ALUMNOS:SOLANO SALINAS MARCO ALONSOCHAVEZ ROSAS ERIC SALVADORTENORIO ROMANO MAURICIOMORALES AMBRIZ DAVIDMARTINEZ HERNANDEZ ADRIAN

GRUPO:5AM2

Electrónica Operacional

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELECTRICA

INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

Diseño de un circuito acondicionador de señal

(CAS)

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación. La señal puede ser, por ejemplo, demasiado pequeña, y sería necesario amplificarla; podría contener interferencias que eliminar; ser no lineal y requerir su linealización; ser analógica y requerir su digitalización; ser digital y convertirla en analógica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada, etcétera. A todas estas modificaciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal.

• Elementos para acondicionar señales. Amplificadores operacionales, amplificadores inversores, amplificadores no inversores, amplificador sumador, amplificador integrador, amplificador diferencial, amplificador logarítmico, comparadores

PROCESOS DEL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL

• PROTECCIÓN :Evita el daño al siguiente elemento• CONVERTIR UNA SEÑAL EN UN TIPO DE SEÑAL ADECUADO:

Cuando es necesario convertir una señal a un voltaje de CD, o a una corriente.

• ELIMINACION O REDUCCION DEL RUIDO:Para eliminar el ruido en una señal se utilizan filtros

• OBTENCIÓN DEL NIVEL ADECUADO DE LA SEÑAL: En un termopar, la señal de salida es de unos cuantos milivolts. Si la señal se va a alimentar a un convertidor analógico a digital para después entrar para después entrar a un microprocesador.

• MANIPULACIÓN DE LA SEÑAL: Convertir una variable en una función lineal. Las señales que producen algunos sensores. Por ejemplo los medidores de flujo.

Un acondicionador de señal es un dispositivo que convierte un tipo de señal electrónica en otro tipo de señal. Su uso principal es convertir una señal, que puede ser difícil de leer por la instrumentación convencional, en un formato más fácil de leer. Al realizar esta conversión, puede tener lugar una serie de funciones.

• Aislamiento eléctrico: Cuando una señal se amplifica, la magnitud total de la señal es aumentada.

• Amplificación: Aislar eléctricamente significa romper el camino galvánico entre la entrada y la señal de salida. Es decir, no hay ningún cable físico entre la entrada y la salida.

• Linealización: Es la conversión de una señal de entrada no lineal a una señal de salida lineal. Esto es algo común en las señales de los termopares.

• Compensación de unión fría: Se utiliza en los termopares. La señal del termopar se ajusta para las fluctuaciones en temperatura ambiente.

• Excitación: Muchos sensores requieren alguna forma de excitación para su funcionamiento.

Útil en una aplicación de microcontrolador y que se comporta de acuerdo con la ecuación de una línea recta

Esta ecuación se presenta con frecuencia cuando se diseñan los CASPara diseñar una unidad de CAS es necesario obtener la ecuación del circuito. Esta ecuación se obtiene tomando en cuenta lo que se ESCRIBE

LAS CONDICIONES DE SALIDA DEL SENSOR Y DESPUÉS TRANSFORMANDO LO ANTERIOR EN LO QUE SE DESEA, ES DECIR, LAS CONDICIONES DE ENTRADA DEL CONVERTIDOR A/D DEL MICROCONTROLADOR.

INTRODUCCION AL SENSOR DE TEMPERATURA.

Para esta aplicación normalmente se utiliza el LM335, un sensor de temperatura de estado solido con una sensibilidad de 10mV/°K (lo haremos en grados Celsius, su relación con respecto a los grados Kelvin es la siguiente: Una elevación de 1 grado en la escala de Kelvin es igual a una elevación de 1 grado en la escala de Celsius y el punto de congelación del agua es de 0°C, y equivale a 273°K).

Usado para medir temperaturas comprendidas entre 10 y 100°C; similar al Zener de dos terminales. Puede funcionar por encima de un rango de corriente comprendido entre 400 y 5

ECUACIÓN QUE REPRESENTA AL SENSOR

En la figura se muestra una grafica del voltaje de salida del LM355 EN FUNCION DE LA TEMPERATURA. La pendiente de la línea equivale a la sensibilidad del dispositivo 10mV/°K. Por lo tanto el voltaje de la salida expresado en °K es el siguiente:

En la cual T es la temperatura en °K. A 273°K(0°C), el voltaje de salida del sensor es:

Es posible expresar el voltaje de salida del sensor en grados Celsius como en la siguiente ecuación:

En donde T es la temperatura expresada en grados Celsius. En el caso de nuestra aplicación a 0°C VT=2.73 V y de este modo a 50°C VT=3.23 V.Este es el margen del voltaje de entrada correspondiente al CAS. El margen de salida del CAS viene a ser el margen de entrada del convertidor A/D el cual esta comprendido entre 0 y 5V.

ECUACION QUE DESCRIBE EL COMPORTAMIENTO DEL SCC

Con base en la información del sensor y convertidor A/D, se grafican las características de entrada/salida del CAS (como se mostro en el grafico). Los valores de salida del CAS SE FRAFICAN EN EL EJE Y. Hay que tener presente que estos valores corresponden al margen de voltaje del convertidor A/D de -0 a 5V. Los calores de entrada del CAS se grafican en el eje x. Estos valores son los del margen de voltaje del sensor -2.73V a 3.23 V en el caso de esta aplicación.

Este valor de 10 es la ganancia por la que hay que multiplicar VT. La desviación de cd se encuentra con solo elegir un punto de la línea y sustituirlo en la ecuación de una línea recta:

Después de escojer un par de coordenadas (2.73,0) obtenemos:

Resolviendo y despejando b se obtiene:

Por lo tanto, la ecuación del voltaje de salida del CAS es:

DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑALUna vez obtenida la ecuación del CAS, expresada en la forma nos damos a la tarea de crear un circuito en el que la ganancia de 10 y la desviación de -27.3V se definan de manera independiente. La solución no esta en un sumador no inversor puesto que en este la ganancia y la desviación no se pueden definir de manera independiente. Lo que se necesita es un amplificador operacional como el que se muestra a continuación:

La ecuación general de voltaje de salida del sumador es:

O bien

Con base en la correspondencia de los coeficientes de VT en las ecuaciones

….1

…2Se obtiene:

Si se elige R1=10k. Correlacionando los términos correspondientes a la desviación de cd de la ecuación 1 y de los de la ecuación 2 se obtiene:

Supongamos que se conecta Ecd a la fuente de +15V. Dado que Rf=100kΩ, entonces R2=54.9KΩ. Se observa que Ecd es un voltaje positivo y que VT es un voltaje negativo que esta a la entrada del sumador inversor. Dado que el LM355 genera un voltaje positivo, Vt, el amplificador inversor con ganancia de -1 se utiliza para generar –VT, como se muestra en el circuito ya completo del circuito anterior.

I

E F E

R

T DOC E

OU D

L

D

C I R C U I T O S

C O P A R A

O S

M O R E S

L

S O B R E

ELECTRONICA OPERACIONAL.

EFECTO DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS COMPARADORES – INTRODUCCION

COMPARADORUn comparador analiza una señal de voltaje en una entrada respecto a un voltaje de referencia en la otra. Tanto el amplificador operacional de propósito general como el comparador no operan con propiedad si hay ruido en cualquier entrada. para resolver este problema se aprenderá como con agregar retroalimentación positiva se resuelve el problema de ruido. obsérvese que la retroalimentación positiva no alimenta el ruido. pero hace que el amplificador operacional responda menos a él.El amplificador operacional se utiliza en la configuración de lazo abierto con el voltaje que entrada en una de sus dos entradas (inversora o no inversora) y un voltaje de referencia en la otra entrada. La salida es uno de dos estados, dependiendo de si el voltaje de salida es alto o bajo. Por esta razón, los comparadores son comúnmente usados como conexión entre circuitos analógicos y digitales.

COMPARADOREs un circuito que analiza una señal de voltaje en una entrada con un voltaje de referencia en la otra entrada.

EFECTO DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS COMPARADORES – INTRODUCCION

¿CÓMO FUNCIONA UN COMPARADOR HECHO CON UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL?

Cuando V1>V2

• La salida vale Vo= -Vcc.

Cuando V1<V2

• La salida vale Vo=+Vcc

EFECTOS DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS COMPARADORES

La señal de entrada Ei se aplica a la entrada (-) de un amplificador operacional 301 como se aprecia en la figura 4-1(el 301 es un amplificador operacional de propósito general). Si no hay ruido , el circuito funciona como un detector inversor de cruce por cero. debido a que Vref=0

EFECTO DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS COMPARADORES – COMPARADORES

El voltaje de ruido se presenta como una onda cuadrada en serie con Ei, para mostrar el efecto del voltaje de ruido . el voltaje de la señal de entrada de el amplificador operacional se ilustra con y sin ruido en la figura 4-2. La forma de onda de Vo en función de el tiempo muestra claramente como la suma del ruido da como resultado señales falsas a la salida. Vo debe indicar solo los cruces de Ei, no los cruces de Ei más el voltaje de ruido. Si Ei se aproxima muy lentamente a Vref, o se mantiene cercano a este valor , Vo puede seguir todas las oscilaciones del voltaje de ruido , o bien iniciar bruscamente una oscilación de alta frecuencia. Estos cruces en falso se pueden eliminar mediante la retroalimentación positiva.

EFECTO DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS COMPARADORES – COMPARADORES

EN RESUMEN.¿QUÉ PROBLEMA OCASIONAN LOS RUIDOS SUPERPUESTOS A LAS SEÑALES EN UN COMPARADOR?

Un comparador no funciona con propiedad si está presente el ruido en cualquier entrada pero podemos hacer que responda menos a él mediante la realimentación positiva.

Si Ei se aproxima muy lentamente a V. ref. O flota cerca de V. ref., Vo puede seguir todas las oscilaciones del voltaje de ruido o bien entrar bruscamente en oscilación de alta frecuencia. Estos cruces en falso pueden eliminarse por la realimentación positiva.

EFECTO DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS COMPARADORES – COMPARADORES

CR E T AO LAR I

O

T

P

NM

S

I O

I

E N

T AVI

ELECTRONICA OPERACIONAL.

INTRODUCCION A LA REALIMENTACION POSITIVA

El uso de la realimentación positiva es útil en la construcción de osciladores. La condición de realimentación positiva se da cuando una parte de la salida se combina en fase con la entrada.

En términos prácticos, la ganancia que se aplica a las amplitudes de señales bajas se reducirá hasta que la amplitud de salida alcance algún valor constante. Sin embargo, ese valor límite será independiente de la entrada, permitiendo al circuito producir una salida diseñada.

REALIMENTACION POSITIVA

La retroalimentación positiva se realiza tomando una fracción del voltaje de salida Vo y aplicando esta a la entrada(+) . El voltaje de salida Vo se divide entre R1 y R2 . una fracción de Vo se retroalimenta a la entrada (+) y crea así un voltaje de referencia que depende de Vo. ahora se descubrirá qué es la retroalimentación positiva y cómo servirse de ella para eliminar cambios en la salida provocados por el ruido.

REALIMENTACION POSITIVA

REALIMENTACION POSITIVASe lleva a cabo tomando una fracción del voltaje de salida Vo y aplicándola a la entrada (+).

El voltaje de salida Vo se divide entre R1 y R2. Una fracción de Vo se realimenta a la entrada (+) y crea un voltaje de referencia que depende de Vo.

REALIMENTACION POSITIVA

REALIMENTACION POSITIVA

VOLTAJE DE UMBRAL SUPERIOR

Como se menciono , el voltaje de salida Vo se divide entre R1 y R2 donde una fracción de Vo se retroalimenta a la entrada(+) . cuando Vo=+Vsat el voltaje retroalimentado se denomina umbral superior de voltaje, VUT. Este voltaje se expresa en función de el divisor de voltaje de la siguiente manera:

Para valores de Ei inferiores a , VUT , el voltaje en la entrada (+) es mayor que el voltaje en la entrada (-) . por lo tanto , Vo se fija como +Vsat. Si Ei se vuelve ligeramente mas positivo que , VUT, , la polaridad de Ed como se muestra se invierte y el valor de Vo comienza a descender. Ahora la fracción de Vo retroalimentada en la entrada positiva es menor , de modo que Ed se incrementa. Vo desciende con mayor rapidez y llega pronto al valor –Vsat; de esta manera , el circuito es estable, de acuerdo con lo que se muestra en la imagen.

REALIMENTACION POSITIVA – VOLTAJE DE UMBRAL SUPERIOR

Cuando Vo = + Vcc el voltaje realimentado se denomina “voltaje de umbral superior VUT”. El VUT se expresa en función del divisor de voltaje comoVUT = ( ( R2/(R1+R2) ) (+ Vcc)Para los valores de Ei inferiores a VUT o VLT, el voltaje en la entrada (+) es mayor que el voltaje (-). Por tanto, Vo está fijado a + Vcc.

Si Ei se hace ligeramente más positivo que VUT, la polaridad de Ed, como se muestra, se invierte y Vo comienza a caer en valor. Ahora la fracción de Vo realimentada a la entrada positiva es menor, de modo que Ed se vuelve más grande. Vo cae entonces con más velocidad y se impulsa rápidamente a – Vcc. El circuito entonces es estable en la condición que se muestra en la figura siguiente.

REALIMENTACION POSITIVA – VOLTAJE DE UMBRAL SUPERIOR

Cuando Vo está en –Vcc, el voltaje de realimentación a la entrada (+) se denomina 2voltaje de umbral inferior VLT” y está dado porVLT = ( ( R2/(R1+R2) ) (- Vcc) Obsérvese que VLT es negativo con respecto a tierra. Por tanto, Vo permanecerá en +Vcc en tanto que Ei sea mayor, o positivo con respecto a VLT o VUT. Vo cambiará regresando a +Vcc si Ei se vuelve más negativo que, o abajo, de VLT.

REALIMENTACION POSITIVA – VOLTAJE DE UMBRAL INFERIOR

REALIMENTACION POSITIVA

VOLTAJE DE UMBRAL INFERIOR

Cuando Vo esta en –Vsat el voltaje de retroalimentación en la entrada (+) se denomina “umbral inferior de voltaje VLT y se expresa como:

Observe que VLT es negativo con respecto a la tierra, por lo que Vo permanecerá en –Vsat, en tanto Ei sea mayor o positivo con respecto a VLT, y Vo cambiará, regresando a +Vsat si Ei se vuelve mas negativo que VLT o queda por debajo de este. Se concluye así quela retroalimentación positiva induce una acción casi instantánea que permite cambiar Vo de un límite a otro con gran velocidad. Una vez que Vo comienza a cambiar, provoca una acción regeneradora que genera un cambio aun mas rápido que Vo. Si los voltajes de umbral resultan mayores que los voltajes pico de el ruido, la retroalimentación positiva eliminara las transiciones falsas de salida.

REALIMENTACION POSITIVA – VOLTAJE DE UMBRAL INFERIOR

EN RESUMEN

En un circuito electrónico tenemos una señal de entrada (exitacion) y una señal de salida (respuesta); la retroalimentación o realimentación es la inyección de una muestra ( o porción ) de la señal de salida en la entrada, Esta señal muesrta de salida es mezclada con la señal de entrada, o sea, puede ser sumada o restada. Hay dos tipos de realimentación: - Realimentación negativa: cuando la muestra de señal de salida es restada a la señal de entrada. - Realimentación positiva: cuando la muestra de señal de salida es sumada con la señal de entrada.

Se aplica a poca cantidad de circuitos, entre ellos en osciladores. Generalmente este tipo de realimentación hace inestable al sistema.

POSITIVA

Se aplica a muchos sistemas, por ejemplo, amplificadores de audio, etc. NEGATIVA

REALIMENTACION POSITIVA

EN RESUMEN

Un amplificador tiene realimentación negativa cuando, para cualquier incremento de la señal de salida, la realimentación hacia la entrada es tal que tiende a provocar la disminución de dicha señal de salida. La utilización de éste tipo de realimentación puede mejorar las propiedades del amplificador, por ejemplo, aumenta la impedancia de entrada y disminuye la impedancia de salida en un amplificador de tensión, estabiliza la ganancia de transferencia que se ve afectada por la variación de parámetros de los componentes del circuito ( que varían con la temperatura, etc.) - Otra ventaja es la mejora en la respuesta en frecuencia (mayor ancho de banda) y el funcionamiento más lineal del amplificador si no tuviera dicha realimentación. - Conseguimos una reducción del ruido. - Con éste tipo de realimentación la ganancia del circuito disminuye entonces, mejora las características del circuito a costa de la perdida de ganancia.Existen diversos métodos para realizar una realimentación en un amplificador: Realimentación de tensión en serie. Realimentación de corriente en serie. Realimentación de tensión en paralelo. Realimentación de corriente en paralelo.

REALIMENTACION POSITIVA