Aspectos básicos de electrónica digital

• La velocidad a la que ha crecido la electrónica, la instrumentación y la tecnología de los microordenadores se ha convertido en algo casi inexplicable.

• En la mayoría de los instrumentos de laboratorio se pueden encontrar microordenadores o microprocesadores, incluso en balanzas y medidores de pH.

Medidas digitales a partir de señales analógicas

• Se utiliza un contador electrónico de alta velocidad para contar el número de sucesos que se estudian. Ejemplos:

• - # de fotones emitidos

• - # de partículas desintegradas

• - # de gotas de disolución valorada

• - # de pasos de un motor de pasos para inyectar un reactivo

Sistema decimal Sistema binario

Fig. 3-2. Contador para determinar pulsos de voltaje por segundo.

Fig. 3-3. Configurador de señal: (a) circuito; (b) señal de entrada; (c) señal de salida

Fig. 3-4. Contador binario para números del 0 al 15. El cálculo indicado es el binario 1011 o el decimal 12.

Fig. 3-5. Forma de las ondas de las señales en varios puntos del contador de la figura 3-4. En este caso el cálculo durante el período t es el binario 1011 o el decimal 12.

Fig. 3-6. Contador decimal codificado en binario que utiliza unidades de cómputo en décadas (DCU).

Fig. 3-6. Contador decimal codificado en binario que utiliza unidades de cómputo en décadas (DCU).

Convertidores analógico-digital (ADC)

• Para dicho propósito se emplean convertidores analógico digital (ADC).

Amplificadores operacionales

• Los Amplificadores Operacionales (AO) son dispositivos electrónicos que se utilizan para tratar las diferentes señales.

• La mayoría de señales analíticas son señales analógicas:

- Carga

- Corriente

- Voltaje

- Potencia

• Un amplificador operacional (AO ó op-amp) es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor G llamado ganancia.

• Originalmente se empleaban para realizar operaciones matemáticas en calculadoras.

Características generales de los amplificadores operacionales

• Dispositivo analógico consistente de unos 30 transistores, resistencias, condensadores y diodos incorporados en un chip.

• Compactos (1 cm sin incluir la fuente de alimentación), fiables y baratos.

• Colocado en una caja cerámica o epoxi de 8 polos.

Algunas propiedades Algunas propiedades electrónicas de los AOelectrónicas de los AO

• Amplias ganancias ( = 104 a 106)• Esencialmente una salida cero para una entrada

cero (idealmente < 0.1 mV)• La salida de un AO queda determinada por la

naturaleza del circuito o red al que este conectado y es independiente del propio AO

• Los transductores de los instrumentos convierten las señales analógicas químicas en señales analógicas eléctricas que luego se tratan haciendo uso de AO.

• Los AO amplifican, filtran, cambian de frecuencia, integran, suman, dividen, etc.

• Las señales tratadas se visualizan en un formato analógico o digital.

• Servosistema: sistema que detecta una diferencia o error entre los estados actual y deseado de una cantidad controlable.

• Servomecanismo o servosistema electromecánico: si la cantidad a controlar es la posición de un objeto, un motor eléctrico o hidráulico puede utilizarse para que las posiciones coincidan.

Operaciones matemáticas con AO

• Vi puede multiplicarse por una constante Rf/Ri. La división se da cuando Rf/Ri<1

Operaciones matemáticas con AO

• Suma y resta: vo = -Rf(i1 + i2 + i3 + i4)

• Los AO se usan para la amplificación y medición de las señales eléctricas de los transductores (intensidad, potencial, carga) que dependen de la concentración de un analito.

Medición de la intensidad

Ix: corriente DC que se genera en el transductor (fototubo que convierte luz en corriente)

f

ofox

fxffo

fsfx

Rk

kVRVI

RIRIV

IIII

/1

/

• La medida de potencial da la intensidad.

Si Rf = 100k

V = IR = (0.000001amp)(100,000)ohms

= 0.1 Voltios

Es decir, una intensidad de1μA producirá un potencial de 0.1 V, cantidad facilmente medible con elevada precisión

Leyes de la electricidad

• Ley de Ohm: V = IR

V: diferencia de potencial en voltios entre dos puntos de un circuito

R: resistencia en ohms entre los dos puntos

I: intensidad de corriente en amperios

Ley de la intensidad de corriente: la suma algebraica de las intensidades de corriente en cualquier nudo de un circuito es igual a cero.

Ley del voltaje: la suma algebraica de los voltajes de un circuito cerrado es igual a cero.

•Leyes de Kirchhoff:

Circuito en serie

Circuito en paralelo

• Ley de la potencia: P = IV

P: potencia en watios disipada en un resistor

I: corriente en amperios

V: caída de potencial en voltios

Señales y Ruido

• Cada medida analítica lleva dos componentes:

El que lleva la información acerca del analito que interesa al químico

La compuesta por información ajena, no deseada: el ruido

• El efecto del ruido en el error relativo de una medida aumenta cada vez más a medida que disminuye el valor de la cantidad medida.

• La relación señal/ruido S/N se define como

• La relación señal/ruido es un parámetro de calidad mucho mejor que el ruido solo

• Nótese que x/s es el inverso de la desviación estándar relativa RSD, por lo tanto S/N = 1/RS

sx

medialadeestándardesviaciónmedidalademedia

NS

..............

• Norma general: La detección cierta de una señal mediante un sistema visual resulta imposible cuando la relación señal/ruido < 2 o 3

Consultar en libro de texto páginas 104 a 111, es decir:

- Sección 5B

- Sección 5C y 5C1

Fuentes de ruido

• Ruido químico

Fluctuaciones en la humedad de la muestra

Estratificaciones en un sólido o polvo

Cambios en la intensidad de la luz que afectan sustancias fotosensibles

Cambios de presión o temperatura que afectan el equilibrio

Humos

• Ruido instrumental

Se asocia a cada componente del instrumento: fuente, transductor de entrada o transductor de salida

Puede ser de distinto tipo y provenir de distintas fuentes

Es una mezcla compleja que no se puede caracterizar por completo

• Ciertos tipos de ruido instrumental se pueden reconocer:

1) Ruido térmico (o Johnson)

2) Ruido de disparo

3) Ruido de parpadeo (o 1/f)

4) Ruido ambiental

• Ruido térmico, o ruido Johnson:

Se debe a la agitación térmica de los electrones u otros portadores de carga

Dicha agitación o movimiento origina periódicamente heterogeneidades de carga que a su vez crean variaciones de voltaje

• Ruido de disparo:

Se origina siempre que exista una corriente que produzca un movimiento de electrones o de otras partículas cargadas a través de una unión 8p y n o el vacío para un tubo de vacío.

Puede minimizarse reduciendo el ancho de banda de las frecuencias.

• Ruido de parpadeo:

Sus causas no se comprenden bien. Su valor es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal que se observa. Ruido 1/f

Es significativo para frecuencias < 100 Hz

• Ruido ambiental:

Proviene del entorno; cada conductor de un instrumento es una antena potencial que capta radiación electromagnética y la convierte en señal eléctrica.

Aumento de la relación S/N

• Puede mejorarse por hardware o software

Hardware: incorpora al diseño del instrumento filtros, cortadores, escudos, moduladores, detectores sincrónicos

Software: se basan en distintos algoritmos digitales de ordenador que permiten extraer las señales de entornos ruidosos