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Diseño y construcción de un circuito para la compensación en la ganancia en

función del de la profundidad de un sistema transmisor-receptor de señales

ultrasónicas

Salcedo García Aldo René

Licenciatura en Ingeniería Biomédica

_________________________

Asesor: Dipl. Ing. Enrique Luis

Hernández Matos

sesor

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ÍNDICE

1. INTRODUCCIÓN..........................................................................................................3

1.1 Utilidad y enfoque...........................................................................................3

1.2 Antecedentes....................................................................................................4

2. OBJETIVOS...................................................................................................................6

2.1. Objetivos Generales........................................................................................6

2.2. Objetivos Específicos......................................................................................6

3. DESARROLLO..............................................................................................................6

3.1. Búsqueda Bibliográfica...................................................................................6

3.2. Desarrollo Complementario............................................................................6

3.3. Composición Estructural.................................................................................7

3.4. Delimitación....................................................................................................7

3.5. Funcionamiento...............................................................................................8

3.6. Diseño del TGC..............................................................................................10

3.6.1. Multivibrador monoestable (SN74121N).......................................11

3.6.2. Amplificador Inversor.....................................................................13

3.6.3. Sumador Inversor............................................................................16

3.7. Diseño del circuito impreso ...........................................................................17

3.8 Diseño del módulo .........................................................................................18

4. RESULTADOS………………………………………………………………………...19

4.1 Instrumentación lógica.....................................................................................19

4.2 Instrumentación analógica................................................................................22

4.3 Circuito impreso...............................................................................................24

4.4 Módulo.............................................................................................................24

4.5 Rack…..............................................................................................................26

5. DISCUSIONES Y CONCLUSIONES……………………………………………........27

6. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………….....27

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1. INTRODUCCIÓN

1.1 UTILIDAD Y ENFOQUE

Los equipos que emplean el ultrasonido han ido aumentando su campo de

aplicación para el diagnóstico médico. Estos sistemas tienen gran futuro gracias al continuo

desarrollo tecnológico, al ser un equipo no invasivo que permite visualizar tejidos blandos y

órganos [1].

El funcionamiento básico de los equipos de ultrasonido empleados en la obtención

de imágenes es el llamado visualización modo A, el cual está conformado por las siguientes

etapas:

Figura1. Diagrama a bloques de un equipo transmisor-receptor de imágenes ultrasónicas.

El desarrollo y construcción de sistemas de instrumentación en ultrasonido

especialmente diseñados para apoyar la docencia puede contribuir a mejorar la calidad de

aprendizaje en ingeniería biomédica, y servir como base para desarrollar innovaciones

tecnológicas y generar más investigación. [2]

Algunas de las características especiales de estos sistemas son:

• Circuitería de fácil acceso

• Etapas bien localizadas

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• Etapas con funcionamiento y construcción observable

• Etapas con señales de salida bien definidas

Si un laboratorio de ingeniería biomédica en una universidad contara con un equipo

de ultrasonido compuesto por etapas contenidas en gabinetes metálicos y un manual de

prácticas orientadas al conocimiento de la física aplicada del ultrasonido, sería posible

lograr que el estudiante entendiera el funcionamiento del equipo, integrara sus

conocimientos y lograra un aprendizaje más completo. [3]

1.2 ANTECEDENTES

Siendo un área interdisciplinaria de estudio con la física, las matemáticas, la

ingeniería y la ciencia clínica, la educación de imagen médica se convierte en un tema

crucial y popular en Ingeniería Biomédica para los estudiantes, quienes pueden ser los

futuros profesionales en este campo. Lo que ha llevado a desarrollar materiales de

aprendizaje durante años [4].

Existen aún varios desafíos en la producción de programas educativos de alta

calidad EIB (educación de imagen biomédica). Estos incluyen las limitadas oportunidades

para la educación práctica, la escasez de libros de texto dirigidos a ingenieros,

especialmente universitarios, y en general, la falta de información, por lo que se han hecho

algunos intentos de generar programas didácticos enfocados al aprendizaje en ultrasonido.

[5]

A través de los años, se han realizado algunos proyectos utilizando diferentes

técnicas que buscan facilitar el aprendizaje del sistema de ultrasonido. Se han publicado

libros, tutoriales, simuladores, sistemas modulares, etc. [6]

En Estados Unidos, en 1979, se publicó el libro “Basic Physics in Diagnostic

Ultrasound”, en el cual, se pueden encontrar los pasos que se necesitan ir cubriendo para el

aprendizaje del ultrasonido (tanto de manera física como en su forma de onda), constaba de

10 prácticas realizadas para el entendimiento del mismo. Un libro que permite el buen

entendimiento de la física aplicada y las formas de onda de un sistema de ultrasonido. [3]

En Throndheim, Noruega. Se han desarrollado simuladores para ultrasonido, que

son técnicas de imagen, donde la interpretación de las imágenes depende de la

manipulación del operador de un sensor o una cámara. [7,8]. La complejidad de estos

simuladores ha variado mucho, desde las aplicaciones informáticas simples a sistemas

realistas que han incorporado un maniquí y un escáner de ultrasonido simulado, y se han

implementado en varias aplicaciones clínicas diferentes. [9]

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El objetivo de la universidad de Throndheim, ha sido desarrollar un simulador que

permita imitar los procedimientos de examen de ultrasonido del modo más realista posible,

ya que aún no se cuenta con esto. Sin embargo, esta más enfocado hacia el uso médico y no

permite observar las formas de la onda en cada etapa [8].

En la sección de medicina y biología de la revista IEEE, se publicó un artículo en el

año 2003, en el cual, utilizando recursos basados en la Web, se incluyeron libros de texto,

tutoriales, simuladores y archivos de enseñanza. Tomando como base esto, se realizó un

tutorial en línea para el aprendizaje de la física del ultrasonido, el cuál, demostró ser tan

eficaz y eficiente como las clases, ayudando a los estudiantes a aprender los conceptos

básicos de la ecografía. [10]

En la Facultad de Bioingeniería de la Universidad Nacional de Entre Ríos,

Argentina se presentaron tres estrategias didácticas para la práctica de laboratorios de la

materia de Imágenes en medicina, en los temas: Sistemas de TV Analógico, Sistema RGB y

Ultrasonido. Para el estudio del ultrasonido, se construyó una placa analógica que trabaja

en modo “A”, a escala didáctica, utilizando como pantalla el osciloscopio, y captando la

señal con transductores piezoeléctricos construidos por los profesores, a partir de

transductores de monitoreo fetal en desuso. De esta manera el alumno puede realizar el

seguimiento del acondicionamiento de la señal ultrasónica, desde su generación hasta su

representación, logrando realizar mediciones y efectuar el análisis de la señal, por medio de

un fantoma estandarizado. [11]

En el Instituto de Ingeniería Biomédica de la universidad tecnológica de Kaunas,

Lituania el investigador Jonn Dewey decidió desarrollar un sistema de experimentación que

permitiera el acceso y control de instrumentos reales de hardware; se realizaron

experimentos y cálculos, generaron informes y obtuvieron una evaluación de dichos

instrumentos. El sistema fue de tipo modular (sistema con software configurable y

módulos de hardware) y con capacidad de configuración flexible (los módulos podrían estar

compuestos en la arquitectura pre-definidas). Contaba con varias configuraciones aplicadas

para el registro del pulso; parámetros de visualización utilizando un osciloscopio emulado;

y experimentación Doppler para la investigación. Consistía en un software (basado en

LabVIEW) y los módulos de hardware. Este sistema generó resultados prometedores y

satisfacción en los estudiantes, los cuales se vieron motivados a crear material didáctico

más avanzado y versátil para los graduados de los programas de Ingeniería y Electrónica

Biomédica, además de crear herramientas de experimentación para los estudiantes de

doctorado. [12, 13,14]

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El observar tan buenos resultados en Lituania con un sistema modular para

ultrasonido nos dio apertura al diseño y construcción de un sistema que permita realizar el

aprendizaje didáctico esperado. [12]

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVOS GENERALES

Diseñar y construir un equipo transmisor-receptor de imágenes de ultrasonido para

su aplicación en docencia.

2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO

Diseñar y construir la etapa de un circuito para la compensación en la ganancia en

función de la profundidad de señales ultrasónicas para su aplicación en docencia.

3. DESARROLLO

3.1 BÚSQUEDA BIBLIOGRÁFICA

La primer parte para la elaboración del proyecto, consistió en hacer una búsqueda de

la bibliografía necesaria para realizarlo, determinar las diferentes etapas de adquisición que

conforman a un ultrasonido en modo A, y al ser un proyecto elaborado en partes por

diferentes alumnos, establecer los límites de cada una de las etapas, utilizando el libro de

ultrasonido diagnóstico[1] . Para hacer el diseño y construcción de la etapa de

compensación de ganancia en función del tiempo, se necesitó buscar en la red información

útil para su elaboración, hojas de especificación de los circuitos que se utilizaron y medios

para la implementación de dichos circuitos.

3.2 DESARROLLO COMPLEMENTARIO

Considerando que el ultrasonido en modo A, es diseñado en etapas por diferentes

alumnos, para implementarlas todas en conjunto, fue necesario hacer interconexiones, con

ayuda de un conector tipo peine al momento de revelar el circuito, usando una fuente de

alimentación regulada a diferentes voltajes para polarizar todos los circuitos analógicos

realizados de manera independiente. La fuente fue implementada tomando la corriente

alterna directamente del enchufe de la luz y usando los reguladores LM7805, LM7815 Y

LM7915 para obtener los +5v, +15v y -15v, respectivamente.

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3.3 COMPOSICIÓN ESTRUCTURAL

El equipo de ultrasonido (todas las etapas) constará de:

- Un circuito trasmisor para la excitación de un transductor ultrasónico.

- Un circuito receptor para la amplificación de radiofrecuencia.

- Un circuito para generar una compensación de la ganancia en función de la

profundidad.

- Un circuito para la compresión del rango dinámico de la señal de

radiofrecuencia y un demodulador de AM.

- Un convertidor analógico-digital, para digitalizar las señales.

3.4 DELIMITACIÓN

Inicialmente, se identificará que la compensación de la ganancia en función de la

profundidad (dentro de un sistema transmisor-receptor de señales ultrasónicas) debe de ir

sincronizada directamente con la etapa de generación de ultrasonido (trasmisor) y con el

amplificador de radiofrecuencias, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Diagrama a bloques de un equipo transmisor-receptor de imágenes

ultrasónicas, con énfasis en la etapa de compensación de ganancia.

El proyecto consta de 4 partes:

- Simulación del circuito.

- Construcción del circuito TGC en protoboard, dicha señal se probó, calibró

y se observó su salida en un osciloscopio.

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- Diseño y elaboración de un circuito impreso (utilizando el circuito TGC

construido en la segunda parte), y montaje de los componentes en la placa.

- Construcción de un gabinete metálico, del tamaño adecuado, que permita

realizar las conexiones pertinentes del circuito hacia los conectores internos. Se

documentó el sistema desarrollado de manera sistemática.

3.5 FUNCIONAMIENTO

En la primera parte, se utilizó la paquetería de NI Multisim. Funciona como un

paquete de apoyo que permite simplificar el armado físico del circuito, observar el

comportamiento de ciertos componentes y realizar un diseño relativamente cercano al

armado final, además de evitar costos innecesarios.

Para la segunda parte, cabe mencionar que las ondas sonoras viajan a 1540 m/s en el

tejido suave. Por ejemplo, una señal de ultrasonido que tiene que viajar una suma de 30 cm

(15 cm de ida y 15 cm de regreso) tomará aproximadamente 195 μs, por lo que las ondas

sonoras conforme aumenta su distancia, y tiempo ya que es directamente proporcional,

disminuye su amplitud. La compensación de ganancia de tiempo apropiado (TGC por sus

siglas en inglés) necesita controlar el margen que hay entre el nivel de referencia y el ruido

de fondo, medido en decibelios, llamado rango dinámico (RD) de las señales de eco de

ultrasonido a su salida. El TGC se utiliza para compensar la atenuación de señales de eco

de ultrasonidos a lo largo de la profundidad, y RD para controlar el contraste de la imagen.

[17]. En la construcción del circuito TGC, se necesita que los ecos de propagación cortos

sean menos amplificados que los ecos con un tiempo de propagación mayor. [1]

Existen diferentes métodos para la realización del TGC. La más sencilla es un

sistema con una ganancia en 3 etapas que puede ser ajustada por el operador y utiliza una

ganancia dividida en 3 etapas: ganancia cercana, ganancia lejana y ganancia en la

pendiente. Es la más usada por su fácil manejo. También hay digitales que usan varios

algoritmos que realizan una señal auto calibrada [15, 16, 17, 18, 19, 20].

Pero en este proyecto se usó una ganancia dividida en 4 etapas, separada por

profundidad, donde se dividirá el rango de penetración ajustando cada etapa a 40 dB. Se

usa esta forma de TGC porque permite ver cómo se va modificando la señal en los

diferentes pasos, proporcionando en la ganancia de cada etapa una respuesta lineal. En los

ejemplos anteriores, en la primera, casi no se pueden observar los cambios de onda que se

requieren a detalle, y la digital lo hace directamente, por lo que no se observa ningún tipo

de cambio. El método usado no se ha encontrado en trabajos preliminares. [12]

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Usando un sistema de potenciómetros deslizables a la salida, ayudará a controlar

las amplitudes con las que serán visualizados los ecos en la imagen, tomando una gráfica de

ganancia contra profundidad (tiempo de ida y vuelta).

Figura 3. Gráfica de compensación de ganancia con respecto al tiempo.

Al ser un equipo de hardware para uso en docencia, solo existe la manera de

comprobarlo en el osciloscopio, si realmente está entregando la salida que se espera y con

ayuda de los potenciómetros deslizables observar si está cambiando la amplitud de las

ondas con respecto al tiempo que se esté observando, como se ve en la siguiente figura 3,

para cada eco debe poder ajustarse la ganancia.

Figura 4. A) Señal de radiofrecuencia que muestra la ganancia al variar el rango

dinámico. B) Potenciómetros deslizables en aumento, representa la ganancia en amplitud

(voltaje) conforme al rango de la señal. C) La variación de la ganancia que se espera

obtener al variar el rango dinámico.

Es decir, se probará, introduciendo una señal de radiofrecuencias y se verá cómo se

modifica la amplitud de los ecos (dentro de la curva de compensación de ganancia),

observando si se amplifica la ganancia en voltaje y si realmente está corrigiendo dicha

ganancia dentro de 40dB (como se observa en la figura 4 A), en donde la relación entre los

potenciómetros deslizables y la gráfica de ganancia es directamente proporcional, es decir,

si se desliza hacia abajo el potenciómetro, disminuirá la ganancia en ese sector.

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Para observar el funcionamiento del TGC en el osciloscopio, se tomó como base el

reloj de sincronía (proporcionado en otra etapa del ultrasonido), el cual consiste en una

señal cuadrada con una frecuencia de 1KHz, es decir, de 1ms por ciclo. Al tener en cuenta

esto, a la salida del TGC, la ganancia debe poder ser manipulada de manera independiente

por los 4 potenciómetros deslizables, en diferentes rangos de tiempo (tomando solo el ciclo

positivo de la señal cuadrada). Ya que solo se toma el ciclo positivo, la señal tiene un

tiempo de 500 μs en total, de manera que el primer potenciómetro amplifica de 0 a 125 μs,

el segundo de 125 a 250 μs, el tercero de 250 a 375 μs y el cuarto de 375 a 500 μs.

Figura 5. Reloj de sincronía. Señal cuadrada de 1KHz.

La tercer parte, se diseñó un circuito impreso que permite fijar los componentes y

realizar interconexiones entre ellos mediante pistas, dichas pistas están conectadas a un

conector tipo peine, donde, se marcan las entradas y salidas, así como las fuentes de

alimentación del circuito completo y va fijo a una fuente de alimentación (rack). La salida

está marcada y conectada a un conector BNC para que pueda ser observada de manera

independiente.

La cuarta parte consistió en diseñar el gabinete metálico construido del tamaño

exacto (en este caso tiene el doble de altura que los demás módulos, para poder fijar los

potenciómetros deslizables por fuera), de manera que ensamble correctamente en la fuente

externa. Éste contiene un panel frontal con un conector tipo BNC incrustado, que permite

observar la forma de onda al conectarlo con el osciloscopio.

3.6 DISEÑO DE LA COMPENSACIÓN DE GANANCIA EN FUNCIÓN DE LA

PROFUNDIDAD (TGC)

Para el diseño del TGC se utilizaron 4 circuitos conocidos como multivibrador

monoestable (SN74121N), dichos circuitos van conectados en cascada para poder

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sincronizar la onda cuadrada del reloj de sincronía, de tal manera que pueda utilizar solo el

ciclo positivo. Cada una de las salidas de éstos circuitos, de manera independiente, va

conectada a un amplificador inversor utilizado como un circuito atenuador, a su vez, las

salidas de cada uno de los inversores va conectada a otro amplificador inversor, en donde

las ganancias son manipuladas por los potenciómetros deslizables que irán empotrados en

el módulo. Todas las salidas irán conectadas a un sumador inversor, que permite unir las

señales en una sola, la salida generada por las señales englobadas, pasa por un amplificador

inversor, simplemente para invertir la señal y verla en el ciclo positivo.

Figura 6. Diagrama con las conexiones del TGC completo.

3.6.1 MULTIVIBRADOR MONOESTABLE (SN74121N)

El circuito SN74121 es un multivibrador monoestable con la ventaja de que puede

dar un disparo, tanto en el ciclo positivo, como en el ciclo negativo y tiene salidas

complementarias. Se adapta una resistencia interna de 2kohms que sirve para dar un tiempo

al disparo, esto por conveniencia del diseño minimiza el número de componentes y los

problemas de diseño, para utilizarlo es necesario conectar RINT A Vcc. Puede ser utilizado

con solo un capacitor externo. La entrada A es un disparo que se activa con un flanco de

bajada, mientras que la entrada B es un disparo que se activa con un flanco de subida. El

ancho de pulso puede variar desde 30 ns hasta 28 segundos, varía dependiendo de las

combinaciones aplicadas en Rx y Cx. Además, tiene una alta inmunidad al ruido de Vcc y

variaciones de temperatura [22].

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Figura 7. Diagrama de conexión del circuito SN74121N.

El ancho de pulso en tiempo es determinado esencialmente por los componentes externos de Rx y Cx. Utilizando la siguiente fórmula:

tw=KRxCx Donde, Rx= KΩ Cx= pico- faradios tw= nano segundos K=0.7 Si el ancho del pulso debe de ser de alrededor de 125 µs, entonces, por usar valores comerciales tomo Rx= 18KΩ y Cx= 10 pF.

Al determinar los valores de la resistencia y capacitor, se conectan los circuitos

multivibradores monoestables en cascada, como se observa en la Figura 8.

Figura 8. Diagrama de circuitos multivibradores monoestables conectados en cascada.

NC- Sin conexión interna

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3.6.2 AMPLIFICADOR INVERSOR

El amplificador operacional es un dispositivo electrónico que ha sido diseñado para

captar la diferencia entre las señales de voltaje aplicadas en sus terminales de entrada (es

decir, la cantidad v2-v1), multiplicar esto por un número A y provocar que el voltaje

resultante A (v2-v1) aparezca en la terminal de salida 3. Cuando se habla del voltaje en una

terminal se refiere al voltaje entre esa terminal y tierra; por tanto, v1 es el voltaje aplicado

entre la terminal 1 y tierra. A la terminal 1 se le denomina terminal inversora de entrada y

se distingue con un signo “-“, mientras que la 2 es la terminal no inversora de entrada y se

distingue con un signo “+”.[22] En un amplificador inversor la señal de entrada vi se introduce por la terminal

inversora. Si se tiene en cuenta que la Zi (impedancia de entrada) es muy elevada:

+I=

-I =0

Despreciando la corriente que entra por la terminal inversora (–I), se tiene:

Ii=-If

Siendo la salida vo:

vo= If*Rf

Existiendo un desfase en la tensión de salida de 180°.

Figura 9. Circuito de un amplificador operacional inversor.

Tomando los valores esperados, el pulso generado por el multivibrador monoestable

debería ser de 4.5v, por lo que al pasarlo por el atenuador y al intentar de obtener una señal

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a la salida de 10 mV aproximadamente, se utilizó una resistencia Ri= 100KΩ y una Rf=

2.2KΩ, de tal manera que al hacer los cálculos fueran:

Cada una de las salidas de los multivibradores monoestables quedaría conectada a

un amplificador inversor, se observa en la Figura 10, como un acercamiento y, en la

Figura 11, como quedaría el circuito hasta este punto.

Figura 10. Circuito multivibrador monoestable en cascada con un atenuador.

Figura 11. Circuitos multivibradores monoestables unidos a los atenuadores.

Una vez que se obtiene la atenuación de las señales, se introducen de manera

independiente en amplificadores con potenciómetros deslizables para que se pueda

manipular desde 10 mv hasta 10 volts de preferencia.

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Tomando los valores esperados, la señal debería tener una amplitud de

aproximadamente 10mv, por lo que ahora utilizó resistencias Ri= 10Ω y potenciómetros de

Rf= 10 KΩ, al hacer los cálculos se tendría:

Cada una de las salidas de los atenuadores se conecta en cascada como se observa

en la Figura 12 (acercamiento) y la Figura 13.

Figura 12. Acercamiento del multivibrador monoestable conectado con el atenuador y con

el amplificador inversor.

Figura 13. Circuitos multivibradores monoestables en cascada con atenuadores y

amplificadores.

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3.6.3 SUMADOR INVERSOR

Todas las señales obtenidas en el inciso anterior, entran a un amplificador sumador

inversor. Una aplicación muy importante de la configuración inversora es el circuito sumador

que se muestra en la Figura 14. Aquí se tiene una resistencia Rf en la ruta de

retroalimentación negativa, pero hay varias señales de entrada v1, v2, .., vn, cada una de

ellas aplicada a un resistor correspondiente R1, R2, .., Rn, conectados a la terminal inversora

del amplificador operacional. Si se sigue el análisis previo, el amplificador operacional

ideal tendría una tierra virtual que aparece en su terminal de entrada negativa. La ley de

Ohm indica que las corrientes i,i, …, i están dadas por

Figura 14. Sumador inversor.

Todas estas corrientes se suman para producir la corriente i; es decir,

tendrá que pasar por Rf (porque no pasa corriente por las terminales de entrada en un

amplificador operacional idealmente). El voltaje de salida v0 se determina al aplicar otra

vez la ley de Ohm,

Por tanto,

Es decir, el voltaje de salida es una suma de las señales de entrada v1, v2, v3 …, vn.[22] Una vez que las señales salen por el sumador, pasan por otro amplificador inversor,

ésto simplemente para desfasarlas 180°, observando el circuito completo en la Figura 15.

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Figura 15. Circuito TGC completo.

3.7. DISEÑO DEL CIRCUITO IMPRESO

Para hacer el circuito impreso, primero se diseñó en el programa Corel Draw

tomando en cuenta las separaciones entre cada uno de los componentes y principalmente

del conector tipo peine, para que ajustará de manera correcta en el rack predispuesto para

alimentar los circuitos en conjunto, e intentando hacer el menor número de puentes en la

tarjeta armada. El diseño del circuito quedó como se observa en la Figura 16.

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Figura 16. Diseño realizado en Corel Draw.

Una vez diseñado el circuito, se imprimió en papel couché y con ayuda de una

plancha con distribución homogénea de temperatura, se planchó en la placa de cobre, a una

temperatura de 150°C durante dos minutos. Ya planchado el circuito, se retiró los restos del

papel y se reveló con cloruro férrico, se soldaron los componentes necesarios y se probó, de

manera independiente, cada una de las salidas de cada circuito integrado.

3.8. DISEÑO DEL MÓDULO

Para el diseño del módulo, se utilizaron dos tipos de placas de aluminio de diferente

grosor, una para la parte frontal (la más gruesa), ésta incluye un conector BNC para el

osciloscopio, un led de comprobación para la alimentación, 4 potenciómetros deslizables

fijos para poder manipularlos manualmente, y un par de agarres para sacar el módulo. La

otra placa de aluminio (la menos gruesa), se utilizó para poder ajustarla al riel que lleva el

Rack. La parte frontal, debe llevar el siguiente diseño:

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Figura 17. Diseño de la parte frontal del módulo.

Figura 18. Diseño del módulo con riel para el Rack.

4. RESULTADOS

Los resultados obtenidos, están descritos en diferentes etapas como sigue:

4.1 INSTRUMENTACIÓN LÓGICA

Observando la Figura 8, la salida de cada uno de los circuitos (ubicada en el pin6,

respectivamente) se observan las señales obtenidas en cada una de éstos:

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Figura 19. a) Señal obtenida a la salida del primer integrado SN74121N a) Señal simulada

b) Señal obtenida directamente del osciloscopio.

A la salida del primer integrado, se observa un pulso que se genera cada vez que

existe un flanco de subida, dicho pulso tiene una duración de aproximadamente 125 µs.

A la salida del segundo integrado, se observa (al igual que en el primero) un pulso

de 125 µs aproximadamente, pero esta vez se genera con el flanco de bajada del primero

como se observa en la Figura 20.

Figura 20. a) Señal obtenida a la salida del segundo integrado SN74121N a) Señal

simulada b) Señal obtenida directamente del osciloscopio.

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A la salida del tercer integrado, se observa un pulso del mismo tamaño que en los 2

integrados anteriores (125 µs aproximadamente), generándose en el flanco de bajada del

segundo integrado, como se observa en la Figura 21.

Figura 21. a) Señal obtenida a la salida del tercer integrado SN74121N a) Señal simulada

b) Señal obtenida directamente del osciloscopio.

A la salida del cuarto integrado, se observa un pulso del mismo tamaño que en los

integrados anteriores (125 µs aproximadamente), generándose en el flanco de bajada del

tercer integrado, como se observa en la Figura 22.

Figura 22. a) Señal obtenida a la salida del cuarto integrado SN74121N a) Señal simulada

b) Señal obtenida directamente del osciloscopio.

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Se puede observar en todos los pulsos, que además de medir lo mismo en el tiempo,

tienen la misma amplitud (aproximadamente de 3.6V), por lo que puede utilizarse el mismo

tipo de atenuador para cada uno de ellos.

4.2 INSTRUMENTACIÓN ANALÓGICA

Tomando cada una de las salidas en los circuitos SN74121, al pasarlas por un

circuito atenuador como el planteado en la metodología de 100KΩ y realimentada por una

de 2.2 KΩ, no obtenía los 10 mV esperados, por lo que se usó una resistencia de 180 Ω en

lugar de la de 2.2, obteniendo las siguientes señales:

A la salida de cada uno de los atenuadores se obtiene una señal muy pequeña, pero

con la misma amplitud para cada uno de los pulsos en los diferentes sectores de la señal.

Figura 23. A) Señal obtenida en la salida del primer atenuador (simulada y en

osicloscopio). B) Señal obtenida en la salida del segundo atenuador (simulada y en el

osciloscopio). C) Señal obtenida en la salida del tercer atenuador (simulada y en el

osciloscopio). D) Señal obtenida en la salida del cuarto atenuador (simulada y en el

osciloscopio).

Como se puede ver en la Figura 23, todas las señales que se obtienen son por debajo

de los 20 mv, lo que permite una mayor variación en las ganancias de cada una de las

señales.

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Cada una de las señales atenuadas pasa por un amplificar que varía su amplitud con

un potenciómetro de 10 KΩ, y cada una de las salidas de éstas pasa a un circuito sumador

inversor, finalmente por otro inversor que solo desfasa la última señal en 180° y queda

como se muestra en la Figura 24 y Figura 25.

Figura 24. Como se muestra en la simulación. Canal 1, la señal final. En el canal 2, señal

de entrada. Canal 3, señal antes de pasar por el último inversor.

En el canal 1, es la señal que se obtiene al pasar por todas las etapas, una señal de

alrededor de 13.3 V de amplitud y variable con los potenciómetros deslizables (señal de

salida). En el canal 2, solo se observa la señal de entrada (señal cuadrada con 1KHz de

frecuencia), para determinar que si están sincronizadas las señales. El tercer canal muestra

la señal antes de que pase por el último circuito inversor (desfasada 180°).

Figura 25. Señal de salida que va desde 12 mV hasta 9.6 V.

Como se observa en la figura 25 que es la señal de salida, ésta se puede manipular

en cuatro segmentos y de manera sincronizada, haciendo una amplificación de 800 veces,

es decir, de alrededor 58.06 en dB.

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4.3 CIRCUITO IMPRESO

Como se observa en la Figura 26, quedó la tarjeta del circuito impreso, y los

componentes ya soldados, con conectores en azul para las alimentaciones y pruebas

externas de las señales.

Figura 26. A) Tarjeta del circuito impreso. B) Circuito de componentes soldados.

4.4 MÓDULO

Cumple con las características del diseño del módulo. De acuerdo a como se

observa en la Figura 27, es del doble de alto que los módulos de las otras etapas, de otra

manera, no cabrían los potenciómetros deslizables que sirven para amplificar la señal.

Se observa el módulo por partes en la Figura 27 y ya completamente armado en la

Figura 28, que es el resultado final del proyecto, compuesto por el circuito impreso

ajustado al rack para obtener los valores de alimentación necesarios ensamblado al módulo

para ser utilizado en el riel del Rack.

A) B)

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Figura 27. Módulo diseñado, por partes, visto desde diferentes puntos.

Figura 28. Módulo armado con la placa del circuito impreso ajustada, interconectada por

medio de cables dupont con los potenciómetros y salida.

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La Figura 28, muestra el módulo armado y ajustado de tal manera que entre en el

Rack, junto con el circuito impreso hecho a la medida para que el conector tipo peine entre

en la alimentación. Los potenciómetros deslizables, llevan soldados conectores tipo hembra

al igual que la salida del circuito (de cables dupont), mientras que la placa del circuito

impreso tiene conectores tipo macho, por lo que se interconectan con cables dupont macho

hembra, divididos en hilos de 3.

4.5 RACK

Figura 29. Rack, utilizando una fuente con diferentes voltajes.

En la Figura 29, se puede observar el Rack, con los diferentes voltajes. Visto de

frente, de izquierda a derecha, los voltajes quedarían: Tierra (sin voltaje), +15v, -15v, +5v,

-5v y el sexto varía de entre -500mv y +5v. En el conector tipo peine del circuito impreso,

se toma la misma convención para alimentarlo.

Figura 30. Rack, utilizando una fuente con diferentes voltajes

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En la Figura 30, se puede ver el Rack completo, ya con los módulos puestos y con

cada uno de los circuitos impresos montados, y con la fuente alimentando los voltajes

pertinentes. El primer módulo visto de arriba abajo es el TGC ya completo.

5. Discusiones y Conclusiones

Los pulsos vistos en cada uno de las salidas se deben de generar a partir de una

señal de 1KHz de frecuencia (reloj de sincronía), en caso de que cambie la frecuencia, se

seguirían generando los pulsos de 125µs, uno tras otro, pero en algún momento habría una

desincronización, dependiendo de la frecuencia que se esté utilizando. La señal de entrada,

debe de tener una amplitud mayor a 3.5 v, ya que de no ser así, los circuitos integrados no

darían ningún tipo de pulso. Cada una de las salidas de los diferentes integrados está

rotulada en la placa (de manera abreviada y con una lista del significado de esas

abreviaciones en el anexo) para poder determinar si existe cualquier falla independiente en

cualquier parte del circuito.

Originalmente iba a funcionar como una fuente de voltaje controlada por corriente,

sin embargo, al utilizar un reloj de sincronía y observar que todo el circuito se manejaba en

voltajes, en caso de haberlo manejado de esta forma, no podría acoplarse con las otras

etapas (reloj de sincronía y amplificador de radiofrecuencia).

Existen integrados más exactos y que generan una ganancia mucho mejor

controlada como es el circuito ad603 que es un VGA (Variable Gain Amplifier), el cual al

simularlo era más fácil de controlar, manejaba altas frecuencias y no metía prácticamente

ruido, pero al utilizar este tipo de circuitos integrados, el precio de elaboración del circuito

se disparaba bastante, con lo que ya no estaría cumpliendo con el objetivo, al ser para

docencia, debe de ser lo más sencillo y económico posible.

El ruido de línea no afectó al momento de comprobar el circuito, e incluso

utilizando un filtro notch para eliminar el poco ruido que se acoplara, no hizo ningún

cambio en el circuito, por lo que no fue necesario el uso de filtros.

El circuito puede obtener una ganancia mayor en cada sector, simplemente habría

que aumentar el valor de los potenciómetros, es decir, en lugar de usar potenciómetros de

10 KΩ, se pueden utilizar de alrededor de 100KΩ, con lo que los decibeles aumentarían.

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