Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería

Introducción a Multisim y la Estación de trabajo ELVIS II+ Gloria Mata Hernández Naomi B. Romero Mata

Departamento de Ingeniería de Control y Robótica Noviembre de 2014

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Tabla de contenido Presentación........................................................................................................................................ 3 Introducción a Multisim ...................................................................................................................... 4 Ambiente de trabajo ........................................................................................................................... 4 Colocación de Componentes............................................................................................................... 5 Colocación de diversos componentes................................................................................................. 5 Simulación en Multisim ....................................................................................................................... 7 Instrumentos de Medición .................................................................................................................. 9 Uso del medidor de Impedancia ................................................................................................... 18 Puntas de Medición....................................................................................................................... 19 Visualizador Grapher ......................................................................................................................... 23 Aplicación: Divisor de Voltaje y de Corriente .................................................................................... 23 Aplicación Elvis .................................................................................................................................. 24 Prueba de Fuentes ............................................................................................................................ 24 Aplicación: Circuito RL de Primer Orden ........................................................................................... 25 Aplicación: Análisis Senoidal Permanente ........................................................................................ 25 Circuitos Trifásicos ............................................................................................................................ 26 Análisis de Circuitos Trifásicos .......................................................................................................... 27 Medición de Potencia........................................................................................................................ 27 Carga en delta balanceada ................................................................................................................ 28 Carga en delta balanceada inductiva ................................................................................................ 29 Corrección del factor de potencia. Sistema monofásico .................................................................. 29 Corrección del factor de potencia. Sistema trifásico ........................................................................ 30 Resonancia ........................................................................................................................................ 31 Análisis de AC ................................................................................................................................ 32 Escalamiento en Impedancia y en Frecuencia .................................................................................. 33 Análisis de AC ................................................................................................................................ 34 Teorema de Sustitución .................................................................................................................... 35 Multisim_Elvis_4 ........................................................................................................................... 35 1

Teorema de Tellegen......................................................................................................................... 36 Teorema de Superposición ............................................................................................................... 37 Teorema de Reciprocidad 1 .............................................................................................................. 38 Teorema de Reciprocidad 2 .............................................................................................................. 39 Teorema de Reciprocidad 3 .............................................................................................................. 40 Teorema de Reciprocidad 4 .............................................................................................................. 41 Teorema de Reciprocidad 5 .............................................................................................................. 42 Bipuertos ........................................................................................................................................... 43 Configuraciones Básicas de Bipuertos............................................................................................... 46 Filtro activo de 2º Orden: pasa banda, pasa todo, supresor de banda, pasa bajas, pasa altas. ....... 47 Multisim_Elvis_5 ........................................................................................................................... 47 Generador de Señal de Reloj............................................................................................................. 51 Multisim_Elvis_6 ........................................................................................................................... 51 Divisor de Frecuencia ........................................................................................................................ 52 Habilitación de Display con Digital Writer. ....................................................................................... 54 Analizador Corriente-Voltaje............................................................................................................. 55 Multisim_Elvis_7 ........................................................................................................................... 55

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Introducción a Multisim y la Estación de trabajo ELVIS II+ Presentación El material educativo que se presenta, en formato electrónico e impreso, corresponde a una serie de diapositivas cuyo objetivo es proporcionar los elementos para conocer el funcionamiento del Simulador Multisim, realizar el análisis en el dominio del tiempo y de la frecuencia con configuraciones de simulación gráfica y con instrumentos, utilizarlo e interpretar los resultados derivados de las simulaciones y comparar los resultados con los obtenidos en aplicaciones práctica utilizando la estación de trabajo ELVISII. Si bien el material está orientado a académicos, que se asume conocen la disciplina de Circuitos Eléctricos, lo pueden utilizar estudiantes quienes tienen antecedentes en estos temas. Un curso utilizando este material conjuga y utiliza la metodología educativa desarrollada aplicada por la autora “El triángulo del aprendizaje efectivo”, la cual conjunta la teoría con la simulación y la práctica, siendo realmente efectivo el aprendizaje y asimilación de conocimientos con los estudiantes. Este material incluye las diapositivas, los programas de las simulaciones y el material para realizar los experimentos. Por supuesto que se requiere de la Estación de trabajo ELVISII, o bien de equipo básico de laboratorio. El contenido se orienta a un curso de Análisis de Circuitos Eléctricos, fundamental en las carreras de las Ingenierías de Eléctrica, Electrónica, Telecomunicaciones y computación. El material, por supuesto está acotado en amplitud, sin embargo, da la oportunidad para que los académicos exploten su conocimiento y experiencia para generar un sinnúmero de aplicaciones. El material, las simulaciones y los experimentos los hemos desarrollado de manera conjunta con la M.I. Naomi Romero M. a quien agradezco su desinteresada colaboración en el desarrollo del material. Gloria Mata H.

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Introducción a Multisim National Instruments Circuit Design Suite es un conjunto de herramientas integrada EDA (Electronics Design Automation) que permiten la realización de diseño de circuitos. 

Multisim es el programa de captura del esquemático, simulación y análisis de los circuitos electrónicos analógicos/digitales y microcontroladores.



Ultiboard se utiliza para el diseño de tarjetas de circuito impreso, realiza operaciones con CAD y prepara el circuito para la fabricación. También un proceso de colocación de elementos de forma automática.



Multisim MCU se usa para la simulación de depuración de diseños que contienen micro controladores

Ambiente de trabajo

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Colocación de Componentes Los componentes se ubican en el Menú de Componentes. Para identificarlos se selecciona Place»Component para desplegar la ventana Select a Component

Colocación de diversos componentes Los componentes están agrupados en una Base de Datos Maestra  Grupo  Familia  Componente. Una vez identificados los componentes de interés, se seleccionan y se arrastran a la ventana de diseño, como se muestra en la figura.

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Al lado derecho de la ventana de diseño se encuentra la Barra de instrumentos, la cual incluye dispositivos de medición virtuales como: multímetro, fuente de alimentación, osciloscopio, generador, etc. Colocando el cursor sobre el instrumento, emerge una etiqueta con el nombre del instrumento. Para colocarlo en la ventana de diseño se arrastra al lugar deseado.

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

Identifique componentes e instrumentos y coloque como se muestra.

Simulación en Multisim La simulación es un proceso matemático para emular el comportamiento de un circuito. Con la simulación, se puede determinar gran parte del funcionamiento de un circuito antes construirlo físicamente o se pueden usar instrumentos vrtuales de prueba. Hay varias secciones en el software de Multisim que están estrechamente vinculadas con el proceso de simulación:  configurar el circuito a simular  configurar los parámetros de simulación  realizar la simulación y  analizar y desplegar de resultados Una simulación en Multisim se ejecuta en uno de dos modos de simulación:  Modo de simulación interactiva  Modo de simulación de análisis La simulación interactiva se realiza con el uso de instrumentos virtuales conectados al circuito de prueba. Las mediciones y formas de onda se visualizan en los respectivos instrumentos. Un ejemplo de la ejecución se muestra en la siguiente figura.

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El Modo de simulación de análisis se selecciona a través del Menú Simulate Analyses. En la figura se pueden observar los diferentes tipos de análisis que se pueden realizar.

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Instrumentos de Medición Ej_Fuentes1.ms12 Conexión de fuentes

Configuración de Generadores

Ejecutar Graficas resultantes

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Instrumento Multímetro

Representación

Despliegue de Medición

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Generador de funciones

Wattmetro

Osciloscopio

11

Osciloscopio de cuatro canales

Graficador Bode

Contador de frecuencia

12

Generador de palabra

Convertidor lógico

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Analizador lógico

Analizador IV (Corriente-Voltaje)

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Analizador de distorsión

Analizador de espectros

Analizador de redes

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Generador de funciones Agilent

Multímetro Agilent

Osciloscopio Agilent

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Osciloscopio Tektronix

Puntas de medición

Instrumentos de Labview

Instrumentos NI Elvis

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Uso del medidor de Impedancia Medicion_Impedancia.ms12 Para medir la impedancia entre dos nodos: - Identifique y separe solo las terminales de la impedancia - Conecte las terminales negativa y positiva al medidor de impedancia - De clic en el botón de ejecutar - De doble clic en el instrumento de medición

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Puntas de Medición Divisor.ms12 El circuito divisor de voltaje corresponde a una conexión en serie de impedancias. El voltaje en cada impedancia se determina como: 𝑉𝑥 =  

𝑅𝑥 𝑉 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3 1

Armen y conecte el circuito divisor de voltaje como se muestra. Arrastre las puntas de medición a cada nodo en el que se desea tomar las mediciones.

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Uso de Fuentes Fuentes_Despliegues.ms12 Conecte cada fuente como se muestra. Se incluyen algunas configuraciones y despliegues. Identifique cada uno con el respectivo nombre.

Despliegues y configuraciones de las fuentes. Configuración

Despliegue

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Visualizador Grapher Grapher es una herramienta de visualización de usos múltiples donde se puede ver, ajustar, guardar y exportar gráficas y tablas. Grapher pemite mostrar:  Los resultados de los análisis de Multisim en gráficas y tablas.  Una gráfica de las trazas de algunos instrumentos (por ejemplo el osciloscopio y Bode Plotter). También puede graficar los resultados de la simulación más reciente en el Grapher y exportar los resultados de la simulación a Excel o LabVIEW. Los resultados de la simulación se guardan a un archivo de texto (.lvm) o binario (.tdm) y al utilizar aplicaciones como LabVIEW de National Instruments es posible comparar la salida simulada con la salida del circuito real. Un ejemplo se presenta a continuación, al simular un divisor de voltaje y corriente, y presentar los resultados de las simulaciones en la pantalla de Grapher View.

Aplicación: Divisor de Voltaje y de Corriente Utilizando el Modo de simulación de análisis en DC operating point, se determinan los voltajes y corrientes en los nodos. Los resultados se muestran en las siguientes figuras.

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Aplicación Elvis Divisor_Elvis.ms12

Prueba de Fuentes 

Verifique el uso y comportamiento de dos tipos de fuente, una cuadrada periódica y una senoidal. Las formas de onda se pueden observar en un osciloscopio virtual.

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Aplicación: Circuito RL de Primer Orden 

Arme el circuito RL de primer orden, aplique una señal escalón y utilice el Modo de simulación de análisis tipo transitorio para obtener la respuesta del circuito en el dominio del tiempo.

Aplicación: Análisis Senoidal Permanente 

Arme los circuitos mostrados: uno RL, uno RC, ambos de primer orden, y un tercero RLC de segundo orden. Aplique una señal senoidal y utilice el Modo de simulación de análisis, para obtener la respuesta del circuito en el dominio del tiempo.

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Circuitos Trifásicos En este ejercicio se simula un generador trifásico para verificar el comportamiento de un sistema trifásico tanto en estrella como en delta, balanceado y desbalanceado. Así mismo se verifican las relaciones que xisten entre los voltajes y corrientes de fase y de línea. Conexión trifásica

Relaciones

Estrella

V L  3 V F 30

Delta

IL  IF VL  VF

Delta

I L  3 I F   30

Estrella



Estrella / Delta Estrella / Delta

𝑃3∅ = √3 𝑽𝑳 𝑰𝑳 𝒄𝒐𝒔(𝜽) 𝑄3∅ = √3 𝑽𝑳 𝑰𝑳 𝒔𝒊𝒏(𝜽) 𝑆3∅ = 𝑃3∅ + 𝑗𝑄3∅

Estrella / Delta

|𝑆3∅ | = √3 𝑉𝐿 𝐼𝐿

Estrella: Método de 1 wattmetros Estrella / Delta: Método de 2 wattmetros Delta: Método de 1 wattmetros

𝑆3∅ = √3 𝑽𝑳 𝑰∗𝑳 𝑃3∅ = √𝟑 𝑷𝑾 𝑃3∅ = 𝑾𝟏 + 𝑾𝟐 𝑄3∅ = √𝟑 𝑷𝑾

Verifique mediante simulación las relaciones entre los voltajes de línea y los de fase. Considere las cargas balanceadas y desbalanceadas utilizando un interruptor.

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Análisis de Circuitos Trifásicos 

Verifique mediante simulación las relaciones entre las corrientes de línea y los de fase. Considere las cargas balanceadas y desbalanceadas.

Medición de Potencia P4-1.ms12 Considere los circuitos trifásicos balanceados conectados en estrella. Utilice los métodos de uno y dos wattmetros para la medición de la potencia trifásica.

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Carga en delta balanceada P4-2.ms12 

Considere los circuitos trifásicos balanceados conectados en delta. Utilice los métodos de uno y dos wattmetros para la medición de la potencia trifásica activa y reactiva.

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Carga en delta balanceada inductiva P4-3.ms12 

Considere los circuitos trifásicos balanceados conectados en delta con una carga inductiva. Utilice los métodos de uno y dos wattmetros para la medición de la potencia trifásica.

Corrección del factor de potencia. Sistema monofásico P5.ms12 

Conecte el siguiente circuito monofásico. Observe en el osciloscopio las señales de corriente (canal A) y de voltaje (canal B). Abra y cierre el interruptor S1 y observe el efecto.

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Corrección del factor de potencia. Sistema trifásico P5.ms12 

Conecte el siguiente circuito trifásico balanceado con carga inductiva. Mida la potencia trifásica con el método de 2 wattmetros. Conecte una carga RLC en delta en paralelo con la carga inductiva y observe el comportamiento.

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Resonancia P6.ms12 En un circuito resonante serie, la frecuencia de resonancia está expresada como

0 

1 LC

y el factor de calidad

Q

fo 0 L  AB R

y el ancho de banda es

AB  f 2  f1   2  1 en donde se puede expresar la frecuencia de resonancia en términos de las frecuencias de corte

 0  1 2 o bien

f0 

f1 f 2

Estos parámetros se determinarán mediante la simulación del circuito. 

Conecte el circuito resonante serie como se muestra. Utilice el modo de simulación interactiva conectando un analizador de Bode para observar la respuesta en frecuencia y un osciloscopio para observar la respuesta en el tiempo.

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Análisis de AC Conecte el circuito de segundo orden mostrado. Con el método de simulación de análisis, deternine la frecuencia de resonancia del circuito.

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Escalamiento en Impedancia y en Frecuencia El escalamiento en impedancia consiste en modificar los elementos pasivos de un circuito lineal e invariante en el tiempo, por medio de un factor que se calcula de manera general como

Z '  ki Z y de manera particular, sustituyendo las impedancias correspondientes como

R'  k i R L'  ki L

L'  ki L C' 

C ki

Donde ki representa el factor de escalamiento, Z’ es el valor de la impedancia modificada y Z el valor de la impedancia del circuito original.

El escalamiento en frecuencia consiste en modificar las impedancias de un circuito de referencia, de manera que al variar la frecuencia del mismo, la respuesta en frecuencia sigue manteniéndose igual a la del circuito original. Este escalamiento se lleva a cabo alterando el valor de los capacitores e inductores por un factor. La impedancia resistiva no se afecta dado que no depende de la frecuencia. De manera que el escalamiento en frecuencia se aplica a los elementos en forma similar al escalamiento en impedancia, pero ahora cambia el factor de escalamiento en frecuencia a kf.

Z ' Z las impedancias deben ser iguales a la misma frecuencia, lo que implica que

kf 

 '

los resistores no se alteran en valor ya que su impedancia no depende de la frecuencia. De manera particular para las inductancias y capacitancias

L'  k f L C' k f C Donde kf representa el factor de escalamiento en frecuencia, Z’ es el valor de la impedancia modificada y Z el valor de la impedancia del circuito original.

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

Determine la respuesta en frecuencia del siguiente circuito, utilizando la simulación interactiva y la de análisis.

Análisis de AC



Repita el procedimiento para el siguiente circuito

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Teorema de Sustitución Multisim_Elvis_4 Este teorema se aplica a circuitos lineales o no lineales, variantes o invariantes en el tiempo. Establece que una rama en un circuito con un voltaje en sus terminales Vab y una corriente Iab, puede sustituirse por una fuente de voltaje o una fuente de corriente de valores Vab e Iab, respectivamente

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Teorema de Tellegen Este teorema se aplica a circuitos lineales o no lineales, variantes o invariantes en el tiempo. Establece que en un circuito la suma de potencias en las ramas es igual a cero, o bien, la potencia suministrada es igual a la consumida por el mismo.

Vr' 10 10-5.71 5.71+3.51 3.51 5.71-5.12 5.12+3.51

Vr'' -1.41 -1.41-(-3.13) -3.13+0.589 5.89E-01 -3.13-6.87 6.87+0.589

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Ir' -1.95E-04 1.95E-04 1.22E-04 -1.95E-04 7.31E-05 7.31E-05   Ir'' -7.84E-05 7.84E-05 -2.07E-04 -7.84E-05 2.85E-04 2.85E-04 

Pr' -1.95E-03 8.37E-04 1.12E-03 -6.84E-04 4.31E-05 6.31E-04 9.22E-07   Pr'' 1.11E-04 1.35E-04 5.26E-04 -4.62E-05 -2.85E-03 2.13E-03 1.02E-06 

Vr' Ir'' -7.84E-04 3.36E-04 -1.91E-03 -2.75E-04 1.68E-04 2.46E-03 -3.69E-06 Vr'' Ir' 2.75E-04 3.35E-04 -3.10E-04 -1.15E-04 -7.31E-04 5.45E-04 -2.54E-07

Teorema de Superposición Este teorema establece que la respuesta de estado estable de un circuito debida a varias fuentes de excitación, ya sean de directa o de alterna, se puede determinar mediante la suma de las respuestas individuales debidas a cada excitación de manera independiente. Este teorema enfatiza la linealidad del circuito y sus componentes.

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Teorema de Reciprocidad 1 Este Teorema se aplica a circuitos lineales e invariantes en el tiempo, que no contengan fuentes dependientes ni independientes. Establece que si la excitación de entrada, ya sea de voltaje o de corriente, se intercambia a la salida, la respuesta del circuito será idéntica en las terminales de entrada. Bajo esta circunstancia, se pueden presentar tres casos: 𝑖2 (𝑡) = 𝑖1 ′ (𝑡) 𝑣2 (𝑡) = 𝑣1 ′ (𝑡) 𝑖2 (𝑡) = 𝑣1 ′ (𝑡)

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Teorema de Reciprocidad 2

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Teorema de Reciprocidad 3

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Teorema de Reciprocidad 4

41

Teorema de Reciprocidad 5

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Bipuertos

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𝑍11 =

𝑍21 =

𝑍22 =

𝑍12 =

𝑉1 66.7 = | 𝐼1 𝐼2=0 . 100 = 667 𝑉2 33.3 = | 𝐼1 𝐼2=0 . 100 = 333 𝑉2 66.7 = | 𝐼2 𝐼1=0 . 100 = 667 𝑉1 33.3 = | 𝐼2 𝐼1=0 . 100 = 333

𝑍=[

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667 333

333 ] 667

Z en  z11  I2 

Z

VTh  Z Th  I2



 z11  Z L  z 22   z12 z 21

s

z 21 Z s  z11  z12 z 21 Z s  z11

z 21 Z L

Vs



Vs

11

>> I2=z21*vs/((zs+z11)*(zL+z22) -(z12*z21))

Hi = -0.2000 >> Hv=z21*zL/((zs+z11)*(zL+ z22)-(z12*z21))

 z 22

Hv =

0.1250

Zo = 1.25/-1.25 E-3 = 1000

z11 Z L  Z

z

3332 1000 + 667

I2 = -0.0013 >> Hi=-z21/(zL+z22)

 z 21

V2 V2

= 600 Ω

 z 21Vs

Z L  z 22

V1

= 667 −

Z L  z 22

I1 

𝑍𝑒𝑛

z12 z 21

z 21 Z L

 Z s  z 22  Z L   z12 z 21

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Configuraciones Básicas de Bipuertos

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Filtro activo de 2º Orden: pasa banda, pasa todo, supresor de banda, pasa bajas, pasa altas. Multisim_Elvis_5 Esta aplicación combina de manera efectiva la metodología del triángulo del aprendizaje efectivo, es decir, integra la teoría, la simulación y la práctica. 1ª Parte Repaso de conceptos teóricos En aspectos teóricos, se involucran diversos conceptos como: 

Amplificador operacional



Bipuertos



Función de Transferencia



Filtro – Ecualizador



Respuesta en el Tiempo



Respuesta en la Frecuencia



Componentes Espectrales

El diagrama eléctrico es que se muestra:

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Cuyo análisis se realiza mediante la técnica de bipuertos, para obtener la función de transferencia

A partir de la función de transferencia obtenida se determinan 3 casos de estudio para el ecualizador. 

Verificar los tipos de filtros,



Identificar las características de cada uno de ellos (𝑓0 , 𝐴𝐵, 𝑄),



Analizar el comportamiento en el dominio del tiempo y de la frecuencia.



Analizar el espectro de frecuencia.

Simulación 2ª Parte Simulación previa para la familiarización con los elementos y el análisis del circuito. 

Se verifica el comportamiento del amplificador operacional en configuración sumador con la señal de entrada.

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3ª Parte Simulación del Filtro de 2° orden  

Se arma el filtro de 2° orden y se conectan el generador de funciones a la entrada del filtro. En la salida se conectan el osciloscopio, el analizador de bode y el analizador dinámico de señal. La figura muestra las conexiones.

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Resultados de la simulación Se presentan a continuación al variar el valor del potenciómetro y del capacitor. Obteniendo las respuestas en frecuencia para los diferentes tipos de filtros.

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Generador de Señal de Reloj Multisim_Elvis_6 1. 2. 3. 4.

Arme el Circuito Observe la señal de Salida en el osciloscopio y mida la frecuencia fo Conecte la salida (terminal 3) a la terminal LED 0. Verifique el funcionamiento. Por otro lado, en el generador de ondas arbitrarias, Genere una señal cuadrada TTL a la frecuencia de fo/2. 5. Observe la señal de Salida del generador en el osciloscopio y verifique la frecuencia fo/2 6. Conecte la salida del generador a la terminal LED 1. Verifique el funcionamiento.

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Divisor de Frecuencia 1. Arme el circuito como se muestra 2. Conecte las salidas Q1, Q2, Q4 y Q8 a los Leds y a los puertos de entrada digital de la Tarjeta de prototipos, usando el siguiente esquema de mapeo: 3. 4. En el menú de NI Elvis, seleccione el Digital Reader (habilite las líneas de lectura de 0-7), este permite monitorear los estados binario en la computadora y al mismo tiempo ver los estados en los Leds verdes. 5. Observe las salidas Q1, Q2, Q4 y Q8 en el osciloscopio.

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Habilitación de Display con Digital Writer. 1. Alambre el circuito mostrado en la figura. Las entradas al decodificador 7447 corresponden a la salidas digitales D0 . 2. A partir del menú de NI Elvis, seleccione Digital Writer. 3. Accione los interruptores necesarios en el Digital Writer para obener un número binario. Observe en el display la salida correspondiente.

El diagrama del display corresponde a una configuración de ánodo común.

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Analizador Corriente-Voltaje Multisim_Elvis_7 1. Del menú de NI Elvis seleccione Three-Wire Current-Voltage Analyzer. 2. Conecte el transistor: a. Base a BASE b. Colector a DUT+ c. Emisor de DUT-

d. 3. Fije la Corriente de Base y el Voltaje de Colector con los parámetros mostrados y de clic en Run.

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  

Verifique ahora las curvas de los LEDs. Conecte el ánodo a la terminal DUT+ y el cátodo a DUTAbra el Analizador de Voltaje-Corriente de 2 terminales y observe las curvas características.

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