Ejercicios Resueltos Resist en CIA de Materiales Bedford Lietchi
Resist en CIA Variable
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Instrumentación Electrónica
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CONTENIDO
II.- Las etapas de sensado y acondicionamiento electrónico.
IV.- Las interferencias en un sistema de medida.
III.- Adquisición de señales en un sistema de medida.
I.- Introducción y conceptos básicos.
Instrumentación Electrónica
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2.- Sensores de resistencia variable y sus acondicionadores.
3.- Sensores de reactancia variable, electromagnéticos y susacondicionadores.
4.- Sensores generadores y sus acondicionadores.
5.- Otros tipos de sensado.
6.- Amplificadores operacionales de propósito especial.
II.- Las etapas de sensado y acondicionamiento electrónico.
Instrumentación Electrónica
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Sensores de resistencia variable
Sensor Variable no eléctrica
Su estudio se aborda según el criterio electrónico de clasificación
Galgas extensométricas
Galgas extensométricas
FotorresistenciasFotorresistencias
RRR os ∆+=
RTDsRTDs
TermistoresTermistores
Instrumentación Electrónica
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Sensores de resistencia variable
Galgas extensométricas
Efecto piezorresistivo: Cambio de la resistencia del sensor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico. (Lord Kelvin 1856)
dRR
kdll
= ⋅
k: factor de sensibilidad de la galga.ε: deformación unitaria (adimensional).σ: tensión mecánica. (N/m2)E: módulo de Young del material.(GPa)
( )R R xo= ⋅ +1
x k= ⋅ε
σ ε= ⋅E
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Sensores de resistencia variable
Galgas extensométricas
Medida de deformaciones en voladizos
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
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Sensores de resistencia variable
Galgas extensométricas
Tamaño reducido.
Linealidad.
Baja resistencia de salida.
Límite de elasticidad.
Adaptabilidad de la galga.
Dependencia térmica.
Autocalentamiento.
Medidas de fuerza y par.
Básculas electrónicas.
Deformaciones.
Ventajas Limitaciones Aplicaciones
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Galgas extensométricas Aplicaciones
Sensores de resistencia variable
http://www.windpower.org/es/tour/manu/bladtest.htm
Medida de deformación en
cimientos
Rehabilitación
Pesado de vehículos
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Ro: resistencia del sensor a una temperatura de referencia tªo.∆tª: incremento de temperatura respecto a tªo
( )nno tttRR ª...ªª1 2
21 ∆⋅++∆⋅+∆⋅+⋅= ααα
[ ])ªª(1 oo ttRR −⋅+⋅≅ α
Son metales
RTD ≡ Resistance Temperature Detectors
Para el Pt
Para el Cu
α1≈3,90⋅10−3/ºC α2= −5,83⋅10−7/ºC2
α1≈4,30⋅10−3/ºC
α1≈6,80⋅10−3/ºC Para el Ni
Sensores de resistencia variable
RTDs
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
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RTDs
Resistencia DC de varios metales en función de la temperatura
Carstens, J.; "Electrical Sensors and Transducers". Regents/Prentice Hall, New Jersey,
Sensores de resistencia variable
Instrumentación Electrónica
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RTDs
Fuentes de error
en las medidas
Resistencia de los cables
AWG30=0,25 mm con 0,34 Ω/m (~60 m) →∆tª ≅ 54,5 ºC
Analog Devices : Linear Design Seminar. Norwood, MA, 1995.
Sensores de resistencia variable
δRTDPT =∆
δ (Coeficiente de disipación) ≡ Potencia requerida para aumentar la temperatura de la RTD 1ºC.
Autocalentamiento Produce un incremento de tª
I=10 mA, δ=30 mW/ºC, Pt100 @ 100ºC PRTD = 13,9 mW ∆tª ≅ 0,46 ºC
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Sensores de resistencia variableRTDs
Elevada sensibilidad.
Linealidad.
Alta repetibilidad y
exactitud (Pt100).
Bajo precio (Cu, Ni).
Tª de fusión del material.
Evitar deformaciones
mecánicas.
Medida de tª (automóviles, industria, electrodomésticos, etc.).
RTD popular Pt100 (100 Ω@ 0ºC).
Ventajas Limitaciones Aplicaciones
National Instruments: “Measuring Temperature with RTDs – A Tutorial”, Application Note 046, Nov. 1996.
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RTDsAplicaciones
Sensores de resistencia variable
IndustrialesDiseños especiales
Medida en aire
Inmersión en líquidos
Contacto en superfícies
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Sensores de resistencia variable
Termistores
Si tª ↑↑ [p] , [n] ↑↑ Refectiva ↓↓
Semiconductores
Clasificación según su coeficiente de temperatura
NTCNTC
SemiconductoresSemiconductoresCerámicosCerámicos
PTCPTC
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
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Sensores de resistencia variable
Termistores
NTCR R eT o
BT To= ⋅
⋅ −⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
1 1
Ro: resistencia del sensor a una temperatura de referencia to (25ºC).B: temperatura característica del material ~(2000-5000 K).
2)(TB
RdTdR
T
T ⋅−=≡α
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
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Termistores
PTC
Variación brusca alrededor de TCurie.
Coef. positivo sólo en un estrecho margen de tª.
Son semiconductores Si dopado.
R=f(tª) más suave.
Aplicaciones en conmutación y control Aplicaciones en medida y compensación térmica
Sensores de resistencia variable
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
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Sensores de resistencia variable
Termistores
Elevada sensibilidad.
Alta resistividad → poca masa
→ poca inercia térmica.
Tª de fusión del material.
Autocalentamiento.
Intercambiabilidad
no garantizada.
Medida de tª (automóviles, industria, electrodomésticos, etc.).
Control nivel de líquidos.
Apertura/cierre de contactos.
Producción de retardos.
Arranque de motores, etc.
Ventajas Limitaciones Aplicaciones
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Sensores de resistencia variable
TermistoresLinealización (Rp en paralelo)
c
ccthp TB
TBTRR
⋅+⋅−
⋅=22
)(
Rp se obtiene a través de la condición de que la asociación global R=Rth//Rp presente un punto de inflexión en la temperatura central del intervalo de temperatura previsto, Tc.
Se aumenta la linealidad pero disminuye la sensibilidad relativa.
Tompkins, W. J.; Webster, J. G.; (ed.) ; “Interfacing Sensors to the IBM PC”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1988.
Sin linealización Con linealizaciónp
thcTp
RRT
Bc +
⋅⋅−=1
1)( 2αα th T
cc
BT
= − ⋅( ) 2
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Sensores de resistencia variable
TermistoresLinealización (Gs en serie)
c
ccths TB
TBTGG
⋅−⋅+
⋅=22
)(
Gs se obtiene a través de la condición de que la asociación global R=1/Gs+Rthpresente un punto de inflexión en la temperatura central del intervalo de temperatura previsto, Tc.
Tompkins, W. J.; Webster, J. G.; (ed.) ; “Interfacing Sensors to the IBM PC”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1988.
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Sensores de resistencia variable
Termistores Linealización (3 puntos de ajuste)
R R R Rp p p p1 2 2 3− = −
( )231
31312
22
TTT
TTTTT
RRRRRRRR
R⋅−+
⋅⋅−+⋅=
El valor de R se obtiene de imponer que la característica resultante R-temperatura pase por tres puntos equidistantes en temperatura T1, T2 y T3. Los tres puntos definen dos intervalos de temperatura en los que se fuerza a la resistencia paralelo Rp resultante que cumpla la misma pendiente en ambos.
R RR R
R RR R
R RR R
R RR R
T
T
T
T
T
T
T
T
⋅+
−⋅+
=⋅+
−⋅+
1
1
2
2
2
2
3
3
Instrumentación Electrónica
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Sensores de resistencia variableTermistores
V VR
R RV R
R
Vs f Ts
th th= ⋅
+= ⋅
+= ⋅
+ ⋅1
1
11 ( )
nTmTFVVs +⋅≅⋅≡ )(
Linealización (método gráfico)
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
RRs tho≡ ⎥
⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⋅
≡ oTTB
eTf11
)(
Instrumentación Electrónica
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Sensores de resistencia variableTermistores
Medida en superfícies
Medidas en ambientes industriales Medida en ambientes húmedos
Propósito general
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Sensores de resistencia variableTermistores
• Tª del motor.
• Tª de la transmisión.
• Climatización,…
Automoción
• Reproductores mp3.
• Teléfonía móvil.
• Electrodomésticos, PDAs, PCs,…
Electrónica de consumo
Medicina
• Monitorización tª de la sangre.
• Monitorización tª aire de respiración.
• Control tª en oxigenoterapia, … • Control sistemas de climatización.
• Termostatos.
• Control tª en recintos.
Domótica
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Fotorresistencias
R A E= ⋅ −α
E:densidad superficial de energía recibida (lux).A, α: parámetros que dependen del material y del proceso de fabricación.
Semiconductores
λ~ [1 mm..10 nm]
9,07,0 ≤≤α
Sensores de resistencia variable
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
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Sensores de resistencia variable
Fotorresistencias
Instrumentación Electrónica
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Fotorresistencias
Sensibilidad a la tª (semiconductores).
Respuesta espectral estrecha.
Ruido térmico asociado.
Medida de radiación luminosa (bajas exactitud y coste).
Control de procesos.
Limitaciones Aplicaciones
Sensores de resistencia variable
Instrumentación Electrónica
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2.- Sensores de resistencia variable y sus acondicionadores.
3.- Sensores de reactancia variable, electromagnéticos y susacondicionadores.
4.- Sensores generadores y sus acondicionadores.
5.- Otros tipos de sensado.
II.- Las etapas de sensado y acondicionamiento electrónico.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone
El puente de Wheatstone
Tipos de señalesTipos de señales
Acondicionadores posteriores al p. de W.
Acondicionadores posteriores al p. de W.
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone
VR
R RV
RR R
V RR
ref ref1 1 1 11
1=
+⋅ +
+⋅ ⋅
+ ⎛⎝⎜⎞⎠⎟ ⋅ +
δ
δ( )
δ ≡∆RR
VR
R RVref2 1
=+
⋅
V V VR
R RV
RR
s ref≡ − =+
⋅ ⋅+ ⎛⎝⎜
⎞⎠⎟⋅ +
1 2 1 11
1
δ
δ( )
( )V
R RR R
Vs ref≅⋅
+⋅ ⋅
11 2 δ1<<δ →
Franco, S.; “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill 2ond. Ed., New York, 1998.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone
Alimentación a tensión constante
RRr 1
≡Llamando
)1()1(21 δδ
++⋅+⋅
⋅=−≡rr
rVVVV refs 2)1( +⋅
⋅=rrVV refsLδ
Si δ+>> 1r
1001
100(%) ⋅+
−=⋅−
≡rV
VV
s
sLsLV
δεError de linealidad
)ª1(ª trrV
dtdV
S refs
V ⋅++⋅⋅=≡
ααSensibilidad
para el caso: ªt⋅= αδ
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone Alimentación a tensión constante
Linealidad y sensibilidad están reñidos.• Para εlin r pero en ese caso S .• Para S r ~ 1 pero en ese caso con δ .
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variableAcondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone
Alimentación a corriente constante
δδ++⋅
⋅⋅⋅=
)1(2 rrRIV os
)1( >>r
Error de linealidad
2)22()1(2
ª δα
++⋅+⋅
⋅⋅⋅⋅=≡r
rrRIdtdV
S os
I
Sensibilidad
100)1(2
(%) ⋅+⋅
−=rLIδε
)1(2 +⋅⋅
⋅⋅=r
rRIV osLδ
para el caso: ªt⋅= αδ
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone Alimentación a corriente constante
Linealidad y sensibilidad NO están reñidos.• Para εlin r y ahora S también sin depender de δ .
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone Linealización
V V VRR
Vs ref= − =⋅
⋅ ⋅1 2 2 1δ
VRR
Vref021
= ⋅ ⋅δ
Franco, S.; “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill 2ond. Ed., New York, 1998.
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
El puente de Wheatstone Calibración
Consecuencia de la tolerancia de las resistencias.
Franco, S.; “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill 2ond. Ed., New York, 1998.
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Tipos de señales
Señal → Cantidad mensurable o detectable cuya magnitud varía con el tiempo y transporta la información sobre un proceso o acontecimiento. Han de ser procesadas para extraer la información contenida en ellas.
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Tipos de señales
Señal unipolar flotante Señal unipolar puesta a tierra
Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Tipos de señales
Señal unipolar puesta a tierracon señal de modo común
Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Tipos de señales
Señal diferencial puesta a tierra Señal pseudodiferencial
Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.
Balanceada si Zo = Zo’.
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Tipos de señales
Señal diferencial puesta a masacon modo aislado
Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Tipos de señales
?
Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores
VRR
ERR
RR R
Es = − ⋅ ⋅ + +⎛⎝⎜
⎞⎠⎟ ⋅ +
⋅( )21
121
43 41 2
EE E
mc ≡+1 2
2 E E Emd ≡ −2 1
V G E G Es c mc d md= ⋅ + ⋅
GR R R RR R Rc =⋅ − ⋅⋅ +
1 4 2 31 3 4( ) G
RR
RR
RR Rd = ⋅ + +⎛
⎝⎜⎞⎠⎟ ⋅ +
⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥
12
21
121
43 4
INA105, AD625….
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
Amplificador diferencia (AD)
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
RR
RR
k43
21
= ≡ mds EkV ⋅=
CMRRGG
d
c≡
CMRR dB CMRR( ) log≡ ⋅20
Acondicionadores posteriores
Amplificador diferencia (AD)
SiSólo se amplifican las
señales de modo diferencial
Caso totalmente
ideal
Caso real Resistencias con tolerancia + A.O. real
CMRR ≡ Mide el rechazo a las señales de modo común.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
32414223241
21
RRRRRRRRRRCMRRTOT ⋅−⋅⋅⋅+⋅+⋅
⋅=1 1 1
CMRR CMRR CMRRTOT A O R= +
. .
Acondicionadores posteriores
Amplificador diferencia
Resistencias con tolerancia
R’s con tolerancia y A.O.
real
INA 105 (Texas Instruments) AMP 03 (Analog Devices)
R. Pallás Areny, : “Common Mode Rejection Ratio in Differential Amplifiers”, IEEE Trans. Instrum. and Meas. Vol. 40, n 4, August 1991, pp. 669-676.
Modelos integrados
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores Amplificador diferencia Modelos integrados
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores Amplificador de instrumentación (AI)
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
+⋅
⋅−⋅+
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ +⋅
+
+⋅=
761
74651
21
21
45
21
23
761
451
RR
RRRR
ERR
RR
RR
RR
RR
EV mcmds
Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
Con 3 A.O.s
Inconvenientes del amplificador diferencia (AD)
1º.- Desequilibrio en la impedancia de entrada.
2º.- Ajuste de ganancia poco práctico.
Etapa de entrada: amplificadores no inversores acoplados. Etapa de salida: amplificador diferencia.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores Amplificador de instrumentación
Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Si
Sólo se amplifican las señales de modo
diferencial
Caso totalmente
ideal
Caso real Resistencias con tolerancia + A.O. real
RR
RR
k54
76
= ≡ )1( GkGd +⋅=2
32212
RR
RRG ⋅
=⋅
≡
mdds EGV ⋅=
con
1 1 1 11
1 1
1 2 3CMRR CMRR CMRR G CMRR CMRRTOT R= − + +
+⋅ +⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥( )
( )
CMRRR R R R R R
R R R RR = ⋅⋅ + ⋅ + ⋅ ⋅
⋅ − ⋅12
4 7 5 6 2 5 74 7 5 6
Con 3 A.O.s
R. Pallás Areny, : “Common Mode Rejection Ratio in Differential Amplifiers”, IEEE Trans. Instrum. and Meas. Vol. 40, n 4, August 1991, pp. 669-676.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores Amplificador de instrumentación Con 3 A.O.s
1 1 1 11
1 1
1 2 3CMRR CMRR CMRR G CMRR CMRRTOT R= − + +
+⋅ +⎡
⎣⎢
⎤
⎦⎥( )
( )
Optimización del CMRRTOT
Si los AOs de entrada están en un mismo encapsulado CMRR1=CMRR2.
Con R7 es posible conseguir que CMRRR=CMRR3.
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores Amplificadores de instrumentación integrados
gRkG+ΩΩ
+=50
401
Instrumentación Electrónica
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Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores Amplificadores de instrumentación integrados
gRkG Ω
+=604
Instrumentación Electrónica
70
Acondicionadores para sensores de resistencia variable
Acondicionadores posteriores
?
Instrumentación Electrónica
71
Referencias
[1] Pallás Areny, R.; "Sensores y acondicionadores de señal". 2ª ed. Marcombo, Barcelona 1994.
[2] Franco, S.; “Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits”, McGraw-Hill 2nd. Ed., New York, 1998.
[3] Pallás Areny, R.; Webster, J. G.: “Analog Signal Processing”. Wiley-Interscience, N. Y., 1999.
[4] Tompkins, W. J.; Webster, J. G.; (ed.) ; “Interfacing Sensors to the IBM® PC”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988.
[5] Lázaro, A. M.; Prat, J.; Ramos, R. R.; Sánchez, F.; “Problemas resueltos de instrumentación y medidas electrónicas”, Paraninfo, Madrid, 1994.
[6] Pallás Areny, R. et al. : “Sensores e interfaces. Problemas resueltos”. Colección Temes d’Instrumentació Electrónica, Edicions UPC, Barcelona 1999.
2.- Sensores de resistencia variable y sus acondicionadores.