señales electricas analogas

Procesamiento analgico de seales

Dr. Carlos Alvarado Serrano

Procesamiento analgico de sealesSeales, informacin, interferencia y ruido Seal: magnitud fsica detectable cuya amplitud vara con el tiempo y lleva informacin. Seal elctrica: Voltaje o corriente que vara con el tiempo, obtenida de procesos por medio de sensores o transductores y sus acondicionadores. Informacin: conocimiento obtenido mediante investigacin. Interferencia: seal ajena al sistema considerado. Ruido: seal interna indeseable.

Instrumentacin electrnica Ciencia y tecnologa de las medidas Toda magnitud fsica lleva informacin sobre el proceso o sistema que la origina. Ciencia: algoritmos de medida Tecnologa: implementacin de los algoritmos de medida (CI, circuito impreso, equipo...)

Instrumentacin: imprescindible e interdisciplinaria Sistema de medida: FuncionesDetectar Procesar Comunicar

Procesamiento analgico

Convertidor A-D

Procesamiento digital

"El sistema es el instrumento": integracin.(Ramon Palls Areny)_____________________________________________________________________________________CINVESTAV Seccin de Bioelectrnica 1



Introduccin a los sistemas de medida

SistemaCombinacin de 2 o ms elementos, subconjuntos y partes necesarias para realizar una o varias funciones. En sistemas de medida, esta funcin es la asignacin objetiva y emprica de un nmero a una propiedad o cualidad de un objeto o evento de tal forma que la describa. El resultado de la medida debe ser:

- Independiente del observador (objetiva) - Basada en la experimentacin (emprica) - Correspondencia entre relaciones numricas y las relaciones entre las propiedades descritas. Objetivos de la medida: - Vigilancia o seguimiento de procesos (temperatura ambiente, monitorizacin clnica, contadores de gas y de agua, etc) - Control de un proceso (termostato, control de nivel en un depsito, etc) - Ingeniera experimental (estudio de distribucin de temperaturas en una pieza irregular, fuerzas sobre un conductor simulado de un coche cuando ste choca contra un objeto, etc) Funciones de los sistemas de medida: - Adquisicin de la informacin (sensor o transductor) - Procesamiento - Presentacin de resultados Funciones pueden ser locales o remotas (transmisin de informacin)_____________________________________________________________________________________CINVESTAV Seccin de Bioelectrnica 2



Tipos de seales: - Mecnicas - Trmicas - Magnticas - Elctricas - pticas - Moleculares (qumicas) Transductor: Dispositivo que convierte un tipo de energa en otro. Sensor (Transductor de entrada): Dispositivo que a partir de la energa del medio donde se mide, da una seal de salida transducible que es funcin de la variable medida. Actuador (Transductor de salida): Conversin de energa. Sistemas de medida electrnicos (ventajas) - Debido a estructura electrnica de la materia: parmetros no elctricos de un material parmetro elctrico

- Amplificadores electrnicos (ganancias de potencia 10 (10) a B.F.) - Gran variedad de circuitos integrados para acondicionar o modificar seales. Algunos transductores incorporan fsicamente en un encapsulado como parte de estos recursos. - Muchos recursos para presentar o registrar la informacin, manejo de datos numricos, textos, grficos y diagramas. - Transmisin de seales elctricas ms verstil que seales mecnicas, hidrulicas o neumticas (aunque stas pueden ser mas convenientes en presencia de radiaciones ionizantes o atmsferas explosivas)_____________________________________________________________________________________CINVESTAV Seccin de Bioelectrnica 3



Necesidad de la InstrumentacinProblem statement Review prior work State hypothesis Perform experiments

Design further experiments More experiments necessary

Analyze data Problem solved

Final conclusions

En el mtodo cientfico, una hiptesis es probada por experimentos para determinar su validez. (J.G. Webster, Bioinstrumentation 2003)

Chief complaint

Obtain history

List the differential diagnosis

Examination and tests

Treatment and evaluation

Select further tests More than one likely

Use data to narrow the diagnosis Only one likely

Final diagnosis

El mdico obtiene la historia, examina al paciente, realiza pruebas para determinar su diagnstico y recomienda el tratamiento. (J.G. Webster, Bioinstrumentation 2003)_____________________________________________________________________________________CINVESTAV Seccin de Bioelectrnica 4



Electrnica digital Procesamiento analgico

Procesamiento de seales analgicas

Adaptacin de: amplitud, nivel, ancho de banda e impedancia de seales. Asegurar compatibilidad: entre seales unipolares, diferenciales o flotantes y amplificadores con diferentes etapas de entrada. Conversin entre dominios: V I, AC DC

Desarrollo de operaciones: linealizacin, correccin de derivas, deteccin coherente, etc Multiplexado de canales: varias seales comparten un convertidor analgico-digital. Minimizar interferencia. Reducir ruido. Caractersticas procesamiento analgico Rpido. Menos flexible. Ms caro (componentes), no necesariamente ms complejo. Inevitable en interfaz con sistema digital (filtrado antialising y amplificacin)

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Objetivos 1. Anlisis y diseo de circuitos analgicos para procesar seales con circuitos integrados de uso general.2. Profundizar en el estudio de circuitos con entrada y salida

diferencial, y en la estimacin y reduccin de errores. Mtodo de diseo 1. Clasificacin de las seales a procesar. 2. Definicin de las funciones deseadas. 3. Conversiones entre dominios. 4. Clasificacin de errores. 5. Reduccin de errores. Clasificacin de seales (amplitud) Analgicas: amplitud de cualquier valor de un margen continuo. Informacin en: amplitud, fase, frecuencia o duracin. El muestreo da una seal analgica discontinua. Digitales: amplitud de un conjunto de valores finito. Seales binarias: dos valores (uno y cero). Informacin codificada en conjuntos de unos y ceros (palabras).




Tipos de seales. (Los intervalos de tiempo pueden ser iguales o no)

Clasificacin de seales (evolucin en el tiempo) Seales dc: cambios lentos. (banda estrecha) Seales ac: cambios rpidos. Transitorias Peridicas Banda estrecha: margen de frecuencia pequeo respecto a fc. Banda ancha: margen de frecuencia grande respecto a fc.


Procesamiento analgico de sealesAmplitud Amplitud


f fc fc

f

(a)

(b)

Espectro de frecuencia para seales de: (a) banda estrecha y (b) banda ancha

Conversin analgico-digital (ADC)

Cuantificacin y codificacin

Onda senoidal y su versin digital utilizando un cdigo de 3 bits Intervalo de quantificacin: q = Vir / 2n donde: Vir = margen de voltaje de entrada del ADC n = nmero de bits de las palabras binarias de salida del ADC 2n = nmero de cdigos de salida q = resolucin analgica del ADC (1 LSB) Ruido de cuantificacin (error de cuantificacin mximo): q/2_____________________________________________________________________________________CINVESTAV Seccin de Bioelectrnica 8



Clasificacin de seales analgicas (caractersticas elctricas)Seales de tensin: VS = VHIGH VLOW = VH VL

Asimtricas o diferenciales. ( VL = constante o no ) Flotantes, a masa o aisladas. Unipolares o bipolares.

(a) Seal asimtrica flotante. (b) Seal asimtrica puesta a tierra. (c) Seal asimtrica con tensin en modo comn.




Seales diferenciales Vd = VH VL Vc = (VH + VL)/ 2

Seales diferenciales. (a) Seal diferencial flotante. (b) Seal diferencial puesta a tierra con voltaje de modo comn. (c) Seal seudodiferencial para (b) cuando Vd > Zo

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Para seales de banda estrecha: Zi y Zo son casi independientes de la frecuencia: Zi= k Zo donde k es constante, por lo tanto: Zi k Vi= Vo = Vo = A Vo

(Zi2 + Zo2 )1/2

(k 2 + 1 )1/2

donde: A es una atenuacin constante. Si Zo y Vo son funcin del mensurando x, el voltaje detectado es una funcin no lineal de x an para seales de banda estrecha. Para seales de banda ancha: Zi disminuye para frecuencias altas debido a capacidad parsita. Zo podra no ser constante. Si el voltaje a procesar es diferencial, entonces las condiciones requeridas para adaptacin de impedancias involucran impedancias de modo comn y diferencial.

Cuando la seal de inters es una corriente, la condicin para la adaptacin de impedancias se deriva a travs del anlisis de la corriente a travs de la impedancia de carga: Zo Ii = Io Zo + Zi donde: Zi

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