Universidad Politécnica de TulancingoSeptiembre-Diciembre 2014.

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

Por:

Cabrera Ortega Luis Eugenio.

Asignatura:

Instrumentación.

Carrera:

Maestría en Energías Renovables

Supervisado por:

M. en C. José Humberto Arroyo Núñez

Tulancingo de Bravo, Hidalgo, Septiembre 2014.

©UPT 2014 Derechos reservados El autor o autores otorgan a UPT el permiso de reproducir

y distribuir copias de este reporte en su totalidad o en partes.

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U

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Acondicionamiento de señales:

Cuando se desea realizar una medición, es necesario un transductor que transforme la medida física en una medida eléctrica. Esa medida eléctrica es necesario acondicionarla para que sea una magnitud fácil de procesar, en la figura 1 se muestra un esquema general de un sistema de medición.

Figura 1. Esquema general de un sistema de medición.

Los acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores, en sentido amplio, son elementos del sistema de medición que ofrecen, a partir de la señal salida de un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada, registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Estos acondicionadores consisten normalmente en circuitos electrónicos que ofrecen entre otras funciones, las siguientes: amplificación, filtrado, adaptación de impedancias y modulación o demodulación.

Si se considera, por ejemplo, que se requiere un convertidor A/D para convertir una señal analógica en otra digital, normalmente se hace uso de acondicionadores de señal que adaptan la señal analógica a las características de entrada del convertidor.

FILTRADO:

Los sistemas de condicionamiento de señal pueden incluir filtros para rechazar el ruido indeseado dentro de cierta gama de frecuencia. Por lo tanto, la mayoría de los sistemas de condicionamiento de señal incluyen filtros diseñados específicamente para proporcionar el rechazo del ruido de frecuencias no deseadas.

Los filtros se dividen en 4 grupos principales: paso bajo, paso alto, sintonizados (filtro pasa banda), eliminadores de banda figura 2. Un filtro de paso bajo ideal no atenúa ninguna señal de entrada de frecuencia en la banda útil, que se definen como todas las frecuencias de paso bajo. Los filtros reales son señales de entrada sujetas a funciones de transferencia matemáticas que aproximan sus características a las de un filtro ideal.

Figura 2. Tipos de Filtros.

Filtros pasivos:

Son aquellos que utilizan solo elementos pasivos como lo son resistencias, inductores y capacitores, El orden de un filtro es determinado por el número de elementos guardadores de energía o reactivos que posee el filtro.

Filtro pasa bajas de 1er orden:

Filtro pasa altas 1er orden:

Filtro pasa bajas 2° orden:

Filtro pasa altas 2° orden:

Filtros Activos:

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.

Filtro Básico Pasa Bajas: Rf =R

wc=1RC

=2 πf c

Filtro Básico Pasa Altas:

wc=

1RC

=2 πf c

Filtro Pasa Banda:

Para la construcción de un filtro de banda, se deben conectar en cascada dos filtros, recomendablemente con la misma ganancia. Uno de los filtros es un pasa bajas y el otro un pasa altas.

AMPLIFICACIÓN:

Los amplificadores son uno de los componentes más importantes en los sistemas de instrumentación. Se emplean en cada aplicación que requiera aumentar las pequeñas señales que proporcionan los transductores a un nivel suficientemente elevado para su registro y tratamiento en sistemas de medida de tensión.

Amplificadores Operacionales:

Un amplificador operacional es un circuito integrado consistente en un grupo miniaturizado de transistores, diodos, resistencias y condensadores, que se han fabricado sobre un pequeño chip de silicio para formar el circuito amplificador. Este tipo de amplificadores sirve para varias funciones a las que debe su nombre, pues se adapta muy fácilmente para realizar operaciones matemáticas de señales como sumar, restar, diferenciar o integrar añadiendo un pequeño número de componentes pasivos externos como resistencias o condensadores.

Amplificador 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.

Amplificador No inversor:

Amplificador Sumador Inversor:

Amplificador Diferencial:

Esta configuración toma la diferencia de las dos señales de entrada y en función al resultado, genera la salida.

Amplificador de Instrumentacion:

PUENTE 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. En la figura se muestra un circuito de un puente de Wheatstone para la medida de resistencia, con Rx la resistencia a ser medida.

En condiciones de equilibrio.

R XR3

=R2

R1⇒ RX=R3∗

R2

R1

V 0=V in ( R2

R1+R2−

RXR3+RX )

PUENTE MAXWELL

Utilizado para medir inductancias.

PUENTE SCHERING

Se usa en la medición de capacitancias.

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 opto acopladores.

MODULACION:

Engloba el conjunto de técnicas para transportar información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea, protegiéndola de posibles interferencias y ruidos.

Básicamente, la modulación consiste en hacer que un parámetro de la onda portadora cambie de valor de acuerdo con las variaciones de la señal modulada, que es la información que queremos transmitir.

DEMODULACION:

El término demodulación engloba el conjunto de técnicas utilizadas para recuperar la información transportada por una onda portadora, que en el extremo transmisor había sido modulada con dicha información. Este término es el opuesto a modulación.

Así en cualquier telecomunicación normalmente existirá al menos una pareja modulador-demodulador. El diseño del demodulador dependerá del tipo de modulación empleado en el extremo transmisor.

TRATAMIENTO DE IMPEDANCIAS:

Frecuentemente se requiere en sistemas de instrumentación conectar diferentes dispositivos y circuitos en conjunto. Por ejemplo, cuando se usa un generador cuya impedancia de salida es de 50 Ohms con un dispositivo cualquiera, de alta impedancia, se requiere conectar una resistencia RL igual a 50 Ohms en paralelo con el dispositivo de alta impedancia. Dado lo anterior es necesario que exista la máxima transferencia de potencia que permita que toda la energía enviada o programada en la fuente sea recibida por los dispositivos alimentados.

BIBLIOGRAFIA CONSULTADA:

Pallás Areny R. “Sensores y Acondicionadores de Señal” ,4ª Edición, Ed. Marcombo, 2003.

Kaufman M., Seidman A. “Manual Para Ingenieros y Técnicos en Electrónica”,2ª Edición, Ed. McGraw-Hill, 1992.

Helfrik A., Cooper W. “Instrumentación Electrónica Moderna y Técnicas de Medición”, 1ª Edición, Ed. Prentice Hall, 1991.