ensayo 2 de acondicionamiento de seÑales
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INTRODUCCION
El tema que se presenta es una continuación del tema de acondicionamiento
de señales, que se presento anteriormente se prosigue con el ya que es de
mucha importancia para un ingeniero, porque con esta información se puede
interpretar las señales de corriente y voltaje de los circuitos de las maquinas
industriales, y también a comprender el sistema de control de las maquinas o
equipos industriales, este tema nos explica paso a paso el acondicionamiento de
las señales análogas en los circuito o sistemas de control de la maquinaria.
El objetivo de este tema es darnos a conocer los acondicionamientos de señal,
(adaptadores o amplificadores), en un sentido amplio para lograr resolver casos
prácticos como, por ejemplo, el caso en que una de las etapas de tratamiento de
la señal de medida es digital, si la salida del sensor es analógica, que es lo más
frecuente, hará falta un convertidor A/D. Éstos tienen una impedancia de entrada
limitada, exigen que la señal aplicada sea continua o de frecuencia de variación
lenta, y que su amplitud esté entre unos límites determinados, que no suelen
exceder de 10 voltios. Todas estas exigencias obligan a interponer un
acondicionador de señal entre el sensor, que muchas veces ofrece señales de
apenas unos milivoltios, y el convertidor A/D; para lograr la resolución a este
problema es necesario conocer todos los métodos y sistemas del
acondicionamiento de señales por esta razón es necesario un analices del tema.
DESARROLLO
FILTROS RC
Para eliminar señales no deseadas de las mediciones es usualmente necesario
usar un circuito que bloquee ciertas frecuencias o bandas de frecuencia, estos
ci4rcuitos son llamados filtros. Un filtro simple puede ser creado por un resistor y
un capacitor.
Filtros Pasa Baja RC
Estos filtros RC no son perfectos por lo que se hace el análisis en el caso ideal
y el caso real.
Como se comento anteriormente un filtro pasa bajas puede estar constituido
por un resistor y un capacitor; este tipo de filtro es el ideal ya que que permite el
paso de las frecuencias por debajo de la frecuencia de corte (Fc) y elimina las que
sean superiores a ésta, las diferencias que hay entre teoría y práctica son que la
función de transferencia del filtro ideal, sólo es una aproximación más o menos
burda sobre la forma que el filtro va a tener en realidad. Lo que se hace es hacer
una plantilla con unas ciertas restricciones, sobre la que va a encajar la respuesta
en frecuencia del filtro que se diseña.
Por ejemplo, hablando de un caso teórico: un filtro pasa bajo con frecuencia de
corte de 2 KHz, y en el caso práctico: un filtro de Butterworth pasa bajo que va a
tener una atenuación menor de 1 dB en la banda de paso, y una atenuación de
más de 20 dB en la banda de rechazo.
Observando la diferencia, en el primer caso el filtro es perfecto, todo lo que
tenga f<2 KHz, pasa, y lo que no, se elimina. En el segundo caso, lo que tenga
f=0.5 KHz va a pasar el filtro con una determinada atenuación (pérdidas), lo que
tenga f=1.5 KHz va a pasar el filtro con una atenuación mayor (aunque siempre
menor de un valor concreto para el que diseñamos, 1 dB en el ejemplo que puse),
y por último lo que tenga f=3 KHz va a pasar también, lo que pasa es que se verá
muy atenuado por el filtro (por ejemplo, 30 dB).
Esa es la diferencia más notable, la diferencia entre el filtro ideal y el filtro real.
Luego a partir de ahí, pues hay mil cosas más que diferencian la teoría de la
práctica. Desde la aproximación elegida, la precisión de los componentes, el
hecho de que los componentes tienen efectos parásitos que pueden ser
considerables en determinadas bandas de frecuencia, la interferencia
electromagnética (desde la de otros circuitos hasta la que pueda llevar la línea de
tierra), en fin mil cosas más.
Lo más apto seria que el filtro pasa baja tuviera la característica de bloquear
todas las frecuencias arriba de cierto punto crítico. Los circuitos de filtrado se
acercan a esta idea con una varianza de algunos grados de su propósito.
Métodos de diseño
Típicamente el diseño de un filtro se basa en encontrar la frecuencia crítica con
la que puedes satisfacer el diseño de tu circuito. Esto se logra combinando un
resistor y un capacitor para que funcionando en conjunto y así brinden la
frecuencia crítica requerida, y se logra utilizando la siguiente ecuación:
Esto debido a que tenemos dos variables desconocidas (resistencia y
capacitor), pero solo una ecuación, por lo regular se selecciona el valor de uno de
estos dos componentes al azar y en base a esto se calcula el otro. Lo más común
es que se seleccione el valor del capacitor y se calcule el valor de la resistencia ya
que hay más diversidad de valores de resistencia que capacitores y son más
fáciles de conseguir. A continuación se mencionan algunas recomendaciones para
realizar el diseño de un filtro:
1. Se selecciona un valor estándar del capacitor en el rango de microfaradios
o picofaradios.
2. Se calcula el valor requerido de la resistencia. Si el valor es menor de
1Kohm o mayor de un 1Mohm, utiliza un valor diferente de capacitor ya que
si el valor de la resistencia no está entre estos dos parámetros se tendrá
problemas de ruido y cargas no deseadas en el circuito.
3. Siempre se debe de tener en mente que tanto los resistores como los
capacitores tienen una tolerancia en su valor indicado.
4. Si es necesario tener valores exactos, es más sencillo seleccionar un
capacitor, medir su valor, y después calcular el valor de resistencia
requerida.
Filtros RC pasa altas
El filtro paso alto más simple es un circuito RC en serie en el cual la salida es la
caída de tensión en la resistencia.
Por ejemplo, se estudia este circuito (con componentes ideales) para
frecuencias muy bajas, en continua, se tiene que el condensador se comporta
como un circuito abierto, por lo que no dejará pasar la corriente a la resistencia, y
su diferencia de tensión será cero. Para una frecuencia muy alta, idealmente
infinita, el condensador se comportará como un cortocircuito, es decir, como si no
estuviera, por lo que la caída de tensión de la resistencia será la misma tensión de
entrada, lo que significa que dejaría pasar toda la señal.
Este tipo de filtro es muy utilizado para bloquear las frecuencias bajas no
deseadas en una señal mientras permite el pasaje de las frecuencias más altas.
Las frecuencias son consideradas 'altas' o 'bajas' cuando están arriba o abajo de
la frecuencia de corte, respectivamente. Al igual que el filtro pasa bajas también
está constituido por una resistencia y un capacitor colocados inversamente al filtro
pasa bajas como se muestra en el siguiente diagrama:
La fórmula para calcular la frecuencia crítica es la misma utilizada para calcular
en el filtro pasa bajas.
A continuación se muestra una grafica de la entrada y salida de voltaje
comparando el logaritmo de la frecuencia con la frecuencia critica:
Como pueden notar la magnitud de Vout-Vin= 0.707 cuando la frecuencia es
igual a la frecuencia critica.
La ecuación para calcular el radio de salida de voltaje contra entrada de voltaje
en función de la frecuencia para el filtro pasa altas es:
Filtros pasa banda
La función de estos filtros es bloquear frecuencias por debajo de su limite
mínimo y por encima de su límite máximo, dejando pasar las frecuencias entre su
límite máximo y el mínimo. Estos filtros están constituidos por resistores y
capacitores pero sus versiones más eficientes y novedosas usan inductores y/o
capacitores.
Este filtro está constituido por un filtro pasa alto más un filtro pasa baja, el
orden de los filtros se puede invertir (primero el filtro paso bajo y después el filtro
paso alto) como se muestra en la figura anterior, pero hay razones para ponerlos
en el orden mencionado al principio, una de ellas es que el segundo filtro se
comporta como una carga para el primero y es deseable que esta carga sea la
menor posible (que el segundo filtro demande la menor cantidad de corriente
posible del primero).
El funcionamiento del filtro pasa banda es el que se menciona a continuación,
el primer filtro (paso alto con R1 y C1) permite el paso de las frecuencias
superiores a la frecuencia de corte de este, las ondas que lograron pasar por el
primer filtro ahora avanzan hasta el segundo filtro donde se eliminan las
frecuencias que son superiores a la frecuencia de corte del segundo filtro (paso
bajo con R2 y C2).
Filtro rechazo banda
Otro tipo de filtro de igual importancia es el filtro rechaza banda, este trabaja de
forma inversa al pasa banda, su función en bloquear o rechazar frecuencias de
cierto rango.
Es decir este tipo de filtros rechaza aquellas frecuencias que se encuentran en
un ancho de banda definido. Este tipo de filtro permite el paso de las frecuencias
inferiores o superiores a dos frecuencias determinadas como de corte inferior y
superior.
Estos filtros se pueden clasificar en 2 tipos: de banda amplia y de banda
estrecha, pero en general un filtro de rechazo de banda puede ser elaborado
conectando en paralelo las secciones de filtros pasa altas y pasa bajas, el orden
de las secciones, así como la ganancia en la banda de paso debe de ser el
mismo, para conectar las secciones en paralelo, es necesario “sumar” las salidas
de cada uno de los filtros, también hay que recordar ya que es de suma
importancia que las frecuencias de las secciones pasa bajas y pasa altas no se
traslapen y que ambas tengan la misma ganancia en la banda de paso.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Es un dispositivo lineal el cual tiene como propósito el manejar señales de 0Hz
hasta una frecuencia definida se caracteriza por tener una entrada diferencial y
una ganancia muy alta, que generalmente se alimenta con fuentes positivas y
negativas.
El tiempo para diseñar un amplificador con un amplificador operacional es
de unos 10 segundos. Es más, los amplificadores operacionales en circuitos
integrados son baratos, ocupan menos espacio y requieren menos potencia
que los componentes discretos. Los circuitos que pueden realizarse con uno o
dos amplificadores operacionales y unos pocos componentes incluyen la
generación de señal (osciladores), acondicionamiento de señales,
temporizadores, detección de nivel de voltaje y modulación, La lista podría
extenderse casi infinito.
Los amplificadores operacionales de propósito general fueron rediseñados
para optimizar o incorporar ciertas características. Los circuitos integrados de
función especial que contienen más de un amplificador operacional se
desarrollaron entonces para llevar a cabo funciones complejas.
Los siguientes son algunos ejemplos:
Capacidad de alta corriente, alto voltaje o ambos.
Módulos para sonar de emisión y recepción.
Amplificadores múltiples.
Amplificadores de ganancia programable.
Instrumentación y control automotriz.
Circuitos integrados para comunicaciones.
Circuitos integrados de radio/audio/video.
Los amplificadores de propósito general durarán muchos años en el
mercado. Sin embargo, cabe suponer que se desarrollen circuitos integrados
más complejos en un solo chip que combinen varios amplificadores con
circuitos digitales.
Características del amplificador operacional
Un amplificador operacional es un circuito constituido por resistores,
transistores, diodos y capacitores y común mente requiere fuentes de poder
bipolar esto es +V y –V con respecto a tierra.
El Amplificador Operacional ideal se caracteriza por:
Resistencia de entrada, (Ren), tiende a infinito.
Resistencia de salida, (Ro), tiende a cero.
Ganancia de tensión de lazo abierto, (A), tiende a infinito.
Ancho de banda (BW), tiende a infinito.
Vo = 0, cuando V+ = V-,
Ya que la resistencia de entrada, Ren, es infinita, la corriente en cada entrada,
inversora y no inversora, es cero. Además el hecho de que la ganancia de lazo
abierto sea infinita hace que la tensión entre las dos terminales sea cero
En la imagen que se aprecia arriba se puede observar como una de las
terminales tiene un signo negativo esto debido a que se le llama entrada inversora.
La otra terminal de entrada tiene un signo positivo y se le conoce como la entrada
de no inversión, estos símbolos siempre deben estar incluidos en cualquier op am.
En mi opinión se puede decir que un amplificador operacional es un dispositivo
lineal de propósito general el cual tiene capacidad de manejo de diferentes tipos
de señales o definidas por los fabricantes. Que pueden ser manejadas por
configuraciones básicas de un amplificador operacional. Y por medio de
operaciones lógicas básicas.
También es de suma importancia porque hoy en día su manejo es
indispensable, ya que es utilizado para la fabricación de productos eléctricos y
electrodomésticos, tales como computadoras, televisores, lavadoras.
Amplificador inversor ideal
Para explicar el funcionamiento de este amplificador inversor ideal tomaremos
como ejemplo la siguiente figura:
Como se puede observar R2 está siendo usado para retroalimentar la salida a
la terminal inversora del op amp y R1 conecta el voltaje de entrada a la misma
terminal. Este tipo de conexión es llamado punto de adición. Como se puede ver
cuando no hay retroalimentación la terminal positiva esta aterrizada Vin < que 0 es
saturado, la salida negativa y cuando Vin es >0 la salida positiva es saturada. Con
retroalimentación, la salida se ajusta a un voltaje tal que:
1. El punto de edición del voltaje es igual a (+) del nivel de entrada del op
amp, que en este caso es 0.
2. No hay flujo de corriente en la parte superior del op amp, por la impedancia
infinita asumida.
Efectos no ideales
En la mayoría de las aplicaciones modernas los efectos no ideales pueden ser
ignorados cuando se está diseñando circuitos op amp.
Especificaciones de un op amp
Hay más características de un op amp que las ya previamente mencionadas,
estas características son dadas en las especificaciones para algunos op amp en
particular junto con la ganancia de lazo abierto y la entrada y salida de impedancia
previamente definida, mencionaremos algunas de esas características a
continuación:
1. Entrada de corriente Bias, esta se refiere al promedio de las dos
corrientes de entrada requeridas para que el voltaje de salida sea 0.
2. Unidad de ganancia ancho de frecuencia, la frecuencia de respuesta de
un op amp es definida típicamente por la diferencia de ganancia del
voltaje abierto y la frecuencia.
Circuitos op amp en instrumentación
Conforme fue familiarizándose el op amp con la gente involucrada en los
procesos de control e instrumentación tecnológica se desarrollaron una gran
variedad de circuitos con una aplicación directa en su área de trabajo. Esto debido
aunque es mucho más fácil diseñar un circuito para un propósito especifico.
Esto quiere decir que la gente que se estaba relacionando con los procesos de
control fue conociendo estos tipos de circuitos y así los fueron utilizando y
después diseñando para el propósito específico que ellos requerían en su área.
Seguidores de voltaje
Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la
entrada.
Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar
impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja
impedancia y viceversa), como la tensión en las dos patillas de entradas es igual:
Vout = Vin, Zin = ∞.
Su principal ventaja es que la impedancia de entrada es elevadísima y la salida
prácticamente nula y puede ser utilizado para leer la tensión de un sensor a una
intensidad muy pequeña que no afecte a la medición.
Amplificador inversor
Se le denomina amplificador de inversor ya que la señal de salida es igual a la
señal de entrada pero con la fase invertida 180° esta configuración es una de las
más importantes ya que mediante esta se puede elaborar otras como la del
derivador, integrador o sumador.
Amplificador sumador
Es un amplificador que suma o resta dos o más voltajes aplicados.
Amplificador no inversor
La ganancia de estos circuitos se encuentra al sumar las corrientes en el punto
S del circuito que se muestra a continuación y usando el hecho de que el punto
sumado de voltaje es Via de esta manera no habrá diferencia de voltaje a través
de las terminales de entrada.
Amplificador diferencial de instrumentación
Hay muchos casos en que las mediciones y el sistema de control en los cuales
la diferencia entre dos voltajes tiene que ser condicionada un ejemplo de esto es
el puente de Wheatstone donde el ajuste de voltaje es igual a Va-Vb.
Un amplificador diferencial ideal te da una salida de voltaje respecto a tierra
que algunas veces es la diferencia de dos entradas de voltaje:
Vout= A (Va-Vb)
Donde:
A es la ganancia diferencia y ambos Va, Vb son los voltajes con respecto a tierra.
Amplificador diferencial
Hay un número muy grande de tipos de amplificadores diferenciales pero el
más común es que se muestra a continuación.
Como se puede notar el circuito usa dos pares de resistores iguales, R1 y R2
cuando los pares son iguales el op amp es ideal. Si los resistores no son iguales el
Modo común de rechazo de radio será pobre.
Amplificador de instrumentación
Es un amplificador diferencial con una alta entrada de impedancia y una baja
salida de impedancia. Por lo regular se encuentran aplicaciones de medida de
proceso y principalmente en los estados iniciales de amplificación de circuitos de
puente.
Convertidor de voltaje a corriente
Debido a que las señales en los procesos de control son comúnmente
transmitidas como corriente especialmente de 4 a 20 mA es necesario utilizar un
convertidor lineal de voltaje a corriente tal circuito debe ser capaz de sumergir una
corriente a un número de cargas diferentes sin cambiar el voltaje a corriente.
Un circuito de op amp es el que se muestra a continuación.
Convertidor de corriente a voltaje
Al conversor de corriente a voltaje también se le conoce como amplificador de
tansimpedancia, al llegar una corriente la transforma a un voltaje proporcional a
esta con una impedancia de entrada muy baja, ya que está diseñado con una
fuente de corriente.
Integrado
Este circuito integra e invierte la señal, se usa en forma combinado con
sistemas retroalimentados que son modelos basados en variables de estado
donde el integrador conserva una variable de estado en el voltaje de su capacitor.
Diferenciador o derivador ideal
Es posible construir un op amp con una salida proporcional a la derivación de la
entrada de voltaje, el siguiente circuito está constituido por un capacitor y un
resistor como en el caso de un integrado.
Para conocer la salida de voltaje utilizamos la siguiente fórmula
Linealizacion
El op amp también puede ser implementado en la linealizacion. Generalmente
esto se logra colocando un elemento no lineal en el lazo de realimentación del op
amp, como se muestra en la siguiente figura.
DIRECTRIZ DE DISEÑO
A continuación veremos los factores que se deben de tomar en cuenta cuando
se diseña un sistema de acondicionamiento de señal análoga.
No todas las directrices serán importantes en cada diseño ya que algunas no
aplicaran en ciertos diseños, en la siguiente figura se muestra la el modelo de
medición y acondicionamiento de señal.
1. Definir el objetivo a medir
A) Parámetro (que variable se va a medir: presión, temperatura, flujo, nivel,
voltaje, etc.)
B) Rango (rango de medida: 100 a 200 grados, 45 a 80 psi, 2 a 4 volts,
etc.)
C) Precisión (que tan precisa debe de ser la medición o resultado).
D) Linealidad, ¿debe de ser la salida lineal?
E) Ruido, ¿Cuál es el nivel de ruido del ambiente?
2. Seleccionar un sensor (si aplica)
a) Parámetro, ¿Cuál es el parámetro a medir?: resistencia, voltaje, etc.
b) Función de transferencia, (cuál es la relación entre la salida del sensor y
la variable medida).
c) Tiempo de respuesta, ¿Cuál es el tiempo de respuesta del sensor?
d) Rango, ¿Cuál es el parámetro de rango de salida requerido para la
medición?
e) Energía, ¿Cuál es la energía especificada del sensor?: resistencia,
consumo de corriente, etc.
3. Diseño de acondicionamiento de señal análoga (SC)
a) Parámetro, ¿Cuál es el parámetro a medir? El más común es el voltaje,
pero la corriente y la frecuencia también son requeridos.
b) Rango, ¿Cuál es el rango de salida del parámetro deseado?: de 0 a 5
volts, 4 a 20 mA o de 5 a 10kHz.
c) Entrada de impedancia, ¿Cuál es la entrada de impedancia que se
tendrá en la entrada de señal?, esto es muy importante para prevenir la
carga de un una señal de voltaje de entrada.
d) Salida de impedancia, ¿Cuál es la salida de impedancia que se le dará a
la carga de salida del circuito?
CONCLUSION
Para concluir el acondicionamiento de señales se relaciona con las técnicas
utilizadas para la compatibilidad de señales y mediciones en sistemas análogos,
se analizo una breve introducción de los conceptos básicos que le dan forma al
acondicionamiento de señal análoga.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE TIJUANA
MATERÍA: SISTEMAS AUTOMATIZADOS Y REDES INDUSTRIALES
ING. JUAN ANTONIO SANDOVAL CHIGUIL
TEMA: ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES ANALOGAS
ALUMNOS: BEAS MOLINA GERMAN
GRUPO: EMI 9B
TIJUANA B. C. 21 DE JUNIO DEL 2010