Acondicionadores de señal

Introducción al Acondicionamiento de Señales

Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván


Índice

Introducción Amplificadores operacionalesCircuitos con realimentación negativaFiltrosAmplificadores de Instrumentación

Amplificadores Diferenciales

Convertidores D-A y A-D


Introducción 1/4

Todos los fenómenos físicos de la naturaleza se encuentran en alguno de los siguientes dominios: mecánico, térmico, magnético, eléctrico, óptico y químico.

Un sistema de medida es la combinación de dos o más elementos, subconjuntos o partes necesarias para asignar de forma objetiva y científica una magnitud a una cualidad, propiedad o evento de algún fenómeno físico, de tal forma que lo describa.


Introducción 2/4

Lo más importante para implementar un sistema de medida es conocer detalladamente la cualidad, propiedad o evento físico que queremos medir; así como también tener el dominio de los conocimientos científicos, matemáticos y tecnológicos para poder manipularlos y obtener información de calidad.


Introducción 3/4

Sistema acondicionador para el procesamiento automático con computadoras.


Introducción 4/4

Los acondicionadores de señal son los elementos del sistema de medida que a partir de la señal de un sensor electrónico proporcionan una señal apta para ser registrada, presentada o simplemente que permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar.

Consisten normalmente en circuitos electrónicos que ofrecen las siguientes funciones: acoplamiento de impedancias, amplificación, filtrado, operaciones matemáticas, modulación, demodulación, etc.


Amplificadores operacionales

En 1960 Robert J. Widlar desarrolla el primer amplificador operacional en chip.

Fairchild saca al mercado el 741 en 1968El uso intensivo de los AO ha provocado que bajen

drásticamente de precio.Pueden configurarse para realizar diferentes

operaciones matemáticas como suma, resta, diferenciación e integración, VMA, VRms, etc.


Amplificadores operacionales

Un amplificador operacional está formado por cuatro bloques bien diferenciados conectados en cascada: Amplificador diferencial de entrada Etapa amplificadora Adaptador y desplazamiento de nivel Etapa de salida


CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES OPERACIONALES IDEALES

Resistencia de entrada infinita. Resistencia de salida cero. Ganancia en tensión en modo diferencial infinita. Ganancia en tensión en modo común cero (CMRR = ∞).

Corrientes de entrada nulas. Ancho de banda infinito. Ausencia de desviación en las características con la

temperatura.


AO Ideal a rd = ro = 0 vo= avD = a(vP-vN)

avD

rord

-vD+

-

+

vOiN = 0

VP

iP = 0

VN

0OD N P

vv v va


CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORESOPERACIONALES REALES

Resistencia de entrada muy alta, pero finita (del orden de MΩ). • Resistencia de salida no nula. • Ganancia en tensión en modo diferencial finita (del orden de

105). • Ganancia en tensión en modo común mayor que cero

(CMRR finita). • Corrientes de entrada no nulas (del orden de nA). • Ancho de banda finito. • Deriva térmica de las características.


AO real

Vs

Rs

Ri+vi-

Aocvi+vo-

Ro

RL

o i Loc

s s i o L

v R RAv R R R R

El circuito básico del AO real es el siguiente.


Circuitos con realimentación negativa ISeguidor de tensión

El seguidor de tensión es una configuración del AO en retroalimentación negativa en el cual la ganancia A es igual 1 y la resistencia de entrada Ri tiende a infinito y la resistencia de salida Ro tiende a 0; por lo que lo hace un circuito muy apto para el acoplamiento de impedancias.


Circuitos con realimentación negativa II

O P Nv a v v

2 1

1 2 1 2N I O

R Rv v vR R R R

2 1

1 2 1 2O I O

R Rv a v vR R R R

2 2

11 2 1

1O

I

v R RAv RR R R

a

Amplificador inversor ideal2

1

limideal a

RA AR

Amplificador inversor


Circuitos con realimentación negativa IIIAmplificador no inversor

1

1 2N O

Rv vR R

P Iv v

O P Nv a v v 1

1 2O I O

Rv a v vR R

1 2 2

1 1 1

1 2

1 11O

I

v R R RA Rv R Ra R R

Amplificador no inversor ideal2

1

lim 1ideal a

RA AR


Análisis de otras configuraciones(AO idea) I

Amplificador sumador

1 2 3R R R Rfi i i i

Utilizando el concepto de cortovirtual entre vP y vN obtenemos

31 2

1 2 3

1 2 31 2 3

0 00 0 O

f

f f fO

v vv vR R R R

R R Rv v v v

R R R


Análisis de otras configuraciones (AO ideal) IIDiferenciador

00

( )( )

C R

OI

IO

i ivdC v

d t Rd v tv t R C

d t

Integrador

0

0 0

( ) 1 ( )

1( ) ( ) (0)

R C

IO

OI

t

O I O

i iv dC v

R dtdv t v t

dt RC

v t v d vRC


Filtros Los filtros activos son circuitos con AO o

transistores acondicionadores de señal que permitenel paso de las que se encuentra en una determinadabanda de frecuencias, mientras las que no, sonmodificadas en amplitud y fase.

Tipos más destacadosPaso bajoPaso altoPaso bandaRechaza banda


Filtros activosFiltro paso bajo con ganancia

2

1 2

1( )1

o

i

V RH sV R R Cs

Para frecuencias bajas podemos ignorar la impedancia del condensador y el circuito funciona como un amplificador inversor.

2

1

2

1

o

o

RHR

wR C

La frecuencia de corte es aquella para la que se produceuna caída de -3 dB entre la señal de entrada y la de salida.

20logo o

i i

V VdBV V


Filtros activos IIFiltro paso alto con ganancia

2 1

1 1

( )1

R R CsH sR R Cs

Para frecuencias altas

2

1o

RHR

01

1wR C

Frecuencia de corte


Filtros activos IIIFiltro paso banda

2 1 1

1 1 1 2 2

1( )1 1

R R C sH sR R C s R C s

Para frecuencias altas

2

1o

RHR

Frecuencias de corte

1 1 2 2

1 12 2L Hw w

R C R C


Amplificadores de instrumentación I El amplificador de instrumentación es un amplificador

diferencial de voltaje cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa a través de un solo elemento y que es óptimo para operar aun en un entorno eléctricamente hostil.


Amplificadores de instrumentación II

Características de los AI

1) Ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.

2) Ganancia diferencial controlada mediante un único elemento analógico,

(potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste.

3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera.

4) Una impedancia de entrada muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.


Amplificadores de instrumentación III

Características de los AI (cont…)

5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.

6) Bajo nivel de las tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales continuas muy pequeñas.

7) Una ancho de banda ajustable a los requerimientos del problema.

8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido.

9) Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación muy alto.


Amplificadores de instrumentación IV Amplificador DiferencialAmplificador Diferencial

Aplicando el principio de superposiciónvO = vO1 + vO2, donde vO1 es vO con v2 = 0y vO2 es vO con v1 = 0

21 1

1o

Rv vR

2 4 21 2

1 4 3 1

2 4 2

1 4 3 1

4 1 2 3

1 3 4

1

1 12

o

d

c

R R Rv v vR R R R

R R RAR R R R

R R R RAR R R

2

2 41

1 3 0

d

c

RAR R RR R

A

Para que sea un AD se debe cumplir:


Amplificadores de instrumentación V Amplificador DiferencialEl amplificador diferencial básico es un amplificador de

instrumentación de muy bajas prestaciones, porque: a) Requiere modificar dos componentes para

modificar su ganancia diferencial, manteniendo la ganancia en modo común nula.

b) Es muy difícil conseguir CMRR muy altos. El CMRRTOTAL del circuito se degrada por dos causas: El amplificador operacional tiene un CMRRAO finito.


Amplificadores de instrumentación VI Amplificador Diferencial

Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que exactamente satisfagan la relación R1R4=R2R3, y en consecuencia se genera un CMRRR de las resistencias

1 4 2 3 2 4

1 4 2 3

12

dR

c

A R R R R R RCMRRA R R R R

Resultando como combinación de ambos:

1 1 1

TOTAL AO RCMRR CMRR CMRR


Amplificadores de instrumentación VII Amplificador Diferencial c) La impedancia de entrada es muy baja Zid =

R1+R3. Esta característica podría mejorarse poniendo sendos amplificadores en configuración seguidor en la entrada.

d) El ancho de banda es bajo si la ganancia diferencial es alta

BW= αfT=fT/(Ad+1)


Amplificadores de instrumentación VIIILa configuración mas utilizada como amplificador de instrumentación está

constituido por tres amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el esquema de la figura.

1 21 2

1 1

2 3

2 3

´

´ ´

a b

G

b f f

a f f o

v v v vv vR R R

v v vR R

v v v vR R

3 2 3 1 3 3 1 2 3 31 11 2

3 2 2 2 3 2 2 2

' ´ '´' ' ' '

G Go

G G G G

R R R R R R R R R R R RR Rv v vR R R R R R R R R R R R


Amplificadores de instrumentación IX

El circuito funciona como amplificador diferencial si las resistencias satisfacen larelación:

3 1 13 2

23 2

'1' '

0

dG G

c

R R RAR R R R RR R

A

En el caso de que el circuito sea simétrico:

3 1

1 1 2

21'

0

dG

c

R RAR R R R

A


Amplificadores de instrumentación XEl CMRR de este amplificador de instrumentación depende de los dos factores:

a) Las resistencias no satisfacen exactamente la relación entre resistenciasR2R’3=R3R’2. El CMRRR debido a las resistencias es:

2 3 2 3 3 31 1

2 3 3 2

' ' 2 '' 112 ' 'R

G G

R R R R R RR RCMRRR R R R R R

b) Los amplificadores operacionales tienen CMRR finito.El CMRR total del amplificador de instrumentación debido a ambas causas integradas es:

1 2 1 13

1 1 1 1 1'1TOTAL R

G G

CMRR CMRR CMRR CMRRR R CMRRR R

Si se utilizan operacionales integrados en un solo encapsulado el CMRR1 y elCMRR2 se cancelan, por lo tanto, el CMRRTOTAL aumenta.


Amplificadores de instrumentación XIDado que las resistencias no se pueden fabricar con una precisión excesiva, para conseguir que el último termino no degrade el CMRR, se suele hacer la resistencia R’3, y experimentalmente se ajusta su valor de forma que se minimice la ganancia en modo común y con ello se haga maximo el CMRR.


Amplificadores de instrumentación XII APLICACIONES Sensores-amplificadores industriales Adquisición de datos Acondicionamiento de señal para conversores A/D Sistemas de comunicaciones Control de Temperatura de termistores Muy útiles en el campo de las mediciones Receptores lineales diferenciales con ganancia Amplificadores de audio Instrumentación en general.

Acondicionadores Digitales

Convertidores DAC y ADC


Características del acondicionamiento digital Menor incertidumbre (menor influencia a ruido

eléctrico, impedancias, etc.). Fácil implementación de computadoras para el

procesamiento y control. Posibilidad de implementar procesamientos mas

complejos. Siempre hace falta un acondicionamiento analógico

antes del procesamiento digital.


Esquema común de un sistema de control y adquisición digital

Muestreo yretención ADC

Proceso dela señal DAC Filtrado

de salida

Filtrado de entrada


Convertidores Digitales a analógicos

CDA

b0b1b2

Bn-1

voDI

VREF

Salida analógica = K * entrada digital


Parámetros importantes de un DACResolución (tamaño de paso): se define como la menor

variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado del cambio de 1 bit en la entrada digital

Re2 1

refn

Vsolucion

Tiempo de conversión: es el tiempo requerido para que un DAC cambie de 0 al voltaje de escala completa cuando todos los bits de entrada cambian de o a 1.

Error de desplazamiento (offset): es el voltaje en la salida analógica aun cuando la entrada digital es 0.


Circuito interno de un DAC

2 1ref

o n

VV


Convertidores Analógico a Digital

CADb0b1b2

Bn-1

vI DO

VREFINICIO Fin Conversión

Salida digital = K * entrada analógica


Parámetros importantes de un ADCResolución (tamaño de paso): se define como la menor

variación que puede ocurrir en la salida digital como resultado del cambio en la entrada digital.

2 1Ren

ref

solucionV

Tiempo de conversión: es el intervalo de tiempo entre el fin del pulso de inicio de conversión y el cambio de flanco del pin de fin de conversión.

Error de cuantización: la entrada analógica puede producir un error en el proceso de conteo, este error depende de la resolución del ADC y es de 1 LSB.


Circuito interno de un ADC


Sistema de Adquisición con computadora


Interfaz de una PC y un ADC0804


Circuito de muestreo y retenciónSe recomienda el uso de circuitos de muestreo y retención antes de que la señal vaya a la entrada de un ADC para que esta no cambie mientras el ADC realiza la conversión.


Otros tipos de ADCs

ADC de aproximaciones sucesivas ADC FLASH

Referencias

Coughlin R., Driscoll F. (1999), Amplificadores Operacionales y CircuitosIntegrados Lineales (5ª Edición), México: Pearson, ISBN: 970-17-0267-0.Creus Sole, Antonio (2006), Instrumentación industrial (7ª edición), México:Alfaomega-Marcombo, , ISBN 84-267-1361-5.Figliola Richard S., Beasley Donand E. (2008), Theory and Design forMechanical Measurement (3rd Edition), Wiley India Pvt. Ltd., ISBN9788126516391.Pallás-Areny Ramón (2003), Webster John G., Sensors and signalconditioning (2nd Edition), USA: John Wiley and Sons, ISBN 0-471-33232-1.Pallás-Areny Ramón (2007), Sensores y acondicionadores de señal (4ta.Edición), México: Alfaomega-Marcombo, ISBN 978-970-15-1231-9.Webster John G. (2009), Medical Instrumentation Application and Design(4th Edition), USA: Wiley, ISBN 0471676004.

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