Tema 07: Acondicionamiento

1M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez http://www.eafranco.comedfrancom@ipn.mx@edfrancom edgardoadrianfrancom

Contenido• 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

• 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

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Acondicionamiento de una señal• El acondicionamiento consiste en la manipulación

electrónica de la señal proveniente directamente delsensor, a través de circuitos acondicionadores, paraobtener rangos de voltajes o corrientes adecuados alas características del diseño.

• El acondicionamiento resulta conveniente almomento de realizar instrumentación ya que al teneruna señal de la variable a medir con rangos devoltaje más amplios, se puede obtener mayorresolución en la medición, además de presentarmayor inmunidad al ruido en el ambiente de lamedición. 33

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• Para lograr un adecuado acondicionamiento de la señalproveniente del sensor, es necesario conocer elcomportamiento de su señal de salida según loscambios en las variables físicas a las que responde.

• Para ello se hace necesaria la etapa de caracterizacióndel sensor.

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• La caracterización de un sensor consiste en el cálculo de laecuación característica de su comportamiento. Esto se refierea la ecuación que determina la razón de cambio en la variablede salida, generalmente una variable eléctrica, con respecto ala variable de entrada, generalmente de índole físico; oviceversa, el cálculo de la razón de cambio de la variable deentrada al tener cierta señal de salida. La caracterización delos sensores resulta esencial para la interpolación de valores.

• Una buena caracterización genera mediciones con un buen nivelde exactitud.

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Etapas del acondicionamiento

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• Amplificación: Incrementar el nivel de potencia de la señal

• Filtrado: Eliminar las componentes de la señal no deseadas

• Linealización: Obtener una señal de salida que varié linealmente con lavariable que se desea medir

• Modulación / Demodulación: Modificar la forma de la señal a fin de podertransmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente ainterferencias durante el transporte.

Acondicionamiento

Amplificación Filtrado Linealización

Señal del sensor

Señal para conversión digital

Modulación / Demodulación

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Circuitos Amplificadores• Frecuentemente las señales de un sensor no pueden ser

utilizadas directamente después de su estricta producción;debido a que estas pueden ser demasiado fuertes odemasiado débiles; o en algunos casos sus formas no son lasmás apropiadas para realizar la medición de las variablesfísicas; otras veces puede ocurrir que no se produzcan en elmomento oportuno, etc.

• Si una señal resulta demasiado débil para su utilización, seprecisa amplificar, es decir, aumentar su magnitud ya sea enuna sola o en varias sucesivas etapas, y ello es lo que llevan acabo los amplificadores.

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• La amplificación de la señal del sensor permite poder • 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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Ganancia de una señal • La ganancia de una señal es una magnitud que expresa la

relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a laseñal de entrada.

• La ganancia es una magnitud adimensional que se mide enunidades como belio (B) o múltiplos de éste como eldecibelio (dB).

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Ganancia de potencia

Ganancia en tensión

Guanacia en corriente

Circuito amplificador estabilizado

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Amplificado Operacional

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Amplificado Operacional Básico

El amplificador operacionales un circuito electrónicoque tiene dos entradas y unasalida. La salida es ladiferencia de las dosentradas multiplicada por unfactor 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 derespuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinitatambién se dice que las corrientes de entrada son cero.

Amplificador operacional a lazo abierto

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 delorden de 100,000 (que se considerará infinito en cálculos con elcomponente ideal).

Comparador

• Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre lasdos entradas y saca una salida en función de qué entrada seamayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.

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Comportamiento a lazo cerrado• 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 laentrada -, la tensión en esta entrada también se eleva, por tanto ladiferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndosetambién la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene quela salida es la necesaria para mantener las dos entradas,idealmente, con el mismo valor.

• .

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Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o paraadaptar impedancias (conectar un dispositivo con granimpedancia a otro con baja impedancia y viceversa).Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual:Vout = Vin; Zin = ∞

Amplificador operacional a lazo cerrado

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Amplificador Inversor

• 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

I1= ViR1

I2 = -Vo

R 2

I1= I2Vo =- R 2R1

Vi

Amplificador operacional inversor

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Amplificador Sumador Inversor

• (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.

I1= V1R1

I2 = V2R2

I3 = -VoR3

I3 = I1 I2 Vo = -R3R2

V2 R3R1

V1

Amplificador operacional sumador inversor

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Amplificador No Inversor

• (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

I1 = -Vi

R 1

I2 =Vi - Vo

R 2

I1 = I2 Vo = 1R 2

R 1

Vi

Amplificador operacional no inversor

1717

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Amplificador Diferencial

• (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.

IA =V1-

R2

R2 R1V2

R1

IB =

R2

R2 R1V2 - Vo

R2

IA = IB Vo =R2

R1V2 - V1( )

Amplificador operacional diferencial

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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.

Amplificador operacional conversor de corriente a voltaje

1919

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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.

Amplificador operacional conversor de voltaje a corriente

2020

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Otro conversor de voltaje a corriente

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.

IL =1

R 1VIN - VREF( )

2121

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Amplificador de instrumentación

Este amplificador es una herramienta poderosa para medir señales análogasde bajo nivel que se originan en sensores remotos y que se transmiten a travésde un par de alambres.

Amplificador de instrumentación

2222

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Amplificador de instrumentación integrado

Amplificador de instrumentación integrado

Amplificadores de instrumentación comercialeshttp://mx.mouser.com/Semiconductors/Amplifier-ICs/Instrumentation-Amplifiers/_/N-4fs16

Acondicionamiento LinealEjemplo 1

• Usando amplificadores operacionales, diseñar elsiguiente circuito aritmético:

2323

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Solución

1. Usar un amplificador sumador inversor conentradas Vi y 5 Volts, ajustar la ganancia a 3.4 y 1,respectivamente.

2424

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I1= V1R1

I2 = V2R2

I3 = -VoR3

I3 = I1 I2 Vo = -R3R2

V2 R3R1

V1

2. Usar un amplificador inversor para volver a invertirla señal.

2525

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I1= ViR1

I2 = -Vo

R 2

I1= I2Vo =- R 2R1

Vi

Finalmente

2626

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Vo =- R 2R1

ViI1= V1

R1

I2 = V2R2

I3 = -VoR3

I3 = I1 I2 Vo = -R3R2

V2 R3R1

V1

Acondicionamiento LinealEjemplo 2

• Diseñar un circuito basado en amplificadoresoperacionales que convierta un rango de voltajes de20 a 250 mV a un rango de 0 a 5 V.

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1. Utilizar una configuración seguidora a la entradapara acoplar la señal de entrada.

2828

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Vout = VinZin = ∞

2. Utilizar un amplificador en su configuracióndiferencial.

2929

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IA =V1-

R2

R2 R1V2

R1

IB =

R2

R2 R1V2 - Vo

R2

IA = IB Vo =R2

R1V2 - V1( )

Finalmente

3030

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IA =V1-

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IB =

R2

R2 R1V2 - Vo

R2

IA = IB Vo =R2

R1V2 - V1( )

Resolviendo las ecuaciones se encuentra a m=21.7