Act 3: Reconocimiento Unidad I

CONCEPTOS BSICOS DE SEALES

Una seal es una cantidad que vara en el tiempo y que por lo tanto contiene informacin.

Por ejemplo la variacin de la temperatura media de una ciudad durante un periodo de 24

horas constituye una seal, medida en grados centgrados.

Una seal anloga es aquella funcin matemtica continua en la que es variable su amplitud

y periodo (representando un dato de informacin) en funcin del tiempo.

Algunas magnitudes fsicas comnmente portadoras de una seal de este tipo son elctricas

como la intensidad, la tensin y la potencia, pero tambin pueden ser hidrulicas como la

presin, trmicas como la temperatura, mecnicas, etc.

Se dice que una seal es digital cuando las magnitudes de la misma se representan a travs

de valores discretos en lugar de variables continuas. Por ejemplo, el interruptor de la luz

slo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lmpara: encendida o

apagada.

Los sistemas digitales , como por ejemplo el computador , usan lgica de dos estados

representados por dos niveles de tensin elctrica , uno alto, H y otro bajo, L (de High y

Low, respectivamente, en ingls). Por abstraccin, dichos estados se sustituyen por ceros y

unos, lo que facilita la aplicacin de la lgica y la aritmtica binaria. Si el nivel alto se

representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lgica positiva y en caso contrario de lgica

negativa.

Cabe mencionar que adems de los niveles, en una seal digital estn las transiciones de

alto a bajo o de bajo a alto, denominadas flanco de subida o de bajada, respectivamente. En

la siguiente figura se muestra una seal digital donde se identifican los niveles y los

flancos.

Seal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada.

Es conveniente aclarar que, a pesar de que en los ejemplos sealados el trmino digital se

ha relacionado siempre con dispositivos binarios, no significa que digital y binario sean

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitudes_f%C3%83%C2%ADsicashttp://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%83%C2%B1alhttp://es.wikipedia.org/wiki/Discretohttp://es.wikipedia.org/wiki/Sistemas_digitaleshttp://es.wikipedia.org/wiki/Ordenadorhttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%83%C2%B3gicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%83%C2%B3n_el%C3%83%C2%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%83%C2%B3gica_binariahttp://es.wikipedia.org/wiki/Flancohttp://campus05.unadvirtual.org/wiki/Archivo:S_digital.PNG

trminos intercambiables. Por ejemplo, en el cdigo Morse , se utilizan, para el envo de

mensajes por telgrafo elctrico , cinco estados digitales que son:

Punto , raya, espacio corto (entre letras), espacio medio (entre palabras) y espacio largo

(entre frases)

Referido a un aparato o instrumento de medida, se dice que es digital cuando el resultado

de la medida se representa en un visualizador mediante nmeros (dgitos) en lugar de

hacerlo mediante la posicin de una aguja, o cualquier otro indicador, en una escala.

Las seales se pueden analizar en el dominio del tiempo, en donde sus parmetros ms

importantes son el valor mximo, el valor mnimo, el valor promedio, el periodo y en el

dominio de la frecuencia en donde el parmetro ms relevante es el espectro de frecuencia.

CONCEPTOS BSICOS DE SENSORES

La instrumentacin y la teora de control basan sus desarrollos en la necesidad de adquirir

seales que provienen del medio con el fin de ser procesadas y analizadas.

Siempre ser conveniente que el ingeniero integrador de sistemas tenga presente que toda

instrumentacin comienza con el sensor, un buen conocimiento de stos traer como

consecuencia proyectos seguros, ptimos y rentables.

El sensor tiene como funcin bsica adquirir seales provenientes de sistemas fsicos para

ser analizadas, por lo tanto se podrn encontrar en el medio tantos sensores como seales

fsicas requieran ser procesadas.

Basados en el principio de conversin de energa el sensor tomar una seal fsica (fuerza,

presin, sonido, temperatura, etc.) y la convertir en otra seal (elctrica, mecnica ptica,

qumica, etc.) de acuerdo con el tipo de sistema de instrumentacin o control

implementado.

El sensor es por lo tanto un convertidor de energa de un tipo en otro. Los ms comunes de

las conversiones son a energa elctrica, mecnica o hidrulica. Los sensores que convierten

unas seal fsica cualquiera a una elctrica son generalmente llamados sensores. Los que

convierten una seal elctrica en otro tipo de seal son denominados actuadores. Algunos

autores llaman a los primeros transductores de entrada y a los segundos transductores de

salida. Sin embargo la Sociedad Americana de Instrumentacin (ISA), define el sensor

como sinnimo de transductor.

A pesar de que pueden existir decenas de clasificaciones para los sensores, tomaremos a

manera de gua las siguientes.

Atendiendo al tipo de seal de entrada.

http://es.wikipedia.org/wiki/C%C3%83%C2%B3digo_Morsehttp://es.wikipedia.org/wiki/Tel%C3%83%C2%A9grafo_el%C3%83%C2%A9ctricohttp://es.wikipedia.org/wiki/Display

Los sensores pueden ser clasificados dependiendo del tipo de seal al cual responden.

Mecnica: Ejemplos: longitud, rea, volumen, masa, flujo, fuerza, torque, presin,

velocidad, aceleracin, posicin, acstica, longitud de onda, intensidad acstica.

Trmica: Ejemplos: temperatura, calor, entropa, flujo de calor.

Elctrica: Ejemplos: voltaje, corriente, carga, resistencia, inductancia, capacitancia,

constante dielctrica, polarizacin, campo elctrico, frecuencia, momento dipolar.

Magntica: Ejemplos: intensidad de campo, densidad de flujo, momento magntico,

permeabilidad.

Radiacin: Ejemplos: intensidad, longitud de onda, polarizacin, fase, reflactancia,

transmitancia, ndice de refractancia.

Qumica: Ejemplos: composicin, concentracin, oxidacin/potencial de reduccin,

porcentaje de reaccin, PH.

Atendiendo al tipo de seal entregada por el sensor

Sensores anlogos.

La gran mayora de sensores entregan su seal de manera continua en el tiempo. Son

ejemplo de ellos los sensores generadores de seal y los sensores de parmetros variables

Sensores digitales.

Son dispositivos cuya salida es de carcter discreto. Son ejemplos de este tipo de sensores:

codificadores de posicin, codificadores incrementales, codificadores absolutos, los

sensores auto resonantes (resonadores de cuarzo, galgas acsticas, cilindros vibrantes, de

ondas superficiales (SAW), caudal metros de vrtices digitales), entre otros.

Atendiendo a la naturaleza de la seal elctrica generada.

Los sensores dependiendo de la naturaleza de la seal generada pueden ser clasificados en:

Sensores pasivos:

Son aquellos que generan seales representativas de las magnitudes a medir por intermedio

de una fuente auxiliar. Ejemplo: sensores de parmetros variables (de resistencia variable,

de capacidad variable, de inductancia variable).

Sensores activos o generadores de seal:

Son aquellos que generan seales representativas de las magnitudes a medir en forma

autnoma, sin requerir de fuente alguna de alimentacin. Ejemplo: sensores piezoelctricos,

fotovoltaicos, termoelctricos, electroqumicos, magnetoelctricos.

CONCEPTOS BASICOS DE AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACION

Los amplificadores de instrumentacin son amplificadores diferenciales con un CMRR

alto, muchos de ellos con ganancia variable. En pocas palabras diremos que son

amplificadores diferenciales buenos.

La primera cuestin a tratar sera el por qu debe ser un amplificador diferencial. Tiene

muchas respuestas, la primera de ellas quizs sea el hecho de que un amplificador

diferencial es muy verstil de manera que se puede utilizar tanto como amplificador

inversor como no inversor. Dado un amplificador

diferencial como el de la figura, la salida Vo sera...

Si V2=0, entonces Vo= G V1 y funcionara como amplificador no inversor. Por otro lado si

V1=0, entonces Vo= -G V2 y actuara como un amplificador inversor. Y adems, puede

amplificar la diferencia.

Sin embargo, la verdadera razn para trabajar con amplificadores diferenciales proviene de

la facilidad que poseen para trabajar con seales diferenciales frente a las de modo comn,

es decir, y como veremos ahora, nos va a permitir distinguir entre seal y ruido.

Veamos un ejemplo. Si pretendemos enviar una seal desde un circuito digital a un sistema

informtico remoto de forma asncrona a travs de un interfaz RS, se podra hacer

utilizando un cable coaxial cuyo apantallamiento evitara, tericamente, la incidencia de

ruido en la seal.

Un amplificador de instrumentacin se caracteriza por tener:

Alta impedancia de entrada.

Alto rechazo de seales en modo comn CMRR, superior a 100 dB.

Ganancia estable y que pueda ser variable con una nica resistencia y sin que se

contrapongan directamente ganancia y ancho de banda.

Tensin y corriente de desequilibrio (offset) bajas y con pocas derivas.

Impedancia de salida baja.

El amplificador de instrumentacin cuenta con tres amplificadores dos seguidores de

tensin para mejorar la impedancia de entrada del amplificador y un amplificador

diferencial para rechazar las seales en modo comn.

CONCEPTOS BASICOS DE FILTROS ACTIVOS

Un filtro es un dispositivo, cuadripolo, que tiene como funcin atenuar determinadas

frecuencias del espectro de la seal de entrada y permitir el paso de las dems. Los filtros

activos se construyen con base a los amplificadores operacionales, resistencias y

condensadores.

Dentro de las ventajas de los filtros activos se tiene:

Facilitan el diseo de filtros complejos mediante la asociacin de etapas simples.

Permiten eliminar las inductancias voluminosas, presentes en bajas frecuencias.

Permiten agilizar y flexibilizar proyectos.

Proporcionan una ganancia.

Adems pueden tener algunos inconvenientes como el requerir alimentacin para la

polarizacin de los amplificadores, su respuesta en frecuencia puede estar limitada al tipo

de amplificador utilizado, adems su utilizacin esta limitada a circuitos de baja potencia.

Los filtros se clasifican de acuerdo a la funcin que desempean en: pasabajos, pasaaltos,

pasabanda, rechazabanda.

Filtro pasa bajo (PB)

Slo permiten el paso a frecuencias inferiores a la de corte fc, las dems son atenuadas. En

la siguiente figura, se muestra la respuesta de un filtro PB .

Filtro pasa alto (PA)

El filtro pasa alto se caracteriza por atenuar las frecuencias bajas y solo permitir el paso a

aquellas superiores a la fc. En la figura siguiente se muestra la respuesta del filtro.

Filtro pasa banda (PF)

Permite el paso de frecuencias que se encuentran en una banda delimitada por una

frecuencia de corte inferior fc1 y otra superior fc2, como es lgico las frecuencias situadas

por fuera de sta banda quedan atenuadas. En la figura siguiente se muestra la respuesta del

filtro.

Filtro rechaza banda (RB)

Permite el paso de las frecuencias no situadas en la banda, delimitada por la frecuencia de

corte inferior fc1 y la frecuencia de corte superior fc2, es decir la frecuencias contenidas en

la banda son atenuadas. En la siguiente figura se encuentra la respuesta del filtro.

CONCEPTOS BASICOS DE CONVERSION ANALOGO-DIGITAL

La gran mayora de seales que se obtienen de un sistema de medida son anlogas como las

seales de voz, biolgicas, elctricas, ssmicas, radar y de distintos tipos de seales de

comunicacin. Para procesar estas seales analgicas por medios digitales es necesario

convertirlas a un formato digital es decir, es necesario transformarlas a un formato de

precisin finita.

Para convertir una seal anloga a digital es necesario contar con un procedimiento que

consta de las siguientes etapas:

1. Muestreo: Etapa que convierte una seal de tiempo continuo en una seal de tiempo

discreto, su principio se basa en la obtencin de muestras de la seal de tiempo continuo en

instantes de tiempo discreto, la salida esta dada por el trmino:

Donde T se denomina intervalo de muestreo.

2. Cuantificacin. Etapa que convierte una seal de tiempo discreto con valores continuos a

una seal de tiempo discreto con valores discretos - seal digital-. El valor de cada muestra

de la seal se presenta mediante un valor seleccionado de un conjunto finito de valores

posibles. La diferencia entre la muestra sin cuantificar x(n) y la salida cuantificada xq(n) se

denomina error de cuantificacin.

3. Codificacin: Etapa que consiste en asignarle a una secuencia binaria de s bits, cada

valor discreto xq(n).

Aunque se ha modelado la conversin anloga a digital en varios etapas, en la prctica la

conversin se hace en un nico paso.