practica 2 - electrocardiografo y convertidor adc con puerto paralelo

Av. Instituto Tecnológico No. 100, C.P. 49100, A.P. 150 Cd. Guzmán, Jal.

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SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN SUPERIOR

DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN

SUPERIOR TECNOLÓGICA

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CD. GUZMÁN

“2011, Año del Turismo en México”.

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓNLABORATORIO DE ELECTRÓNICA

Maestría en Ingeniería Electrónica

MATERIA: Amplificadores OperacionalesHoras Teóricas: 2 Horas Prácticas: 2

PracticaPracticaPracticaPractica 7777

““““““““ElectrocardiElectrocardiElectrocardiElectrocardiElectrocardiElectrocardiElectrocardiElectrocardióóóóóóóógrafografografografografografografografo &&&&&&&& ConvertidorConvertidorConvertidorConvertidorConvertidorConvertidorConvertidorConvertidor ADC+ADC+ADC+ADC+ADC+ADC+ADC+ADC+ adquisiciadquisiciadquisiciadquisiciadquisiciadquisiciadquisiciadquisicióóóóóóóónnnnnnnn porporporporporporporpor elelelelelelelelpuertopuertopuertopuertopuertopuertopuertopuerto paraleloparaleloparaleloparaleloparaleloparaleloparaleloparalelo””””””””

PROFESOR:PROFESOR:PROFESOR:PROFESOR: M.I.E.M.I.E.M.I.E.M.I.E. JorgeJorgeJorgeJorge HoracioHoracioHoracioHoracio MejMejMejMejííííaaaa GarcGarcGarcGarcííííaaaa

ALUMNOS:ALUMNOS:ALUMNOS:ALUMNOS:

EdgarEdgarEdgarEdgar NoNoNoNoéééé ColmenaresColmenaresColmenaresColmenares CoronaCoronaCoronaCorona N.C.M11290911N.C.M11290911N.C.M11290911N.C.M11290911LuisLuisLuisLuis FernandoFernandoFernandoFernando JimJimJimJimééééneznezneznez LLLLóóóópezpezpezpez N.C.M11290913N.C.M11290913N.C.M11290913N.C.M11290913JosJosJosJoséééé AlbertoAlbertoAlbertoAlberto CoronaCoronaCoronaCorona BenavidesBenavidesBenavidesBenavides N.C.M11290912N.C.M11290912N.C.M11290912N.C.M11290912

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INTRODUCCIINTRODUCCIINTRODUCCIINTRODUCCIÓÓÓÓNNNNEn esta práctica se desarrollara un instrumento de medición basado en una

bioseñal que se expresa en un potencial localizado en las manos y el pie izquierdo para

captarlo y traducirlo en el ritmo cardiaco dando así la pauta para construir un

electrocardiógrafo, utilizando un arreglo de amplificadores operacionales aunado a un

amplificador de instrumentación para una mejor calidad de la medición y así

posteriormente mostrarla en la pantalla de la computadora con un VI de LabVIEW

utilizando un convertidor analógico-digital y adquiriendo a través del puerto paralelo.

MARCOMARCOMARCOMARCO TEORICOTEORICOTEORICOTEORICOElectrocardiElectrocardiElectrocardiElectrocardióóóógrafografografografo

Aparato electrónico que capta y amplía la actividad eléctrica del corazón a través

de electrodos colocados en las 4 extremidades y en 6 posiciones precordiales.

El potencial registrado por el electrocardiógrafo tiene una amplitud aproximada de 1mV y

se obtiene aplicando electrodos de registro de biopotenciales. Para las derivaciones

frontales se emplean electrodos de placa, mientras que para las derivaciones precordiales

se utilizan electrodos adhesivos y electrodos de succión. El espectro en frecuencias de la

señal electrocardiográfica normalmente no tiene componentes arriba de los 60Hz en









pacientes normales, por lo que se considera adecuado un ancho de banda de trabajo

entre 0.05 y 150Hz para electrocardiógrafos.

Un electrocardiógrafo mide las diferencias de potencial existentes en la superficie del

organismo. Durante el proceso de activación del corazón se crean diferencias de potencial

y a través de los electrodos fluye una corriente eléctrica.

Un electrocardiograma (ECG) es la visualización de las corrientes eléctricas que se

producen en el músculo cardíaco durante cada latido. Estas corrientes se registran

mediante un dispositivo electrónico empleado en el campo de la medicina, que se conoce

como electrocardiógrafo.

Un electrocardiógrafo básico está compuesto de un par de electrodos, los cuales son

unas pequeñas láminas metálicas, que se colocan en el antebrazo y en las piernas del

paciente, y otro más cerca del pecho a la altura del corazón. La combinación de los

diferentes impulsos que se producen es recogido por sensores localizados al final de los

electrodos y que son interpretados por medio de la señal que se envía y gráfica en el

tiempo “real”, lo que da como resultado un ECG.

La interpretación adecuada del trazado electrocardiográfico permite el diagnóstico de los

trastornos cardíacos. [2]

ElectrocardiogramaElectrocardiogramaElectrocardiogramaElectrocardiograma

El electrocardiograma EGC es un registro compuesto por diferencias de potencial,

que se interpretan a manera de impulsos eléctricos producidos entre varios puntos de la









superficie del paciente, generados por polarizaciones eléctricas resultantes de la actividad

química celular.

Durante cada ciclo cardíaco, se genera un registro electrocardiográfico en el que se

observa como se genera una serie de ondas, llamadas comúnmente deflexiones. En el

electrocardiograma, el eje de las ordenadas representa la magnitud del potencial o el

voltaje que se está produciendo a cada momento durante el latido cardíaco; por su parte,

en el eje de las abscisas se representa el tiempo.

Cabe señalar que se conoce como polarización al resultado de cambiar las cargas de los

electrones de lugar cambiando la polaridad de la célula que un lado se vuelve positiva y

de la otra negativa. Por su parte, la despolarización es el proceso de restaurar las cargas

de la célula haciéndolas que se vuelvan neutras.

A continuación se presentan las definiciones básicas de los segmentos que conforman un

electrocardiograma. (Figura 1)

ONDA P: En condiciones normales, es la primera marca reconocible en el ECG.

Representa la despolarización de ambas aurículas, su duración es menor de 100 ms y su

voltaje no excede los 5,5 mV.

INTERVALO PR: Es el período de inactividad eléctrica, corresponde al retraso

fisiológico que sufre el estímulo en el nodo arterioventricular. Su duración debe estar

comprendida entre 120 y 200 ms.









COMPLEJO QRS: Representa la despolarización de ambos ventrículos. Su duración

debe estar comprendida entre los 80 y 100 ms.

SEGMENTO ST: Desde el final del QRS hasta el inicio de la onda T.

ONDA T: Corresponde a la repolarización ventricular, apareciendo al final del segmento

ST.

INTERVALO QT: Comprende desde el inicio del QRS hasta el final de la onda T y

representa la despolarización ventricular. Su duración estará comprendida entre los 320 y

400 ms.

FiguraFiguraFiguraFigura 1.1.1.1. Diagrama de un pulso de corazón (complejo PQRST)









PartesPartesPartesPartes quequequeque lolololo integranintegranintegranintegran

Las partes de las que consta un electrocardiógrafo se enumeran a continuación, dondelas primeras cinco etapas corresponden a un amplificador de biopotenciales:

1. Circuito de protección.

2. Señal de calibración. Es importante una señal de calibración de 1 mV

3. Preamplificador.

4. Circuito de aislamiento.

5. Amplificador manejados.

6. Circuito manejados de pierna derecha. Este circuito es capaz de crear una tierrao referencia virtual para la pierna derecha del paciente, con el propósito de reducir losvoltajes en modo común. La disminución de los voltajes comunes provocados por unacorriente filtrada al paciente Id se obtiene al reducir la impedancia del electrodo detierra ZT.

7. Selector de derivaciones. El selector de derivaciones es un módulo que puedeacoplarse fácilmente a un sistema de amplificación de biopotenciales. Este móduloconsiste en un arreglo de resistencias que obtiene el contenido de las señales de cadaelectrodo, ponderando la contribución de cada uno por medio de resistencias yobteniendo de esta manera la derivación de interés.









8. Sistema de memoria. Los sistemas modernos de electrocardiografía guardan laseñal en una memoria para después imprimirse junto con la información introducidavía un teclado digital. Para esto es necesario un convertidor analógico digital queconvierta la señal del dominio analógico al dominio discreto.

9. Microcontrolador. El microcontrolador maneja todos los procedimientos llevadosa cabo por el electrocardiógrafo. El operador puede seleccionar diversos modos deoperación con procedimientos previamente programados. Por ejemplo, elmicrocontrolador puede realizar un registro de 12 derivaciones con tres latidos en cadauna o por segmentos de tiempo determinados. También puede efectuar un análisisentre el tiempo de las ondas R R para determinar la frecuencia cardiaca, además deque puede reconocer arritmias y patrones característicos de cardiopatías.

10. Registrador. Este módulo proporciona un registro impreso de la señal detectada,generalmente empleando plumillas y papel térmico, aunque también se sigueutilizando la inyección de tinta.[3]

ConfiguraciConfiguraciConfiguraciConfiguracióóóónnnn dededede AmplificadoresAmplificadoresAmplificadoresAmplificadores OperacionalesOperacionalesOperacionalesOperacionales

Usando retroalimentación negativa, en un amplificador operacional, es posible

obtener distintas configuraciones de amplificadores lineales. En la figura 2 se muestra un

amplificador inversor, el cual se obtiene utilizando retroalimentación de voltaje en paralelo

(voltaje-corriente).









1R2R

ov

iv1i

1i

FiguraFiguraFiguraFigura 2:2:2:2: Amplificador inversor.

Puesto que al usar RN, el voltaje diferencial de entrada en el Amp-Op es cero, para el

amplificador inversor tendremos que:

1

2

211

RR

vvA

Rv

Rvi

i

ov

oi

−==

−==

El signo negativo en la expresión de la ganancia de lazo cerrado del amplificador nos

indica que en la salida se tendrá una inversión de fase.

Además se utiliza un seguidor de voltaje su principal función es acoplar impedancias ya

que su ganancia es:









iv

ov

FiguraFiguraFiguraFigura 3:3:3:3: Amplificador seguidor de voltaje.

Un circuito integrador es básicamente un amplificador inversor al cual se le ha sustituido

el resistor de retroalimentación por un capacitor, tal como se aprecia en la siguiente

imagen:

oviv

R

C

1i

1i1v

2v

FiguraFiguraFiguraFigura 4:4:4:4: Circuito integrador

Para el circuito integrador tenemos que

( ) ( ) ( )

( ) ( )∫−=

−==

dttvRC

tv

dttdvC

Rtvti

io

oi

1

1









AmplificadorAmplificadorAmplificadorAmplificador dededede InstrumentaciInstrumentaciInstrumentaciInstrumentacióóóónnnnAmplificadoresAmplificadoresAmplificadoresAmplificadores dededede instrumentaciinstrumentaciinstrumentaciinstrumentacióóóónnnn vs.vs.vs.vs. Amp-OpAmp-OpAmp-OpAmp-Op’’’’s.s.s.s.

El amplificador de instrumentación (Amp-In) es un bloque de lazo cerrado quecuenta con una entrada diferencial y una salida referida a tierra. La impedancia de ambasterminales está balanceada y es muy elevada, típicamente de 109Ω. La corriente depolarización de entrada es baja, típicamente de 1nA a 50nA. Al igual que en unamplificador operacional (Amp-Op), su impedancia de salida es de unos pocos mili ohm abaja frecuencia.En un Amp-In la ganancia está internamente ajustada, y también es posible ajustarlaexternamente mediante un resistor.

AplicaciAplicaciAplicaciAplicacióóóónnnn TTTTíííípicapicapicapica dededede unununun Amp-InAmp-InAmp-InAmp-In

En la entrada del amplificador están presentes un voltaje diferencial y un voltaje de modocomún.

FiguraFiguraFiguraFigura 5:5:5:5: Amp.Op de instrumentación para medición.

El Amp-In rechaza la señal de modo común y solo amplifica la de modo diferencial.Si se utilizara un Amp-Op, este amplificaría de igual forma la señal diferencial y la demodo común, corriéndose el riesgo de que la señal diferencial quede sepultada entre eloffset de CD y el ruido.









Diferencias entre las Características de Entrada de un Amp-In y un Amp-Op

FiguraFiguraFiguraFigura 6:6:6:6: Amp.In vs Amp-Op común.

AmplificaciAmplificaciAmplificaciAmplificacióóóónnnn dededede lalalala SeSeSeSeññññalalalal yyyy RechazoRechazoRechazoRechazo dededede ModoModoModoModo ComComComComúúúúnnnn (CMR)(CMR)(CMR)(CMR)

El CMR es la habilidad de de un amplificador para cancelar una señal de modo común(CD o CA), mientras que amplifica una señal de modo diferencial. Esta es la función másimportante que proporciona un Amp-In.Un Amp-In de calidad tendrá un CMR de CD de 80dB a 120dB. Un CMR de CAinadecuado puede provocar un error significativo, el cual puede incrementarse a medidaque se incrementa la frecuencia.Factor de Rechazo de Modo Común (CMRR)Se define como

CM

D

OUT

CMD A

AVVACMRR =⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

En donde AD es la ganancia de modo diferencial, VCM es el voltaje de modo comúnpresente en la entrada y ACM es la ganancia de modo común.









El CMR puede expresarse en decibelesCMRRCMR 10log20=

RechazoRechazoRechazoRechazo dededede ModoModoModoModo ComComComComúúúún:n:n:n: Amp-OpAmp-OpAmp-OpAmp-Op´ssss vs.vs.vs.vs. Amp-InAmp-InAmp-InAmp-In

En un amplificador inversor o no inversor típico con Amp-Op, tanto la señal como elvoltaje de modo común están presentes en la salida.

FiguraFiguraFiguraFigura 7:7:7:7: Salida de un Amp. Op común amplificando entrada como Vcm

Al igual que en el caso de los amplificadores con Amp-Op, los buffers de un Amp-Inamplifican la señal diferencial, mientras que la señal de modo común es amplificada conganancia unitaria. La etapa diferencial del Amp-In se encarga de rechazar la señal demodo común.

FiguraFiguraFiguraFigura 8:8:8:8: Amp.In como buffer rechazando el Vcm.









AmplificadoresAmplificadoresAmplificadoresAmplificadores dededede InstrumentaciInstrumentaciInstrumentaciInstrumentacióóóónnnn DiscretosDiscretosDiscretosDiscretos yyyy MonolMonolMonolMonolííííticosticosticosticos

En general, los Amp-In construidos con Amp-Op´s ofrecen flexibilidad a bajo costo y enalgunos casos pueden tener un desempeño que no se logra con diseños monolíticos, talcomo un ancho de banda muy grande. En contraste, los diseños monolíticos proporcionanplena funcionalidad y son totalmente ajustados durante el proceso de fabricación,obteniéndose frecuentemente una mayor precisión que los diseños discretos.Los Amp-In monolíticos son más pequeños, más económicos y es más fácil aplicarlos.

FiguraFiguraFiguraFigura 9:9:9:9: Amp.In discreto.

Características de un Amp-In de Calidad- Alto CMR (CD y CA)- Bajo voltaje de offset y baja deriva en el voltaje de offset- Impedancia de entrada alta y apareada- Bajo error por la corriente de polarización de entrada- Bajo ruido- No linealidad reducida- Ajuste simple de ganancia- Ancho de banda adecuado- Conversión diferencial a terminal única- Alta razón de cambio y bajo ruido









Muchos amplificadores de instrumentación utilizan un amplificador diferencial en su etapade salida, lo cual puede limitar significativamente el rango de modo común en la entrada.Así, las señales de modo común inducidas por el equipo adyacente y por los elevadospotenciales de CD de distintas señales, pueden incrementar la tensión a la entrada delamplificador de instrumentación (INA), ocasionando que su etapa de entrada se sature.Principios de INALas señales de entrada al INA se dividen en una tensión de modo común, VCM, y unatensión diferencial, VD.

2−+ += ININ

CMVVV

−+ −= ININD VVVAsí tendremos que

2D

CMINVVV +=+ 2

DCMIN

VVV −=−

Tensiones en un INA clásico

FiguraFiguraFiguraFigura 10:10:10:10: Amp.In diagrama interno.









La salida de A1 y A2 es

11 2GVVV D

CM −=y

11 2GVVV D

CM −=donde G

F

RRG 211 +=

El amplificador A3 resta V1 de V2 y amplifica la diferencia con ganancia G2

( ) 212 GVVVO −= en donde 1

22 R

RG =

Incrementando el rango en el voltaje de modo común en la entrada.El máximo voltaje de salida antes de la saturación es

Considerando que V1,2 y VD/2 se mantienen constantes, la única forma de incrementar elvoltaje de modo común desde VCM hasta VCM’, consiste en reducir la ganancia de G1 aG1’, esto es

O bien

Reduciendo G1 se reduce el rango de la componente diferencial amplificada, G1’(VD/2),de esta forma se obtiene una expansión en el rango de VCM.La ganancia total del INA está dada por

21GGGTOT =









Si se reduce G1 es necesario incrementar G2 de tal forma que GTOT se mantenga en elmismo valor. Entonces el nuevo rango para la señal de modo común será

( )1''2

' 21 −+= GGVVV DCMCM

Dejando la ganancia de la primera etapa en 1, se hará necesario modificar la ganancia delamplificador diferencial.

FiguraFiguraFiguraFigura 11:11:11:11: Configuraciones para modificar la ganancia del Amp.In.

RemociRemociRemociRemocióóóónnnn dededede potencialespotencialespotencialespotenciales diferencialesdiferencialesdiferencialesdiferenciales elevadoselevadoselevadoselevados dededede CDCDCDCD

En electrocardiografía se presenta el reto adicional de diseño para detectar pequeñasseñales de CA dentro de potenciales elevados de CD.Sobre distintas partes del cuerpo se registran potenciales eléctricos de CA de 0.5 a 1.5mV, con un ancho de banda de 0.05 a 100 Hz, y en ocasiones hasta 1 KHz. Esta señalestá sobrepuesta a un offset de CD de hasta ±500 mV y a un voltaje de modo común dehasta 1.5 V. El voltaje de modo común está conformado por una interferencia de 50 o 60Hz y un potencial de offset de los electrodos.Amplificador diferencial con filtro pasa-bajas y etapa de ganancia.









FiguraFiguraFiguraFigura 12:12:12:12: Etapas de filtrado de la señal para un electrocardiógrafo utilizando un Amp.In.

Si R1=R2, entonces

La frecuencia de corte fo puede ser incrementada a fo’ por el factor G2, de tal forma que

[1]

PuertoPuertoPuertoPuerto ParaleloParaleloParaleloParalelo

Existen dos métodos básicos para transmisión de datos en las computadorasmodernas. En un esquema de transmisión de datos en serieserieserieserie un dispositivo envía datos aotro a razón de un bit a la vez a través de un cable. Por otro lado, en un esquema detransmisión de datos en paraleloparaleloparaleloparalelo un dispositivo envía datos a otro a una tasade n número de bits a través de n número de cables a un tiempo. Sería fácil pensar queun sistema en paralelo es n veces más rápido que un sistema en serie, sin embargo estono se cumple, básicamente el impedimento principal es el tipo de cable que se utiliza parainterconectar los equipos. Si bien un sistema de comunicación en paralelo puede utilizar









cualquier número de cables para transmitir datos, la mayoría de los sistemas paralelosutilizan ocho líneas de datos para transmitir un byte a la vez, como en todo, existenexcepciones, por ejemplo el estándar SCSI permite transferencia de datos en esquemasque van desde los ocho bits y hasta los treinta y dos bits en paralelo. En éste artículo nosconcentraremos en transferencias de ocho bits ya que ésta es la configuración del puertoparalelo de una PC. Un típico sistema de comunicación en paralelo puede ser de unadirección (unidireccional) o de dos direcciones (bidireccional). El más simple mecanismoutilizado en un puerto paralelo de una PC es de tipo unidireccional y es el queanalizaremos en primer lugar. Distinguimos dos elementos: la parte transmisora y la partereceptora. La parte transmisora coloca la información en las líneas de datos e informa a laparte receptora que la información (los datos) están disponibles; entonces la partereceptora lee la información en las líneas de datos e informa a la parte transmisora que hatomado la información (los datos). Observe que ambas partes sincronizan su respectivoacceso a las líneas de datos, la parte receptora no leerá las líneas de datos hasta que laparte transmisora se lo indique en tanto que la parte transmisora no colocará nuevainformación en las líneas de datos hasta que la parte receptora remueva la información yle indique a la parte transmisora que ya ha tomado los datos, a ésta coordinación deoperaciones se le llama acuerdo ó entendimiento. Bien, en éstos ámbitos tecnológicos esrecomendable utilizar ciertas palabras en inglés que nos permiten irónicamente un mejorentendimiento de los conceptos tratados. Repito: a la coordinación de operaciones entrela parte transmisora y la parte receptora se le llama handshakinghandshakinghandshakinghandshaking, que en español es elacto con el cual dos partes manifiestan estar de acuerdo, es decir, se dan un apretón demanos.

ElElElEl handshakinghandshakinghandshakinghandshaking

Para implementar el handshaking se requieren dos líneas adicionales. La línea deestroboscopioestroboscopioestroboscopioestroboscopio (en inglés strobe) es la que utiliza la parte transmisora para indicarle a laparte receptora la disponibilidad de información. La línea de admisiadmisiadmisiadmisióóóónnnn (acknowledge) esla que utiliza la parte receptora para indicarle a la parte transmisora que ha tomado lainformación (los datos) y que está lista para recibir más datos. El puerto paralelo proveede una tercera línea de handshaking llamada en inglés busybusybusybusy (ocupado), ésta la puede









utilizar la parte receptora para indicarle a la parte transmisora que está ocupada y por lotanto la parte transmisora no debe intentar colocar nueva información en las líneas dedatos. Una típica sesión de transmisión de datos se parece a lo siguiente:

ParteParteParteParte transmisora:transmisora:transmisora:transmisora:

· La parte transmisora checa la línea busy para ver si la parte receptora está ocupada.Si la línea busy está activa, la parte transmisora espera en un bucle hasta que lalínea busy esté inactiva.· La parte transmisora coloca la información en las líneas de datos.· La parte transmisora activa la línea de strobe.· La parte transmisora espera en un bucle hasta que la línea acknowledge está activa.· La parte transmisora inactiva la línea de strobe.· La parte transmisora espera en un bucle hasta que la línea acknowledge esté inactiva.· La parte transmisora repite los pasos anteriores por cada byte a ser transmitido.

ParteParteParteParte receptora:receptora:receptora:receptora:

· La parte receptora inactiva la línea busy (asumiendo que está lista para recibirinformación).· La parte receptora espera en un bucle hasta que la línea strobe esté activa.· La parte receptora lee la información de las líneas de datos (y si es necesario, procesalos datos).· La parte receptora activa la línea acknowledge.· La parte receptora espera en un bucle hasta que esté inactiva la línea de strobe.· La parte receptora inactiva la línea acknowledge.

· La parte receptora repite los pasos anteriores por cada byte que debe recibir.

Se debe ser muy cuidadoso al seguir éstos pasos, tanto la parte transmisora como lareceptora coordinan sus acciones de tal manera que la parte transmisora no intentará









colocar varios bytes en las líneas de datos, en tanto que la parte receptora no debe leermás datos que los que le envíe la parte transmisora, un byte a la vez.

ElElElEl hardwarehardwarehardwarehardware deldeldeldel puertopuertopuertopuerto paraleloparaleloparaleloparalelo

El puerto paralelo de una típica PC utiliza un conector hembra de tipo D de 25 patitas(DB-25 S), éste es el caso más común, sin embargo es conveniente mencionar los trestipos de conectores definidos por el estándar IEEEIEEEIEEEIEEE 1284128412841284, el primero, llamado 1284128412841284 tipotipotipotipoAAAA es un conector hembra de 25 patitas de tipo D, es decir, el que mencionamos alprincipio. El orden de las patitas del conector es éste:

FiguraFiguraFiguraFigura 13:13:13:13: Esquemático del Puerto Paralelo

[4]

ConvertidoresConvertidoresConvertidoresConvertidores analanalanalanalóóóógicos-digitales.gicos-digitales.gicos-digitales.gicos-digitales.

Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívocaentre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. Larelación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión dereferencia.









La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo yen los conceptos de cuantificación y codificación.

Una primera clasificación de los convertidores A/D, es la siguiente:

Conversores de transformación directa.Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar.

CircuitosCircuitosCircuitosCircuitos dededede capturacapturacapturacaptura yyyy mantenimientomantenimientomantenimientomantenimiento (S/H:Sample(S/H:Sample(S/H:Sample(S/H:Sample andandandand Hold).Hold).Hold).Hold).

Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señalanalógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor,generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D,propiamente dicha.

El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representaciónsimplificada, se ofrece en la figura:









El funcionamiento del circuito de la figura es el siguiente: El convertidor A/D manda unimpulso de anchura tw por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándoseel condensador C, dutrante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en el condensadorsigue la tensión de entrada. Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquiridacuando se abre el interruptor.

En la siguiente figura se muestran las formas de las señales de entrada, salida y gobiernodel interruptor.









El gráfico tiene un carácter ideal, puesto que tanto la carga como la descarga delcondensador están relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias ycapacidades parásitas asociadas al circuito.

Se recalca el hecho de que el control de la señal C/M procede del convertidor A/D, que esel único que conoce elmomento en que finaliza la conversión de la señal.

ConversorConversorConversorConversor A/DA/DA/DA/D conconconcon comparadores.comparadores.comparadores.comparadores.

Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramenteseparados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entreun número finito de niveles de tensión . Estos comparadores reciben en sus entradas laseñal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de









ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal deentrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer elestado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación seránecesario un codificador que nos entregue la salida digital.

Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugarde secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los depropagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida alos casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuantose desee obtener una resolución alta.









ConversorConversorConversorConversor A/DA/DA/DA/D conconconcon contadores.contadores.contadores.contadores.

Llamado también convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo de losconversores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados en la figura siguiente:

UnUnUnUn comparador,comparador,comparador,comparador, reloj,reloj,reloj,reloj, circuitocircuitocircuitocircuito dededede capturacapturacapturacaptura yyyy mantenimientomantenimientomantenimientomantenimiento (S&H),(S&H),(S&H),(S&H), contador,contador,contador,contador,conversorconversorconversorconversor D/AD/AD/AD/A yyyy buffersbuffersbuffersbuffers dededede salida.salida.salida.salida.

Una vez que el circuito de captura y mantenimiento (S/H), ha muestreado la señalanalógica, el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del reloj.El resultado de este contaje se transforma en una señal analógica mediante unconvertidor D/A, proporcional al número de impulsos de reloj recibidos hasta ese instante.

La señal analógica obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa unacomparación entre la señal de entrada y la señal digital convertida en analógica. En el









momento en que esta última alcanza el mismo valor ( en realidad algo mayor) que la señalde entrada, el comparador bascula su salida y se produce el paro del contador.

El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida digital correspondientea la señal de entrada.

Este convertidor tiene dos inconvenientes:

Escasa velocidad.Tiempo de conversión variable.

El segundo inconveniente puede comprenderse fácilmente con la ayuda de la siguientefigura, en la que se aprecia que el número de impulsos de reloj (tiempo), precisos paraalcanzar el valor Vien el conversor D/A depende del valor de Vi.









Dicho tiempo de conversión viene dado por la expresión:

[5]

DESARROLLODESARROLLODESARROLLODESARROLLO DEDEDEDE LALALALA PRPRPRPRÁÁÁÁCTICACTICACTICACTICAUtilizamos el siguiente material y equipo:

EQUIPOEQUIPOEQUIPOEQUIPOOsciloscopio de dos canales de 20 MHz

Fuente de poder dual

Fuente de poder 5V

Multímetro digital

Tablilla de prueba

COMPONENTESCOMPONENTESCOMPONENTESCOMPONENTES2 Amplificador Operacional TL084









1 Amplificador de Instrumentación INA 128P

1 ADC0804

Resistores de 1MΩ, 390 KΩ ,100 KΩ,10 KΩ,3.9KΩ, 2.8 KΩ,1KΩ ¼ Watt

4 Capacitores cerámicos de .1µf

1 Capacitor de tantalio de 10 µf

Botón pulsador

MATERIALMATERIALMATERIALMATERIALPinzas de corte

Pinzas de punta fina

Cable para conexión

Blindaje para de cable coaxial

Electrodos pediátricos con sustrato de plata

Puerto DB25 macho

PROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTOPROCEDIMIENTO

El procedimiento se explica a continuación:

1.- Primer paso es armar las etapas de acondicionamiento de señal con Amp.op´s

comunes utilizando un inversor y un seguidor para la señal del pie izquierdo.

2.- Después esa salida se envía el RG del Amp.In. Después se acondiciona la señal del

Amp.In. con una amplificador integrador con ganancia 101 ya que la señal que se

adquiere es el orden de los mV por la tanto se tiene que amplificar.









3.-La señal de referencia del Amp.In. se manda a otro amplificador integrador para no

llevarlo a tierra y ver siempre una línea recta en la salida de la señal.

4.- A la señal ya amplificada del ECG se manda a un amplificador de diferencia el cual

funcional como offset para evitar así que no podamos visualizar de manera completa la

forma de onda del ECG.

5.- La señal ya con offset se envía al ADC para convertirla y poderla ver en pantalla los

datos se envían a través del puerto paralelo.

PRECAUCIPRECAUCIPRECAUCIPRECAUCIÓÓÓÓN:N:N:N: AntesAntesAntesAntes dededede energizarenergizarenergizarenergizar loslosloslos circuitos,circuitos,circuitos,circuitos, ajusteajusteajusteajuste cuidadosamentecuidadosamentecuidadosamentecuidadosamente loslosloslos voltajesvoltajesvoltajesvoltajesdededede lalalala fuentefuentefuentefuente dededede poder.poder.poder.poder. NoNoNoNo conecteconecteconecteconecte oooo desconectedesconectedesconectedesconecte componentescomponentescomponentescomponentes deldeldeldel circuitocircuitocircuitocircuito sinsinsinsin antesantesantesantesapagarapagarapagarapagar lalalala fuente,fuente,fuente,fuente, yayayaya quequequeque sesesese puedenpuedenpuedenpueden dadadadaññññarararar loslosloslos circuitoscircuitoscircuitoscircuitos integrados.integrados.integrados.integrados.









ResultadosResultadosResultadosResultadosEn esta práctica se obtuvieron los resultados planeados dando como resultado una

medición confiable de la frecuencia cardiaca, a continuación se presentan los circuitosutilizados y las respuestas de los mismos en la práctica.

U1U1U1U1

INA128PINA128PINA128PINA128P

6

4

7

3

2

5

1

8U2AU2AU2AU2A

TL084BCNTL084BCNTL084BCNTL084BCN

3

211

4

1

U2BU2BU2BU2B


5

611

4

7

R1R1R1R1

390kΩ390kΩ390kΩ390kΩ R2R2R2R2

10kΩ10kΩ10kΩ10kΩ

R3R3R3R3


R4R4R4R4

2.8kΩ2.8kΩ2.8kΩ2.8kΩ

R5R5R5R5

2.8kΩ2.8kΩ2.8kΩ2.8kΩ

V3V3V3V3

576mV 576mV 576mV 576mV Mano DerechaMano DerechaMano DerechaMano DerechaV4V4V4V4576mV 576mV 576mV 576mV MAno IzquierdaMAno IzquierdaMAno IzquierdaMAno Izquierda

V5V5V5V5576mV 576mV 576mV 576mV Pie IzquierdoPie IzquierdoPie IzquierdoPie Izquierdo

V6V6V6V615 V 15 V 15 V 15 V

V7V7V7V715 V 15 V 15 V 15 V

POSPOSPOSPOS

NEGNEGNEGNEG

POS_1POS_1POS_1POS_1

NEG_1NEG_1NEG_1NEG_1 NEG_2NEG_2NEG_2NEG_2

POS_2POS_2POS_2POS_2

U3AU3AU3AU3A


3

211

4

1

U4AU4AU4AU4A


3

211

4

1

POS_3POS_3POS_3POS_3POS_4POS_4POS_4POS_4

NEG_3NEG_3NEG_3NEG_3NEG_4NEG_4NEG_4NEG_4

R6R6R6R61MΩ1MΩ1MΩ1MΩ

C1C1C1C1

.1µF.1µF.1µF.1µF

C2C2C2C2

.1µF.1µF.1µF.1µF

R7R7R7R7

1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ

R8R8R8R8


FiguraFiguraFiguraFigura 13:13:13:13: Esquemático del Circuito implementado para el electrocardiógrafo.









FiguraFiguraFiguraFigura 14:14:14:14: Esquemático del Circuito implementado para generar el offset del ECG

Después de posicionar la señal en el punto deseado la señal resultante de envíadirectamente al convertidor analógico-digital el cual a su vez está conectado al puertoparalelo de la computadora.

+5V

1.5K

10KLM3360.1uF

0.1uF

10uFtantalio

+5V

Iniciarconversión

Entradaanalógica

0-5V

10K

LSB MSB

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

19 18 17 16 15 14 13 12 1120

2 3 4 5 6 7 8 9 25

DGNDAGND

ADC0805

Conector macho DB25

150pF

FiguraFiguraFiguraFigura 15:15:15:15: Esquemático del ADC y configuración del puerto paralelo.

U1AU1AU1AU1A

TL084ACDTL084ACDTL084ACDTL084ACD

3

2 11

4

1

R1R1R1R1

100kΩ100kΩ100kΩ100kΩR2R2R2R2


R3R3R3R3


R4R4R4R4100kΩ100kΩ100kΩ100kΩ

R5R5R5R5

1kΩ1kΩ1kΩ1kΩ

R6R6R6R6

3.9kΩ3.9kΩ3.9kΩ3.9kΩV1V1V1V1-12 V -12 V -12 V -12 V

V2V2V2V2

0 V 0 V 0 V 0 V ECGECGECGECG









FiguraFiguraFiguraFigura 16:16:16:16: Circuito físico del electrocardiógrafo.

Este circuito que se muestra en la figura anterior es sencillo pero al aplicarlo de

forma correcta nos sirva como un electrocardiógrafo con una salida de buen nivel que

después se filtrara en in VI de LabVIEW.









FiguraFiguraFiguraFigura 15:15:15:15: Electrodos usados para medición del electrocardiógrafo.

Los electrodos que utilizamos son del tipo pediátricos que contienen sustrato deplata que los hace tener una buena conductividad además de ser muy económicos. En lassiguientes dos figuras se muestra el diagrama de bloques del VI implementado ademásde la salida mostrada en el osciloscopio.









FiguraFiguraFiguraFigura 16:16:16:16: Diagrama de bloques del Vi para el electrocardiógrafo.









FiguraFiguraFiguraFigura 17:17:17:17: Salida del osciloscopio del electrocardiógrafo.

FiguraFiguraFiguraFigura 18:18:18:18: Salida del VI del electrocardiógrafo.









Al finalizar la etapa del filtrado en el VI se muestra la salida anterior que es de grancalidad casi contrastada con un electrocardiograma de laboratorio profesional.

ConclusionesConclusionesConclusionesConclusiones

José Alberto Corona Benavides:En la presente practica aplicamos los conocimientos previos de la materia que

me está dotando de aprendizajes significativos que ya he focalizado para aplicarlos a

proyectos a mediano plazo, en lo que compete a esta práctica el realizar un

electrocardiógrafo y toparnos como siempre con algunas complicaciones en este caso lo

que nos genero conflicto fue un arreglo de resistencias desfasadas un lugar y el valor de

una capacitancia pero lo detectamos en el momento justo, me llena de alegría solventar

esta situación ya que eso me confirma como debemos de trabajar que es de forma

modular etapa tras etapa del proyecto para al final integrarlos y obtener los resultados

deseados que es este caso se lograron, el equipo se integro muy bien, aportamos todos

nuestro punto de vista y llegamos al fin con los medio necesarios para generar el

electrocardiógrafo y dar salidas de señal de gran calidad mostrando los resultado en un VI

que el profesor nos ayudo a realizar.

Luis Fernando Jiménez LópezPara esta práctica, aplicamos algunos concomimientos provenientes del área de

medicina, sin embargo no podemos prescindir el hecho de ver al cuerpo humano









como un circuito complejo, de alguna manera. Cabe destacar que los voltajes

obtenidos del pulso, generaron una gran cantidad de problemas para acoplarlos a las

etapas de amplificación. El punto clave de nuestro error hace referencia a la pequeña

cantidad de voltaje generado por el cuerpo humano y que dadas las circunstancias de

ambiente y sensores manejamos grandes pérdidas, para esta etapa fue necesario la

inclusión de cable blindado sensores de pediatría. En resumen, me deja satisfecho el

trabajo realizado por el equipo así como los resultados obtenidos.

Edgar Noé Colmenares CoronaUna práctica muy buena, por primera vez aplicamos los amplificadores

operacionales a un caso real, “el armando de un electrocardiógrafo”, esta práctica no nos

genero muchos problemas, los problemas generalmente se relacionaron con los

materiales y con el diseño del circuito que inicialmente estaba mal armado (una simple

resistencia desplazada), principalmente el problema que tuvimos fueron los electrodos

mal colocados y el cable inadecuado que los conectaba, el cual fue remplazado por un

cable blindado. Los resultado de la practica fueron muy positivos, el monitoreo después

de unos ajustes del maestro, resulto muy fiable. Me alegra haber concluido esta práctica

de esa manera, me motiva la implementación en casos reales y espero una práctica

similar pronto.









BibliografBibliografBibliografBibliografííííaaaa[1]Prácticas Unidad 1

M.I.E. Jorge Horacio Mejía García

2011

Español

[2] http://www.surmedical.com/wiki/index.php?title=Electrocardi%C3%B3grafo

[3] http://www.uvmnet.edu/investigacion/episteme/numero1-05/reportes/a_diseno.asp

[4] http://www.modelo.edu.mx/univ/virtech/circuito/paralelo.htm

[5] http://www.ifent.org/Lecciones/digitales/secuenciales/Teorema_Muestreo.htm









AnexosAnexosAnexosAnexosConfiguraciConfiguraciConfiguraciConfiguracióóóónnnn deldeldeldel INAINAINAINA 128P128P128P128P

ConfiguraciConfiguraciConfiguraciConfiguracióóóónnnn ADC0804ADC0804ADC0804ADC0804 ConfiguraciConfiguraciConfiguraciConfiguracióóóónnnn deldeldeldel TL084TL084TL084TL084


practica 2 - electrocardiografo y convertidor adc con puerto paralelo

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