Prcticas de Laboratorio Instrumentacin Avanzada

Las actividades con esa marca deben desarrollarse en el laboratorio 1

DESCRIPCIO NDELACONDICIONADOR

1111 INTRODUCCININTRODUCCININTRODUCCININTRODUCCIN::::

Este documento debe utilizarse como una gua en el estudio del circuito acondicionador utilizado en

las prcticas de la asignatura Instrumentacin Avanzada. Incluye alguna introduccin terica y

propone actividades de autoaprendizaje que el estudiante deber realizar y entregar al profesor.

El circuito diseado trabajar con la clula de carga utilizada en el laboratorio (de capacidad 5Kg) y

proporcionar una tensin lineal en el rango 10 V, que ser capturada por la tarjeta de adquisicin

de datos y procesada mediante la aplicacin desarrollada en LabView.

2222 ESTRUCTURA GENERAL DEL ACONDICIONADORESTRUCTURA GENERAL DEL ACONDICIONADORESTRUCTURA GENERAL DEL ACONDICIONADORESTRUCTURA GENERAL DEL ACONDICIONADOR::::

La figura muestra en un diagrama de bloques las distintas etapas que componen el acondicionador

de seal diseado.

Fig. 1: Estructura general del circuito acondicionador.

El esquema general del acondicionador se incluye en el anexo 1. En los siguientes apartados se

tratarn cada una de las etapas del acondicionador.

3333 ETAPA DE ALIMENTACINETAPA DE ALIMENTACINETAPA DE ALIMENTACINETAPA DE ALIMENTACIN::::

El circuito acondicionador se alimenta a travs del conector CON4 a una tensin continua de 12

voltios que ser suministrada por una fuente de alimentacin del laboratorio.

Los distintos elementos del circuito de acondicionamiento necesitan tensiones simtricas para

poder trabajar con valores positivos y negativos de seal. Se ha elegido una tensin simtrica de

15 voltios que se obtiene a partir de la alimentacin externa de 12 V. mediante un convertidor

CC/CC integrado (RD-1215D).

Se ha aadido un filtro capacitivo a la entrada del CC/CC (C36 y C34) y un filtro LC a la salida

(C37/L1 y C38/L2) para limitar el ruido que pueda generar el convertidor.

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Fig. 2: Esquema de la etapa de alimentacin.

Se incluye tambin un diodo D4 para proteger el circuito contra el cambio de polaridad de la tensin

de alimentacin (12V) y un LED (D1) junto con su circuito de polarizacin como testigo de tensin.

ACTIVIDAD 1: LOS CONVERTIDORES CC-CC. Revisa el documento de referencia 1 (Referencia 1_Convertidores CC-CC.pdf) o cualquier otra

documentacin y busca la respuesta a las siguientes cuestiones:

1.a.- Dibuja el esquema bsico de un convertidor CC/CC elevador.

1.b.- El modelo de convertidor CC/CC utilizado es el RD-1215, cul es la mxima corriente

que puede proporcionar para alimentar al circuito?

1.c.- El extracto de las especificaciones del CC/CC RD-1215 indica que es un convertidor Sin

regulacin (Unregulated Converters), Qu significa esta caracterstica?

1.d.- Localiza en internet otro modelo de convertidor que podra utilizarse en lugar del RD-

1215.

1.e.- El LED de la tarjeta se ilumina si la tensin de alimentacin aplicada es la correcta.

Analiza el esquema e indica que corriente pasa por el LED cuando se aplica a la tarjeta 12

voltios.

L1.a.- Alimenta adecuadamente el circuito acondicionador y verifica en los puntos de prueba

T2 y T4 que las tensiones suministradas por el CC/CC son las correctas. Si la tensin de

alimentacin de la tarjeta se bajara a 11 voltios, Cunto valdran ahora las tensiones a la

salida del convertidor CC/CC?

L1.b.- Indica cules son los pines de alimentacin de los integrados U3 y U8 y comprueba con

el polmetro sus tensiones.

ENTREGABLE ACTIVIDAD 1:

1.1 INFORME: Incluir en el informe las respuestas a las cuestiones planteadas.

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4444 ETAPA REFERENCIA DE TENSINETAPA REFERENCIA DE TENSINETAPA REFERENCIA DE TENSINETAPA REFERENCIA DE TENSIN::::

Los circuitos Referencia de Tensin tienen como misin suministrar tensiones fijas con una elevada

exactitud y estabilidad. Su variacin, tanto frente a cambios en su corriente de salida como frente a

cambios en su tensin de alimentacin o cambios en la temperatura debe ser extremadamente

pequea.

El circuito acondicionador utiliza una referencia de tensin modelo REF-02 (RS: 522-9076). A su

salida se conecta un operacional en montaje seguidor de tensin (U32A) para aumentar la

capacidad de corriente que puede suministrar la referencia de tensin.

Fig. 2: Esquema de la etapa generadora de la tensin de referencia.

La tensin de referencia generada (Vref_i) se utiliza tanto en la etapa de ajuste G/Offset como para

alimentar a la clula de carga.

ACTIVIDAD 2: LOS CIRCUITOS REFERENCIA DE TENSIN. Revisa el documento de referencia 2 (Referencia 2-Ref_Tension.pdf) y las hojas de

caractersticas del circuito REF-02 (datasheet), o cualquier otra documentacin, y busca la

respuesta a las siguientes cuestiones:

2.a.- Qu diferencia hay entre un Regulador de Tensin (por ejemplo el 7805 de 5 voltios) y

un circuito Referencia de Tensin (por ejemplo el REF-02 tambin de 5 voltios)?.

2.b.- Se podra utilizar para alimentar a la clula de carga un regulador del tipo 7805?

Justifica tu respuesta.

2.c.- Si un circuito referencia de tensin de 123V nominal tiene un valor de regulacin de

carga de 002 %/mA, cuanto podr variar su salida (en mV) cuando la corriente que se le

pide pasa de 1 mA a 10 mA.

2.d.- En el circuito REF-02 utilizado, Cunto puede cambiar la tensin de salida (en mV) por

cada C que cambie la temperatura a la que trabaja?

2.e.- Cul es el mximo error de precisin (exactitud) que puede tener la tensin

suministrada por el circuito REF-02? Adems el circuito permite un ajuste de su salida, en

qu intervalo de valores puede cambiarse la tensin de salida mediante este ajuste?

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2.f.- Localiza en internet otro modelo de circuito referencia de tensin que pueda utilizarse en

lugar del REF-02. Compara sus parmetros de regulacin e indica si son mejores o peores

que los del REF-02.

2.g.- En el texto de introduccin se incluye la frase se conecta un operacional en montaje

seguidor de tensin (U32A), Qu es un montaje seguidor de tensin?, Cundo se utiliza?

2.h.- Comparando la corriente de alimentacin que necesita la clula de carga con la que

puede suministrar el circuito REF-02, sera necesario en este caso utilizar el operacional

U32A? Justifica tu respuesta.

L2.a.- Comprueba la tensin de la salida Vref_i. Reduce ahora la tensin de alimentacin dela

tarjeta a 11 voltios y comprueba cunto han variado tanto +Vcci como Vref_i. Indacalo en el

informe.

ENTREGABLE ACTIVIDAD 2:

2.1 INFORME: Incluir en el informe las respuestas a las cuestiones planteadas.

5555 ETAPA DE FILTRADOETAPA DE FILTRADOETAPA DE FILTRADOETAPA DE FILTRADO::::

Se ha incluido en el acondicionador un filtro pasivo paso bajo para eliminar las posibles

componentes de alta frecuencia debidas a los ruidos.

6666 ETAPA DE AMPLIFICACIN:ETAPA DE AMPLIFICACIN:ETAPA DE AMPLIFICACIN:ETAPA DE AMPLIFICACIN:

La salida de la clula de carga tiene un nivel de tensin muy bajo (unos pocos mV en todo su rango

de trabajo). Se necesita amplificar esa seal con un dispositivo de calidad (amplificador de

instrumentacin): elevado rechazo del modo comn, bajo valor de offset, alta impedancia de

entrada, etc.

El dispositivo elegido ha sido el INA121 (RS: 378-2711) que se utiliza con una resistencia de

ganancia de 220.

Fig. 3: Esquema de la etapa amplificadora.

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ACTIVIDAD 3: LOS AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIN. Revisa el documento de referencia 3 (Referencia 3-A_Instrum.pdf) y las hojas de

caractersticas del circuito INA121 (datasheet), o cualquier otra documentacin, y busca la

respuesta a las siguientes cuestiones:

3.a.- Define los siguientes conceptos referidos al comportamiento real de un amplificador

operacional:

o Corriente de polarizacin.

o Corriente de offset.

o Tensin de offset de la entrada.

o Tensin de saturacin de salida.

o Intensidad de saturacin de salida.

o CMRR.

3.b.- Por qu un amplificador diferencial como el de la figura 4, construido con un

amplificador operacional y resistencias discretas, no sera adecuado para trabajar con una

clula de carga?

Fig. 4: Amplificador diferencial.

3.c.- Revisa las hojas de datos del amplificador INA121P y encuentra las siguientes

especificaciones:

Ganancia de tensin (lmites y relacin con Rg).

Error tpico en la ganancia si se configura para trabajar con ganancia 100.

Deriva trmica de la ganancia (configurado con ganancia 100).

Mxima tensin de salida (en circuito abierto) si se alimenta con 15V.

Mxima corriente de salida (en cortocircuito).

Corriente de polarizacin de entrada (valor mximo).

Impedancia de entrada diferencial.

CMRR con ganancia 100.

3.d.- Analiza el esquema del amplificador de instrumentacin de tres operacionales que

muestra la figura 5 y calcula la ganancia diferencial con la que trabaja, suponiendo todos los

componentes ideales.

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Fig. 5: Amplificador de instrumentacin de 3 operacionales.

3.e.- La figura 6 muestra un amplificador de instrumentacin de dos operacionales. Analiza

su esquema y calcula la ganancia con la que trabaja, suponiendo todos los componentes

ideales. Determina tambin la ganancia en modo comn que tendr la salida de primer

operacional.

Fig. 6: Amplificador de instrumentacin de 2 operacionales

3.f.- Analiza las caractersticas de la clula de carga e indica la ecuacin que relaciona la

tensin de salida del puente con la masa en kg colocada en la bscula. Determina la

ganancia con la que trabaja el amplificador de instrumentacin del circuito acondicionador y

escribe la ecuacin que relaciona su tensin de salida con la masa colocada en la bscula.

L3.a.- Conecta la clula de carga al circuito acondicionador y alimenta este con su tensin de

12 voltios. Elabora una tabla Vai (voltios) frente a M (kg) con valores de M desde 10g hasta

45 Kg.

L3.b.- Coloca una masa de 1 kg en la bscula y determina la tensin en modo comn en la

salida de la clula de carga. Cambia la masa por otra de 4 Kg y vuelve a medir. Indica los dos

resultados

ENTREGABLE ACTIVIDAD 3:

3.1 INFORME: Incluir en el informe las respuestas a las cuestiones planteadas.

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7777 ETAPA DE AJUSTE GANANCIA/OFFSET:ETAPA DE AJUSTE GANANCIA/OFFSET:ETAPA DE AJUSTE GANANCIA/OFFSET:ETAPA DE AJUSTE GANANCIA/OFFSET:

El propsito de la ltima etapa, ajuste de ganancia y offset, es adaptar el intervalo de tensiones de

salida del amplificador al rango de entrada del SAD.

Fig. 7: Esquema de la etapa de ajuste G/Offset.

ACTIVIDAD 4: LA ETAPA DE AJUSTE G/OFFSET. Analiza el diseo propuesto para la etapa G/Offset y determina la ecuacin que relaciona la

salida Vo con las entradas Vai y Vref. Como se conoce la relacin entre Vai y la masa

colocada en la bscula, determina tambin la relacin entre Vo y la masa a pesar e indica el

margen de variacin de Vo cuando la masa vara entre 0 y 5Kg.

ENTREGABLE ACTIVIDAD 4:

4.1 INFORME: Incluir en el informe las respuestas a las cuestiones planteadas.

8888 CALIBRACIN DEL ACONDICIONADORCALIBRACIN DEL ACONDICIONADORCALIBRACIN DEL ACONDICIONADORCALIBRACIN DEL ACONDICIONADOR::::

El acondicionador est diseado para ofrecer una salida 10 voltios en el rango de trabajo de la

bscula. Como las resistencias estn afectadas por un error de tolerancia, el funcionamiento real

puede diferir un poco del calculado tericamente. Para resolver ese problema el diseo cuenta con

dos potencimetros de ajuste en la ltima etapa con los que se puede corregir el paso por cero

(Offset) y el fondo de escala (Ganancia) de la salida.

ACTIVIDAD 5: CALIBRACIN. Utiliza las pesas del laboratorio para ajustar los potencimetros del circuito acondicionador

de manera que ofrezca una salida de -10 voltios cuando M=0 y una salida de +10 voltios

cuando es 5Kg.

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ANEXO 1:ANEXO 1:ANEXO 1:ANEXO 1:

Fig 8. : Esquema general del circuito acondicionador.