor TAMURA TTC-142-2 para 0 dBm.

Parámetro Medición T(seg)

Pérdida de

Inserción -1.61 dB @ 1.8 kHz

44 Respuesta de

Ganancia vs.

Frecuen-

cia.(relativa a

1.8 kHz)

-0.72 dB @ 500 Hz

+0.1 dB @ 3500 Hz

-1.59 dB @ 300 Hz

+0.1 dB @ 3500 Hz

%THD <1.0% @ 300 a 3500 Hz 49

Se puede apreciar en la tabla II que las pérdidas de inserción obtenidas por el instrumento virtual están por debajo del valor máximo que da el fabri-cante. En el parámetro de la respuesta de frecuen-cia relativa a 1.8 kHz, los valores en las frecuencias correspondientes también se encuentran por debajo de las especificaciones del fabricante; y el %THD obtenido de 300 a 3500 Hz es menor que el 1%, cumpliendo con lo definido por el fabricante. El tiempo total de la medición fue de 93 s. Como datos adicionales a los presentados por el fabricante se obtuvieron con el instrumento virtual las curvas de respuesta de Ganancia vs. Frecuen-cia y %THD vs. Frecuencia como se observan en la figura 9 y 10 respectivamente para 0 dBm.

Figura 9: Respuesta de Ganancia vs. Frecuencia

para 0 dBm.

Figura 10: %THD vs. Frecuencia para 0 dBm.

El fabricante del transformador TAMURA TTC-142-2 presenta en su datasheet cuáles son los valo-res límites para los cuales opera el transformador (desde -45 dBm hasta +10 dBm), pero no menciona los datos para estos valores. Los resultados para estos constituyen también información adicional obtenida con el instrumento virtual, los cuales se muestran en la tabla III y IV.

Además para estos valores se obtuvieron las gráficas de respuesta de Ganancia vs. Frecuencia mostradas en la figura 11 para +10 dBm y en la figura 12 para -45 dBm. Las figuras 13 y 14 mues-tran las gráficas del %THD vs. Frecuencia. Las condiciones del instrumento virtual no variaron ex-cepto en el valor de amplitud de la señal sinusoidal que genera la salida analógica, que en el caso de +10 dBm se configuro 3.464 V y en -45 dBm se colocó 0.00616 V.

Tabla III: Resultados de la Medición con el Instru-

mento Virtual del Transformador TAMURA TTC-142-2

para -45 dBm.


Pérdida de


43 Respuesta de

Ganancia vs.

Frecuen-

cia.(relativa a

1.8 kHz)

-1.46 dB @ 500 Hz

+0.08 dB @ 3500 Hz

-3.29 dB @ 300 Hz

+0.08 dB @ 3500 Hz

%THD <1.0% @ 300 a 3500 Hz 48

Tabla IV: Resultados de la Medición con el Instrumen-

to Virtual del Transformador TAMURA TTC-142-2 para

+10 dBm.


Pérdida de


43 Respuesta de

Ganancia vs.

Frecuen-

cia.(relativa a

1.8 kHz)

-0.58 dB @ 500 Hz

+0.08 dB @ 3500 Hz

-1.28 dB @ 300 Hz

+0.08 dB @ 3500 Hz

%THD <1.0% @ 300 a 3500 Hz 48





para +10 dBm.


para -45 dBm.

Figura 13: %THD vs. Frecuencia en +10 dBm.

Figura 14: %THD vs. Frecuencia en -45 dBm.

Es importante concluir de este epígrafe que:

Las mediciones obtenidas por el instrumento virtual cumplen con las especificaciones del fabricante.

Se obtuvo con el instrumento virtual una ca-racterización más completa del transforma-dor, obteniendo información adicional que no proporciona el fabricante como: - La curva de Respuesta de Ganancia vs.

Frecuencia para 0 dBm. - El comportamiento del %THD vs. Frecuen-

cia para 0 dBm. - Pérdidas de Inserción para +10 dBm y -45

dBm relativa a 1.8 kHz. - Datos de Respuesta de Ganancia vs. Fre-

cuencia en los rangos de 300 a 3500 Hz y de 500 a 3500 Hz relativos a 1.8 kHz.

- La curva de Respuesta de Ganancia vs. Frecuencia para +10 dBm y -45 dBm.

- El comportamiento del %THD vs. Frecuen-cia para +10 dBm y -45 dBm.

El tiempo de duración de las mediciones empleando el instrumento virtual fue de 93s Por tanto, el tiempo para obtener un resul-tado similar al del instrumento virtual sería mayor, y dependería de la habilidad y efica-cia del operador en el manejo de herra-mientas de software.

4. CONCLUSIONES

El artículo ha presentado el diseño de un sistema automático para la medición y evaluación de pará-metros eléctricos en equipos de audio que permite obtener: Respuesta de Ganancia vs. Frecuencia (que incluye: frecuencia de máxima amplitud y valor máximo de amplitud; frecuencia de corte a las bajas y amplitud de corte a las bajas; frecuencia de corte a las altas y amplitud de corte a las altas), Respues-ta de Fase vs. Frecuencia, Respuesta de Porciento Total de Distorsión de Armónicos (%THD) vs. Fre-cuencia, Respuesta de Porciento Total de Distor-sión de Armónicos + Ruido (%THD+N) vs. Fre-cuencia y Respuesta de la relación Distorsión/Ruido (SINAD en dB) vs. Frecuencia. Las mediciones de %THD+N, SINAD y %THD que no se realizaban, aportaron más información a los diseñadores y ope-radores de los DUT. Se humanizaron las condiciones de trabajo del ope-rador en cuanto a la cantidad de pasos a ejecutar para realizar la medición con el sistema automático que de forma manual. El sistema contribuyo a una reducción del tiempo de las mediciones, evitando errores humanos. Se logró la generación del reporte digital de la medición facilitando el registro de los resultados de forma más eficiente y rápida, disponi-ble para el análisis de los diseñadores de los dife-rentes DUT. Con el empleo de los filtros de ponderación por software se abarato el costo del sistema, evitando la




introducción de ruido en la medición y posibles pér-didas por inserción que presentan los filtros de pon-deración por hardware, además de que estos últi-mos representarían un equipo de hardware más en el sistema. El sistema diseñado fue validado a través de la comprobación del TAMURA TTC-142 con resulta-dos satisfactorios. Se obtuvieron datos adicionales (no suministrados por el fabricante) sobre el com-portamiento del transformador TAMURA.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1.Adrio Communications Ltd. Automatic Test Equipment Basics. Consultado en 2014; Ian Poole:[Available from: http://www.radio-electronics.com/info/t_and_m/ate/automatic-test-equipment-basics.php.

2. Truchard, J. The future of virtual instrumentation. 2004 May-Jun Scientific Computing World: [Available from:http://www.scientific-computing.com/features/feature.php.

3.National Instruments About Virtual Instrumentation. 2014, Feb 25.

4.Leydiana Montesino Duque, Diseño de un Sistema Automático para la medición y evaluación de parámetros eléctricos en equipos de audio., in Departamento de AutomáticaFeb,2016, Centro Universitario Jose Antonio Echeverría CUJAE,: CUBA. p. 106.

5.National Instruments Corp NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite, Hardware User Manual. 2008, Agosto.

6.National Instruments Corp NI ELVIS Signal Connections. 2006, Sep 06.

7.American National Standards Institute (ANSI), ANSI S1.11:Specification for Octave, Half-Octave, and Third Octave Band Filters Sets., Feb,2004( reaffirmed by ANSI June 15, 2009): 35 Pinelawn Road, Suite 114E Melville, NY 11747-3177. p. 31.

8.American National Standards Institute, ANSI S1.4: Specifications for Sounds Level Meters, ANSI S1.4-1983(Revision of S1.4-1971),.

9.National Instruments Corp DAQ M Series: M Series User Manual (NI 622x, NI 625x, and NI 628x Devices). 2008, Julio.

10.Tamura Corporation of Amaerica (J.Peterson, T.S., Telecomunication Coupling Transformer, Model: TTC-142-2, T.C.O. AMERICA, Editor Enero 7,1998.

6. SÍNTESIS CURRICULARES DE LOS AU-TORES

Leydiana Montesino Duque. Nació en Pinar del Río, Cuba, en junio de 1988. Graduada en 2011 de la facultad de Ingeniería Eléctrica del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría en la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica. Obtuvo una maestría en Sistemas Digitales en febrero de 2016 perteneciente a la facultad de Automática de la CUJAE. Obtuvo la categoría científica de Aspirante a Investigador en 2014 por la Comisión Central del Ministerio del Interior. Trabajó en el Centro de Investigación y Desarrollo Técnico del MININT, donde estuvo 6 años directamente vinculada al Laboratorio de Ensayos Ambientales donde realizaba controles de calidad, dentro de ellos pruebas electrónicas a los equipos que en el centro se producen. Ha cursado varios posgrados, participado en eventos nacionales, y realizado varias publicaciones relacionadas con el tema de la instrumentación virtual, ensayos ambientales y fiabilidad electrónica. Reside en calle 274 No.926A entre 9na y 11naA, Santa Fe, Playa, La Habana, Cuba.

Seriosha Rodríguez Hernández nació en la Habana, Cuba, en enero de 1974. Es graduado de la facultad de Ingeniería Eléctrica del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría en la especialidad de Ingeniero Electricista (1997, La Habana, Cuba). En el propio instituto obtuvo un Diplomado en Sistemas Electrónicos (2000) y una Maestría en Electrónica (2003). Actualmente trabaja en el Centro de Investigación y Desarrollo Técnico del MININT y lleva más de nueve años directamente vinculado al desarrollo de sistemas de instrumentación virtual con marcado énfasis en el procesamiento de señales de audio. Ha cursado varios posgrados, participado en eventos nacionales e internacionales, impartido cursos y conferencias, y realizado varias publicaciones relacionadas con el tema de la instrumentación virtual. Reside en calle A No. 106 entre 5ta y 7ma, apto. 46, Plaza de la Revolución, La Habana, Cuba.

Enrique Ernesto Valdés Zaldívar. CIME-CUJAE, Antigua Carretera de Vento, Km 8, Capdevila, Boyeros, La Habana, Cuba. Graduado en 1992 de Ingeniería en Equipos y Componentes Electrónicos en la CUJAE, Habana, Cuba. Alcanzó el grado de Doctor en Ingeniería Electrónica en 1998 (Instituto de Microelectrónica de Barcelona, Universidad Autónoma de Barcelona, España). Es profesor Titular del Departamento Docente del Centro de Investigaciones en Micro-electrónica de la CUJAE. Imparte docencia de pregrado y postgrado en los campos relacionados con la electrónica, los circuitos eléctricos y la instrumentación virtual. En la investigación trabaja las líneas relacionadas con la instrumentación asociada a sensores, la instrumentación virtual y la instrumentación virtual remota. Ha realizado estancias de investigación en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB), España, y en el Laboratorio de Investigación en baterías del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Oviedo, España. Actualmente se desempeña como jefe del departamento docente del CIME en la Facultad de Telecomunicaciones de la CUJAE.

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