tema4 07 mod

1

Departamento Tecnologa Electrnica

Instrumentacin Electrnica ICV

Ingeniera Tcnica Industrial Electrnica Industria l

Departamento Tecnologa ElectrnicaCarlos III University Madrid (Spain)

InstrumentaciInstrumentaci n Electrn Electr nica Inica I

Tema 4: Acondicionamiento de la seTema 4: Acondicionamiento de la se al al de salida de un transductor de salida de un transductor



TRANSDUCTORESfuncinclasificacincaractersticas en rgimen esttico

BIBLIOGRAFA

TUTORAS

PROBLEMAS UNICO EXAMENUNICO EXAMENFINALFINAL

SISTEMAS DE INSTRUMENTACISISTEMAS DE INSTRUMENTACIN Y MEDIDA:N Y MEDIDA:GENERALIDADESGENERALIDADESCONCEPTOCONCEPTO

COMPONENTESCOMPONENTES

ACONDICIONAMIENTO SEAL:necesidad: linealizacin, amplificacin, etc.acondicionadores transductores:

circuito potenciomtricocircuito puente

amplificador de instrumentacin

ESQUEMAS BSICOS EN INSTRUMENTACIN ELECTRNICA

Sensores de mayor uso y aplicacin industrial

Desarrollo de 3 sistemas con sensores en el laboratorio

2



TEMARIO HTE P HL

TEMA 1. INTRODUCCIN 1 H

TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 H T

TEMA 3. CARACTERSTICAS ESTTICAS DE UN

TRANSDUCTOR 2 H T

TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEAL

DE SALIDA DE UN

TRANSDUCTOR

7 H T

TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA

DE TEMPERATURA. 5 H 1 3 H

TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE

DEFORMACIONES 5H 2 3 H

TEMA 7. SENSORES DE POSICIN Y NIVEL 5 H 3 3 H

TEMA 8. SENSORES PTICOS 6 H

TOTAL 32 H 9 H

T= T= EnfasisEnfasis en todas pren todas prcticascticas

Temario



Componentes de un sistema de medida

Magnitud fsica

a medir

transductor

Acondicionamiento

de seal

Lnea transmisin Procesado de seal

Temperatura

Deformacin

posicin

Activos, pasivos

Amplificacin,

Filtrado,

modulacin Procesado de datos

Salida

Seal realimentacin

para control

Demodulacin

amplificacin

Computacin

ADC

Visualizacin

Almacenamiento

Control..

3



Acondicionamiento de seal

Necesidad: linealizacin, alta sensibilidad, evitar efecto magnitudes de influencia, niveles adecuados de seal

1) acondicionadores transductores pasivoscircuito potenciomtrico

circuito puente2) amplificacin

SensorAcondicio-namiento

ConversinAD

Procesador ConversinDA

Acondicio-namiento

Entrada

ADQUISICIN DE DATOSPROCESAMIENTO

DE DATOSDISTRIBUCIN DE DATOS



Acondicionamiento transductores pasivosAcondicionamiento transductores pasivos

IEI

Necesidad conversin Z

V I

Circuitos potenciomtrico y puente:

esquemas?

lineales?

sensibilidad? magnitudes influencia?

4



Sensor operando en rSensor operando en r gimen de pequegimen de peque a sea sealal

La variacin en la magnitud de medida provoca pequeas variaciones de resistencia.

Ejemplo: R= 25,2 R= 25,2 mm,,,,,,,, Ro=120

Linealizar

Yo

Xi Xs

Magnitud, X

Salida

Xo



Circuito Circuito potenciompotenciom tricotrico

Z V

Tes

Ts

Tm RRE

RRR

RV >>

++=

)( 1No lineal

Tcnicas linealizar:

(a) Pequeas variaciones, RT

5



Circuito Circuito potenciompotenciom tricotrico

Tcnicas linealizacin

(a) Pequeas variaciones, RT

6



Inconveniente circuito Inconveniente circuito potenciompotenciom tricotrico . Soluci. Soluci nn

Potenciomtrico:

Trmino constante: !!!Resolucin insuficiente pequea seal. 4,00001!!!

Puente de Wheatstone

Respuesta diferencial Respuesta lineal

Aumento sensibilidad, inmunidad

Vo=EEss/2/2+f(R) Vo=Es/2+f(R)

R+DR

R1

Es

0

Vo

R-DR

R+DR

Es

0

R+DR

R-DR

Va Vb

Circuito potenciomtrico Circuito puente

t t

Es/2

Vo(t)

Va(t)-Vb(t)

Se elimina el trmino comn



Circuito en puente de Circuito en puente de WheatstoneWheatstone

4132Re

4321

4132

0:

))((

RRRRiEquilibrio

RRRRR

RRRREV esm

==

++

=

ioi

oo

osm

RRR

RRRRRRRRRR

RRRRRRRRREV

+=+++++++

++=))(()(24

)(

43214321

2

41324312

No lineal

R1

R2

Rs

Es

0

R4

R3Re

Vm

7




o

smR

RRRREV

4

)( 4312 +=

Rs0, Re Equilibrio, Rio=Ro Pequeas variaciones

Lineal

R1

R2

Rs

Es

0

R4

R3Re

Vm



Equilibrar puente

Rgimen pequea seal

Montaje 3 hilos medidas remotas

Ejemplo aplicaciEjemplo aplicaci n: Medida temperatura RTDn: Medida temperatura RTD

R2

+t

Rt

b

0

a

R1

R3

+V

Vs

rRo

0

a

rRo

Ro

+V

+t

Rt

Rw

Rw

Rwd

c

bVs

8




o

smR

RRRREV

4

)( 4312 +=

Rs0, Re Equilibrio, Rio=Ro Pequeas variaciones

Mejora sensibilidadMontaje push-pull convenientemente

colocados sensores:

Mxima 4 sensores: R2= R3 =- R1 =-R4

R1

R2

Rs

Es

0

R4

R3Re

Vm




Magnitudes de influencia

RT=Smm+Sgg; m=medida inters, g=parmetro influencia (T tpicamente)

Efecto? Se puede compensar?

En configuracin push-pull y si se puede aplicar pequea seal tambin al efecto de la magnitud de influencia.

En ocasiones si la magnitud de medida no es susceptible de push-pull, se pueden usar 2 sensores: 1 medir y 1 para compensar

9



AmplificaciAmplificaci n. n.

Objetivo: aumentar el nivel de seal Diseo: amplificadores multietapa, G grande

con un BW razonable Parmetros: Ri, Ro, G Efectos de carga entre: etapas propio amplificador el circuito acondicionador transductor y entrada ampl.Salida del amplificador y la carga



AmplificaciAmplificaci n. n.

Amplificadores de tensin. Caractersticas generales:Alta impedancia de entradaGanancia en tensin elevada y variableBaja impedancia de salida

10



AmplificaciAmplificaci n. A.O.n. A.O.

A.O. CI clave en el diseo de amplificadores Caractersticas clave: bajo coste, fcil uso, versatilidad Historia:1964-67 Fairchild 1 A.O. integradosAvance tecnologa: JFET, CMOS, BIFET,2 innovacin: encapsulado doble y cudrupleEspecializacin :

Amplificadores de alta potencia, de audio, de G variableAmplificadores de INSTRUMENTACIN



AmplificaciAmplificaci n. A.O. n. A.O.

A.O. ideal y circuitos de aplicaciA.O. ideal y circuitos de aplicaci nn1.1.1. Fundamentos A.O. 1.1.2. Aplicaciones de una entrada 1.1.3. Amplificadores diferenciales y de instrumentacin

Amplificacin en sistemas de instrumentacin

11



Amplificador OperacionalAmplificador Operacional

SSmbolombolo

Necesita

ALIMENTACIN

Terminal salida

Terminal entrada

no inversor

inversor

3 terminales: 2 entradas

1 salida

Carga, RL

+ 2 terminales alimentacin

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1 +

3-

28

V+

4

V-

OUT1

Vcc

-Vcc

0

0



+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

0

+Vcc

-Vcc

A. OperacionalA. Operacional IdealIdeal

CaracterCaracter sticassticas CCmo modelarlo?mo modelarlo?

-

++

-Av (V+-V-)

c.a., Ri

I+

I-

Ideal: I+=I-=0

Vo

Vo =Av(V+-V-)

Av Ro=0 ideal

=

12



0

0

+Vcc

-Vcc+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

V1

V2

A. OperacionalA. Operacional

CaracterCaracter sticassticas En lazo abierto: En lazo abierto: Satura. ComparadorSatura. Comparador

I+

I-

Ideal: I+=I-=0

Vo =Av(V+-V-) V1=0v

V2=1V, V+>V-

Vcc



A. OperacionalA. Operacional

VersatilidadVersatilidad : : Las funciones a implementar se consiguen con la conexin de elementos externos

AMPLIFICACIAMPLIFICACI N.N. Existe una resistencia externa conectando el terminal de salida, Vo, con el termin al inversor de entrada, V-, del A.O..

GANANCIA, G=f( Resistencias externas).

13



Circuitos lineales de aplicaciCircuitos lineales de aplicaci nn

MetodologMetodolog a coma com nnUso caractersticas A.O. ideal y de una red de

resistencias externaClculo: Ganancia, impedancia entrada

Objetivo: Objetivo: Manejo de los circuitos y facilitar la comprensin del funcionamiento y prestaciones del amplificador diferencial



Vo

0

Vi

0

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

0

R1

R2

ConfiguraciConfiguraci n Inversoran Inversora

CircuitoCircuito

Corrientes:Corrientes:

AnAn lisis, lisis, VVoo??

Ideal: I+=I-=0

Cortocircuito virtual: V+=V-

I1=I2Vi/R1=-Vo/R2, luego

Vo = --RR22/R/R11 Vi; GG

I2

I2

Io=IL+I2

I1

0

1mA

ILIo

-2V

0

1V

0

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

0

1k

2k

0

14



ConfiguraciConfiguraci n Inversoran Inversora

CClculo lculo RiRi Modelo equivalenteModelo equivalente

RiVi/Ii=RR11

Vo

0

Vi

0

+

3-

28

V+

4V

-

OUT1

0

R1

R2

0

Ii

R1

0

Vo

0 0

-

+

-R2/R1Vi

0

V1



ConfiguraciConfiguraci n no Inversoran no Inversora

CircuitoCircuito Modelo equivalenteModelo equivalente

I1=I2Vi/R1=(Vo-Vi)/R2, luego

Vo = (1+R(1+R22/R/R11)) Vi; GG

Vo

0

Vi

0

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

0

R1

R2

I1

0

Vo

0 0

-

+

(1+R2/R1)ViRi

0

Vi

15



Buffer de ganancia unidadBuffer de ganancia unidad

CircuitoCircuito Modelo equivalenteModelo equivalente

Vo=Vi

Vo

0

Vi

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

0

I-=0

Ii=0

0

Vo

0 0

-

+1ViRi

0

Vi



Vo

0 0

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

Rg (5k)

0

Vg

6V

R1(1k)

R2(1k)

Vo

0

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

Rg

0Vg

6V

Buffer. UtilidadBuffer. Utilidad

UtilUtil si G=1?si G=1? Y si se usa un Y si se usa un

inversor?inversor?I-=0

No demanda corriente

I2

1 V

-1 V

ATENUACIATENUACINNAISLA LA FUENTE DE LA CARGAAISLA LA FUENTE DE LA CARGA

Io 0

16



AmplificaciAmplificaci n diferencialn diferencial

MetodologMetodolog a coma com nnUso caractersticas A.O. idealClculo: Ganancia, impedancia entrada, RRMCRRMC

Objetivo: Objetivo: Entender la estructura y ventajas del Amplificador de Instrumentacin



R3

Vo

0

0

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

Vi2

R1

R2

R4

0

0Vo

0

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

R1

R2

R3

R4

0

Vi1

Amplificador DiferencialAmplificador Diferencial

CircuitoCircuito VoVo? ? TTmamaSuperposiciSuperposici nn

Ii

No inversoraInversora

Vo

0

0

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

Vi2

R1

R2

R3

R4

0

Vi1

Ii

V+

0

17



CircuitoCircuito


VoVo? Si R? Si R 22=R=R44 y Ry R11=R=R33

Vo=Vi1(R4/R3+R4)(1+R2/R1)+Vi2(-R2/R1)

2

1

21

1

21

43

4iio V

R

RV

R

RR

RR

RV +

+=

)( 211

2iio VV

R

RV =

Vo

0

0

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

Vi2

R1

R2

R3

R4

0

Vi1

Ii



AmplificaciAmplificaci n Diferencialn Diferencial

RelaciRelaci n de Rechazo al Modo Comn de Rechazo al Modo Com nn

Amplificador

Vo=AmcVc

Ganancia modo comn

RRMCRRMC Amd/Amc0

Vc

Vo

0

+

3-

28

V+

4

V-

OUT1

18



QuQu ocurre al aplicar la misma seocurre al aplicar la misma se al a ambas al a ambas entradas?entradas?


VVoo=0, Rechaza se=0, Rechaza seales comunesales comunes

Si existen Si existen desequilibriosdesequilibrios:R:R11RR22,,RR33RR44

VVoo 00

TecnologTecnologaa Desequilibrios etapas previasDesequilibrios etapas previas

0

Vc

R2

0

R1

R1Vo

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

R2



Resumen: Resumen: Amplificador DiferencialAmplificador Diferencial

CaracterCaracter sticassticas

Amplifica la diferencia seales

RRMC depende tecnologa Desequilibrio resistencias

entrada Variacin ganancia difcil Bajas impedancias entrada

EJEMPLO: INA106

MejorasMejoras

Ganancia variableMayores resistencias

entradaMejores RRMC

19



R2

0

R1

R1

0

Vi1

+

5-

68

V+

4V

-

OUT7

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

Vi2

Vo

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

R2

Amplificador Diferencial y Amplificador Diferencial y BuffersBuffers

Aumento de la impedancia de entradaAumento de la impedancia de entrada

VVoo=(R=(R22/R/R11)(V)(Vi1i1--VVi2i2))Etapa aisladoraEtapa aisladora Etapa diferencialEtapa diferencial

Ii=0

Ii=0



Amplificador de InstrumentaciAmplificador de Instrumentaci nn

Ganancia variable Ganancia variable

0

Vi2

Rf

RfRi

A

R2

0

R1

R1

0

Vi1

+

5 -

6

8

V+4

V-

OUT 7

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

Vo

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

R2

Vy

Vx

B

A. diferencial salida asimA. diferencial salida asimtricatricaA. diferencial salida A. diferencial salida diferencialdiferencial VVoo=(R=(R22/R/R11)()(VVyy--VVxx))VVxx--VVyy=(2R=(2Rff++RRii)(V)(VAA--VVBB))

Ii=0

Ii=0

20




Ganancia variableGanancia variable Mejora RRMCMejora RRMC

Vo=(RR22/R/R11)(1+2R)(1+2Rff//RRii))(Vi1-Vi2)

Vx= Vy si si Vi1=Vi2 IRi=0 Impedancia de entrada altaImpedancia de entrada alta

Rf

Rf

A

0

VcRi

+

5 -

6

8

V+4

V-

OUT 7

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7 Vy

Vx

B

Ii=0

Ii=0



Acondicionamiento de transductores resistivosAcondicionamiento de transductores resistivos

Ganancias elevadas y variables ( R pequeos)

Amplificacin diferencial con RRMC altas

Altas impedancias de entrada

CCmo se consigue?mo se consigue?

21




SSmbolombolo CaracterCaracter sticas. sticas. AD620AD620

Ri = 10 G

RRMC= 110 dB (mnima)

G variable: (1-1000); RGMonolMonolticotico

Vo

0

Vb

Va

OUT6

+3

-2

REF5

V+7

V-4

RG11

RG28

AD620

RG



R1

Vo

+

5-

68

V+

4

V-

OUT7

0

R2

0

MotivaciMotivaci n:n: Circuito Circuito PotenciomPotenciom tricotrico + AO inversor+ AO inversor

SATURA ,

SoluciSoluci n?n?

AplicaciAplicaci n: Medida deformacionesn: Medida deformaciones

RRoo++RR

o

ss

R

REE +22

KK

Es=2,4 V

Ro=120 R=2,52 m

1,2 V+ 25,2 V

G=103, 1200 + 0,25 V

0

Es

RRoo--RR

22



0

Va

Es

R1

33

G1

G2

DZ1

Ro120

Ro120

Vbpot10k

Utilidad: Circuito acondicionador 2Utilidad: Circuito acondicionador 2

Circuito 1/2 Puente Circuito 1/2 Puente WheatstoneWheatstone

R1= 33 1/2WDZ1= 2,4 V 1/4 W

G1, G2: PFL1011

LIMITA I galga

Equilibra puente

Va>VbRG2>RG1G1, -R compresinG2, +R traccin

)(2

22

1

11

equilibrioV

V

R

RVVV

zb

o

zza

=

+=

o

zba

R

RVVV

=2

1



Utilidad: Circuito acondicionador 2Utilidad: Circuito acondicionador 2

Amplificador de instrumentaciAmplificador de instrumentaci n. AD620n. AD620

70714,49

07,72

1

=+=

==

G

o

zo

R

KG

RGR

RVV

No existe efecto de carga 10 G>>120

Rechaza el modo comn: Voc = 2,68 mV(RRMC=Amd/Amc; Voc= Vz/2*Amc)

o

zz

R

RVV +22

11

2

1zV

RG70

C1

100n

C2

100n0

Ro/2

60 0

Ro/2

60

15V

-15V

0

Vo

0

0

OUT6

+3

-2

REF5

V+7

V-4

RG11

RG28

AD620

23



Vo

Vcc

-Vcc

+3

-2

V+4

V-11

OUT1

LM324

R1

R1

Ro/2

Ro/2

0

0

R2

R2

0

Circuito acondicionador 3Circuito acondicionador 3

QuQu ocurre si se utiliza un A Diferencial?ocurre si se utiliza un A Diferencial?

Equivalente ThveninPuente+sensor

2

1zV

o

zz

R

RVV +22

11

G103, INA106

R2= 60 KR1= 60

Efecto de cargaEfecto de carga Greal=500 MITADMITAD



VoR1

10k

+15Vpot

10k

-15V

+3

-2

V+4

V-11

OUT1

TL081

+15V

-15V

Vref

Etapa 1 ganancia

ViRL22k

0R2

27k

AcondicionamientoAcondicionamientoSegunda etapa amplificadora y ajuste de Segunda etapa amplificadora y ajuste de offsetoffset

)1(1

2

1

2

R

RVV

R

R

V

Vrefi

i

o ++=

Ajustar nivel ceroAjustar nivel cero

24



Ejemplo. Sistema completo: SensibilidadEjemplo. Sistema completo: Sensibilidad

?

)1(2 1

211

1

22

=

++==

R

VS

R

RV

R

RVG

R

RVV

o

ref

o

zoo

15VC4

100n

RP1

10k

0

-15V

C3

100n0

R2

27k

15V

0

Va

-15V

C1

100n

C2

100n

RP210k

R1

33

0

0

0

Vref

G1

15V

G2

-15VRL22k

0RG70

Vo2

DZ1

VaVa

Vo1

Ro120

Vb

Ro120

OUT6

+3

-2

REF5

V+

7V

-4

RG11

RG28

AD620

Vb

+3

-2

V+

8V

-4

OUT1

TL081R1

10k

Es

5V



Sistema completo: CalibraciSistema completo: Calibraci nn

Tabla de calibraciTabla de calibraci n a rellenarn a rellenar

25



Sistema completo: CalibraciSistema completo: Calibraci nn

Curva de calibraciCurva de calibraci nn

Sensibilidad doble 1/2 Puente

Mayor linealidad

Histresis mnima



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