Enseñe Circuitos Analógicos con NI Multisim, NI ELVIS y NI myDAQ

Visión General

Este tutorial le muestra cómo usar la plataforma de NI para la enseñanza de circuitos, la cual consta de NI Multisim, NI ELVIS y NI myDAQ para enseñar a los estudiantes sobre filtros analógicos activos. Este tutorial se enfoca en un filtro pasa altas RC activo. Con estas instrucciones, los estudiantes deben poder comparar los resultados de un filtro RC simulado y experimentar en el entorno de NI Multisim.

RLC Circuit Design

RLC Circuit Design

Beneficios de Usar la Plataforma de NI para la Enseñanza de Circuitos

Tradicionalmente, la teoría de circuitos es impartida usando tres diferentes herramientas: libros de texto, simulación de software y diseño, y prácticas en el laboratorio. Sin relación entre las herramientas, los estudiantes generalmente tienen problemas con la transición de las aulas de clase y al laboratorio y desde la teoría a la implementación. Este 'siloing' o 'aislamiento' de cada fase en el proceso de aprendizaje, hoy en día reprime a los estudiantes de ganar la experiencia que necesitan para ser ingenieros y científicos exitosos.

 

 

La plataforma de NI para la enseñanza de circuitos es una guía completa de software, hardware y formación/capacitación para que los educadores construyan la experiencia de los estudiantes a través de la aplicación práctica del diseño, generación de prototipos y pruebas de circuitos eléctricos. La solución conecta la teoría directamente con los componentes reales en simulación e integra el análisis físico inmediatamente en la experimentación. Con el software de diseño de circuitos NI Multisim, NI ELVIS y hardware de medidas y generación de prototipos NI myDAQ y con el software NI LabVIEW con el enfoque de graphical system design; los educadores pueden brindar a los estudiantes una base sólida de intuición con la teoría que usarán durante su preparación y carrera profesional.

 

Software y Hardware Recomendados

NI Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite II (NI ELVIS II) y la tarjeta de generación de prototipos (para uso de los estudiantes en el laboratorio)

NI myDAQ y la tarjeta de generación de prototipos (para uso de los estudiantes en casa)

NI Multisim

Controlador de dispositivos NI ELVISmx

Componentes del circuito (ver Lista de Materiales en el Paso 3)

Paso 1. Crear un Circuito en NI Multisim

Una parte fundamental del diseño de soluciones prácticas es la comprensión de los componentes que intervienen en su creación. Al pasar de los conceptos teóricos a la implementación física, es fundamental que los alumnos vean y manipulen las señales entre los componentes en un entorno en tiempo real. Esto se logra brindándoles instrumentación de fácil acceso e intuitiva. Con 7 instrumentos integrados en una solución a la que se puede tener acceso a través de una red, NI ELVIS III ofrece una experiencia exploratoria para el laboratorio moderno.

La imagen a continuación muestra un circuito diseñado en Multisim:

 

 

Nota: Vaya hasta el Paso 3 si desea construir el circuito primero. También, asegúrese que su dispositivo NI ELVIS II está conectado a su PC, y es detectado antes de iniciar Multisim, si desea comparar datos simulados con datos reales en la misma sesión. Multisim verifica todos los dispositivos conectados al momento del inicio. Tiene que cerrar y volver a abrir Multisim para detectar dispositivos recién conectados.

 

1. Inicie Multisim en Start»All Programs»National Instruments»Circuit Design Suite»Multisim.

 


 

2. Cree un nuevo diseño NI ELVIS II o NI myDAQ (este ejemplo utiliza un diseño NI ELVIS II) en File»New»NI ELVIS II Design.

 

 

 

3. Observe el esquemático. El dispositivo NI ELVIS II tiene conectores para todas las terminales, así usted puede simular completamente la instrumentación del hardware en el entorno virtual.

 

 

4. Coloque el amplificador operacional deseado para el filtro (este ejemplo usa un 324) al dar clic derecho en Place component.

 

 

Seleccione los siguientes parámetros en Select a Component ventana de diálogo:
Base de Datos: Base de Datos Maestra
Grupo: Analógico
Familia: OPAMP
Componente: LM324N

 

Haga clic en OK para seleccionar el componente y regresar al esquemático para colocar el componente.

5. Haga clic izquierdo para colocar el amplificador operativo LM324 en el esquemático. Ecoja A en la ventana emergente para seleccionar un amplificador Tipo A.

 

 

6. Cuando la ventana de diálogo Select a Component, usted coloca el siguiente componente. Después, coloque los capacitores 220 nF.

Seleccione los siguientes parámetros en la ventana de diálogo Select a Component:
Base de Datos: Base de Datos Maestra
Grupo: Básico
Familia: CAPACITOR
Componente: 220n

 

 

7. Haga clic en OK para regresar al esquemático y clic izquierdo para colocar el capacitor en el esquemático. Repita para el segundo capacitor.

 

 

8.  Después, coloque los resistores 10 kΩ y 2 kΩ.

Seleccione los siguientes parámetros en la ventana de diálogo Select a Component:
Base de Datos: Base de Datos Maestra
Grupo: Básico
Familia: RESISTOR
Componente: 10k, 2k

 




9.  Seleccione OK para regresar al esquemático y clic izquierdo para colocar el capacitor en el esquemático.



 

10. El resistor es horizontal, pero necesita ser vertical. Seleccione el resistor y presione <Ctrl-R> para rotar el resistor 90 grados.



 

11. Use conectores On-page para suministrar la energía al amplificador operativo en una manera ordenada en lugar de tener que cablear desde los rieles de +15 V y -15 V del NI ELVIS II directamente. Vaya a Place»Connectors»On-page connector.



 

12. Haga clic izquierdo para colocar el conector cerca de la terminal virtual NI ELVIS II para potencia DC. Aparece la siguiente ventana de diálogo: Seleccione +15 para el primer conector y -15 para el segundo conector.



 

13. Cablee los conectores On-board a los rieles de potencia DC.



 

14. Coloque y cablee On-board connectors para proveer potencia al amplificador operativo arriba y abajo de los pines 4 y 11.

 


 

15. Complete el circuito al cablear los componentes juntos. El NI ELVIS II Function Generator es la señal de entrada al filtro y proporciona una carga de 2kΩ para la salida a tierra. Conecte el Analizador Bode NI ELVIS II al circuito para observar la fuente de voltaje y el voltaje de salida después de ser filtrado.





El circuito ahora está completo. La siguiente sección explica cómo realizar un análisis de Bode en Multisim al simular el hardware NI ELVIS II y observar el comportamiento.

 

Nota: El circuito está conectado al Scope 0 y Scope 1, así como Entrada Analógica 0 y Entrada Analógica 1, ya que el dispositivo NI ELVIS II simulado usa el instrumento de osciloscopio y usted conecta el circuito físico a las entradas analógicas. Usted puede usar los canales osciloscopios para la prueba física, pero esto requiere dividir un cable BNC en un par de Tierra y Señal.

Paso 2. Simule Instrumentación NI ELVIS II para Análisis de Bode

1. Para realizar un barrido de frecuencia onda sinusoidal del filtro, primero necesita habilitar el generador de función. Haga doble clic en el Generador de Función NI ELVIS II para habilitar el instrumento virtual e iniciar el Panel Frontral. 



 

2. El Generador de Función NI ELVIS II ahora está habilitado y usted debe cerrar la ventana del Panel Frontral.  El generador de función se mantiene habilitado.



 

3. Después, debe habilitar el Analizador de Bode NI ELVIS II De la misma manera, ubique y haga doble clic en el Analizador de Bode NI ELVIS II para habilitar el instrumento.




 

4. El Analizador de Bode NI ELVIS II ahora está habilitado.



 

Antes de simular, usted necesita verificar que toda la configuración sea correcta. Modifique Start Frequency, Stop Frequency y Steps (por década) si es necesario. Por ahora deje el Device as Simulate NI ELVIS II ya que primero quiere simular el dispositivo.

 

5. Seleccione el botón Simulate en la barra de herramientas de Multisim para simular el barrido de frecuencia y observe el voltaje resultante, el cual es un análisis de Bode. 



 


6. La siguiente imagen muestra los datos simulados que resultan del análisis de Bode de un filtro activo RC de paso alto.




Usted ahora está listo para construir el circuito de filtro RC paso alto en la tarjeta NI ELVIS II de generación de prototipos para comparar el circuito con datos simulados.

Paso 3. Construya un Circuito en la Tarjeta NI ELVIS II de Generación de Prototipos y Adquiera Datos Reales

1. El diseño Multisim genera la siguiente Lista de Materiales. Usted puede encontrar en Multisim al ir a Tools»Bill of Materials.

 

Cantidad Descripción
2 Capacitor, 220 nF
2 Resistor, 10 kΩ
1 Resistor, 2 kΩ
1 Amplificador Operativo, LM234A o similar

 

2. El siguiente paso es para colocar adecuadamente los componentes en la tarjeta NI ELVIS II de generación de prototipos. Si ahora está conectando componentes y cables a un área de diseño, use la herramienta de diseño en 3D en Multisim al ir a Tools»View Breadboard.

 

 

Esta es la vista en 3D de la tarjeta NI ELVIS II de generación de prototipos en Multisim. Con este, usted puede diseñar virtualmente el circuito adecuadamente en una breadboard. Esta funcionalidad se explica posteriormente en la sección Enlaces Relacionados en el documento Entorno NI Multisim en 3D.

 

 

3. Después de construir físicamente el circuito, necesita asegurarse que su dispositivo NI ELVIS II está conectado a su PC vía USB y es detectado por su PC. Además, la potencia principal y la tarjeta de generación de prototipos debe estar encendido. Si experimenta cualquier problema con esto, consulte los Enlaces relacionados en el documento Dónde Comenzar con la Serie NI ELVIS II.

 

4. En el entorno Multisim, usted ahora puede seleccionar adquirir datos desde su dispositivo NI ELVIS II. Abra el Analizador de Bode NI ELVIS II en Multisim. Usted aún debe ver los datos simulados en el analizador de bode. Si no es así, vuelva a simular el análisis de Bode como se muestra en el Paso 2.

 

5. Seleccione Dev# (NI ELVIS II) o Dev# (NI ELVIS II+), dependiendo de cual dispositivo tiene conectado. Este es su dispositivo físico. Después, Multisim usa la forma de instrumentación física de su dispositivo NI ELVIS II para generar y adquirir datos desde el filtro RC activo paso alto que es construido en la tarjeta de generación de prototipos.

 

Nota: Si su dispositivo NI ELVIS II no aparece en esta lista, guarde su archivo Multisim y después cierre y vuelva abrir el programa. Esto publica la lista de dispositivos NI activos en su sistema.

 

 

6. Antes de ejecutar el programa, asegúrese que usted selecciona los canales Stimulus y Response adecuados para el análisis de Bode. Para comenzar el análisis, haga clic en el botón Run verde en la ventana del Analizador de Bode NI ELVISmx.

 

 

7. Usted ahora puede ver la respuesta actual de los circuitos en comparación con la respuesta simulada, en la misma gráfica y sin tener que dejar el entorno Multisim.

 

 

Conclusión

La plataforma de NI para la enseñanza de circuitos es un conjunto de herramientas de vanguardia diseñadas para cumplir con las necesidades de los estudiantes y educadores. Es una combinación ideal de hardware y software integrados que guían a los estudiantes a través del proceso de ingeniería y diseño desde comprender teoría de circuitos hasta desarrollar y simular diseños para generar prototipos y validación.

La plataforma incluye Multisim, NI ELVIS II, NI myDAQ, NI LabVIEW y NI LabVIEW SignalExpress. Multisim ofrece diseño de circuitos intuitivo y simulación SPICE para ayudar a los estudiantes a explorar la teoría de circuitos e investigar el comportamiento. Tiene un entorno de generación de prototipos en 3D que puede ayudar a los estudiantes a ir desde un entorno de software hasta un entorno de laboratorio. Con las plataformas de generación de prototipos NI ELVIS II y NI myDAQ, los estudiantes pueden desarrollar rápida y fácilmente sus circuitos y realizar medidas de manera interactiva en casa o en el laboratorio usando instrumentos virtuales integrados como un osciloscopio, un multímetro, una fuente de alimentación variable y un generador de función. Los entornos LabVIEW y LabVIEW SignalExpress ofrecen interfaces intuitivas para medidas y para ayudar a los estudiantes a comparar sus medidas y simulaciones en la misma pantalla.