Carlos Chicala

Adquisición de datos: Medir para conocer y controlar

Handbook de adquisición de datos

Adquisición de datos: medir

para conocer y controlar

HANDBOOK DE ADQUISICIÓN DE DATOS

PRIMERA EDICIÓN

Carlos Chicala

Revisión técnica:

M. en I. Naomi Berenice Romero Mata Profesora del Departamento de Control y Robótica

Facultad de Ingeniería

Universidad Nacional Autónoma de México

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Adquisición de datos: medir para conocer y controlar. Handbook de adquisición de datos. Primera edición

Presidente de Cengage Learning Latinoamérica:

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Adquisición de datos: medir para conocer y controlar. Handbook de adquisición de datos. Primera edición

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Contenido

Agradecimientos XIII

Prólogo XV

Presentaciones XVII

Parte I Hardware

INTRODUCCIÓN

Capítulo 1

Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora 3

1.1 Breve historia de la instrumentación 3

1.2 Instrumentación virtual 4

1.3 Componentes de un sistema de adquisición o toma de datos 6

1.4 Computadoras 7

1.5 Hardware de adquisición de datos y control 9

Capítulo 2

Comunicación entre el sistema de adquisición de datos y la computadora: buses y protocolos 15

2.1 Preliminares 15

2.2 Buses 15

2.3 Protocolos de comunicaciones 18

2.4 Repetidores o extensores y convertidores de estándares 24

NOCIONES BÁSICAS

Capítulo 3

Conceptos básicos: Acondicionadores de señal usando resistores 25

3.1 Preliminares 25

3.2 Ley de Ohm 25

3.3 Componentes pasivos 26

CONTENIDOVI

Capítulo 4

Conceptos básicos: Acondicionadores con L, C y R: filtros 33

4.1 Preliminares 33

4.2 Capacitores 33

4.3 Inductores o bobinas 41

4.4 Filtros compuestos por más de una etapa 46

4.5 Filtro pasa banda RLC 49

4.6 Filtro rechaza banda o filtro supresor de banda RLC 52

4.7 Filtros activos 55

Capítulo 5

Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 61

5.1 Nociones básicas de los amplificadores operacionales 61

5.2 Amplificador operacional básico 62

5.3 Tipos de amplificadores operacionales 62

5.4 Alimentación de potencia de los amplificadores operacionales 63

5.5 Ganancia de los amplificadores operacionales 63

5.6 Realimentación de los amplificadores operacionales 64

5.7 Impedancias de salida y de entrada de etapas construidas con amplificadores operacionales 67

5.8 Relación de rechazo de modo común 75

5.9 Características de los amplificadores operacionales reales 77

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

Capítulo 6

Acondicionadores de señales analógicas: teoría, cálculo y sistemas reales 81

6.1 Análisis teórico y cálculos de algunos acondicionadores de señal 81

6.2 Filosofías de acondicionadores de señal reales del mercado 93

6.3 Aislación eléctrica de señales analógicas 99

6.4 Borneras y cables 100

Capítulo 7

Acondicionadores de señales digitales: teoría, diseño y sistemas reales 101

7.1 Interface con circuitos digitales de entrada y salida 101

7.2 Interfaz con interruptores o switches mecánicos 103

7.3 Rebote de contactos 103

VIICONTENIDO

7.4 Contactos secos 104

7.5 Señales digitales de variación lenta o de baja pendiente de cambio 104

7.6 Tratamiento de señales digitales de niveles incompatibles entre sí 108

7.7 Señales digitales de entrada y salida de alta corriente o de alto voltaje 109

7.8 Optoaislación digital para señales de entrada y salida 109

7.9 Switches o interruptores digitales: generalidades 110

7.10 Elementos interruptores 111

7.11 Tipos de relevadores 113

7.12 Filosofías de los acondicionadores de señales digitales del mercado 116

7.13 Tarjetas de adquisición de datos con el acondicionamiento de entradas y salidas digitales incorporadas en la misma tarjeta 118

7.14 Borneras y cables 118

Capítulo 8

Acondicionamiento de señales industriales: sensores 119

8.1 Consideraciones generales 119

8.2 Usos de las mediciones industriales 120

8.3 Entorno de medición industrial 120

8.4 Sensores y transmisores: definición 122

8.5 Linealización de sensores 124

8.6 Clasificación de sensores 126

8.7 Teoría de transductores o sensores más usados 127

Capítulo 9

Técnicas de reducción de ruido y aislación 135

9.1 Consideraciones generales 135

9.2 Fuentes de ruido 136

9.3 Técnicas para prevenir y evitar ruido eléctrico o para preservar la integridad de la señal de los sensores 139

9.4 Técnicas para eliminar el ruido presente en una señal adquirida 141

HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Capítulo 10

Multiplexado en los sistemas de adquisición de datos: muestreo y almacenamiento (sample and hold, S/H) 143

10.1 Diagrama de bloques de un sistema DAQ 143

10.2 Multiplexores 144

10.3 Principio de funcionamiento de los interruptores electrónicos 145

10.4 Conmutadores electrónicos 146

CONTENIDOVIII

10.5 Necesidad del muestreo y almacenamiento (sample and hold, S/HH) 148

10.6 Funcionamiento de un circuito de muestreo y almacenamiento (S/H) 151

10.7 Circuitos de muestreo y almacenamiento (S/H) con componentes activos 152

10.8 Análisis de la frecuencia de un circuito con multiplexor y circuito S/H 154

10.9 Muestreando múltiples canales 156

10.10 Ganancia seleccionable por canal: seleccionador de ganancia por software versus secuenciador de ganancia por hardware 160

10.11 Impedancia del sensor y acondicionador y su efecto sobre la velocidad de multiplexado 161

10.12 Influencia del tiempo de respuesta del amplificador de instrumentación y la velocidad de conmutación del multiplexor 162

10.13 Especificaciones técnicas de los amplificadores de muestreo y almacenamiento (S/H) 164

Capítulo 11

Convertidores digital a analógico y analógico a digital: principios de funcionamiento 165

11.1 Introducción 165

11.2 Teorema del muestreo 166

11.3 Cuantificación 166

11.4 Convertidores DACs (digital a analógico) 168

11.5 Salidas bipolares y unipolares de un convertidor digital a analógico: formatos de entrada y salida 175

11.6 Convertidores ADCs (analógico a digital) 176

Capítulo 12

Señales 189

12.1 Definición y clasificación de las señales 189

12.2 Señales digitales 190

12.3 Señales analógicas 191

12.4 Una señal, cinco perspectivas diferentes de medición 195

12.5 Interacción entre los sensores, los acondicionadores y el sistema DAQ 195

12.6 Señales referenciadas o no referenciadas a tierra y técnicas de medición 197

12.7 Sensores o fuentes de señal referenciadas a tierra 197

12.8 Sensores o fuentes de señal flotantes de tierra 198

12.9 Sistemas de medición con entrada diferencial 198

12.10 Sistema de medición single-ended referenciado a tierra 200

12.11 Sistema de medición single-ended no referenciado 200

IXCONTENIDO

12.12 Conexión de fuentes de señal referenciadas a tierra 201

12.13 Conexión de fuentes de señal flotantes 202

Capítulo 13

Entradas analógicas de sistemas de adquisición de datos 205

13.1 Partes constitutivas y señales a ingresar en un sistema DAQ 205

13.2 Parámetros analógicos de entrada y salida 206

13.3 Consideraciones acerca de resolución, rango y ganancia 209

13.4 Velocidad de muestreo: alias de la señal adquirida 210

13.5 Prevención del problema de alias de señales en un sistema DAQ 212

13.6 Formas de adquisición a través de las entradas analógicas 213

13.7 Adquisición de datos continua o adquisición de datos con buffer circular 216

13.8 Modos de inicio o disparo de la adquisición de datos: trigger 218

13.9 Archivar o guardar grandes volúmenes de datos a alta velocidad durante la adquisición 219

Capítulo 14

Salidas analógicas de sistemas de adquisición de datos 221

14.1 Salidas analógicas en los sistemas de adquisición de datos 221

14.2 Parámetros de salida analógica de los sistemas DAQ 221

14.3 Formas de salidas analógicas a través de un sistema DAQ 223

14.4 Adquisición y generación simultáneas de ondas analógicas: sincronismo de las mismas 228

Capítulo 15

Entradas y salidas digitales de sistemas de adquisición de datos 229

15.1 Entradas y salidas digitales en los sistemas DAQ 229

15.2 Agrupación de las funciones de entradas y salidas según su facilidad de uso 230

15.3 Líneas digitales: secuencia para lectura o escritura de líneas de entrada y salida digital usando funciones de fácil manejo (easy I/O) 230

15.4 Puertos digitales: secuencia para lectura y escritura de puertos digitales usando funciones avanzadas 232

15.5 Aplicación práctica de lectura de entradas digitales: lectura de un interruptor o switch de proceso 234

15.6 Aplicación práctica de escritura de salidas digitales: accionamiento o control de relevadores 235

15.7 Entradas y salidas digitales controladas o temporizadas: comunicaciones entre computadoras utilizando protocolos digitales especiales 235

CONTENIDOX

Capítulo 16

Contadores por hardware de sistemas de adquisición de datos 237

16.1 Necesidad de los contadores por hardware en un sistema DAQ: usos y aplicaciones 237

16.2 Características de las señales que ingresan a un contador 238

16.3 Partes que componen un contador por hardware 238

16.4 Secuencia de funcionamiento de un contador por hardware 239

16.5 Conexión de contadores en cascada 240

16.6 Agrupación de las funciones de contadores por hardware de un sistema DAQ según su facilidad de uso 242

16.7 Función para contar eventos o medir tiempos 242

16.8 Tipos de pulsos y características de los mismos 243

16.9 Medición de parámetros de un pulso (ancho o retraso) y medición del periodo 244

16.10 Medición de frecuencias desconocidas usando contadores por hardware 245

16.11 Encoders ópticos: medición de ángulos de giro usando contadores por hardware y encoders ópticos 246

Parte II Software

SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Capítulo 17

Software de base o software driver de sistemas DAQ 251

17.1 Importancia del software de bajo nivel o software driver de sistemas DAQ 251

17.2 Funcionamiento de los buffer de memoria: memorias FIFO 256

Capítulo 18

Software de aplicación final del usuario: lenguajes de alto nivel para sistemas de adquisición de datos 261

18.1 Sistemas de software de aplicación final del usuario y lenguajes de alto nivel para sistemas DAQ 261

18.2 Sistemas de entorno abierto versus sistemas de entorno cerrado 262

18.3 Clasificación de los software de aplicación y los lenguajes de alto nivel para sistemas DAQ 266

18.4 Accesorios o toolkits de LabVIEW para análisis específicos de adquisición de datos 280

XICONTENIDO

Capítulo 19

Adquisición de datos desde sistemas SCADA 285

19.1 Concepto de SCADA/HMI 285

19.2 Arquitecturas de SCADA/HMI 286

19.3 Módulos funcionales que debe tener un software SCADA 290

19.4 ¿Qué es OPC? 292

19.5 Arquitectura actual de un sistema de control industrial 293

19.6 Adquisición de datos desde SCADA 293

Parte III Curso de LabVIEW 297

PRÁCTICAS

Capítulo 20

Entorno y arquitectura de LabVIEW: comenzando con LabVIEW 299

20.1 Introducción 299

20.2 Panel frontal 300

20.3 Diagrama de bloques 303

20.4 Principales elementos o componentes del panel frontal 306

20.5 Principales elementos o componentes del diagrama de bloques 309

20.6 Paleta de herramientas 313

20.7 Ayuda de LabVIEW 315

Capítulo 21

Creación, edición y depuración de un VI: creando su primer VI con LabVIEW 317

21.1 Su primer VI 317

21.2 Secuencia de ejecución de los diagramas de flujo 328

Capítulo 22

Creación de una subrutina (SubVI) en LabVIEW: creando su primer SubVI con LabVIEW 331

22.1 Introducción 331

22.2 Su primer SubVI 331

22.3 Creación de la primera subrutina para calcular la pendiente de una recta 334

22.4 Una forma fácil y rápida de hacer subrutinas 348

CONTENIDOXII

Capítulo 23

Estructuras de iteración: “While loop”, “For loop” y gráficos de tipo “Charts” o gráficos históricos o de tendencias en LabVIEW 351

23.1 Introducción 351

23.2 Estructura “While loop” (estructura de iteración condicionada al valor de una variable) 352

23.3 Estructura “For loop” (estructura de iteración que se repite un número prefijado de veces) 368

Capítulo 24

Estructuras de decisión y tipos de datos 375

24.1 Estructuras de decisión: estructura de casos y función selectora 375

24.2 Tipos de datos en LabVIEW 380

Capítulo 25

Arreglos y gráficos de forma de onda 385

25.1 Arreglos en LabVIEW 385

25.2 Generando arreglos con las estructuras de iteración (For loop, While loop). 397

25.3 Gráfica de forma de onda o waveform graph 400

Capítulo 26

Cadenas de caracteres ASCII (Strings) y escritura y lectura de archivos (File I/O) en LabVIEW 405

26.1 Cadenas de caracteres (strings) en LabVIEW 405

26.2 Lectura y escritura de archivos en LabVIEW (File I/O) 413

Capítulo 27

Funciones de adquisición de datos: entradas analógicas 419

27.1 Introducción 419

27.2 Adquisición de entradas analógicas 419

27.3 Adquisición de entradas analógicas usando Express Vis 433

Capítulo 28

Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas 437

28.1 Actuación sobre las salidas analógicas 437

28.2 Salidas analógicas usando VIs Express 450

Glosario 453

1

PARTE I

Hardware

3

1.1 Breve historia de la instrumentación

La instrumentación ha ido evolucionando a través del tiempo y siempre haciendo uso de los

últimos avances de la tecnología en cada momento de la historia. Podemos observar esto en la

figura 1.1, en la que se ha graficado la evolución de la instrumentación en función del tiempo,

teniendo en cuenta el aumento de flexibilidad o funcionalidad de la misma.

Partiendo de la premisa que hemos enunciado, los instrumentos que miden los fenómenos

eléctricos toman lo más avanzado de la tecnología de cada época para su funcionamiento,

con ello podemos analizar la gráfica antes mencionada

de la siguiente forma.

Cuando comienza el estudio de las ciencias eléctricas

en el siglo XIX, lo más avanzado tecnológicamente era

la relojería. De ésta, los instrumentos toman los ele-

mentos para su diseño, y es así que los componentes

de los mismos son agujas, resortes antagónicos, coji-

netes de rubí, etc. Posteriormente, con la aparición de

los receptores de radio los instrumentos toman de éstos

elementos tales como potenciómetros, condensadores

variables, válvulas rectificadoras de vacío (diodos), etc.

El aporte más importante es el tríodo, que como ele-

mento amplificador permite la amplificación de señales

débiles para luego poder medirlas. Aparecen también

los primeros osciladores o generadores de onda que ha-

Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos

basados en computadora

Capítulo

Figura 1.1

Evolución de la instrumentación.

Fle

xibili

dad

PC

TV

Radio

Relojería

Tiempo

INTRODUCCIÓN

PARTE I HARDWARE4

cen uso de la realimentación positiva. Años más tarde, con el advenimiento de la televisión

los instrumentos adoptan para su funcionamiento el tubo de rayos catódicos y la exhibición

en video para indicar las mediciones, y entonces aparecen los primeros osciloscopios, anali-

zadores de espectros, analizadores de video, etcétera.

Al mismo tiempo, con la aparición de la computadora y luego de la computadora personal,

los instrumentos sacaron el máximo potencial de las mismas. Así se abren camino dos nuevos

conceptos muy importantes: la instrumentación virtual y los sistemas de adquisición o toma de datos.

Observemos en la figura 1.1 que a lo largo del tiempo la instrumentación ha ido ganando en

flexibilidad y funcionalidad. Esto ha ocasionado que los productos se impongan y, obvia-

mente, sean adquiridos por los distintos tipos de clientes: la industria, laboratorios, centros

de investigación, universidades, escuelas técnicas, entre otros.

1.2 Instrumentación virtual

La aparición de la computadora personal generó este nuevo término, pero para comprender

qué es, comencemos por analizar la instrumentación tradicional.

Se entiende por instrumento tradicional todo aquel instru-

mento tipo hardware rígido que se puede adquirir de distin-

tos fabricantes y cuya funcionalidad viene definida por éstos.

Los instrumentos que observamos en la figura 1.2, y todos los

instrumentos semejantes que generalmente son anteriores

a la aparición de la computadora personal en la figura 1.1,

son de los llamados tradicionales (osciloscopios, analizadores

de espectro, frecuencímetros, etc.). Ejemplo de éstos son los

instrumentos que podemos encontrar en algún laboratorio de

electrónica.

Una vez explicado el término instrumentación tradicional,

veamos ahora qué significa instrumentación virtual, para lo

cual haremos uso de la figura 1.3.

Analicemos el diagrama en bloques de cualquier instrumento

tradicional, como el de un osciloscopio digital. Se observa que

tiene unos bornes de entrada en los que ingresa, dependiendo

del número de canales, la señal a un bloque amplificador y

acondicionador de la misma. A continuación, la señal es con-

vertida en digital a través de un convertidor análogo digital. La

señal digitalizada es procesada por un microprocesador, el cual

tiene memoria RAM para guardar los datos adquiridos y pone

en funcionamiento algoritmos conforme a un programa que se

ejecuta y reside en memoria ROM, estos algoritmos realizarán

análisis y cálculos de la señal adquirida. Los datos procesados

por este CPU son luego enviados a un bloque de video que ex-

hibe la señal en un TRC (tubo de rayos catódicos), donde final-

mente el operador observa los valores leídos y realiza el ensayo.

Dejando por ahora de lado el amplificador y el convertidor

analógico-digital, todos los bloques antes mencionados están

contenidos en cualquier computadora de escritorio, incluso

Figura 1.3

Instrumentos virtuales.

Instrumento tradicional

Alta velocidad de CPU

MemoMemoriaria RAMRAM eexpanxpandibldiblee

Adquisición on-line

Generación de reportes on-line

Conectividad LAN e internet

Software gráfico modificable

Instrumento virturr albasado en PC

Figura 1.2

Instrumentos tradicionales.

5Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora

con una potencialidad mucho mayor. Esto se debe a que el CPU o unidad central de proceso

de cualquier computadora supera a la de cualquier instrumento digital del mercado en los

siguientes puntos: velocidad, número de instrucciones, mayor versatilidad a la hora de defi-

nir cantidad de entradas y salidas, mayor memoria RAM y ampliable fácilmente, memoria

ROM que es todo un disco duro en donde se guardan los programas, que luego van a poder

ejecutarse y editarse fácilmente, un mejor procesador de video por su tamaño, resolución y

paleta de colores que puede manejar. Finalmente, y refiriéndonos a la salida de la computado-

ra, ésta puede ser conectada a un proyector de cañón y mostrar la imagen convenientemente

ampliada sobre una pantalla.

Como dijimos anteriormente, lo único que le faltaría a nuestra computadora para ser un ins-

trumento, desde el punto de vista del hardware, serían el amplificador y el conversor análogo

digital. Cabe mencionar que estos elementos de hardware están contenidos justamente en lo

que se conoce como tarjeta de adquisición o toma de datos o tarjeta DAQ. Con respecto al

software se pueden incorporar a las computadoras programas similares e incluso mucho más

poderosos que los que corren en cualquier osciloscopio.

Ahora estamos en condiciones de definir lo que se entiende por instrumentación virtual: es

toda computadora en la cual se ha insertado o conectado, interna o externamente, un dispo-

sitivo de adquisición de datos rodeado de un software lo suficientemente poderoso y flexible

como para sacar el máximo provecho de ese hardware. Observemos que al software se le ha

puesto la condición de ser lo suficientemente poderoso y flexible. Generalmente éstos son

calificativos contrapuestos, pero recordemos que nuestras computadoras actuales soportan

sistemas operativos de tipo gráfico, como Windows, Mac, etc., en los cuales es posible dise-

ñar software gráficos poderosos y flexibles.

En la figura 1.4 se muestra una comparación entre la instrumentación tradicional y la instru-

mentación virtual. La funcionalidad de la primera está definida por el fabricante, mientras

que la versatilidad de la instrumentación virtual radica en que

su funcionalidad es definida por el usuario final. Esto repre-

senta una gran ventaja, ya que quién mejor que el usuario final

para saber lo que necesita del instrumento y, por lo tanto, de-

terminar sus características.

Algunas otras ventajas de la instrumentación virtual son:

a) Fácilmente escalable: teniendo entradas disponibles en

la tarjeta de adquisición de datos puede ampliarse la can-

tidad de entradas al instrumento virtual, simplemente

con una modificación en el software. Otra opción es co-

locar un multiplexor o añadir otra tarjeta y sincronizarlos

si fuera necesario.

b) Fácilmente reciclable: si se dispone de un instrumento virtual funcionando como

osciloscopio y se desea pasar a un analizador dinámico o un registrador de da-

tos (datalogger), se puede hacer uso de la misma tarjeta. Simplemente hay que

cambiar o modificar el software, ya que en éste reside la funcionalidad del ins-

trumento.

c) Fácilmente conectable con el mundo exterior: todos sabemos que la computadora

en la que se basa cualquier instrumento virtual es fácilmente conectable a una LAN,

a una intranet o a internet, de esta manera el dato adquirido puede estar disponible

fácilmente en cualquier parte donde sea necesario.

Figura 1.4

Instrumentación tradicional vs. instrumentación virtual

Instrumento tradicional Instrumento virturr al

Funcionalidad definidapor el vendedor

Funcionalidad definidapor el usuario final

PARTE I HARDWARE66

d) Facilidad para configurar el instrumento virtual: se pueden guardar las configu-

raciones (settings) de ese instrumento en el mismo disco duro de la computadora,

incluso con el nombre de cada proyecto que se va haciendo. Esto permite repetir

cualquier proyecto, sin perder tiempo en recalibrarlo, retomando los controles del

instrumento con sólo rescatar el archivo de configuraciones.

e) Bajo costo por canal de adquisición: como los fabricantes de computadoras compi-

ten en el ámbito mundial, tenazmente entre ellos, la instrumentación virtual aprove-

cha estas ventajas de la competencia comercial: costos cada vez más bajos, equipos

cada vez más rápidos, con mayor capacidad de memoria RAM y discos duros con

mayor almacenamiento. Esto permite que las empresas de adquisición de datos pue-

dan generar hardware o software cada vez más económicos, lo que garantiza un

costo bajísimo por canal adquirido.

Todo lo antes mencionado demuestra que con la instrumentación virtual se aumenta la flexi-

bilidad o funcionalidad a menores precios, lo cual parece ser la clave del éxito que la misma

ha tenido y aún tiene en el campo de la industria y de los laboratorios.

1.3 Componentes de un sistema de adquisición o toma de datos

Se define como un sistema de adquisición o toma de datos a todo sistema compuesto por

los siguientes componentes:

a) Computadora: en ésta se lleva a cabo todo el procesa-

miento de la información, la cual una vez adquirida pue-

de ser exhibida en tiempo real, guardada en un archivo

con algún formato de intercambio, transmitida a través

de una LAN (Local Area NetWork) o a través de internet.

La información adquirida puede ser analizada por medio

de una computadora con algún cálculo complejo previo,

como integración, derivación, transformaciones de Fou-

rier, estadísticas, etcétera.

b) Software de adquisición: este elemento corresponde al

lenguaje de programación a usar, en el que se programará

o configurará el software encargado de llevar a cabo la

funcionalidad deseada por el sistema de adquisición de

datos. Normalmente hay dos o más niveles de software. Si

los niveles son dos, como mínimo, se tendrá un driver o

software de bajo nivel que comunica la tarjeta de adquisi-

ción de datos con el sistema operativo de la computadora y

un lenguaje de desarrollo generalmente gráfico o utilitario

también llamado software de alto nivel, donde se progra-

mará o configurará la aplicación final con la que interac-

tuará el operador al hacer los proyectos o mediciones.

c) Bus de conexión o puerto de conexión: este elemento tiene como función conectar la

computadora con el adquisidor de datos, encontrándose variantes como el bus PCI,

ISA, PCMCIA, puerto serial, puerto paralelo, puerto GPIB, USB, Ethernet, etcétera.

d) Adquisidor de datos: este elemento es el que toma los datos del acondicionador

y hace la conversión análoga a digital de la información. Hay que tener en cuenta

que puede ser un elemento interno o externo a la computadora. Cabe aclarar en este

Figura 1.5

Componentes de un sistema de adquisición de datos basado en

tarjetas DAQ insertadas en la computadora.

Software de adquisición de datos

TarjetTT a DAQ

Computadora

A los sensores

Acondicionador de señal

6

7Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora

punto que el enlace entre el equipo de cómputo y el elemento adquisidor de datos no

tiene que ser permanente, puede haber momentos durante los cuales esté conectado

y otros no. Cuando esté conectado el equipo descargará del adquisidor todos los

datos que éste ha almacenado.

e) Acondicionador de señal: la función del acondicionador es adaptar la señal que se recibe

del sensor, amplificándola, linealizándola, filtrándola, etc. Puede alimentar el sensor si

éste requiriera alimentación, como en el caso de los RTDs y los extensómetros.

f) Sensores: el sensor va a convertir un parámetro físico, o químico, como temperatura,

presión, fuerza, luz, desplazamiento, pH, CO2, etc., en un fenómeno eléctrico capaz

de ser medido.

Se debe tener en cuenta que en muchos casos es posible distinguir las componentes ante-

riormente citadas y en otras no, ya que en una misma caja se puede encontrar todo incluido,

como ocurre con algunos sistemas modernos.

Ya que estamos obteniendo información a través de la adquisición de datos, poseemos los

elementos para hacer también el control del sistema. Así, el concepto crece y podemos co-

menzar a hablar de adquisición de datos y control basados en computadora. Los términos en

inglés equivalentes que normalmente escuchamos son data acquisition and control, test and measurement, measurement and control, etcétera.

1.4 Computadoras

Recordemos que en este producto existe gran variedad de ofertas. Computadoras cada vez

más rápidas, con más memoria RAM, mayor capacidad de disco duro o HD, manejo de video

y monitor.

Al definir un sistema de adquisición de datos se debe considerar que las computadoras pueden

ser de distintas características. La calidad de las mismas se mide por parámetros tales como el

MTBF (tiempo medio entre fallas, en miles de horas de funcionamiento). Sabemos que las fallas

de hardware en la computadora pueden ser tan simples, como el que se “detenga” sin ningún mo-

tivo del software, o tan graves, como que se dañe el microprocesador, la memoria, la fuente, etc.

Teniendo en cuenta lo anterior y comenzando de menor a mayor exigencia de funcionamiento,

podemos agrupar a las computadoras en tres grupos, con sus ventajas e inconvenientes.

Figura 1.6

Elementos de un sistema de adquisición de datos: funcionalidades del hardware y del software.

Señales delos sensores

Adquisición

IngIngresreso yo yacondiciona-miento de

la señal

Cálculo

Formateo

Interfaz de usuario

Coppia imppresa o hard coppyy

Archivo I/O

Interprocesos de comunicación

Networking

InstrumentoTarjetTT as DAQ

IEEE488 (GPIB)VXI

RS-232

Hardware Softwff are

Análisis Presentación

PARTE I HARDWARE8

a) Computadora “clon” o sin marca: este tipo de equipos no tienen marcas y vienen

de fábrica sin ninguna línea de modelo. Son fruto de un importador que compra en

Estados Unidos o en Taiwán lo más económico posible en cuanto a tarjeta madre o

motherboard, procesador o CPU, memoria RAM, gabinete, fuente de alimentación y

disco duro. Se adquieren las partes al menor precio posible, se arman las computado-

ras “clon”, que aunque son las más baratas del mercado tienen la mayor posibilidad

de falla, o sea el menor MTBF (tiempo medio entre fallas). Estas fallas pueden ser

simplemente detenerse sin ninguna explicación, hasta el daño grave de algunos de

sus componentes. La única ventaja de este tipo de equipos es que su precio es muy

económico. Usos: generalmente se usan en pequeñas aplicaciones o sistemas DAQ

no críticos, sistemas DAQ educativos para universidades, escuelas técnicas, etcétera.

b) Computadora de marca: llamamos así a las fabricadas por alguna firma responsa-

ble, como IBM, Apple, etc., con marca y una línea de modelos definida. Esto ga-

rantiza que ese modelo está normalizado en el sentido de que fue diseñado con tal

tarjeta madre, cierto tipo de memoria RAM, cierta marca de disco duro, etc.; ade-

más, ese conjunto fue probado bajo diferentes condiciones y durante miles de horas

de ensayos, pudiendo en sus especificaciones fijar una cierta calidad. Al adquirir

en algún negocio este tipo de equipo conviene respetar la configuración original tal

como viene el modelo de fábrica. No se recomienda solicitar el agregado de memo-

ria RAM o más capacidad de disco duro, ya que si hacemos esto, probablemente

el vendedor agregue o inserte otra memoria u otro disco duro que pueden no ser

totalmente compatibles con el resto del hardware e incluso de otra marca. Entonces,

a pesar de haber pagado por una computadora de marca, se termina en realidad adqui-

riendo una que se comporta como un “clon”, ya que no puede garantizarse la absoluta

compatibilidad entre los elementos originales del modelo y los elementos añadidos.

Usos: es una buena solución para sistemas medianos y no críticos; tienen un buen

desempeño. Pero recordemos que fueron concebidas para ser utilizadas en oficinas y

no son aptas para entornos industriales, donde las condiciones de polución, polvo,

elementos agresivos, etc., pueden dañarlas.

c) Computadora industrial: son específicamente usadas en sistemas críticos, tienen un

elevado MTBF (tiempo medio entre fallas) y vienen en diferentes formatos, desde:

c-1. Computadora de panel (panel PC): toda la computadora está incluida en el mo-

nitor, resultando sumamente compacta. Tienen posibilidad de expansión de 1 slot

(ranura) PCIe o 1 slot PCI. Son a prueba de condiciones industriales agresivas, como

polvo o salpicaduras de líquidos, y la cubierta o carcasa puede ser de plástico o de

metal, el cual resulta mucho más resistente. Este equipo se muestra en la figura 1.7.

c-2. Computadora estándar (compact PCI): este tipo de compu-

tadora industrial se basa en la idea de rotar 90º el bus PCI,

con lo que se obtiene un chasis en el que se pueden conec-

tar y desconectar las tarjetas simplemente insertándolas o

extrayéndolas por la parte frontal del mismo sin necesidad

de abrirlo, como sucede en una computadora de escritorio.

La tarjeta madre o motherboard es una más de las tarjetas

que se insertan. Como extensión del estándar compact PCI

se generó el PXI. En consecuencia, todos los conectores de

las tarjetas DAQ quedan en la parte frontal del chasis, lo que

es ideal para ciertas aplicaciones, como su uso en laboratorios

de medición, telecomunicaciones, etc., y ambientes donde es

necesario cambiar frecuentemente conexiones a través de un

fácil acceso.

Figura 1.7

Computadora de panel de uso industrial.

9Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora

c-3. Computadora para rack de 19″: este tipo de computado-

ra industrial quizá sea el más popular y el más usado (véase

figs. 1.8 y 1.9). Consta de un chasis donde hay un backplane

con conectores ISA o PCI, con modelos por ejemplo para 20

slots PCI. En el mencionado backplane se inserta, como si fuera

una tarjeta más, el SBC (single board computer), que en reali-

dad es una tarjeta madre en sí misma. Habitualmente, en cual-

quier computadora de escritorio, cuando se desea cambiar la

plataforma del procesador para incrementar la velocidad de

procesamiento se debe cambiar la tarjeta madre completa.

Esto es un inconveniente, porque los nuevos modelos de tarje-

ta madre que se consiguen en el mercado cambian la cantidad

de slots ISA o PCI con respecto a los de la vieja tarjeta, obli-

gando a remplazar no solamente ésta, sino también las tarje-

tas insertadas en ella; es decir, que si se disponía de algunas

tarjetas ISA, deberán ser remplazadas por PCI. Además del

costo que supone adquirir una nueva tarjeta madre se deberá

afrontar el costo adicional de cambiar las tarjetas insertadas

en ella, lo cual en aplicaciones industriales o de adquisición

de datos implica un elevado costo extra.

Este problema se soluciona con la filosofía que usan las compu-

tadoras para rack de 19″, que tienen la ventaja de cambiar de

manera simple la SBC y no se toca para nada el backplane, con

lo que se mantiene la misma configuración anterior, pero con un

nuevo procesador más poderoso y más veloz. Cabe mencionar,

respecto a los SBC, que pueden tener un solo microprocesador

(single processor) o dos microprocesadores (dual processor).

Dentro de los backplanes hay modelos para tener dentro de un

chasis más de una SBC, hasta por ejemplo cuatro SBC. Esto

permite tener en un mismo chasís cuatro computadoras funcio-

nando independientemente, y así disminuir el volumen que im-

plicaría tener cuatro armazones de computadoras de escritorio.

También, en sistemas complejos se puede definir una de las cuatro como respaldo o backup

de las otras. Usos: sistemas de adquisición de datos y control industrial críticos y complejos;

sistemas de telecomunicaciones; usos nucleares, satelitales o aeronáuticos; defensa, etcétera.

Como conclusión acerca del tema de los equipos de cómputo hay que mencionar que para la

mayoría de las aplicaciones de adquisición de datos y control no es necesario usar lo último

en computadoras del mercado. Generalmente, con uno o dos modelos anteriores es suficiente

para la mayoría de las aplicaciones del mercado, incluso teniendo en cuenta ampliaciones de

corto plazo. Por otro lado, la diferencia de precio es bastante grande entre el último modelo del

mercado y uno o dos modelos anteriores. Lo que sí es aconsejable al elegir una computadora

es definirla con la mayor memoria RAM que sea posible. Esto hace que el sistema operativo

no haga frecuentes intercambios (swapping) a disco duro, sino que los datos son transferidos

a la memoria RAM y la eficiencia y velocidad del sistema se ve de esta forma incrementada.

1.5 Hardware de adquisición de datos y controlAcerca del hardware de adquisición de datos y control, es posible dividirlo en varios grupos. A

su vez, dentro de cada grupo los modelos se diferenciarán entre sí por la velocidad de muestreo,

número de canales, resolución, precisión y costo. Teniendo en cuenta lo anterior podemos

clasificar al hardware de adquisición de datos de la siguiente manera:

Figura 1.9

Chasis y backplane para computadoras industriales de 19”.

Chasis

Backplane

Figura 1.8

SBC o single board computer, componente de las computadoras

industriales de 19”.

PARTE I HARDWARE10

1.5.1 Tarjetas de adquisición de datos

Estas tarjetas son dispositivos similares a los módems, tarjetas de expansión, tarjetas de sonido

o de video que se insertan en una computadora para añadirle nuevas posibilidades. Se trata de

funcionalidades tendientes a adquirir señales y hacer su posterior conversión análoga-digital.

Las mencionadas tarjetas de adquisición de datos están diseñadas para ser montadas en los

diferentes tipos de buses disponibles en cualquier computadora. Así pueden estar confeccio-

nadas para trabajar a través del viejo bus ISA (Industry Standard Architecture) que todavía se

sigue usando en algunos entornos industriales, o a través del más actual bus PCI (Peripheral Component Interconnect) y también del último modelo de bus del mercado: el bus PCI Ex-

press, que se está convirtiendo en el nuevo estándar para placas de adquisición de datos para

computadoras. Las tarjetas de adquisición de datos también han sido desarrolladas para otros

buses más específicos, como el EISA, IBM MicroChannel y varios buses para Apple, como el

caso de la computadora Mac que se muestra en la figura 1.10.

Es muy importante destacar que las tarjetas de adquisición

de datos o tarjetas DAQ ofrecen no solamente entradas ana-

lógicas, sino también salidas analógicas, entradas digitales,

salidas digitales y contadores por hardware. Estas tarjetas

generalmente tienen una gran cantidad de canales de entrada,

alta velocidad de muestreo, adecuada sensibilidad para medir

señales de bajo nivel a un costo relativamente bajo por canal

adquirido.

Con respecto a las tarjetas DAQ podemos entonces resumir

las siguientes características:

a) Representan uno de los métodos más económicos al ha-

cer adquisición de datos y control, teniendo en cuenta el

costo por canal.

b) Desarrollan una alta velocidad de muestreo: de 100 kHz

a 1 GHz y más.

c) Son muy aconsejables para desarrollos de adquisición pequeños y medianos.

d) Tienen un adecuado desempeño en la mayoría de las aplicaciones, aunque habrá que

tomar precauciones cuando se intente medir señales de muy bajo nivel, ya que el

circuito de entrada y el convertidor análogo a digital está dentro de la computadora.

Esto podría generar un gran ruido eléctrico incompatible con mediciones de señales

de este tipo.

e) Permiten rangos de valores para las entradas analógicas del orden de ±10 V, para

las digitales y los contadores por hardware de 5 V nivel TTL. Esto obliga a que

cuando no se tengan esos niveles de señal, haya que colocar acondicionadores ex-

ternos, con lo que se incrementa el costo del sistema.

f) Si la aplicación de adquisición es muy grande, se necesitará usar más de una tarjeta.

Esto tiene como inconveniente que, salvo que se use una computadora industrial, la

cantidad de slots de conexión estará limitada por la capacidad de la computadora.

Además, si se agregan placas se consumirán más recursos de la computadora, como

interrupciones, direcciones DMA, etc., con la consiguiente disminución en el des-

empeño del sistema de adquisición de datos.

Figura 1.10

Distintos tipos de tarjetas de adquisición de datos.

11Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora

g) La maniobra de conectar y desconectar canales de la tarjeta DAQ insertada puede

ser un poco incómoda a la hora de operar, ya que el conector se encuentra disponible

siempre en la parte posterior de la computadora, siendo esto de difícil acceso. Para

estos casos es mejor usar equipos Compact PCI o PXI, en los que las señales se

conectan y desconectan por el panel frontal de los mismos.

Cabe destacar que respecto a las tarjetas de adquisición de datos hay dos filosofías a nivel

mundial bastante contrapuestas, que son:

Filosofía americana de adquisición de datos: esta filosofía genera tarjetas con entradas

analógicas de ±10 V como máximo, entradas digitales de 5 V nivel TTL. Si se necesita algo

diferente se requerirá colocar acondicionadores externos, con el consiguiente aumento de

costo y volumen del sistema. Lo mismo sucede si en lugar de conectar voltaje se desea co-

nectar una señal de corriente de 4 a 20 mA en una entrada analógica. También ocurre con las

tarjetas de expansión de puertos seriales: dentro de esta filosofía americana existen tarjetas de

2, 4 u 8 puertos RS232 o 2, 4 u 8 puertos RS485 en forma independiente; pero si el sistema

necesitara puertos RS232 y RS485 juntos en una computadora, sería indispensable colocar

más de una tarjeta.

Filosofía europea de adquisición de datos: esta filosofía tiene como concepto base el que

todos los elementos de adquisición de datos sean reciclables y reusables. Cabe citar, a modo de

ejemplo, que es posible encontrar las tarjetas con entradas de voltaje ±10 V y con entradas

de 4 a 20 mA mezcladas en la misma tarjeta, con lo que no haría falta acondicionamiento

externo. Lo mismo sucede con las tarjetas de puertos seriales, donde se puede armar a medida

una tarjeta con un puerto RS232, dos puertos RS485 y un puerto RS422. Luego de usarla con

esta configuración, la misma tarjeta se puede reciclar y ser usada con cuatro puertos RS232,

simplemente cambiándole unos módulos SIMM. Esta filosofía también ha dado origen a tar-

jetas para control de procesos, en las que la cantidad total de canales está dividida en cuatro

y tienen la posibilidad de que cada cuarta parte de la mencionada tarjeta puede programarse

mediante un software y obtener así entradas o salidas digitales, contadores, lectores de en-

coders, frecuencímetros, etc. Es posible utilizar la tarjeta de una forma, y si en el futuro se

necesita otra configuración distinta, se puede redefinir la funcionalidad del hardware simple-

mente ejecutando un software que provee el fabricante.

1.5.2 Sistemas de adquisición de datos externos

Los sistemas de adquisición de datos externos proveen mayor cantidad de canales de adqui-

sición y un ambiente eléctricamente menos ruidoso, para efectos de la adquisición, que las

tarjetas DAQ insertadas en la computadora.

Estos sistemas pueden ser divididos en cuatro grupos:

Adquisidores externos. Son módulos o gabinetes que, dependiendo del proveedor y del mo-

delo, únicamente tienen entradas analógicas, salidas analógicas, entradas digitales, salidas

digitales y contadores por hardware. No realizan ninguna función lógica entre entradas y

salidas, es decir, no pueden realizar control stand alone. Estos adquisidores están conectados

a una computadora mediante algún tipo de interfaz estándar o propietaria, dependiendo del

proveedor y el modelo. Si a través de ellos se desea adquirir y realizar control, éste tendrá que

residir, indefectiblemente, en la computadora. Si el control lo realiza esta última, comunicán-

dose con el adquisidor a través de algún tipo de interfaz (por ejemplo RS485, Ethernet, etc.),

y por alguna circunstancia se perdiera la comunicación con ella, la computadora perdería el

control sobre el sistema. Para evitar este inconveniente, algunos proveedores han dotado a

PARTE I HARDWARE12

sus adquisidores externos de “estados seguros” o safety state, que permiten definir un estado

seguro para las salidas en caso de perder la comunicación. Se puede predeterminar entonces

que el estado seguro para las salidas analógicas sea que se sitúen en 7 mA, por ejemplo, si

son de 4 a 20 mA, y para las salidas digitales el estado seguro podría ser on u off, según el

sistema.

Adquisidores externos con control embebido. Este tipo de adquisidores permite adquirir

los datos analógicos o digitales y actuar como control analógico o digital sobre el sistema,

sin que el control radique en la computadora. Ya que todo el algoritmo de control reside en el

adquisidor, si se pierde la comunicación con la computadora el adquisidor puede continuar

con el control. No se trata de estados seguros, sino de control; es decir, si hay variación del

parámetro a controlar, hay variación del parámetro controlado. La misión de la computadora

es únicamente adquirir los datos en función del tiempo, almacenarlos y brindar al usuario

una interfaz SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) para tener una visión de lo

que pasa en el sistema que está siendo adquirido y controlado, pero repetimos: no se realiza

el control en la computadora, el control reside en el adquisidor.

Sistemas de adquisición externos con control embebido y con memoria de almacena-miento incorporada. Este tipo de adquisidores son similares a los anteriores, con el aña-

dido de un área de memoria ampliable que permite, además de adquirir y hacer el control,

almacenar los valores históricos adquiridos dentro del dispositivo. Cuando se desee, estos

datos almacenados se pueden descargar en la computadora. Estos sistemas son usados cuan-

do el equipo no está permanentemente conectado al sistema. Por ejemplo, en el monitoreo

de parámetros muy distribuidos, como pueden ser los de un gasoducto, oleoducto, etc., los

adquisidores pueden estar en sitios muy remotos. Los adquisidores realizarán el control y

almacenarán los datos históricos. Periódicamente pasará un operario a descargar los datos,

o en determinados días, cuando la tarifa sea más barata, se establecerá una conexión satelital o

telefónica desde dichos adquisidores.

Sistemas de adquisición de datos y control en tiempo real. Para aplicaciones críticas, estos

sistemas DAQ son generalmente externos y propietarios. Tienen un sistema operativo em-

bebido en tiempo real e incluso tienen un lenguaje de programación propio. Estos sistemas

mantienen una conexión con la computadora con el objetivo de transmitirle al operador las

novedades que se van suscitando, pero el control en tiempo real reside exclusivamente en el

sistema DAQ externo.

Cualquiera de los cuatro grupos de adquisidores antes mencionados se conecta a la compu-

tadora a través de una interfaz estándar, lo que permite conectar sobre la misma red produc-

tos de diferentes proveedores y no quedar cautivo de una marca o tipo de producto.

Dentro de las interfaces llamadas estándar podemos citar la interface RS232, RS485, RS422,

GPIB o IEEE488, puerto paralelo, USB, Ethernet, etcétera.

También existen adquisidores externos con interfaces propietarias. La ventaja de estos pro-

ductos puede ser alguna mejora en el desempeño, pero su principal desventaja es la impo-

sibilidad de conectar productos de otros proveedores sobre dicha interfaz. Esto hace que al

adquirir un sistema de tipo propietario el usuario quede cautivo de una marca o un modelo,

con lo que las posibilidades de expansión quedan acotadas a esa marca y modelo y, por su-

puesto, a los precios que el fabricante quiera fijar a esos productos.

Dentro de estos adquisidores externos se han derivado algunos estándares, como por ejemplo

MXI, VXE, VXI. A continuación se desarrollará el último de estos sistemas, dando una breve

explicación sobre el mismo.

61

Preliminares

Este capítulo tiene por objetivo explicar todas las bases electrónicas sobre las que se funda-

menta la amplificación en los acondicionadores de señal y en las tarjetas de adquisición o

toma de datos, haciendo uso de amplificadores operacionales en sus distintas configuraciones

y analizando sus características.

Está dirigido a personas que no están familiarizadas con los conceptos de este capítulo y para quie-

nes el mismo puede resultar de utilidad, o para aquellas personas que habiendo visto lo aquí enun-

ciado desean reforzar o repasar estos conocimientos.

En cambio, para aquellas personas que tienen todos los conocimientos enunciados en este

capítulo, al igual que con el capítulo anterior, pueden pasar por alto la lectura del mismo y

continuar con los subsiguientes capítulos.

5.1 Nociones básicas de los amplificadores operacionales

El amplificador operacional, también conocido como OP AMP, por sus siglas en inglés, es un

amplificador de alta ganancia, acoplado directamente, al cual se le puede modificar el tipo de

señal de respuesta por medio de la realimentación.

Conceptos básicos: Acondicionamiento de

señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales

Capítulo

NOCIONES BÁSICAS

PARTE I HARDWARE62

Los amplificadores operacionales se emplean en una

gran variedad de aplicaciones analógicas, tanto lineales

como no lineales.

En este capítulo se propone usar los amplificadores

operacionales en las tarjetas de adquisición o de toma

de datos y en los acondicionadores de señal. Son muy

recomendables como amplificador de entrada por sus

características inigualables de alta impedancia de en-

trada, alta ganancia, bajo consumo de corriente, alto

coeficiente de rechazo de modo común, etcétera.

5.2 Amplificador operacional básico

En la figura 5.1 se observa esquemáticamente un amplificador operacional básico que consta

de dos entradas: V+ se llama entrada no inversora y V− se llama entrada inversora. El volta-

je Vi que se aplica entre V+ y V− es amplificado o multiplicado por el amplificador operacional

mediante una ganancia de voltaje llamada A, de tal forma que a la salida del mismo se obtiene

un voltaje Vo = Vi × A.

En la figura 5.2 se observa el circuito equivalente del amplificador operacional básico

mencionado.

Un amplificador operacional ideal posee las siguientes carac-

terísticas:

1. La resistencia o impedancia de entrada, Ri = ∞.

2. Resistencia de salida, Ro = 0

3. Ganancia de voltaje, A = −∞.

4. Ancho de banda = ∞.

5. Equilibrio perfecto: Vo = 0, cuando V1 = V2.

6. Ausencia de desviación en las características con la tem-

peratura.

Obviamente, lo que se puede esperar en un amplificador operacional comercial son caracte-

rísticas próximas o tendientes a las que se han enunciado como ideales.

5.3 Tipos de amplificadores operacionales

De acuerdo con la tecnología de fabricación empleada se pueden obtener distintos tipos de

amplificadores operacionales. Las técnicas usadas pueden ser tecnología bipolar, JFET, CMOS

e incluso procesos mixtos.

Figura 5.1

Amplificador operacional básico.

Entrada no inversora

Entrada inversora

V22

+

+

−

−

1

V−

V+

Vi

Vo = A × Vi

RL

A < 0

V1

Figura 5.2

Circuito equivalente a baja frecuencia de un amplificador

operacional Vi = V2 – V1.

Vo

Ro

A Vi RL

A < 0

V2

Vi Ri

−+

++++

−−

−−

1

2

V1

–

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 63

Según el proceso de fabricación resultan con mejores características de acuerdo con la aplica-

ción en cuestión. Estas características son: impedancia de entrada, consumo de potencia, ruido,

ancho de banda, etcétera.

Por ejemplo, en el caso de tener un sensor cuya salida de voltaje es de bajo nivel (algunos mi-

livolts) y cuya impedancia de salida es muy alta, será necesario conectarlo a un amplificador

operacional de alta ganancia con una muy alta impedancia de entrada. Amplificadores ope-

racionales con esas características son los que se obtienen a partir de procesos tecnológicos,

como el FET o transistor de efectos de campo.

5.4 Alimentación de potencia de los amplificadores operacionales

Los amplificadores operacionales emplean para su alimentación de potencia una fuente de ali-

mentación de voltaje simétrico. Esto es, un voltaje positivo y otro negativo de igual magnitud,

como se muestra en la figura 5.3.

Los antiguos o primeros modelos de amplificadores opera-

cionales se alimentaban con una fuente simétrica del or-

den de ±30 Vdc. En los modelos más modernos de equipos

electrónicos que ocupan amplificadores operacionales, este

valor de voltaje de alimentación disminuyó a valores de ±18

Vdc y ±12 Vdc.

Las últimas tendencias son las de disminuir aún más este

voltaje al orden de ±5 Vdc. La corriente que puede consumir

un amplificador operacional es relativamente pequeña.

Dentro de los diferentes modelos de amplificadores ope-

racionales que se pueden adquirir en el mercado existen

modelos para aplicaciones portátiles, es decir, que pueden

ser alimentados con baterías, y otros que en cambio son

alimentados con fuentes de alimentación que a su vez están conectadas al suministro de co-

rriente alterna de la red eléctrica.

Por supuesto, en la elección de uno u otro tipo de amplificador operacional habrá que tener en

cuenta las ventajas y desventajas de cada modelo, según los requerimientos de la aplicación

que se trate.

5.5 Ganancia de los amplificadores operacionales

Ya se ha planteado que el amplificador operacional trabaja con una ganancia de voltaje lla-

mada A. Entonces se puede expresar el voltaje de salida Vo como:

Vo = ((V+) – (V−)) × A (Ec. 1)

El voltaje de salida Vo de un amplificador operacional será como máximo aproximadamente

1 V a 2 V menor que el voltaje de alimentación.

En el caso de las placas de adquisición o toma de datos que van insertas en las computadoras,

el voltaje de alimentación es de ±12 Vdc. Este voltaje es provisto por la ranura de la computado-

ra a la que está conectada la placa. Se sabe que una computadora puede suministrar un voltaje

Figura 5.3

Alimentación (+)

Alimentación (–)

GananciaA

V+

Vo

+

–V–

PARTE I HARDWARE64

de ±12 Vdc en sus ranuras como máximo. Éste es el motivo por el cual las máximas excursio-

nes de la salida de los amplificadores operacionales están entre ±10 Vdc y, por lo tanto, éstos

son los rangos que se manejan en las entradas y salidas analógicas de las tarjetas de adquisición

o toma de datos.

5.6 Realimentación de los amplificadores operacionales

En esta sección se analizará lo que sucede cuando se reali-

menta un amplificador operacional.

La realimentación que se va a considerar es siempre nega-

tiva, ya que tendrá como finalidad la estabilidad del mismo.

Además, no serán objeto de la presente obra el estudio de los

circuitos osciladores, sino sólo el uso de los amplificadores

operacionales como amplificadores de tarjetas de adquisición de

datos o de acondicionadores de señal.

Se abordarán dos tipos de conexión de realimentación en los

amplificadores operacionales: uno se denomina amplificador

operacional inversor y el otro amplificador operacional no in-

versor.

5.6.1 Amplificador operacional inversor

En la figura 5.4 se propone un amplificador operacional realimentado.

La realimentación se ha hecho a través de la impedancia Z′ que conecta la salida a la entrada

V−, es decir, a la terminal inversora. Esto es así porque la realimentación debe hacerse a la

terminal V− para que la misma sea negativa. Si se hiciera a V+ sería positiva y se correría el

riesgo de que el amplificador operacional oscile.

Ya se dijo que en los amplificadores operacionales la impedancia de entrada es muy grande,

casi tendiente a infinito. Esto implica que por la R de entrada (Ri) no circula corriente, es

decir que Ii = 0.

Como hay una resistencia Ri con una corriente que circula igual a 0, esto significa que vir-

tualmente el extremo superior de Ri, o sea V−, se encuentra prácticamente al mismo potencial

que el otro extremo de Ri, es decir V+. Esto es que V− está conectado a tierra.

Se puede decir entonces que “virtualmente” la entrada está en cortocircuito.

Lo anterior también admite otro análisis. Considerando que la ganancia es:

o

i

AV

V=

Figura 5.4

Amplificador operacional inversor con realimentación de

voltaje en paralelo.

Terminal inversora

Terminal no inversora

Z'

Z

I

I

Vs Vi

+ +

− −

−

+

+

Vo

Ri A = −∞

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 65

Despejando

ioV

V

A=

Recuerde que A en un amplificador operacional básico es igual a −∞:

ioV

V=

−∞Como Vo es finito y tiene un determinado valor, del orden de ±10 Vdc, tal como se expresó

en el punto 5.5, resulta que:

=−∞10 V

iV

De donde: Vi = 0

Lo cual significa que la entrada Vi está “virtualmente” en cortocircuito.

Se ha llegado entonces, por otro camino, a la misma conclusión que anteriormente se

enunciara.

A partir de esto se puede obtener el circuito equivalente de un

amplificador operacional inversor realimentado, tal como se pro-

pone en la figura 5.5.

En la figura 5.5 la corriente IN es igual a cero. No hay circu-

lación de corriente por la entrada del amplificador debido a

que no hay diferencia de potencial entre ambos puntos. Esto

ocasiona que la corriente I circule por Z y por Z′.

Por otro lado, la ganancia de voltaje del amplificador opera-

cional inversor realimentado (Av) es:

=vo

s

AV

V (Ec. 2)

A partir del circuito equivalente de la figura 5.5 se desprende que:

Vo = −I × Z′

Vs = I × Z

Remplazando estos valores en la ecuación 2:

vAI Z

I Z=

− × ′

×Simplificando, resulta:

vAZ

Z=

− ′

Ésta es la ecuación general de la ganancia en el amplificador

operacional inversor realimentado.

Para el caso que las impedancias sean resistores resulta Z = R

y Z′ = R′. Entonces la ganancia del amplificador operacional

inversor realimentado será:

vAR

R=

− ′

Figura 5.5

Tierra virtual en el amplificador operacional.

Vs Vo

I IZ Z'

IN = 0

+

−−

+

Figura 5.6

Amplificador operacional no inversor.

Vi

R'

RI

A

Vo

V

−

+

PARTE I HARDWARE66

De la ecuación anterior se puede hacer el siguiente análisis: ganancia negativa implica que hay

un desfase de 180 grados entre entrada y salida. También se deduce que la ganancia depende

de la relación de R′ y de R, y estas resistencias pueden tomar cualquier valor. Si R′< R, la

ganancia variará entre 0 y 1, y si R′> R, la ganancia variará entre 1 e infinito. Es decir, que

con esta configuración se pueden realizar amplificadores y atenuadores de señal.

Uno de los problemas que presenta el esquema anterior es que hay una conexión eléctrica

y, por lo tanto, la entrada no está lo suficientemente separada o aislada de la salida. Esta co-

nexión se da a través de las resistencias R y R′.

5.6.2 Amplificador operacional no inversor

En la figura 5.6 se observa el circuito de un amplificador operacional no inversor:

En el amplificador operacional de la figura 5.6 el voltaje a la salida Vo es:

Vo = A (Vi – V)

También se dijo que A es igual a infinito y además que el voltaje de salida no es infinito, sino

que tiene un valor finito y mensurable del orden de aproximadamente 10 Vdc.

Remplazando en la ecuación anterior, se tiene:

10 V = ∞(Vi – V)

Para que se cumpla lo anterior, entonces el término (Vi – V) tiene que tender a cero. Esto im-

plica que Vi = V, lo cual está indicando que para fines prácticos la entrada del amplificador

operacional no inversor está en un “cortocircuito virtual”.

Sobre la base de estas consideraciones se puede construir el circuito equivalente de la figu-

ra 5.7.

La ganancia de voltaje Av del circuito equivalente anterior

viene dada por:

vo

i

AV

V= (Ec. 3)

Por lo ya demostrado respecto de la corriente a la entrada del

amplificador operacional, se tiene:

Vo = I × (R + R′)

Vi = I × R

Remplazando estos valores en la ecuación 3:

=× + ′

×( )

vAI R R

I R

Simplificando, resulta:

vAR R

R=

+ ′ (Ec. 4)

Figura 5.7

Circuito equivalente amplificador operacional no inversor.

R'

R

I Vo

Vi

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 67

Que también se puede expresar como:

1R

R+

′ (Ec. 5)

Ésta es la ecuación general de la ganancia en el amplificador operacional no inversor reali-

mentado.

De la ecuación anterior se puede hacer el siguiente análisis:

La ganancia positiva implica que no hay desfase entre entrada y salida. Además se deduce

que la ganancia siempre será mayor que 1, ya que es igual a 1 + R′/R. Es decir, que con este

circuito se obtendrá siempre una amplificación de la señal original.

Una de las ventajas que presenta esta configuración es que hay un cierto aislamiento entre

la entrada y la salida, ya que lo único que comparten entrada y salida es la conexión a tie-

rra; pero no existe, como en la configuración anterior del amplificador operacional inversor,

ningún contacto eléctrico entre entrada y salida levantado de tierra o masa, lo cual en ciertos

circuitos puede ser un inconveniente.

5.7 Impedancias de salida y de entrada de etapas construidas con amplificadores operacionales

En esta sección se estudiarán las impedancias de etapas construidas con amplificadores

operacionales.

Las impedancias de entrada y de salida son fundamentales en los dispositivos de adquisición

de datos y en los acondicionadores de señal, ya que sus características van a influir y en cier-

tos casos van a limitar las prestaciones de los dispositivos DAQ.

5.7.1 Impedancia de salida del amplificador operacional inversor

Una característica muy útil del amplificador operacional es que la realimentación que se aña-

de para estabilizarlo sirve también para reducir su impedancia de salida. Esta característica

es muy provechosa cuando a la salida se van a excitar cargas de baja impedancia y especial-

mente cargas capacitivas.

En el punto 4.2.2 del capítulo anterior se demostró que la

constante de tiempo RC de carga y descarga de un capacitor

depende del producto de la resistencia R multiplicada por la

capacitancia del capacitor C. Es claro que una R grande pro-

ducirá grandes constantes de tiempo que se presentarán como

una desventaja en el caso de placas que trabajan con circuitos

de muestreo y almacenamiento, también llamados en inglés

sample and hold (S/H). En este tipo de circuitos, el valor de

la entrada analógica muestreada es guardado en una memo-

ria analógica, la cual consiste en un amplificador operacional

cuya salida carga un capacitor al valor de la señal analógi-

ca de salida del amplificador. Si la impedancia de salida del

amplificador operacional que carga el condensador es alta, la

constante de tiempo será grande y, por lo tanto, la tarjeta de

Figura 5.8

Circuito empleado para calcular la impedancia de salida.

Vo

Ro

+

−

+

+

+

−

− −+

−

IL

Rf

A Vi

RiVi

R

VS

PARTE I HARDWARE68

adquisición de datos en cuestión no podrá trabajar a altas velocidades de muestreo porque

el multiplexor, antes de pasar al siguiente canal, deberá esperar a que el capacitor del S/H se

cargue al valor de la señal analógica y entonces el multiplexor podrá conmutar.

Si, en cambio, la impedancia de salida es baja, la constante de tiempo de carga del conden-

sador es baja y la placa podrá trabajar sin inconvenientes a altas velocidades de muestreo.

La impedancia de salida se puede calcular como relación entre el voltaje de salida en circuito

abierto Vo y la corriente de carga IL cuando la carga está en cortocircuito.

Como se vio en el punto 5.6.1, para la configuración de amplificador operacional inversor rea-

limentado de la figura 5.8 se puede expresar la ganancia de voltaje según la ecuación:

vo

s

AV

V=

Y

vfAR

R=

− (Ec. 6)

De donde:

o

s

f

of s

V

V

R

R

VR V

R

=−

=− ×

(Ec. 7)

Y la corriente de cortocircuito es la suma de dos corrientes de distintos signos que producen

finalmente la IL. Entonces se puede expresar I

L como:

=+

⎛

⎝⎜⎜⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟⎟⎟+

− ×⎛

⎝⎜⎜⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟⎟⎟L

s

f

i

o

IV

R R

A V

R (Ec. 8)

Hay que distinguir Av, que es la ganancia de voltaje del amplificador operacional realimentado,

ya sea inversor o no inversor, de la expresión “A”, que es la ganancia del amplificador operacio-

nal no realimentado, es decir a lazo abierto. Esta última ganancia es muy grande, por ejemplo

del orden de 50 000 o más. Siguiendo con el desarrollo de las ecuaciones y sabiendo de la

condición de cortocircuito a la salida del amplificador, podemos escribir Vi como:

( )if s

f

VR V

R R=

×

+

Remplazando Vi en función de la expresión anterior en la ecuación 8 se obtiene:

( )

1

( )

Ls

f

f s

o f

L sf

f

o f

IV

R R

A R V

R R R

I VR R

A R

R R R

=+

−× ×

+

=+

−×

+

⎛

⎝⎜⎜⎜⎜

⎞

⎠⎟⎟⎟⎟

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 69

Ambos términos tienen la relación 1/(R + Rf). La única diferencia es que en un caso está

multiplicada por 1 y en el segundo término está multiplicada por A, del orden de 50 000,

y por Rf, que es mucho mayor que R0. Esto implica que el segundo término es mucho más

grande que el primero. Por esta razón, en la práctica se puede suprimir el primer término y

la ecuación anterior queda:

( )

( )Ls f

o f

IV A R

R R R=

− ×

+ (Ec. 9)

Por otro lado, la impedancia de salida Z0 se puede calcular como el cociente entre el voltaje

de salida en circuito abierto V0 y la corriente de carga IL cuando la carga es un cortocircuito,

entonces:

oo

L

ZV

I=

Remplazando la Vo en función de la ecuación 7 y la IL en función de la ecuación 9, se

obtiene

o

f s

sf

o f

Z

R V

R

VA R

R R R

( )( )

=

− ×

− ×

+

Y simplificando:

1

oo f

oo f

ZR R R

A R

ZR

A

R

R

( )( )

=− +

−

= +⎛⎝⎜⎜⎜

⎞⎠⎟⎟⎟

(Ec. 10)

Por la ecuación 6 se sabe que:

vfAR

R=

−

Remplazando la expresión de Av anterior en la ecuación 10:

1oo

vZR

AA( )= − (Ec. 11)

Si se considera un caso típico y se remplaza por valores reales

tales como:

Si Av = −9, Ro = 100 Ω, A = 50 000

Después de realizar las operaciones se llega a: Zo = 1/50 Ω

= 0.02 Ω. Ha resultado una Z0 de salida bastante baja que

hará que las constantes de tiempo de un circuito S/H sean lo

suficientemente pequeñas y no influyan sobre la velocidad de

muestreo de la tarjeta de adquisición de datos.

Figura 5.9

Montaje no inversor de un amplif icador operacional.

Vo

Ro

Rf

A Vi

RiVi IV1

R

+ +

−

− +

−

− +

+− −

+VS

PARTE I HARDWARE70

5.7.2 Impedancia de entrada del amplificador operacional no inversor

En la figura 5.9 se representa el circuito del amplificador operacional no inversor que se

vio en la sección 5.6.2.

Se determinará la ecuación de la impedancia de entrada al mismo.

La impedancia de entrada que ve la fuente Vs en la figura 5.9 se puede calcular como el co-

ciente entre Vs y la corriente I que pasa por Ri.

En secciones anteriores se demostró que la entrada de un amplificador operacional es prác-

ticamente un “cortocircuito virtual”, aunque no totalmente, entonces Vs = V1 y, en conse-

cuencia, I = 0. Según la ley de Ohm la impedancia de entrada es Z = Vs /I. Remplazando

por los valores expresados y ya que I = 0 resultará una impedancia de entrada igual a

infinito.

Se concluye que aunque la impedancia de entrada pueda ser muy grande nunca será infinita.

Para lograr determinar su valor y que el mismo no permanezca indefinido, es necesario calcu-

lar de manera más exacta V1, que no será igual a Vs. Esto permitirá encontrar el valor de I y,

en consecuencia, la impedancia real.

Se sabe que el voltaje Vo a la salida del amplificador es función de:

Vo = −A × Vi = −A(V1 – Vs) (Ec. 12)

Recordando de la sección 5.6.2, la ecuación 4 que describe el valor de la Av o ganancia de

voltaje del amplificador operacional no inversor es:

vo

s

fAV

V

R R

R= =

+

Si se supone que Vi = 0 es decir V1 = Vs, la ecuación anterior puede ser escrita como:

vo

1

fAV

V

R R

R= =

+

Despejando V1, se obtiene:

1o

f

VR V

R R=

×

+

Remplazando el valor de Vo en la ecuación anterior por el valor de Vo expresado en la ecua-

ción 12 se tiene:

11 s

f

VR A V V

R R

( )=

×− −

+

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 71

Realizando las operaciones, resulta:

( )

( )

( )

( )

=− × × + × ×

+

+ = − × × + × ×

× × + + = × ×

× + + = × ×

11 s

f

1 f 1 s

1 1 f s

1 f s

VR A V R A V

R R

V R R R A V R A V

R A V V R R R A V

V R A R R R A V

Despejando V1, queda:

1

1s

f

1s

f

1s

f

VR A V

R A R R

VR A V

R A R R

VR A V

A R R

( )

( )

( )

( )

=× ×

× + +

=× ×

× + +

=× ×

+ × + (Ec. 13)

Se sabe que la corriente que suministra la fuente Vs se llama I y es la misma que circula por

Ri. A partir de la ley de Ohm la corriente I se puede expresar según el siguiente cociente:

s 1

i

IV V

R

( )=

− (Ec. 14)

La impedancia que se ve a la entrada del amplificador operacional es, ni más ni menos, la

impedancia que ve la fuente Vs. Esta impedancia se expresa por la ley de Ohm como el co-

ciente del voltaje Vs dividido entre la corriente I que suministra la fuente Vs. Esta corriente es

la misma que circula por Ri y está expresada por la ecuación 14. Entonces se puede escribir:

isZ

V

I= (Ec. 15)

Remplazando la corriente I por la expresión dada por la ecuación 14, se obtiene:

is

s 1

i

ZV

V V

R

( )=

−

De donde:

ii s

s 1

ZR V

V V( )=

×

−

PARTE I HARDWARE72

Remplazando V1 por el valor dado en la ecuación 13, se obtiene:

1

1

1

1

1

ii s

ss

f

if i

f

if i

f

i if

f

ZR V

VR A V

A R R

ZA R R R

A R R R A

ZA R R R

R A R R R A

Z RR A R

R R

( )( )

( )( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

=×

× ×+ × +

=+ × + ×

+ × + − ×

=+ × + ×

+ × + − ×

= ×× + +

+

En la práctica, resulta que R(1 + A) >> Rf, por lo tanto, se puede despreciar Rf. También

resulta que A >> 1, en consecuencia, se puede despreciar el 1 que suma a A. De esta manera,

la ecuación anterior resulta:

i if

Z RR A

R R( )= ×

×+

Dividiendo entre R al numerador y al denominador:

1

ii

f

ZR A

R

R

=×

+⎛⎝⎜⎜⎜

⎞⎠⎟⎟⎟

(Ec. 16)

En la sección 5.6.2 se vio la configuración del amplificador operacional no inversor, en el

cual la ganancia de voltaje Av está dada por la ecuación 5. Se observa que la expresión es

idéntica a lo que está expresado como denominador en la ecuación 16.

Finalmente, Zi puede ser expresada como:

=×

ii

v

ZR A

A (Ec. 17)

Si se plantean valores para un caso práctico, por ejemplo: Ri = 50 000, A = 50 000 y Av = 10.

Remplazando valores resulta Zi = 250 MΩ.

Es de notar que al usar la configuración realimentada no inversora, la Ri o resistencia de en-

trada del operacional se ha visto multiplicada por 5000.

Este incremento de la impedancia de entrada es un ejemplo del efecto de autoelevación

(bootstrapping).

Este efecto de autoelevación o bootstrapping tiene la siguiente explicación: se observa que

cuando Vs cambia el voltaje en el lado (+) de Ri, este incremento se amplifica y este incremento

amplificado es aplicado en el borne (−) de Ri en el mismo sentido en que fue aplicado el incre-

mento de la terminal positiva. A raíz de esto, la diferencia de potencial entre los bornes de Ri

disminuye y, por lo tanto, la corriente I disminuye. Por la ley de Ohm se sabe que la impedancia

es inversamente proporcional a la corriente, por lo tanto, a menor corriente mayor impedancia.

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 73

Por la ecuación 15 se sabe que:

isZ

V

I=

Queda demostrado que un incremento de Vs produjo como consecuencia una disminución de

la corriente I, tal como se mencionó en el párrafo anterior. Esto genera que la impedancia

de entrada Zi se vea incrementada varias veces, resultando un efecto bastante deseable a la

hora de trabajar con sensores de bajos niveles de señales que intentan conectarse a tarjetas

de adquisición de datos. Este beneficio estriba en que toda la diferencia de potencial de bajo

nivel que genera el sensor cae o es aplicada totalmente a la entrada del amplificador opera-

cional realimentado en configuración no inversora.

Si, en cambio, la impedancia de entrada fuera pequeña, gran parte de la señal del sensor cae-

ría en la propia resistencia interna del sensor y poca en la resistencia Ri, con lo cual a la salida

del amplificador operacional se obtendría un bajo nivel de voltaje Vo.

Todo este análisis se puede hacer a partir de la figura 5.10, en la cual se plantea un sensor con

su circuito equivalente (encerrado con la línea punteada) y la etapa del amplificador opera-

cional realimentado no inversora.

Es importante notar que este tipo de montaje, además de aumen-

tar la impedancia de entrada, tiene la ventaja de no ser inversor.

Debido a esto, la señal de salida estará en fase con la señal de

entrada. Esto es bueno si lo que se intenta es adquirir varios

canales en una tarjeta de adquisición o toma de datos y hacer

un estudio comparativo con respecto al tiempo y con respecto

a otras entradas. Para que este tipo de análisis se lleve a cabo

en condiciones correctas es indispensable no invertir la fase

de la señal.

Si, por el contrario, se invirtiera la fase, habría que considerar-

lo al hacer el análisis. Esto complicaría más el desarrollo del

software de análisis y la interpretación por parte del operador.

5.7.2.1 Impedancia de salida del amplificador operacional no inversor

La impedancia de salida del amplificador operacional realimentado no inversor es aquella

vista desde la salida, cuando todos los voltajes de generador independientes están ajustados a

cero. Según esta definición, el cambio de ubicación del generador correspondiente a la figura

5.8, comparado con el de la figura 5.9, no tiene efecto sobre la impedancia de salida. Para

entender esto hay que tener en cuenta que la diferencia de potencial que produce Vs sobre el

divisor de voltaje formado por R y Ri es idéntica en ambos casos y se denomina Vi. Quiere

decir que no hay efecto en la impedancia que se ve desde la salida al cambiar el generador Vs

de ubicación, porque el voltaje Vi generado en el punto de realimentación donde se conecta

Rf es exactamente el mismo.

Como consecuencia de esto, la impedancia de salida puede ser calculada para el caso del

amplificador operacional realimentado no inversor con la misma ecuación con la que se

calculó la impedancia de salida en el caso del amplificador operacional realimentado in-

versor.

Figura 5.10

Sensor acoplado a una etapa con amplificador operacional.

Impedancia de entrada

+

+

−

−

Circuito sensor equivalente

Rf

RiZi

Rs

Vs Vo

R

PARTE I HARDWARE74

Esto se obtiene aplicando la ecuación 11:

1oo

vZR

AA( )= −

En la sección 5.7.1 se expresó que es deseable que la impedancia de salida fuera muy baja

para que al acoplar esta etapa con otra no hubiera caída de potencial de la señal Vo de salida

en la propia impedancia interna de salida de la etapa, y todo el potencial fuera aplicado a la

entrada de la etapa siguiente.

5.7.2.2 Montaje con amplificador operacional de ganancia unitaria

Si en la figura 5.9 se hace Rf = 0, entonces la resistencia

R no sirve a ningún efecto. Como consecuencia de esto, la

resistencia R puede ser suprimida porque el potencial del

(−) va a estar puesto al voltaje de salida Vo, sea cual fuera

el valor de R.

Se llega así a la configuración representada por la figura 5.11.

En el caso representado en la figura 5.11, V1 = Vo.

La expresión de la ganancia de la etapa igual al cociente

Vo /Vs se transforma en V1/Vs.

A partir de la ecuación 13:

11f

sVR A

A R RV

( )=

×+ × +

×

Si se hace Rf = 0:

1

1

1 s

1s

VR A

A RV

VA V

A

( )

( )

=×

+ ××

=×

+

Despejando:

1v1

s

AV

V

A

A( )= =

+

Como A >> 1, resulta entonces que Av = 1, con lo cual se ha demostrado que el amplificador

tiene una ganancia de voltaje igual a 1, como se había expresado en el título de esta sección.

Faltaría ahora determinar cuál es la impedancia de entrada del mismo.

De la ecuación 17:

i iv

Z RA

A= ×

Figura 5.11

Amplificador de ganancia unitaria.

V1

−

−

−

++

+

Vs

Vo

Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 75

Si en la expresión anterior se remplaza Av = 1, se obtiene el mayor valor de impedancia que la

ecuación 17 puede arrojar. Esto sucede cuando el denominador toma el menor valor posible,

que es justamente igual a 1.

Para que Av = (1 + Rf/R) sea lo menor posible, Rf/R deberá ser 0.

Av será siempre como mínimo igual a 1, y eso justamente hace que Zi adquiera su máximo

valor, que es Zi = Ri × A.

Si se retoman los valores del caso práctico ya visto: Ri = 50 000 y A = 50 000.

Resulta Zi = 2500 MΩ, que representa un valor muy grande de impedancia de entrada.

Conclusión: como se ha visto en toda esta sección, se tiene, para este caso particular, un

amplificador de ganancia 1 y una impedancia de entrada muy grande. La pregunta que cabe

hacerse, llegados a este punto, es: ¿Para qué puede servir todo esto? La respuesta es que, al

igual que en la configuración del transistor de seguidor de emisor o también llamada de co-

lector común, se consigue una etapa con ganancia 1 y con alta impedancia de entrada y baja

impedancia de salida. Estas condiciones son ideales para la adaptación de impedancias entre

dispositivos o entre etapas. Esto es, justamente, la aplicación de este montaje de amplificador

operacional con ganancia 1.

5.8 Relación de rechazo de modo común

En la figura 5.12 se observa que las señales de entrada del amplificador operacional son

V1 y V

2.

Si en lugar de expresarlas así se les define a partir de una señal de diferencia de entrada Vd

y de una señal de modo común o Vc, en función de V1 y V

2:

= −d 1 2V V V (Ec. 18)

( )= +1

2c 1 2V V V (Ec. 19)

Si V1 y V

2 son iguales y opuestas, entonces Vc = 0, es decir, no hay señal de modo común.

Si V1 = V

2, entonces Vd = 0 y, por lo tanto, no hay señal de diferencia que sea amplificada

entre las entradas (+) y (−) del amplificador operacional.

Todo esto coincide con lo que se ha expuesto hasta ahora so-

bre el amplificador operacional. Teniendo en cuenta esto y las

ecuaciones anteriores (ecuaciones 18 y 19), se puede expresar

V1 y V

2 en función de Vd y Vc:

(Ec. 20)

1

2

1

2

1 c d

2 c d

V V V

V V V

= +

= − (Ec. 21)

En un amplificador operacional ideal se sabe que la ganancia

con respecto a la terminal 1 se llama A1 y la ganancia con res-

pecto a la terminal 2 se llama A2. Estas ganancias son, además,

iguales y opuestas.

Figura 5.12

Símbolo representativo de un operacional indicando sus

entradas inversora (−) y no inversora (+).

V2

V1

1

2

+

−

+

− +

−

+

−

Vo

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los fundamentos de los sistemas de Adquisición o Toma de Datos y

está orientada tanto al ingeniero como al estudiante universitario de

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ecuaciones matemáticas y de conceptos de electricidad y electrónica,

los principios funcionales y la tecnología de los acondicionadores de

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Simultáneamente, describe algunos productos de hardware y software

gráfico que distintos fabricantes ofrecen al mercado, cada uno según

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de aplicaciones reales de la adquisición o toma de datos. Y finalmente

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versión del mencionado software, el cual considera que es el software

más difundido para adquisición de datos en los entornos mencionados

(académicos, de investigación e industriales), por lo que el curso puede

llevarse a cabo con las versiones de LabVIEW académicas para el

estudiante o la versión de uso en la industria.