acondicionadores de señal

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Instrumentación Electrónica AvanzadaAcondicionadores de SeñalesProf. José Andrickson Mora

JUNIO 2004




En los procesos automatizados, el acondicionamiento de las señales

es de gran importancia, debido a que es la base de los cálculos y del

buen funcionamiento del proceso. Se dice que a buenas medidas,

buenos cálculos y buen resultado del sistema de control. Los

transductores, sensores y trasmisores son los encargados de tomar las

medidas primarias, dentro de estos, el acondicionador contribuye a

escalar las señales medidas y presentarlas al sistema de control en unaforma adecuada y fiable para su procesamiento




Puentes de

Wheatstone.

Este elemento ofrece una medida de alta precisión y confiabilidad.

Existen modificaciones de estos puentes para la medida de pequeñas y

altas resistencias. Hay una amplia variedad de puentes de corrientesalternas para mediciones de inductancias y capacitancias. Los

puentes de Wheatstone comerciales tienen una precisión de 0.1%.En

la figura se muestra un circuito de un puente de Wheatstone para la

medida de resistencia, con Rx la resistencia a ser medida.

1

23

1

2

3

* R

R R R

R

R

R

R X

X

Condición de Equilibrio

Voltaje de Salida:

X

X in

R R

R

R R

RV V

321

2

0

Corriente a través del Voltímetro.

gTh

ThV

R R

E I

0




Puentes de

Wheatstone

Corriente

Alterna

El puente de corriente alterna nace a partir del puente de corriente

continua, en este puente la fuente de alimentación es de corrientealterna a un nivel y una frecuencia determinada. Es utilizado con

capacitores o inductores

Condición de Equilibrio

321321 Y Y Y Y ó Z Z Z Z X X

321 X

X

CD BD

Z I Z I

óV V

231

X

in

in

Z Z

V

I

Z Z

V I

32

21

1




Amplificadores

Operacionales

Son elementos de amplificación de alta ganancias, utilizados para

trabajar con señales de poco voltaje. Son utilizados para amplificarseñales de corrientes continuas y para señales de corrientes

alternar pueden alcanzar hasta MHz. Generalmente son utilizados

con una red compuesta por elementos electrónicos como resistencias y

capacitores entre ellos, con la finalidad de producir una salida estable.

120 V V K V D

Características Reales de un Amplificador Operacional Ganancia de 103 a 109

Ancho de Banda de 0 a MHz

Impedancia de Salida de 25Ω a 50Ω

Impedancia de Entrada de 105 a 1012

Señal de Salida cuando V1=V2 muy pequeña




Amplificadores

Operacionales

Diferencial a lazo abierto: Esta configuración fue discutida con

anterioridad, sin embargo vale resaltar que el voltaje de salida estadado por la ecuación descrita a continuación, donde es el producto de

las diferencias de los voltajes de entrada por la ganancia a lazo

abierto del mismo.

120 V V K V D

Idealmente

Los amplificadores operacionales poseen una ganancia de modo

común KC, la cual es función de los voltajes de entrada, genera unasalida no deseada. Los buenos amplificadores operacionales tienen una

CMRR >1000

2)( 12

12

V V K V V K V C Do

C

D

K

K CMRR




Amplificadores

Operacionales

Seguidor de Tensión: Este se comporta básicamente como el

amplificador de tensión ideal, tiene una impedancia de entrada muygrande, una impedancia de salida pequeña y una ganancia de

voltaje estable. Para el análisis de la impedancia de entrada y salida

que presenta esta configuración, lo haremos en función a la figura.

Ganancia de lazo Cerrado

enen LC sal V ABV AV **

Si se cumple que:

12

12 R

V V I y

R

V I X sal

R

X

R

2

1

21

1 R

R

V

V A

R

V

R

V V

en

sal

LC

enensal




Amplificadores

Operacionales

enen(LC) AB)Z(1Z

)1(

)1(

)1(

en

en

en

enenen

eror eror eror en

saleror en

Z ABi

V

Z i ABV

V AB ABV V V

BV V V

21

2

R R R B

en

sal

V V

B1

La fracción de retroalimentación y viene dada por:

ó

La impedancia de entrada a lazo cerrado

La impedancia de

salida a lazo cerrado:

AB

Z Z sal

LC sal

1

)(




Amplificadores

Operacionales

Seguidor Inversor: Esta configuración invierte el signo de la señal

medida, pero conservando fielmente la forma de onda de la entrada.Posee una ganancia que viene determinada por la relación entre la

resistencia de salida y la resistencia de entrada del sistema. Esto

podemos notarlo en las siguientes ecuaciones.

La ganancia a lazo cerrado:

12

0

R

V V

R

V V en X X

1

20

R

R

V

V A

en

LC

1)(

A

R Z

f

LC en

1

*

A

R A Z

f

sal

Las impedancias de entrada y salida:

y




Amplificadores

Operacionales

Diferenciador: Su función consiste en tomar la derivada de la función

de entrada. La salida de este circuito es de forma inversa y la ecuaciónque representa la salida es la siguiente:

Integrador: Esta configuración toma la integral de la señal de entrada

al circuito. La ecuación que describe este comportamiento es la

siguiente:




Amplificadores

Operacionales

Diferencial a Lazo Cerrado: Esta configuración toma la diferencia de

las dos señales de entrada y en función al resultado, genera la salida.La salida del sistema viene dada por la ecuación

2

1

1

32

3

1

1

0 * V R

R R

R R

RV

R

RV

f f

12

1

0 V V R

RV

f

Si hacemos R1 = R2 y además Rf = R3, tendremos que la salida será




Amplificadores

Operacionales

Sumador Inversor: Esta configuración es una modificación del

seguidor inversor, con la ventaja que puede amplificar más de unaseñal a la vez, debido a la tierra virtual que se forma en VX, donde

fluyen todas las corrientes de entrada y pasan por la única resistencia

de salida, amplificando la suma de las entradas.

3

3

2

2

1

1

0 V R

RV

R

RV

R

RV

f f f

Si R1 = R2 = R3, la ecuación queda:

1

3210 )( R

RV V V V

f




Amplificador

de

Instrumentación

El mas usual de los tipos de amplificadores de instrumentación se hace

con tres amplificadores operacionales y se obtiene un mejordesempeño con respecto a un solo amplificador. Al ser tres

amplificadores estos presentan un rechazo de modo común al menos

diez veces mayor.

12

1

2

4

3

0

21 V V

R

R

R

RV




Amplificadores

de

Aislamiento

Son una subclase de los amplificadores de instrumentación y su

función primordial es la de aislar eléctricamente el circuito deentrada con el circuito de salida. Estos amplificadores ofrecen una

protección contra voltajes muy alto, por el orden de los 5000 Voltios,

su aislamiento se logra por uso de transformadores a la entrada o por

medio de optoacopladores.




Filtros

Activos

Butterworth.

Los filtros activos, son circuitos electrónicos ampliamente utilizados

dentro de los equipos y sistemas, estos se encuentran presentes desde

los circuitos de audio hasta los sistemas de procesamiento de señalesanalógicas y digitales. Compuestos principalmente por capacitores,

resistores, amplificadores operacionales o transistores. Básicamente

existen cuatro tipos de filtros: los filtros pasa bajas, filtros pasa altas,

filtros pasa banda y filtros de supresión o eliminación de banda.




Filtros

Activos

-20dB/Dec

Filtro Básico Pasa Bajas

Un filtro activo pasa bajas en configuración básica, esta compuesto

por un amplificador operacional de ganancia unitaria mas un

circuito RC. El valor de R y Rf deben ser iguales para asegurar la

ganancia igual a uno.

Para determinar el filtro deseado, se debe definir la frecuencia de corte

wc, esta frecuencia se calcula a partir del circuito RC de entrada alamplificador

cc f RC

w 21

wc Esta dada en radianes por segundos

f c Esta dada en hertz

R Esta dada en ohm

C Esta dada en Faradios

7070




Los filtros pasa bajas de -20 dB/década poseen una pendiente de -45

en su frecuencia de corte, mientras que los filtros Butterworth de -40

dB/década poseen una pendiente de -90 en su frecuencia de corte(wc)

Filtros

Activos

-40dB/Dec

Procedimiento para el diseño.

• Definir la frecuencia de corte wc ó fc.

• Definir C1; se recomienda escoger un valor entre 100 pF y 0.1µF.

• Definir C2=2C1.

• Definir Rf=2R

• Calcule:

1

707.0

C w R

c

1

707.0

C w R c




Filtros

Activos

-20 dB/Dec

Los filtros pasa altas, son filtros que atenúan una señal mientras su

frecuencia esta por debajo de la frecuencia critica wc, una vezsuperada esta frecuencia, se permite el paso de la señal de entrada sin

ninguna restricción.

Filtro Básico Pasa Altas

cc f

RC w 2

1

Procedimiento para el diseño de un filtro pasa alta de 20dB/década.

• Definir la frecuencia de corte, wc ó fc.

• Definir un valor para C; se recomienda un valor entre 1mF y 0.1µF.

• Calcular R en función a los valores obtenidos anteriormente.

• Hacer Rf = R.




Un filtro pasa altas con una atenuación de 40dB/década cuando la

frecuencia w esta debajo de su frecuencia de corte wc. por ser un filtrode Butterworth su ganancia a lazo cerrado será de 0.707 cuando

estamos en la frecuencia de corte (wc) y de 0dB en la banda de paso

(w>wc).

Filtros

Activos

-40 dB/Dec

Procedimiento para el diseño de un filtro pasa alta de 40dB/década. • Definir la frecuencia de corte, wc ó fc.

• Definir C1=C2=C, con un valor adecuado, se recomienda un valor entre

1pF y 0.01µF.

• Hacer Rf = R, para minimizar el desvió de corriente de dc.

• Calcular

C w R Rc

414.1

2 21




Filtros

Activos

Pasa Banda

Los filtros pasa banda son filtros selectores que permiten elegir la

banda de frecuencia que se desea dejar pasar, esta banda defrecuencia esta limitada por una frecuencia mínima y una máxima. B =

fh – fl

Filtro Pasa Banda

hlr f f f

B

f Q r

B f f y B

f B

f lhr l 24

22




Filtros

Activos

Pasa Banda

Para la construcción de un filtro de banda ancha (Q≤0.5), se deben

conectar en cascada dos filtros, recomendablemente con la mismaganancia en su frecuencia de resonancia. Uno de los filtros es un pasa

bajas y el otro un pasa altas

Filtro Pasa Banda de Banda Ancha

Las características definidas por estos filtros son las siguientes:

• La frecuencia de corte inferior, f,l viene determinada por el filtro pasa altas.

• La frecuencia de corte superior, fh, viene determinada por el filtro pasa

bajas.

• El filtro tendrá su ganancia máxima en la frecuencia de resonancia, fr, y

sera la misma en ambos filtros.




Filtros

Activos

Pasa Banda

La construcción de este se logra con un solo amplificador operacional.

La resistencia R, define la resistencia de entrada al sistema, laresistencia de retroalimentación debe tener un valor de 2R, para este

filtro, la ganancia en su frecuencia de resonancia será de uno (1) ó 0

dB. La resistencia Rr permite el desplazamiento de la frecuencia de

resonancia, sin variar el ancho de banda o la ganancia del filtro

Filtro Pasa Banda de Banda Angosta

RC B

1591.0

Q

f B r

r

r

R

R

RC

f 11125.0

122

Q

R Rr




Filtros

Activos

Rechaza Banda

Para tener idea de este tipo de filtro, tenemos que decir que los filtros

rechaza banda son totalmente opuestos a los pasa banda, donde lasfrecuencias no deseadas se rechazan al máximo en su banda de rechazo

y toma su valor máximo de rechazo en la frecuencia de resonancia fr .

Filtro Rechaza Banda




Muestreo

y

Retención

El amplificador de muestreo y retención opera como un típico

amplificador operacional en el modo de muestreo, pero en el modo deretenedor, su salida es idealmente constante, independiente de la

entrada. Es utilizado para proporcionar una salida estable al

convertidor analógico/digital durante la conversión.




Muestreo

y

Retención

Características del amplificador de muestreo y retención

•El tiempo de Adquisición:•El Retardo de Apertura:

•Respuesta a la apertura:

•La Trasferencia de Carga:

•Tiempo de Establecimiento:

•Caída:

•El offset de Muestreador – Retenedor:

Modelo AD582 AD389 AD683 CXA1008P

Fabricante Analog Device Analog Device Analog Device Sony

Linealidad 0.01% 0.001% * 0.1%

Ancho de Banda con Ganancia 1 1.5 MHz 1.5 MHz 10 MHz N/A

Tiempo de Adquisición 6 μs (0.1%) 2.5 μs

(0.003%) 500 ns (0.01%) 20 ns

Máximo Valor de Ruptura 3 V/ μs 30 V/ μs 130 V/ μs 100 V /μs

Tiempo de Establecimiento 0.5 μs 1 μs * *

Retardo de Apertura 200 ns 30 ns 2.5 ns 6 ns

Respuesta a la Apertura 15 ns 0.4 ns 20 ps *

Caída de Corriente < 0.1 nA < 1 μV/ μs <0.01 μV/ μs < 20 mV/μs

Algunos Amplificadores de Muestreo y Retención Monoliticos




Amplificador

de

Poder

Mientras que algunos dispositivos y actuadores como motores y

elementos de calefacción requieren más amperaje, es necesario que ala salida de los circuitos antes nombrados, existan amplificadores de

poder. Donde se pueden utilizar desde transistores comunes hasta triac

y SCR, de acuerdo a la aplicación donde vayan a estar colocados.




Aliasing

Es cuando aparece una señal con la misma forma de onda de la

muestreada originalmente, pero no es la onda real. Esto sucede cuandola frecuencia de muestreo esta por debajo de la frecuencia mínima.

Muestreo 6 veces por ciclo

Muestreo 3 veces por ciclo

Muestreo 6/5 veces por ciclo




Bibliografía

• Antonio Creus. “Instrumentación Industrial”. 5ª Edición. Editorial Alfaomega.

Barcelona, España. 1993. Pág. 732

• John Bentley. “Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones”. CECSA

• Héctor Navarro. “Instrumentación Electrónica Moderna”. Editorial Innovación

Tecnológica-Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela. Caracas

Venezuela. 1995. Pag. 285.

• Ramón Pallas Areny “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Editorial

Marcombo, D.F. México. 2001 Pag. 480.• Stanley Wolf “Guia para Mediciones Eléctricas y Practicas de laboratorio”

Editorial Prentice Hall. Naucalpan de Juarez. México. 1992 Pag. 573.

• Albert malvino “Principio de Electrónica” Editorial Prentice Hall. Naucalpan de

Juarez. México.1991 Pag.967.

• Fink Donald “Manual de Ingeniería Electrónica” Editorial Mac Graw Hill.

Colombia. 1992.

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