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Tema 07: Acondicionamiento
M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez
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1
• Acondicionamiento de una señal
• Caracterización del sensor
• Etapas del acondicionamiento
• Circuitos Amplificadores
• Circuito amplificador estabilizado
• Amplificado Operacional
•
•
•
•
•
•
•
• Comportamiento a lazo abierto
• Comportamiento a lazo cerrado
Instrumentación
07 Acondicionamiento
Prof. Edgardo Adrián Franco Martínez
Contenido
Amplificador Inversor
Amplificador Sumador Inversor
Amplificador No Inversor
Amplificador Diferencial
Conversor de corriente a voltaje
Conversor de voltaje a corriente
Amplificador de instrumentación
• Acondicionamiento Lineal
• Ejemplo 01
• Ejemplo 02
• Ejemplo 03
2
• El acondicionamiento consiste en la manipulación
electrónica de la señal proveniente directamente del
sensor, a través de circuitos acondicionadores, para
obtener rangos de voltajes o corrientes adecuados a
las características del diseño.
• El acondicionamiento resulta conveniente al
momento de realizar instrumentación ya que al tener
una señal de la variable a medir con rangos de
voltaje más amplios, se puede obtener mayor
resolución en la medición, además de presentar
mayor inmunidad al ruido en el ambiente de la
medición.
Instrumentación
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Acondicionamiento de una señal
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• Para ello se hace necesaria la etapa de caracterización
del sensor.
Instrumentación
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• Para lograr un adecuado acondicionamiento de la señal
proveniente del sensor, es necesario conocer el
comportamiento de su señal de salida según los
cambios en las variables físicas a las que responde.
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• Una buena caracterización genera mediciones con un buen nivel
de exactitud.
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• La caracterización de un sensor consiste en el cálculo de la
ecuación característica de su comportamiento. Esto se refiere
a la ecuación que determina la razón de cambio en la variable
de salida, generalmente una variable eléctrica, con respecto a
la variable de entrada, generalmente de índole físico; o
viceversa, el cálculo de la razón de cambio de la variable de
entrada al tener cierta señal de salida. La caracterización de
los sensores resulta esencial para la interpolación de valores.
5
.
Amplificación
Filtrado
Linealización
Modulación /
Demodulación
Señal del
sensor
Acondicionamiento
Señal para
conversión
digital
• Amplificación: Incrementar el nivel de potencia de la señal
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Etapas del acondicionamiento
• Filtrado: Eliminar las componentes de la señal no deseadas
• Linealización: Obtener una señal de salida que varié linealmente con la
variable que se desea medir
• Modulación / Demodulación: Modificar la forma de la señal a fin de poder
transmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente a
interferencias durante el transporte.
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• Frecuentemente las señales de un sensor no pueden ser
utilizadas directamente después de su estricta producción;
debido a que estas pueden ser demasiado fuertes o
demasiado débiles; o en algunos casos sus formas no son las
más apropiadas para realizar la medición de las variables
físicas; otras veces puede ocurrir que no se produzcan en el
momento oportuno, etc.
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Circuitos Amplificadores
• Si una señal resulta demasiado débil para su utilización, se
precisa amplificar, es decir, aumentar su magnitud ya sea en
una sola o en varias sucesivas etapas, y ello es lo que llevan a
cabo los amplificadores.
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• Aprovechar rango dinámico del ADC en la etapa de conversión de la
señal a digital
• Eliminar o reducir ruidos en la señal
• Mejorar la definición de la señal para su medición
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• La amplificación de la señal del sensor permite poder
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• La ganancia de una señal es una magnitud que expresa la
relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la
señal de entrada.
• La ganancia es una magnitud adimensional que se mide en
unidades como belio (B) o múltiplos de éste como el
decibelio (dB).
Instrumentación
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Ganancia de una señal
Ganancia de potencia
Ganancia en tensión
Guanacia en corriente
9
Instrumentación
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Circuito amplificador estabilizado
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Amplificado Operacional Básico
El amplificador operacional
es un circuito electrónico
que tiene dos entradas y una
salida. La salida es la
diferencia de las dos
entradas multiplicada por un
factor G( ganancia):
Vout = G (V+ − V−)
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita,
un ancho de banda infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de
respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita
también se dice que las corrientes de entrada son cero.
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Amplificado Operacional
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Comportamiento a lazo abierto
• Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus
dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del
orden de 100,000 (que se considerará infinito en cálculos con el
componente ideal).
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Amplificador operacional a lazo abierto
Comparador
• Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las
dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea
mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.
12
.
• La tensión en la entrada + sube y, por tanto, la tensión en la salida
también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la
entrada -, la tensión en esta entrada también se eleva, por tanto la
diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose
también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que
la salida es la necesaria para mantener las dos entradas,
idealmente, con el mismo valor.
• .
Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para
adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran
impedancia a otro con baja impedancia y viceversa).
Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual:
Vout = Vin; Zin = ∞
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Amplificador operacional a lazo cerrado
Comportamiento a lazo cerrado
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Instrumentación
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Amplificador operacional inversor
Amplificador Inversor
Vi 
R 2
R1 I1=I2 Vo
Vi
 = - 


Vo
R1
I2 = - 
R 2 
I1=
• V+ está conectada a tierra (V+=0).
• (V+) (V-)=0, la terminal inversora (negativa) esta
al mismo potencial que la no-inversora y se
denomina: tierra virtual.
• La corriente I1 se encuentra usando la ley de
Ohm. La corriente I1 fluye solamente hacia R2.
Esto es I1=I2.
• La resistencia presentada a Vi es R1.
• Entonces: (V-) = (V+) Vo = -(R2/R1) Vi
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Instrumentación
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Amplificador operacional sumador inversor
Amplificador Sumador Inversor
V1 
R1 
V 2 
R 3
R 3 
I2 =
V2 
V1
I3 = I1 I2  Vo = - 
R2
R2
R1 

Vo
I3 = 
R 3 
I1 =
• (V+) esta conectado a tierra, o (V+)=0.
• Debido a que (V-) = (V+), la señal inversora
tiene un potencial de cero y se le
denomina tierra virtual.
• Las corrientes I1, I2 e I3 se calculan
usando la ley de Ohm.
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Instrumentación
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Amplificador operacional no inversor
Amplificador No Inversor

I1 =  R 2 
R 1 
I1 = I2  Vo = 1 
Vi
 R 1 
Vi - Vo
I2 =

R 2 
Vi
• (V+) está conectada a Vi.
• (V+) = (V-) = Vi
• De nuevo, la corriente I1 se calcula usando la ley
de Ohm. I1 fluye a través de R2 e I1=I2.
• El circuito presenta una resistencia muy grande a
Vi
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Instrumentación
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Amplificador operacional diferencial
Amplificador Diferencial
R2

V2
R 2  R1

IA =

R2
R1
(V2 - V1)
IA = IB  Vo =
R2
R1
V2 - Vo 
R
2

R1
IB =


R2
V1-
• (V+) se obtiene de la división de voltajes:
(V+) = [R2/(R2 + R1)]V2
• Las corrientes IA e IB se calculan usando la
ley de Ohm.
• IA = IB y (V+) = (V-)
• Vo se obtiene de una substitución sencilla.
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Conversor de corriente a voltaje
Convertidor I-V inversor
• (V+) está conectado a tierra, o (V+) = 0
• (V-) = (V+) = 0, La terminal inversora es tierra
virtual
• I fluye solamente a través de R.
• R determina la constante de proporcionalidad
entre la corriente y el voltaje.
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Amplificador operacional conversor de corriente a voltaje
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Instrumentación
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Amplificador operacional conversor de voltaje a corriente
Conversor de voltaje a corriente
Convertidor del tipo V-I (carga flotada)
• (V+) esta conectado a Vi.
• (V-) = (V+), de tal forma que la terminal
inversora tiene el mismo potencial que Vi.
• La corriente a través de R1 es IL. La
corriente IL no depende de la resistencia
RL.
• Notar que la carga esta flotada.
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IL =
1
( VIN
- VREF
)
R1
Convertidor V-I con carga aterrizada
• IL no depende de RL. Sólo depende de VIN
y VREF.
• 1/R1 determina la constante de
proporcionalidad entre V y I.
• Notar que la carga esta referenciada a
tierra.
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Otro conversor de voltaje a corriente
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Amplificador de instrumentación
Este amplificador es una herramienta poderosa para medir señales análogas
de bajo nivel que se originan en sensores remotos y que se transmiten a través
de un par de alambres.
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Amplificador de instrumentación
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Amplificador de instrumentación integrado
Instrumentación
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Amplificador de instrumentación integrado
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Amplificadores de instrumentación comerciales
http://mx.mouser.com/Semiconductors/Amplifier-ICs/Instrumentation-Amplifiers/_/N-4fs16
Ejemplo 1
• Usando amplificadores operacionales, diseñar el
siguiente circuito aritmético:
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Acondicionamiento Lineal
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Instrumentación
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Solución
1. Usar un amplificador sumador inversor con
entradas Vi y 5 Volts, ajustar la ganancia a 3.4 y 1,
respectivamente.
V1 
R1 
V 2 
R 3
R 3 
I2 =
V2 
V1
I3 = I1 I2  Vo = - 
R2
R2
R1 

Vo
I3 = 
R 3 
I1 =
24
Vi 
R 2
R1 I1=I2 Vo
Vi
 = - 

Vo
R1 
I2 = - 
R 2 
Instrumentación
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2. Usar un amplificador inversor para volver a invertir
la señal.
I1=
25
1 
1 
R 3
R 3 
2 
V2 
V1
I3 = I1 I2  Vo = - 
2
R2
R1 

Vo

R 3 
Vo = -
R 2 
Vi
R1 
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Finalmente
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Ejemplo 2
• Diseñar un circuito basado en amplificadores
operacionales que convierta un rango de voltajes de
20 a 250 mV a un rango de 0 a 5 V.
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Acondicionamiento Lineal
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Vout = Vin
Zin = ∞
Instrumentación
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1. Utilizar una configuración seguidora a la entrada
para acoplar la señal de entrada.
28
R2

V2
R 2  R1

IA =

R2
R1
(V2 - V1)
IA = IB  Vo =
R2
R1
V2 - Vo 
R
2

R1
IB =


R2
Instrumentación
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2. Utilizar un amplificador en su configuración
diferencial.
V1-
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Instrumentación
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Finalmente
Resolviendo las ecuaciones
se encuentra a m=21.7
R2

V2
R 2  R1

IA =

R2
R1
(V2 - V1)
IA = IB  Vo =
R2
R1
V2 - Vo 
R
2

R1
IB =


R2
V1-
30