Abstract— El presente informe consiste en amplificadores de instrumentación, en el cual se analiza el procesamiento de señales utilizando amplificadores operacionales, en el cual se montan circuitos amplificadores de instrumentación con filtro de salida y con offset de salida, para luego comparar las ganancias respectivas y su funcionamiento.

I. INTRODUCCIÓN

En el laboratorio se implementaron circuitos amplificadores de instrumentación utilizando amplificadores operacionales, la primera experiencia consiente solamente en un amplificador de instrumentación, en la segunda experiencia se utiliza el mismo amplificador, pero ahora con un filtro en la salida, en el caso de la tercera experiencia se utiliza el primer amplificador de instrumentación montado pero con un offset de salida.

II. MATERIALES Y METODOS

i. Materiales

a. 1 Amplificador operacional; TL082b. Resistencias:10[kΩ]x8, 22[kΩ]x2, 1[kΩ]x2,

3,3[MΩ]x2, 4.7 [kΩ], 150 [Ω]c. Protoboardd. Condensadores: 1[uF], 0.01[uF]e. Generador de Funciones GW instekf. Osciloscopio Tektonix TDSg. Fuente de poder DC POWER supply Hy 3003 D-3h. Multitester Meterman 37 XRi. Multisim 11j. 2 potenciómetros

ii. Ecuaciones

vout=( v2−v1 )(1+2R1

R2)

iii. Circuitos esquemáticos

Figura 1: circuito amplificador de instrumentación.

Figura 2: circuito amplificador de instrumentación con filtro de salida.

Esteban Gaete Maureira, Javier Cabrera Már quez Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Chile

Profesor Pablo Aqueveque, Profesor Esteban Pino

Ayudantes María Aguilera, Javier Chávez, Soledad Muñoz

Laboratorio N°6 Amplificadores de instrumentación

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Figura 3: circuito amplificador de instrumentación con offset de salida.

iv. Marco teórico Los amplificadores de instrumentación se construyen a partir de amplificadores operacionales. Su función principal es amplificar señales diferenciales muy pequeñas como los biopotenciales. Son utilizados en la mayoría de los equipos médicos como monitores de hospital, ECG, EMG.

III. DESARROLLO

a. Actividad N°1: Amplificador de instrumentación.

Luego de diseñar con los conocimientos previos mostrados en el apartado de métodos, el circuito de la Figura 1, se monta el circuito en la protoboard, teniendo especial cuidado en las conexiones de las resistencias a los respectivos pines, para obtener correctamente el circuito en cuestión. Se busca obtener una ganancia de voltaje diferencial de 25, para lograr esto se utiliza un potenciómetro en RG para ajustar la ganancia, según la ecuación 1. Para ingresar un voltaje diferencial que amplificar, se usa el generador de funciones para tener una señal sinusoidal de entrada de 300mVrms/100Hz, conectado el terminal positivo a V1 y el negativo a V2, que está conectado a tierra. Teniendo esto, se puede determinar la ganancia de voltaje con el cuociente del voltaje rms entrada y el voltaje rms de salida, medidos con el osciloscopio.

Luego, para determinar el ancho de banda se varía la frecuencia de la señal de entrada hasta que la ganancia de la salida disminuya al 70% del valor máximo de ganancia.

b. Actividad Nº2: Amplificador de instrumentación con filtro de salida.

Se monta el circuito de la Figura 2, cambiando RG por una resistencia de 10kOhm y además se conecta la salido el filtro pasa bajos que se muestra en la Figura 2. Esta vez se utiliza una señal sinusoidal de entrada de 168mVrms/5Hz, porque la frecuencia de 100Hz del circuito anterior fue atenuada por el

filtro pasa bajos, donde se determinó con el osciloscopio que la frecuencia con la cual se obtenía mayor ganancia fue de 5Hz.

Nuevamente, para determinar el ancho de banda se varía la frecuencia de la señal de entrada hasta que la ganancia de la salida disminuya al 70% del valor máximo de ganancia.

c. Actividad Nº3: Amplificador de instrumentación con offset de salida.

Se monta el circuito de la Figura 3, se desea obtener una ganancia de 50 en el amplificador de instrumentación para lo cual se varía el valor de RG, y una ganancia unitaria en el sumador inversor. Se ajusta P1 para tener una señal de salida con valor mínimo igual a 0V.

IV. RESULTADOS

a. Actividad N°1

Para implementar el circuito comparador se utilizó un divisor de voltaje como se muestra en la ecuación 1, asi elegimos valores de resistencias acordes para lograr un V ref=4.Las resistencias ocupadas fueron de 5.6kΩ y 3.9 kΩ.

4 ≈ 10∙3.9 k Ω

3.9 k Ω+5.6809 kΩ

Luego mediante la ecuación 2, se calculó la resistencia en serie de led:

Rled ≈ 1kΩLuego con el osciloscopio se observó tanto la señal de entrada como la de salida y además los voltajes en ambos estados del led.

b. Actividad N°2

Para el circuito con amplificador inversor, se utilizó la ecuación 3 para lograr una ganancia -4:

−4=v0

v¿≈−3.9 kΩ

1 kΩ

Con los datos obtenidos en la tabla se observó que la ganancia del circuito estaba acorde al pedido.

c. Actividad N°3

2

Para el circuito con amplificador no inversor, se utilizó la ecuación 4 para lograr una ganancia de +5:

5=v0

v¿≈ 1+3.9 kΩ

1 kΩ

V máx

Entrada

152 [mV]

V máx

Salida

720[mV]

Con los datos obtenidos en la tabla se observó que la ganancia del circuito estaba acorde al pedido.

d. Actividad N°4

Para el circuito con amplificador no inversor, se utilizó la ecuación 5, en este caso se utilizó resistencias de igual valor para que el análisis del circuito fuera más fácil. También los voltajes a utilizar como v1 y v2 fueron 12 y 5 volts respectivamente, sacados directamente de la fuente de poder dual.

v0=( 1kΩ+1 kΩ1kΩ )( 1 kΩ

1 kΩ+1 kΩ )∙ 5−( 1kΩ1kΩ ) ∙12

v0=−7

Teóricamente el voltaje de salida debió haber sido -7 . Al conectar el osciloscopio a la salida para observar tanto la señal como el voltaje, se apreció que el circuito estaba trabajando manera correcta.

VoltajeSalida DC

-6.85

e. Actividad N°5

La ganancia del circuito pasa bajo esta dada por la ecuación 6, las resistencias fueron elegidas acorde a la ganancia pedida:

Av−DC=100 kΩ10 kΩ

= 10

Luego a partir de la ecuación 7, se obtuvo el valor de la capacitancia a utilizar:

C= 12 π R2 fc

= 12π 100 kΩ∙0,005

≈ 0.32 nF

Como no se encontró capacitancia con el valor exacto obtenido, se utilizaron 2 capacitores puestos en paralelo, de 0,1nF y 0,25nF.

VoltajeEntrada

500[mV]

Voltaje Salida

4.5 [V]

Av 8.9

Luego se observó la frecuencia de corte real:Frecuencia de corte superior

Pedido 5[kHz]

Real 4.9665[kHz]

f. Actividad Nº 6

En el circuito pasa banda, se utilizó la ecuación 8 ,9 y 10, para calcular las resistencias a utilizar, además se eligió 2 capacitores de 1nF:

R1=Q

(G∙ 2πf ∙C )= 5

10 ∙ 2 π 1000 ∙0,3 nF≈ 80 kΩ

R2=5

((2 ∙52−10)∙ 2π 1000 ∙0.3 nF)≈ 20 kΩ

R3=5

(π 1000 ∙0.3 nF)≈ 1.6 MΩ

VoltajeEntrada

100[mV]

VoltajeSalida

850

Av 8,5

Frecuencia Av

900 [kHz] -61100[KHz] -7

V. CONCLUSIÓN

Se puede concluir que en la primera experiencia, el ancho de banda es bastante alto, ya que esto solo depende de la respuesta del propio amplificador operacional usado, para este ejercicio se logró ajustar una ganancia de 25

3

aproximadamente, dándole uso al potenciómetro del circuito y con la referencia de la ecuación 1 corroborando que a mayor valor de la resistencia del potenciómetro menor es la ganancia del circuito implementado. Para la segunda experiencia se utilizó el primer circuito propuesto, pero con un filtro pasa bajos conectado a la salida, esto cambio rotundamente el ancho de banda del circuito, ya que para lograr la máxima ganancia se requerían 5 [Hz] a diferencia del circuito anterior, que su ganancia máxima se lograba en 235 [kHz]. A esto se le puede dar uso para atenuar frecuencias sobre los 100 [Hz] que en el aspecto medico se puede usar para la amplificación de biopotenciales. Una de las principales observaciones de la experiencia 3, es el mismo circuito de la primera experiencia, pero que tiene acoplado un sumador inversor con el cual se puede recular el offset de salida a través del potenciómetro (P1). Una aplicación de esta configuración se puede dar en circuitos digitales, ya que estos trabajan generalmente solo con valores positivos de voltajes.

REFERENCIAS

[1] C.J. Savant, M. S Roden & G. Carpenter, diseño electrónico: circuitos y sistemas, 2º ed, Pearson educacion, 2000. [2] Guía de laboratorio “Amplificadores de instrumentación”, (2014), profesor Pablo Aqueveque.[3] Materiales curso electrónica biomédica “Amplificadores operacionales”, (2014), profesor Pablo Aqueveque.

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MAGENES LABORATORIO

Imagen 1: Ganancia experiencia 1.

Imagen 2: Ganancia experiencia 2.

Imagen 3: Ganancia unitaria sumador inversor experiencia 3.

Imagen 4: Ganancia amplificador instrumentación experiencia 3.

5

Observaciones

Pauta de evaluación pre-informeItem max puntaje

Presentación 1.0Investigación 0.5

Listado de materiales y equipos

0.5

Descripción de actividades, resultados y comentarios

2.0

Simulación computacional (mostrar al profesor)

1.0

Diseño y calculo 1.0Total

6