Tema 07: Acondicionamiento

Transcripción

1 Tema 07: Acondicionamiento Solicitado: Ejercicios 02: Simulación de circuitos amplificadores Ejercicios 03 Acondicionamiento Lineal M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez edgardoadrianfrancom 1

2 Contenido Acondicionamiento de una señal Caracterización del sensor Etapas del acondicionamiento Circuitos Amplificadores Circuito amplificador estabilizado Amplificado Operacional Comportamiento a lazo abierto Comportamiento a lazo cerrado Amplificador Inversor Amplificador Sumador Inversor Amplificador No Inversor Amplificador Diferencial Conversor de corriente a voltaje Conversor de voltaje a corriente Amplificador de instrumentación Ejercicios 02: Simulación de circuitos amplificadores Acondicionamiento Lineal Ejemplo 01 Ejemplo 02 Ejemplo 03 Ejercicios 03 Acondicionamiento Lineal 2

3 Acondicionamiento de una señal El acondicionamiento consiste en la manipulación electrónica de la señal proveniente directamente del sensor, a través de circuitos acondicionadores, para obtener rangos de voltajes o corrientes adecuados a las características del diseño. El acondicionamiento resulta conveniente al momento de realizar instrumentación ya que al tener una señal de la variable a medir con rangos de voltaje más amplios, se puede obtener mayor resolución en la medición, además de presentar mayor inmunidad al ruido en el ambiente de la medición. 3

4 Para lograr un adecuado acondicionamiento de la señal proveniente del sensor, es necesario conocer el comportamiento de su señal de salida según los cambios en las variables físicas a las que responde. Para ello se hace necesaria la etapa de caracterización del sensor. 4

5 La caracterización de un sensor consiste en el cálculo de la ecuación característica de su comportamiento. Esto se refiere a la ecuación que determina la razón de cambio en la variable de salida, generalmente una variable eléctrica, con respecto a la variable de entrada, generalmente de índole físico; o viceversa, el cálculo de la razón de cambio de la variable de entrada al tener cierta señal de salida. La caracterización de los sensores resulta esencial para la interpolación de valores. Una buena caracterización genera mediciones con un buen nivel de exactitud. 5.

6 Etapas del acondicionamiento Señal del sensor Amplificación Filtrado Linealización Acondicionamiento Modulación / Demodulación Amplificación: Incrementar el nivel de potencia de la señal Filtrado: Eliminar las componentes de la señal no deseadas Señal para conversión digital Linealización: Obtener una señal de salida que varié linealmente con la variable que se desea medir Modulación / Demodulación: Modificar la forma de la señal a fin de poder transmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente a interferencias durante el transporte. 6

7 Circuitos Amplificadores Frecuentemente las señales de un sensor no pueden ser utilizadas directamente después de su estricta producción; debido a que estas pueden ser demasiado fuertes o demasiado débiles; o en algunos casos sus formas no son las más apropiadas para realizar la medición de las variables físicas; otras veces puede ocurrir que no se produzcan en el momento oportuno, etc. Si una señal resulta demasiado débil para su utilización, se precisa amplificar, es decir, aumentar su magnitud ya sea en una sola o en varias sucesivas etapas, y ello es lo que llevan a cabo los amplificadores. 7

8 La amplificación de la señal del sensor permite poder Aprovechar rango dinámico del ADC en la etapa de conversión de la señal a digital Eliminar o reducir ruidos en la señal Mejorar la definición de la señal para su medición 8

9 Ganancia de una señal La ganancia de una señal es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada. La ganancia es una magnitud adimensional que se mide en unidades como belio (B) o múltiplos de éste como el decibelio (db). Ganancia de potencia Ganancia en tensión Guanacia en corriente 9

10 Circuito amplificador estabilizado 10

11 Amplificado Operacional Amplificado Operacional Básico El amplificador operacional 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( ganancia): Vout = G (V + V ) El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada infinita, un ancho de banda infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero. 11

12 Amplificador operacional a lazo abierto Comportamiento a lazo abierto Si no existe realimentación la salida del A. O. será la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100,000 (que se considerará infinito en cálculos con el componente ideal). Comparador Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.. 12

13 Amplificador operacional a lazo cerrado Comportamiento a lazo cerrado La tensión en la entrada + sube y, por tanto, la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la entrada -, la tensión en esta entrada también se eleva, por tanto la diferencia entre las dos entradas se reduce, disminuyéndose también la salida. Este proceso pronto se estabiliza, y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las dos entradas, idealmente, con el mismo valor.. 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 = 13

14 Amplificador operacional inversor Amplificador Inversor Vi I 1 = R 1 I 2 = Vo I 1 = I 2 Vo = R 2 R 1 Vi R 2 V+ está conectada a tierra (V+=0). (V+) (V-)=0, la terminal inversora (negativa) esta al mismo potencial que la no-inversora y se denomina: tierra virtual. La corriente I1 se encuentra usando la ley de Ohm. La corriente I1 fluye solamente hacia R2. Esto es I1=I2. La resistencia presentada a Vi es R1. Entonces: (V-) = (V+) Vo = -(R2/R1) Vi 14

15 Amplificador operacional sumador inversor Amplificador Sumador Inversor I1= V1 R1 I2 = V 2 I3 = I1+I2 Vo = R3 R3 V2 + R2 R2 R1 V1 I3 = Vo R3 (V+) esta conectado a tierra, o (V+)=0. Debido a que (V-) = (V+), la señal inversora tiene un potencial de cero y se le denomina tierra virtual. Las corrientes I1, I2 e I3 se calculan usando la ley de Ohm. 15

16 Amplificador operacional no inversor Amplificador No Inversor I 1 = Vi R 1 I 1 = I 2 Vo = 1 + R 2 Vi Vo R 1 Vi I 2 = R 2 (V+) está conectada a Vi. (V+) = (V-) = Vi De nuevo, la corriente I1 se calcula usando la ley de Ohm. I1 fluye a través de R2 e I1=I2. El circuito presenta una resistencia muy grande a Vi 16

17 Amplificador operacional diferencial Amplificador Diferencial IA = IB = R 2 V 1 R 2 + R 1 V 2 R 1 R 2 R 2 + R 1 V 2 Vo R 2 IA = IB Vo = R 2 ( R 1 V 2 V 1 ) (V+) se obtiene de la división de voltajes: (V+) = [R2/(R2 + R1)]V2 Las corrientes IA e IB se calculan usando la ley de Ohm. IA = IB y (V+) = (V-) Vo se obtiene de una substitución sencilla. 17

18 Amplificador operacional conversor de corriente a voltaje Conversor de corriente a voltaje Convertidor I-V inversor (V+) está conectado a tierra, o (V+) = 0 (V-) = (V+) = 0, La terminal inversora es tierra virtual I fluye solamente a través de R. R determina la constante de proporcionalidad entre la corriente y el voltaje. 18

19 Amplificador operacional conversor de voltaje a corriente Conversor de voltaje a corriente Convertidor del tipo V-I (carga flotada) (V+) esta conectado a Vi. (V-) = (V+), de tal forma que la terminal inversora tiene el mismo potencial que Vi. La corriente a través de R1 es IL. La corriente IL no depende de la resistencia RL. Notar que la carga esta flotada. 19

20 Otro conversor de voltaje a corriente IL = 1 R 1 ( ) VIN VREF Convertidor V-I con carga aterrizada IL no depende de RL. Sólo depende de VIN y VREF. 1/R1 determina la constante de proporcionalidad entre V y I. Notar que la carga esta referenciada a tierra. 20

21 Amplificador de instrumentación Amplificador de instrumentación Este amplificador es una herramienta poderosa para medir señales análogas de bajo nivel que se originan en sensores remotos y que se transmiten a través de un par de alambres. 21

22 Amplificador de instrumentación integrado Amplificador de instrumentación integrado 22 Amplificadores de instrumentación comerciales

23 Ejercicios 02: Simulación de circuitos amplificadores 1. Realice la simulación de los circuitos de las diapositivas 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 y 21. Enviar los archivos originales de cada simulación (Indicar el software empleado). En los circuitos que emplean amplificadores operacionales simular empleando el LM741 (Alimentación de +12V y -12V) y el LM358 (Alimentación de fuente única de +5V) Dar ejemplo con calculo de valores teóricos que demuestren que la simulación refleja el comportamiento correcto. Reportar los rangos de frecuencia en los que la simulación opera de manera correcta. *Se entregarán antes del día Miércoles 21 de Enero de 2015 (23:59:59 hora limite). *Incluir portada y encabezados en cada página. *Enviar los archivos de la simulación y el reporte en un archivo comprimido *2 Simulaciones por circuito con amplificador operacional LM741 y LM358 23

24 Ejercicios 02: Simulación de circuitos amplificadores Ejemplo: Simulando el seguidor (comportamiento a lazo cerrado) basado en LM741. Vo=Vi Vi= 1KHz 5Vp 0V Offset *Se cumple alimentando la configuración con +-12V *Frecuencia operable 1mHz a 6 KHz. Ejemplo: Simulando el seguidor (comportamiento a lazo cerrado) basado en LM358. Vo=Vi Vi= 10KHz 0.5Vp 1V Offset *Se cumple alimentando la configuración con 5V *Frecuencia operable 1mHz a 1 MHz. 24

25 Acondicionamiento Lineal Ejemplo 1 Usando amplificadores operacionales, diseñar el siguiente circuito aritmético: 25

26 Solución 1. Usar un amplificador sumador inversor con entradas Vi y 5 Volts, ajustar la ganancia a 3.4 y 1, respectivamente. I1= V1 R1 I2 = V 2 I3 = I1+I2 Vo = R3 R3 V2 + R2 R2 R1 V1 I3 = Vo R3 26

27 2. Usar un amplificador inversor para volver a invertir la señal. Vi I 1 = R 1 I 2 = Vo I 1 = I 2 Vo = R 2 R 1 Vi R 2 27

28 Finalmente V o= R3 R3 V2 + R2 R1 V1 Vo = R 2 R 1 Vi 28

29 Acondicionamiento Lineal Ejemplo 2 Diseñar un circuito basado en amplificadores operacionales que convierta un rango de voltajes de 20 a 250 mv a un rango de 0 a 5 V. 29

30 1. Utilizar una configuración seguidora a la entrada para acoplar la señal de entrada. Vout = Vin Zin = 30

31 2. Utilizar un amplificador en su configuración diferencial. IA = IB = R 2 V 1 R 2 + R 1 V 2 R 1 R 2 R 2 + R 1 V 2 Vo R 2 IA = IB Vo = R 2 ( R 1 V 2 V 1 ) 31

32 Finalmente Resolviendo las ecuaciones se encuentra a m=21.7 IA = IB = R 2 V 1 R 2 + R 1 V 2 R 1 R 2 R 2 + R 1 V 2 Vo R 2 IA = IB Vo = R 2 ( R 1 V 2 V 1 ) 32

33 Ejercicios 03 Acondicionamiento Lineal 1. Usando amplificadores operacionales, diseñar el siguiente circuito aritmético. Vo=5Vi Diseñe el circuito (Explicar configuración y valores de los componentes). 2. Simule y compruebe los resultados. 3. Determine cual deberá ser el voltaje de alimentación del o los OPAM's para el correcto funcionamiento. (Explique). 4. Explique un posible uso de este circuito de acondicionamiento lineal. 33

34 2. Diseñar un circuito basado en amplificadores operacionales que permita amplificar la señal de un sensor de temperatura LM35 a un rango de 0 a 5V, si se sabe que este operará con temperaturas de 2 C a 120 C. 1. Diseñe el circuito (Explicar configuración y valores de los componentes). 2. Simule y compruebe los resultados en Multisim. 3. Determine cual deberá ser el voltaje de alimentación del o los OPAM's para el correcto funcionamiento. (Explique). 4. Determine si es posible la operación de su configuración usando un LM324 alimentado con una sola fuente de 5V. (Simular). 34

35 3. Se sabe que una señal cerebral se encuentra en un rango de 0V a V, diseñe un circuito capaz de amplificar la señal a un rango de 0 a 5V. 1. Diseñe el circuito (Explicar configuración y valores de los componentes). 2. Simule y compruebe los resultados. 3. Determine cual deberá ser el voltaje de alimentación del o los OPAM's para el correcto funcionamiento. (Explique). 4. Determine si es posible la operación de su configuración usando un LM324 alimentado con una sola fuente de 5V. (Simular). 35

36 4. Si se sabe que a la señal del ejercicio anterior se agrega una señal de ruido que varia entre los 0 y 2V. Diseñe una configuración capaz de eliminar esta señal antes de pasar por el circuito diseñado anteriormente. *Sugerencia utilizar varios amplificadores de instrumentación. 1. Diseñe el circuito (Explicar configuración y valores de los componentes). 2. Simule y compruebe los resultados. 3. Determine cual deberá ser el voltaje de alimentación del o los OPAM's para el correcto funcionamiento. (Explique). 4. Determine si es posible la operación de su configuración usando un LM324 alimentado con una sola fuente de 5V. (Simular). 36

37 Realizar de manera individual cada ejercicio Incluir portada y encabezado con nombre y titulo del trabajo en cada pagina. Agregar el texto descriptivo de cada ejercicio. Mostrar en el texto los resultados y explicaciones de las simulaciones, así como adjuntar al archivo cada una de ellas. Respondiendo a los puntos solicitados de cada ejercicio. Enviar en un comprimido documento y simulaciones *Se entregará antes del día Jueves 22 de Enero de 2015 (23:59:59 hora limite). 37