Acondicionadores de Señales
JUNIO 2004
Instrumentación Electrónica Avanzada
Prof. José Andrickson Mora
Acondicionadores de Señales
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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
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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
R3
Voltaje de Salida:

R2
RX
V 0  V in 

R3  R X
 R1  R 2

R2
R1
 R X  R3 *
R2
R1
Corriente a través del Voltímetro.




I V0 
E Th
R Th  R g
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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
V BD  V CD
ó
I1Z 3  I 2 Z X
I1 
I2 
Condición de Equilibrio
Z X Z1  Z 2Z 3
ó
Y X Y1  Y 2 Y 3
 X   1   2   3
V in
Z1  Z 2
V in
Z3  Z X
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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.
V 0  K D V 2  V 1 
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
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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
V 0  K D V 2  V 1 
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
V o  K D (V 2  V 1 )  K C
V 2  V1
2
CMRR 
KD
KC
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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
V sal  A LC * V en  AB * V en
Si se cumple que:
I R2 
VX
R2
y
I R1 
V sal  V X
R1
V sal  V en
R1

V en
R2

A LC 
V sal
V en
1
R1
R2
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La fracción de retroalimentación y viene dada por:
Amplificadores
Operacionales
B 
R2
R1  R 2
ó
1

B
V sal
V en
La impedancia de entrada a lazo cerrado
V en  V eror  BV
V en  V eror  ABV
eror
sal
 (1  AB )V eror
V en  (1  AB ) i en Z en
V en
 (1  AB ) Z en
i en
Z en(LC)  (1  AB)Z en
La impedancia de
salida a lazo cerrado:
Z sal ( LC ) 
Z sal
1  AB
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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
R2

V X  V en
R1
Las impedancias de entrada y salida:
Z en ( LC ) 
Rf
A 1
y
Z sal 
A*Rf
A 1
A LC 
V0
V en

R2
R1
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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:
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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
V0 
R f  R1 
 R3
V1  
*
V 2
R1
R1
 R2  R3

Rf
Si hacemos R1 = R2 y además Rf = R3, tendremos que la salida será
V0 
Rf
R1
V 2
 V1 
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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

V 0   
V1 
V2 
V 3 
R2
R3
 R1

Si R1 = R2 = R3, la ecuación queda:
V 0   (V 1  V 2  V 3 )
Rf
R1
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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 
2R2
V 0   3   1 
R1
 R 4 

 V 2  V 1 


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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.
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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.
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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
wc
wc 
1
RC
 2 f c
Esta dada en radianes por segundos
fc
Esta dada en hertz
R
Esta dada en ohm
C
Esta dada en Faradios
R 
0 . 707
wcC1
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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 
wcC1
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Filtro Básico Pasa Altas
Filtros
Activos
-20 dB/Dec
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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


 2 f c 
 wc 
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.
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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 R 2 
1 . 414
wcC
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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 
Q 
fl fh
fr
B
fl 
B
2
4
 fr 
2
B
2
y
fh  fl  B
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Filtro Pasa Banda de Banda Ancha
Filtros
Activos
Pasa Banda
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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.
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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
B 
0 . 1591
B 
Q
RC
fr 
fr
0 . 1125
RC
Rr 
R
1
Rr
R
2Q  1
2
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Filtro Rechaza Banda
Filtros
Activos
Rechaza Banda
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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Bibliografía
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•
•
•
•
•
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.
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