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Acondicionadores de Señales JUNIO 2004 Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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 una forma adecuada y fiable para su procesamiento Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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 corrientes alternas 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. Condición de Equilibrio RX R2 R RX R3 * 2 R3 R1 R1 Corriente a través del Voltímetro. Voltaje de Salida: R2 RX V0 Vin R1 R2 R3 R X ETh IV0 RTh Rg Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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 corriente alterna a un nivel y una frecuencia determinada. Es utilizado con capacitores o inductores VBD VCD I1 Z 3 I 2 Z X Vin I1 Z1 Z 2 Condición de Equilibrio Z X Z1 Z 2 Z 3 ó YX Y1 Y2Y3 X 1 2 3 Vin I2 Z3 Z X ó Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Amplificadores Operacionales Son elementos de amplificación de alta ganancias, utilizados para trabajar con señales de poco voltaje. Son utilizados para amplificar señales 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. V0 K D V2 V1 Características Reales de un Amplificador Operacional Ganancia Ancho de Banda Impedancia de Salida de 103 a 109 de 0 a MHz de 25Ω a 50Ω Impedancia de Entrada de 105 a 1012 Señal de Salida cuando V1=V2 muy pequeña Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Amplificadores Operacionales Diferencial a lazo abierto: Esta configuración fue discutida con anterioridad, sin embargo vale resaltar que el voltaje de salida esta dado 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. Idealmente V0 K D V2 V1 Los amplificadores operacionales poseen una ganancia de modo común KC, la cual es función de los voltajes de entrada, genera una salida no deseada. Los buenos amplificadores operacionales tienen una CMRR >1000 V2 V1 Vo K D (V2 V1 ) K C 2 CMRR KD KC Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Seguidor de Tensión: Este se comporta básicamente como el amplificador de tensión ideal, tiene una impedancia de entrada muy grande, 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. Amplificadores Operacionales Ganancia de lazo Cerrado Vsal ALC *Ven AB *Ven Si se cumple que: I R2 VX R2 y I R1 Vsal V X R1 Vsal Ven Ven R1 R2 ALC Vsal R 1 1 Ven R2 Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora La fracción de retroalimentación y viene dada por: Amplificadores Operacionales R2 B R1 R2 ó 1 Vsal B Ven La impedancia de entrada a lazo cerrado Ven Veror BV sal Ven Veror ABV eror (1 AB)Veror Ven (1 AB)ien Z en Ven (1 AB) Z en ien Z en(LC) (1 AB)Z en La impedancia de salida a lazo cerrado: Z sal( LC ) Z sal 1 AB Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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: V0 V X V X Ven R2 R1 Las impedancias de entrada y salida: Z en ( LC ) Rf A 1 y Z sal A* Rf A 1 ALC V0 R 2 Ven R1 Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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 ecuación que 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: Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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 R f R1 R3 V0 V1 * V2 R1 R R R 3 1 2 Rf Si hacemos R1 = R2 y además Rf = R3, tendremos que la salida será V0 Rf R1 V2 V1 Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Amplificadores Operacionales Sumador Inversor: Esta configuración es una modificación del seguidor inversor, con la ventaja que puede amplificar más de una señal 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. Rf Rf Rf V0 V1 V2 V3 R2 R3 R1 Si R1 = R2 = R3, la ecuación queda: V0 (V1 V2 V3 ) Rf R1 Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Amplificador de Instrumentación El mas usual de los tipos de amplificadores de instrumentación se hace con tres amplificadores operacionales y se obtiene un mejor desempeño con respecto a un solo amplificador. Al ser tres amplificadores estos presentan un rechazo de modo común al menos diez veces mayor. R 2 R V0 3 1 2 V2 V1 R1 R4 Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Amplificadores de Aislamiento Son una subclase de los amplificadores de instrumentación y su función primordial es la de aislar eléctricamente el circuito de entrada 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. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora 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 señales analógicas 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. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Filtro Básico Pasa Bajas Filtros Activos -20dB/Dec 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 al amplificador 1 wc 2f c RC wc Esta dada en radianes por segundos fc Esta dada en hertz R Esta dada en ohm C Esta dada en Faradios R 0.707 wc C1 Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Filtros Activos -40dB/Dec 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) 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: 0.707 R wc C1 Acondicionadores de Señales Filtro Básico Pasa Altas Filtros Activos -20 dB/Dec Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Los filtros pasa altas, son filtros que atenúan una señal mientras su frecuencia esta por debajo de la frecuencia critica wc, una vez superada esta frecuencia, se permite el paso de la señal de entrada sin ninguna restricción. 1 w 2f c c RC 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. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Filtros Activos -40 dB/Dec 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 filtro de 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). 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 R1 2 R2 1.414 wc C Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Filtro Pasa Banda 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 de frecuencia esta limitada por una frecuencia mínima y una máxima. B = fh – fl fr fl fh fr Q B fl B2 B 2 fr 4 2 y fh fl B Acondicionadores de Señales Filtro Pasa Banda de Banda Ancha Filtros Activos Pasa Banda Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Para la construcción de un filtro de banda ancha (Q≤0.5), se deben conectar en cascada dos filtros, recomendablemente con la misma ganancia en su frecuencia de resonancia. Uno de los filtros es un pasa bajas y el otro un pasa altas 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. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Filtro Pasa Banda de Banda Angosta 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, la resistencia 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 0.1591 B RC fr B 0.1125 R 1 RC Rr R Rr 2Q 2 1 fr Q Acondicionadores de Señales Filtro Rechaza Banda Filtros Activos Rechaza Banda Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Para tener idea de este tipo de filtro, tenemos que decir que los filtros rechaza banda son totalmente opuestos a los pasa banda, donde las frecuencias no deseadas se rechazan al máximo en su banda de rechazo y toma su valor máximo de rechazo en la frecuencia de resonancia fr. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Muestreo y Retención El amplificador de muestreo y retención opera como un típico amplificador operacional en el modo de muestreo, pero en el modo de retenedor, su salida es idealmente constante, independiente de la entrada. Es utilizado para proporcionar una salida estable al convertidor analógico/digital durante la conversión. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Características del amplificador de muestreo y retención 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: Algunos Amplificadores de Muestreo y Retención Monoliticos Modelo AD582 AD389 AD683 CXA1008P Fabricante Analog Device Analog Device Analog Device Sony Linealidad 0.01% 0.001% * 0.1% 1.5 MHz 1.5 MHz 10 MHz N/A 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 * < 0.1 nA < 1 μV/ μs <0.01 μV/ μs < 20 mV/μs Ancho de Banda con Ganancia 1 Tiempo de Adquisición Caída de Corriente Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Amplificador de Poder Mientras que algunos dispositivos y actuadores como motores y elementos de calefacción requieren más amperaje, es necesario que a la 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. Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora Aliasing Es cuando aparece una señal con la misma forma de onda de la muestreada originalmente, pero no es la onda real. Esto sucede cuando la frecuencia de muestreo esta por debajo de la frecuencia mínima. Muestreo 6 veces por ciclo Muestreo 6/5 veces por ciclo Muestreo 3 veces por ciclo Acondicionadores de Señales Instrumentación Electrónica Avanzada Prof. José Andrickson Mora • 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.
