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