http://1538445.blogspot.com.co/2012/11/22-acondicionamiento-de-senales.html2.2 Acondicionamiento de seales2.2.1 Acondicionamiento de seales

La seal de salida del sensor de un sistema de medicin en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operacin. La seal puede ser, por ejemplo, demasiado pequea, y sera necesario amplificarla; podra contener interferencias que eliminar; ser no lineal y requerir su linealizacin; ser analgica y requerir su digitalizacin; ser digital y convertirla en analgica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada, etctera. A todas estas modificaciones se les designa en general con el trmino acondicionamiento de seal. Por ejemplo, la salida de un termopar es un pequeo voltaje de unos cuantos milivolts. Por lo tanto, es necesario utilizar un mdulo acondicionador de seal para modificar dicha salida y convertirla en una seal de corriente de tamao adecuado, contar con un medio para rechazar ruido, lograr una linealizacin, y una compensacin por unin fra (es decir, la compensacin cuando la unin fra no est a 0 C).

2.2.1.1 Interconectndose con un microprocesadorLos dispositivos de entrada y de salida estn conectados con un sistema de microprocesador mediante puertos. El trmino "inierfaz" se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto. Existen as entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores. La ms sencilla de las interfaces podra ser un simple trozo de alambre. En realidad, la interfaz cuenta con acondicionamiento de seal y proteccin; esta ltima previene daos en el sistema del microprocesador. Por ejemplo, cuando es necesario proteger las entradas de voltajes excesivos o de seales de polaridad equvoca.Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital; por ello, cuando un sensor produce una salida analgica, es necesario una conversin de seal analgica a digital. Sin embargo, muchos sensores slo producen seales muy pequeas, a veces de unos cuantos milivolts. Este tipo de seales es insuficiente para convertirla de analgica a digital en forma directa, por lo que primero se debe amplificar. En las seales digitales tambin es necesario acondicionar la seal para mejorar su calidad. La interfaz requiere entonces varios elementos.

2.2.1.2 Procesos del acondicionamiento

Los siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una seal:1. Proteccin para evitar dao al siguiente elemento, por ejemplo un microprocesador, como consecuencia de un voltaje o una corriente elevados. Para tal efecto, se colocan resistencias limitadoras de corriente, fusibles que se funden si la corriente es demasiado alta, circuitos para proteccin por polaridad y limitadores de voltaje.2. Convertir una seal en un tipo de seal adecuado. Sera el caso cuando es necesario convertir una seal a un voltaje de cd, o a una corriente. Por ejemplo, el cambio en la resistencia de un de-formmetro se debe convertir en un cambio de voltaje. Para ello se utiliza un puente de Wheatstone y se aprovecha el voltaje de desbalance. Aqu tambin podra necesitarse una seal analgica o digital .

3. Obtencin del nivel adecuado de la seal. En un termopar, la seal de salida es de unos cuantos milivolts. Si la seal se va a alimentar a un convertidor analgico a digital para despus entrar a un microprocesador, ser necesario ampliarla en forma considerable, hacindola de una magnitud de milivolts a otra de volts. En la amplificacin es muy comn utilizar amplificadores ope-racionales.

4. Eliminacin o reduccin del ruido. Por ejemplo, para eliminar el ruido en una seal se utilizan filtros.

5. Manipulacin de la seal, por ejemplo, convertir una variable en una funcin lineal. Las seales que producen algunos sensores, por ejemplo los medidores de flujo, son alinales y hay que usar un acondicionador de seal para que la seal que se alimenta, en el siguiente elemento sea lineal.

2.2.2 El amplificador operacional

El fundamento de numerosos mdulos para acondicionamiento de seal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o ms, y est disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada inversora () y entrada no inversora (+). La salida depende de cmo se hagan las conexiones de estas entradas. Adems de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentacin de voltaje negativo, una alimentacin de voltaje positivo y dos entradas conocidas como nulo del voltaje de desvo, cuyo propsito es activar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

2.2.2.1 Amplificador inverso

En la figura 3.2 se muestran las conexiones de un amplificador cuando se usa como amplificador inversor. La entrada se lleva a la entrada inversora a travs de la resistencia R\, en tanto que la entrada no inversora se conecta a tierra. Se establece una trayectoria de retroalimentacin que inicia en la salida, pasa por la resistencia ^?2 y llega a la entrada inversora. El amplificador operacional tiene una ganancia de voltaje de unos 100 000 y el cambio del voltaje de salida en general se limita casi a 10 V. El voltaje de entrada deber estar entonces entre +0.0001 V y -0.0001 V, lo cual de hecho es cero; por ello el punto X es prcticamente un potencial de tierra y se le conoce como "tierra virtual".

2.2.2.2 Amplificador no inverso

La figura 3.3 muestra el amplificador operacional conectado como amplificador no inversor. La salida se puede considerar como tomada de un circuito divisor de voltaje formado por una resistencia R1 conectada en serie con R2. El voltaje V% es, por lo tanto, la fraccin R\I(R\ + R2) del voltaje de salida.

Dado que casi no hay corriente entre las dos entradas del amplificador operacional, prcticamente tampoco hay diferencia de potencial entre dichas entradas. Dado que en el caso de un amplificador operacional ideal, Vx V, se cumple que:

Un caso especial de este amplificador es cuando la malla de retroalimentacin est en cortocircuito, es decir, R2 = 0. En este caso la ganancia en voltaje es 1.

2.2.2.3 Amplificador sumador

En la figura 3.5 se muestra el circuito de un amplificador sumador. Al igual que el amplificador inversor (seccin 3.2.1), X es una tierra virtual. Por lo tanto, la suma de las corrientes que entran a X debe ser igual a la suma de corrientes que salen. Por consiguiente:

2.2.2.4 Amplificador integrador

Considere el circuito de un amplificador operacional inversor en el que la retroalimentacin la realiza el capacitor, como muestra la figura 3.6. La corriente es la rapidez con que se mueve una carga q, y dado que para un capacitor la carga es q = Cv, donde v es el voltaje, entonces la corriente a travs del capacitor es i = dq/dt C dv/dl. La diferencia de potencial en C es de (vx v0), y dado que vx en realidad es cero, y que es la tierra virtual, es igual av0. En esta forma, la corriente que pasa por el capacitor es igual a C dv0/d/. Pero sta tambin es la corriente que pasa por la resistencia de entrada R. Por lo tanto:

v0(2) es el voltaje de salida en el momento t2 y v0(?i) es el voltaje de salida en el momento /,. La salida es proporcional a la integral del voltaje de entrada, es decir, el rea debajo de la grfica del voltaje de entrada en funcin del tiempo.

Si el capacitor y la resistencia se intercambian en el circuito por el amplificador integrador, se obtiene un circuito diferenciador.

2.2.2.5 Amplificador diferencial

El amplificador diferencial amplifica la diferencia entre dos voltajes de entrada. En la figura 3.7 se muestra el circuito correspondiente. Dado que por la elevada resistencia del amplificador operacional no circula corriente entre las dos terminales de entrada, no hay cada de voltaje y, por lo tanto, las dos entradas X estn al mismo potencial. El voltaje V2 est en las resistencias en serie R y R2.

La figura 3.8 ilustra la aplicacin de este circuito en un sensor, es decir, en un termopar. La di ferencia de voltaje en las f.e.m. de las dos uniones del termopar se amplifica. Se eligen los valores de R y R2 para producir un circuito con una salida.

El amplificador diferencial se puede usar junto con un puente de Wheatstone (ver la seccin 3.6), quiz del tipo que tiene sensores con deformmetro en sus brazos para amplificar la diferencia de potencial del desbalance que se produce cuando cambia la resistencia de uno o varios de los brazos. Si el puente est balanceado, las dos terminales de salida del puente estn al mismo potencial; por lo tanto, no hay diferencia de potencial de salida.

En un amplificador para instrumentacin tpico se utilizan tres amplificadores operacionales (figura 3.9), en vez de uno solo, circuito que se puede obtener como circuito integrado. Este tipo de circuitos tiene una inipedancia de entrada alta en general de unos 300 MQ, una ganancia de voltaje alta y una RRMC excelente, de ms de 100 dB. En la primera etapa se encuentran los amplificadores A| y A2, uno de los cuales est conectado como amplificador inversor y el resto como no inversor. El A3 es un amplificador diferencial cuyas entradas provienen de A| y de A3.

2.2.2.6 Amplificador logaritmicoLa salida de algunos sensores no es lineal. Por ejemplo, la salida de un termopar no es una funcin perfectamente lineal de la diferencia de temperatura entre sus uniones. Entonces es necesario utilizar un acondicionador de seal para linealizar la salida de estos sensores. Para ello se utiliza un circuito de amplificador operacional diseado para que la relacin entre su entrada y su salida no sea lineal, de manera que cuando su entrada sea a lineal, la salida sea lineal. Con este fin se utilizan las componentes adecuadas en la malla de retroalimentacin.

El amplificador logartmico de la figura 3.11 es un ejemplo de este acondicionador de seal. En la malla de retroalimentacin hay un diodo (o un transistor con base aterrizada), cuyas caractersticas son no lineales. Su comportamiento podra representarse como V = C In /, donde C es una constante. Y, puesto que la corriente de la malla de retroalimentacin es idntica a la corriente de la resistencia de entrada y la diferencia de potencial en el diodo es V0 tenemos que:

donde Kss una constante. Ahora bien, si la entrada V la proporciona un sensor con entrada t, en la que V = A e', siendo Aya constantes, entonces:

El resultado obtenido es una relacin lineal entre V0 y I.

2.2.2.7 Comparador

Un comparador indica cul de dos voltajes es mayor, y con ese fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentacin u otras componentes. Uno de los voltajes se aplica a la entrada inversora y el otro a la entrada no inversora (figura 3.12 a). La figura 3.12 b muestra la relacin entre el voltaje de salida y la diferencia entre los dos voltajes de entrada. Cuando las dos entradas son iguales no hay salida. Sin embargo, cuando la entrada no inversora es mayor que la inversora por una cantidad mayor a una pequea fraccin de volt, la salida salta a un voltaje de saturacin positivo estable, en general de +10 V. Cuando la entrada inversora es mayor que la no inversora, la salida salta a un voltaje de saturacin negativo estable, casi siempre dc-10 V. Este tipo de circuito puede determinar en qu momento un voltaje rebasa cierto nivel, y la salida quiz se utilice para iniciar una accin.

2.2.2.8 Errores de los amplificadoresLos amplificadores operacionales en la prctica no corresponden al elemento perfecto (ideal) descrito en las secciones anteriores de este captulo. Un problema en especial importante relacionado con lo anterior es el del voltaje de desvo.

Los amplificadores operacionales son amplificadores de elevada ganancia que tambin amplifican la diferencia entre sus dos entradas. Por lo tanto, si stas se ponen en corto es de esperar que no haya salida. Sin embargo, en la prctica esto no sucede as y es posible detectar la presencia de un voltaje de salida muy grande. Este efecto se produce por desequilibrios de los circuitos internos de los amplificadores operacionales. Para reducir a cero el voltaje de salida se aplica un voltaje adecuado entre las terminales de entrada, al cual se le conoce como voltaje de desvio. Muchos amplificadores operacionales estn diseados de manera que este voltaje se les aplique a travs de un potencimetro. En el 741 se hace conectando un potencimetro de 10 kQ entre las terminales 1 y 5 (ver la figura 3.1) y conectando el contado deslizable del potencimetro a una fuente de voltaje negativa (figura 3.15). Los dcsbalances dentro del amplificador operaciona! se corrigen ajustando la posicin del contacto des-lizable hasta que al no haber una entrada en el amplificador no se produzca una salida.

2.2.3 ProteccinExisten diversas situaciones en las que la conexin de un sensor con la unidad siguiente, por ejemplo un microprocesador, entraa la posibilidad de causar daos como resultado quizs de un voltaje o corriente elevados. Para protegerse contra corrientes grandes en la lnea de entrada se incorpora una serie de resistencias que limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la corriente excede un nivel seguro. Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener (figura 3.16). Los diodos Zener se comportan como diodos comunes hasta que se presenta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten en conductores. Si se desea el paso de un voltaje como mximo de 5 V, al tiempo que se rechacen voltajes de ms de 5.1 V, se utiliza un diodo Zener con especificacin de voltaje de 5.1 V. De esta manera el voltaje en el diodo, y por lo tanto el que se alimenta al siguiente circuito, disminuye. Dado que el diodo Zener tiene baja resistencia a la corriente en una direccin y una resistencia elevada en la direccin contraria, tambin sirve como proteccin contra polaridades invertidas. Si el diodo se conecta con la polaridad correcta, produce una elevada resistencia a travs de la salida y una elevada cada de voltaje. Si la polaridad de la fuente est invertida, la resistencia del diodo es baja y pequea la cada de voltaje a la salida.

En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones elctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador; implica convertir una seal elctrica en una seal ptica; sta pasa a un detector que, a su vez, la vuelve a convertir en seal elctrica.

2.2.4 FiltradoEl trmino filtrado se refiere al proceso de eliminacin de cierta banda de frecuencias de una seal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa como banda de supresin; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan. Un filtro pasa bajas (figura 3.19a) tiene una pasa bandas que acepta la transmisin de todas las frecuencias desde 0, hasta cierto valor. El filtro pasa alias (figura 3.19b) tiene una pasa banda que permite la transmisin de todas las frecuencias a partir de un determinado valor hasta un valor infinito. El filtro pasa bandas (figura 3.19c) permite la transmisin de todas las frecuencias que estn dentro de una banda especificada. El filtro supresor de banda (figura 3.19d) rechaza c impide la transmisin de todas las frecuencias de cierta banda. En todos lo casos, la frecuencia de corte se define como aquella para la cual el voltaje de salida es 70.7% del de la pasa banda. El trmino atenuacin se aplica a la relacin entre las potencias de entrada y de salida, expresada como la relacin del logaritmo de la relacin, por lo que la atenuacin se expresa en unidades de belios. Dado que sta es una magnitud bastante grande, se utilizan los decibeles (dB), de ah que la atenuacin expresada en dB = 10 log (potencia de entrada/potencia de salida). Puesto que la potencia en una impedancia es proporcional al cuadrado del voltaje, la atenuacin en dB = 20 log (voltaje de entrada/voltaje de salida). El voltaje de salida correspondiente al 70.7% del de la banda pasa bajas corresponde, por lo tanto, a una atenuacin de 3 dB.

El trmino filtrado describe un filtro en el cual slo hay resistencias, capacitores e inductores. El trmino activo se refiere a un filtro en el que tambin hay un amplificador operacional. Los filtros pasivos tienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguienteelemento puede modificar la caracterstica de frecuencia del filtro.

2.2.5 El puente Weatstone

Se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje. En la figura 3.22 se muestra la configuracin bsica de este puente. Cuando el voltaje de salida V0 es cero, el potencial en B debe ser igual al potencial en D. La diferencia de potencial en R), es decir, KAB, debe ser igual a la diferencia en R1, o sea, V-AB. Por lo tanto, I1 R1 = I2 R2. Tambin significa que la diferencia de potencial en R2, es decir, V-BC, debe ser igual a la de R4, es decir V-DC. Dado que en BD no hay corriente, la de Ri debe ser igual a la que hay en R1 y la corriente en R4 debe ser la misma de R3.Por consiguiente, I1 R2 = I2 R4 Dividiendo las dos ecuaciones se obtiene:R1=R3R2 R4

2.2.5.1 Compensacin por temperaturaEn muchas mediciones en las que participa un sensor de tipo resistivo, el elemento sensor puede estar situado en uno de los extremos de conductores largos. No slo el sensor, tambin la resistencia de estos conductores se afecta por los cambios de temperatura. Por ejemplo, un sensor de temperatura de resistencia de platino est formado por una bobina de platino que se encuentra en los extremos de los conductores. Cuando la temperatura cambia, no slo cambia la resistencia de la bobina, sino tambin la de los conductores. Lo nico que se necesita es la resistencia de la bobina, por lo que se requieren ciertos procedimientos para compensar la resistencia de los conductores. Una forma de hacerlo es unir tres conductores a la bobina, como muestra la figura 3.23. La bobina se conecta al puente de Wheatstone de manera que el conductor 1 est en serie con la resistencia /