ACONDICIONAMIENTO DE SEAL Carlos Alberto Vianchada Carlos Rodolfo

ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL Carlos Alberto Vianchada , Carlos Rodolfo Bermúdez , Sergio Villamizar Delgado

Descripción general La etapa de acondicionamiento de señal es la encargada de aceptar la señal de salida del transductor y producir una nueva señal de forma apropiada para su introducción al resto del instrumento. El acondicionamiento de señal analógico puede involucrar estrictamente operaciones lineales, operaciones no lineales ó combinación de las dos.

Descripción general El acondicionamiento de señal puede prestar servicios auxiliares, tales como: � Introducción de aislamiento eléctrico. � Proporcionar una referencia de algún tipo para el transductor. � Producir una señal de excitación para el transductor.

Operaciones lineales Tres categorías de operaciones lineales son importantes en el acondicionamiento de la señal: � Escalamiento de la amplitud. � Transformación de impedancias. � Filtrado lineal.

Escalamiento de la amplitud La amplitud de la señal de salida de un transductor debe típicamente ser escalada amplificada ó atenuada antes de que la señal pueda ser procesada. La amplificación generalmente se logra con: � Amplificador operacional. � Amplificador de instrumentación. � Amplificador de aislamiento.

Amplificador Operacional Los amplificadores convencionales tienen entrada diferencial y una salida. Los parámetros más importantes a considerar en la selección del amplificador operacional: � Ganancia de voltaje en DC. � Producto ganancia ancho de banda (GBWP) bajo.

Amplificador Operacional � Producto ganancia ancho de banda (GBWP) bajo. Caracteriza la respuesta en alta frecuencia del opam. From: Adel Sedra, Kenneth Smith "Microelectronics Circuits", Fifth edition, Oxford University Press, New York, 2004. .

Amplificador Operacional � Slew rate es la máxima razon de cambio en la salida de un opam. � El rango del slew rate va de sde menos a 1 V/μs a varios miles de voltios por microsegundo. From: Adel Sedra, Kenneth Smith "Microelectronics Circuits", Fifth edition, Oxford University Press, New York, 2004. .

Amplificador Operacional Otras características como: impedancias de salida y entrada, voltaje de offset, corrientes de polarizaión, voltajes y corrientes de deriva y ruido también deben ser tenidos en cuenta. Low noise : Amplificar señales de muy bajo nivel. � Chopper-stabilized : Extrema estabilidad en DC. � Fast : Slew rates y un ancho de banda alto. � Power : Cuando corrientes mas grandes a unos pocos m. A deben ser proporcionados a la carga del amplificador. � Electrometer : Impendancias de entrada muy altas y corrientes de polarización muy bajas. �

Amplificador de instrumentación Son bloques de ganancia optimizados que proporcionan: � Alta impedancia de entrada. � Baja impedancia de salida. � Ganancia estable. � Alto CMR. � Bajo offset y deriva.

Amplificador de instrumentación Se usa para la amplificación de salidas de varios tipos de transductores. Para la amplificación señales de bajo nivel en presencia de un alto nivel de modo común y situaciones donde algun grado de aislamiento es necesario entre el transductor y el resto del instrumento. From: Adel Sedra, Kenneth Smith "Microelectronics Circuits", Fifth edition, Oxford University Press, New York, 2004. .

Amplificador de aislamiento Amplificadores de aislamiento son útiles en aplicaciones en las que un voltaje o corriente que ocurre en la presencia de un alto voltaje de modo común debe ser medido de forma segura, precisa y con un alto CMR. El amplificador de aislamiento puede ser considerado compuesto por tres secciones: � Etapa de entrada. � Etapa de salida. � Etapa de potencia.

Amplificador de aislamiento Todos los amplificadores de aislamiento tienen sus etapas de entrada galvánicamente aisladas de sus etapas de salida. La comunicación entre las etapas de entrada y salida se realiza por la modulación y demodulación.

Atenuación Escalamiento de voltaje. � Divisores de voltaje.

Atenuación � Divisores inductivos: autotransformador. � Transformadores de voltaje. Escalamiento de corriente � Shunt current: es esencialmente una resistencia de precisión conocida con la que se mide la corriente que pasa por ella. � Transformador de corriente: se compone de un núcleo toroidal en el que el secundario se ajusta sobre la bobina primaria.

TRANSFORMACIÓN DE IMPEDANCIA Muchas veces la impedancia del transductor debe ser transformado en valor más aceptable para el resto del sistema de medición. un En muchos casos, la potencia máxima debe ser transferida de la señal de salida del transductor a los circuitos restantes. Mejorar la relación señal a ruido del sistema. En las redes de distribución de potencia se reducen los errores de amplitud y fase. * Transformador *Redes pasivas *Buffer.

TRANSFORMACIÓN DE IMPEDANCIA Una red de transformación de impedancia consiste en una red de dos puertos. A esta red se conecta una impedancia ZL en un puerto y es vista como una impedancia Zs en el otro puerto. Zs es conocida como a impedancia imagen de ZL.

TRANSFERENCIA DE MÁXIMA POTENCIA La potencia disipada a través de ZL es: Donde Los valores de RL y ZL para maximizar la potencia deben ser: Derivando RL = Rs y XL = -Xs Por lo tanto: Zs = ZL* complejo conjugado

TRANSFORMADORES - Convierte un nivel de voltaje a otro, según la relación de transformación. - La potencia de entrada es igual a la potencia de salida. -La impedancia de carga se ve reflejada por un factor igual al cuadrado de la relación de transformación. - Recomendable para aplicaciones con frecuencias menores a 1 MHz Relación 2: 1 N = 2

REDES PASIVAS DE TRANSFORMACIÓN Las redes de dos elementos con una configuración en forma de L (Lsection), utilizan elementos reactivos (L, C). Por tal razón la red no disipa potencia. Las graficas “Smith Chart” son muy utilizadas a la hora de diseñar redes de transformación.

POSIBLES CONFIGURACIONES DE RED Ejemplo: Calcular L y C para transmitir la máxima potencia a la antena. Zt = 150 + j 75 Ω Za = 75 + j 15 Ω

SMITH CHART Herramienta que funciona como ayuda gráfica y diseñada para los especialistas que trabajan con radio frecuencia (RF)

BUFFER En otros casos se utiliza una conexión tipo “buffer” que presenta una impedancia muy alta al transductor, una impedancia muy baja para el resto del sistema, y una ganancia de voltaje unitaria. Utilizado para leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña y que no afecte la medición

FILTRADO LINEAL Los filtros son utilizados en los acondicionadores de señal con diferentes funciones tales como: 1. Reducir efector de ruido. 2. Forma parte de un demodulador. 3. Limitar el ancho de banda de las señales. 4. Cuando se muestrea se utiliza un filtro para limitar el ancho de banda y frecuencia de muestreo son eliminadas) Los filtros pueden ser pasivos o activos y se clasifican en: * Pasa bajas * Pasa altas * Pasa bandas * Rechaza bandas

FILTROS PASIVOS PASA BAJAS:

FILTROS PASIVOS PASA ALTAS:

FILTROS PASIVOS PASA BANDAS:

FILTROS PASIVOS RECHAZA BANDAS:

FILTROS ACTIVOS PASA BAJAS:

FILTROS ACTIVOS PASA ALTAS:

FILTROS ACTIVOS PASA BANDAS:

FILTROS ACTIVOS RECHAZA BANDAS:

Operaciones no lineales v Dentro de la operaciones no lineales adecuadas a realizan en un acondicionamiento de señal, algunas de las cuales ya se encuentran disponibles en ICs, se tienen la siguientes: • • • Comparador Smith trigger Multiplicador Divisor Operación cuadrática Raíz cuadrada Amplificador logarítmico Convertidor RMS-DC Amplificadores tipo “sample and hold”

Operaciones no lineales Su función es comparara el voltaje Vp de una de sus entradas contra el voltaje Vn de la otra y entregar ya sea un voltaje bajo (Vol) o un voltaje alto Voh con respecto a la siguiente característica. Vo = Vol para Vp<Vn Vo = Voh para Vp >Vn

Operaciones no lineales Detector de cruces por cero ó por un voltaje determinado Tr (tiempo que demora en hacer la transición) = Vsat/SR « i. e 741 Tr=26μs

Operaciones no lineales Aplicaciones tales como: v Detector de nivel v Control on – off (temperatura) v Control de alarmas v Etc. Detector de nivel

Operaciones no lineales La función es indicar cuando el voltaje de entrada de una señal esta dentro de un rango de voltajes, usando dos comparadores de nivel alto y bajo.

Operaciones no lineales Un schmitt trigger es un comparador como los vistos anteriormente, con la diferencia que este presenta histéresis. Para esto se realiza retroalimentación positiva. En la retroalimentación positiva, al aplicar un voltaje o perturbación, la salida tendera a saturarse en el sentido en que esta, ya sea a Voh y Vol

Operaciones no lineales Vo = Voh para Vp >Vn Vo = Vol para Vp<Vn

Operaciones no lineales

Operaciones no lineales Multiplicador Básico, para obtener V 0=V 1*V 2/10, seguido de un filtro pasabajas. Este puede ser usado como detector de fase.

Operaciones no lineales

Operaciones no lineales Si tomamos en cuanta la corriente y el voltaje de BIAS, la ecuación anterior se convierte en: Para bajar el error, se usan amplificadores de bajo voltaje y corriente de polarización.

Operaciones no lineales Por tendencia, la configuración anterior es propensa a oscilar, por su elemento activo en el lazo de retroalimentación. Para compensar este efecto, se usa Re para reducir el factor de realimentación β y una capacitancia Cf para variar los polos del sistema.

Operaciones no lineales La característica logarítmica de los BJTs es usada para este convertido. El voltaje RMS se define como: El voltaje RMS indica la cantidad de energía contenida en v(t). Esta operación puede se implementada desarrollando operaciones de promedio, potenciación cuadrada y raíz cuadrada.

Operaciones no lineales

Operaciones no lineales Es un circuito en el cual el valor de una señal predeterminada se entrada es capturado por un intervalo de tiempo. Debido a que un circuito sampling and hold es imposible implementarlos en la realidad, se diseño un circuito practico llamado tracking and hold, el cual sigue la señal por un determinado tiempo y luego la sostiene hasta el final del ciclo.

Operaciones no lineales Durante el periodo de seguimiento o tracking, SW esta cerrado, creando el camino de retroalimentación SW-OA 2 -R alrededor de OA 1. Debido a esto los diodos se apagan, indicando 0 V en R. OA 1 actúa entonces como un seguidor de voltaje, cargando Ch con Vi haciendo que Vo=Vi Durante la parte del holding, se abre SW, permitiendo al condensador Ch mantener el ultimo valor de voltaje de la señal de entrada. OA 2 entonces trabaja como un buffer de salida. La función de D 1 y D 2 es prevenir la saturación de OA 1 y facilitar la reactivación de OA 1 cuando un nuevo comando de seguimiento sea indicado.

BIBLIOGRAFÍA 1) Bishop, Robert H. (Editor in Chief), "The Mechatronics Handbook", ISA - The Instrumentation, Systems, and Automation Society, CRC Press, The University of Texas at Austin, Texas, 2002. 2) James W. Nilsson, Susan A. Riedel. Circuitos Eléctricos. Edición 7, Pearson-Prentice Halla. 2005. 3) Fabian Kung Wai Lee. Impedance transformation and impedance matching. Agosto 2007. 4) Advanced Energy Industries, inc 2006. Impedance matching. 5) Dr. Owen Casha B. Eng (Hons) Ph. D. RF and Microwave System Design. Matching Networks. CCE 5220 6) http: //www. engr. uky. edu/~gedney/courses/ee 523/notes/Set 4_Matching%2 0 Networks. pdf 7) http: //hyperphysics. phy-astr. gsu. edu/hbase/magnetic/tracir. html

BIBLIOGRAFÍA 8) Adel Sedra, Kenneth Smith "Microelectronics Circuits", Fifth edition, Oxford University Press, New York, 2004. 9) Franco, Sergio, Design with operational amplifiers and analog integrated circuits, third edition, Mc Graw Hill, San Francisco state university, 2002 10)Pallas-Areny, Ramon, Sensors and signal conditioning, Second edition, wiley interscience publication, Universidad politécnica de Cataluña 2000