Amplificador de instrumentación_Práctica 1

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INSTITUTO POLITÉCNICO

NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍASAVANZADAS

PRÁCTICA 1

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

UNIDAD DE APRENDIZAJE

SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL

PRESENTAN

GARCIA CAMACHO JUAN LUIS

IVAN

IMPARTE

CASTAÑEDA GALVÁN ADRIÁN ANTONIO

México D.F. a martes 20 de marzo del 2012



AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIO N INTRODUCCIÓN

Los sensores son dispositivos que transforman la energía de la variable de un fenómeno

físico en una energía de salida que es función de la variable medida. Para seleccionar un

sensor se toman en cuenta diversos parámetros que son necesarios conocer para hacer un

acondicionamiento adecuado de la señal de salida. Ante la exigencia de medida que

imponen los sensores, se necesitan amplificadores específicos llamados de

instrumentación, estos cumplen con características que los hacen indispensables para el

acondicionamiento de señales.

En esta práctica describiremos el amplificador de instrumentación, sus características,

uso y funcionamiento. Desarrollaremos un amplificador de instrumentación con

amplificadores operacionales, realizaremos las pruebas necesarias para obtener un CMRR

mayor a los 93 dB con el objetivo de poder implementar este amplificador en prácticas

posteriores.

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Definir el amplificador de instrumentación, su uso, principio de funcionamiento y

características.

Realizar un análisis para realizar un amplificador de instrumentación con

amplificadores operacionales en base a su principio de funcionamiento.

Obtener un CMRR mayor a los 93 dB, reportar y obtener conclusiones.



MARCO TEÓRICO

Un amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial que cumple con

ciertas características que lo hacen diferente a un amplificador común. Los amplificadores

de instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales, su uso es relevante puestoque estas señales, en la práctica, provienen de sensores y son muy utilizados en equipos

industriales, instrumentación medica electrónica entre otros. Para realizar una correcta

medición (de la diferencia entre dos señales) el amplificador de instrumentación debe

tener una adecuada relación de rechazo en modo común, abreviado como CMRR.

Razón de rechazo al modo común (CMRR)

Cuando se introduce una señal V1 y V2 iguales al amplificador de instrumentación, se

produce una pequeña señal de salida aunque lo ideal seria que esta fuese igual a cero.

Imagen 1. Salida del amplificador en modo común

Aunque la salida debería ser idealmente cero, se observa que hay una pequeña amplitud

en la señal de salida.



De a cuerdo a lo anterior, se puede decir que el CMRR sirve para cuantificar la calidad

del amplificador de instrumentación y se expresa matemáticamente como:

Ecuación 1

( )

Donde Ad y Ac son la relación de tensión de entrada y tensión de salida. A continuación

se muestra la configuración de modo diferencial y modo común.

La ganancia Ad en modo

diferencial se obtiene de

dividir la tensión de salida

entre la tensión de entrada

Ecuación 2

(

)

La ganancia Ac en modo

común se obtiene de

dividir la tensión de salida

entre la tensión de entrada

Ecuación 3

( )

Imagen 2. Configuración en modo diferencial

Imagen 3. Configuración en modo diferencial



Funcionamiento del amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación esta formado por tres amplificadores operacionales

y 7 resistencias como se aprecia en la imagen 5.

Imagen 5. Amplificador de instrumentación formado por 3 amplificadores

operacionales y 7 resistencias

Para simplificar el análisis del circuito, se observa que el amplificador de

instrumentación esta compuesto de un amplificador acoplado con un amplificador

diferencial básico.

Imagen 6. Amplificador básico Imagen 7. Amplificador diferencial básico



Todas las resistencias del amplificador de instrumentación son iguales, excepto por RG y

R7. La resistencia RG es variable con fines de modificar la ganancia en modo diferencial, la

resistencia R7 es variable con objeto de balancear la tensión de modo común que esté

presente. Se expresa matemáticamente la ganancia en función de RG de modo que:

Ecuación 4

Donde

Ecuación 5

De modo que sustituyendo (5) en (4) tenemos:

Ecuación 6



DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Una vez conocidos los fundamentos del amplificador de instrumentación, su

funcionamiento y modo de operación, necesitamos conocer el valor de la resistencia RG,

para esto proponemos R = 10 KΩ y sustituimos en (6):

Ecuación 7

Sabemos que:

Ecuación 8

Entonces proponemos una ganancia de 1000 y sustituimos en (7), despejamos y

obtenemos RG:

Ecuación 9

La resistencia variable RG la ajustamos con un trimpot (Trimmer potentiometers o

resistencia variable lineal) a 20 Ω, armamos y conectamos el circuito en la protoboard de a

cuerdo a la imagen 5 para comenzar a realizar pruebas de medición.



Las resistencias R1, R2, R3, R4, R6 de 10 KΩ son de precisión para tener el mejor

balance posible.

Imagen 8. Amplificador de instrumentación montado en protoboard (tabla de prueba)

Modo diferencial

Se alimentó el amplificador de instrumentación con 35 Vpp para obtener la máxima

tensión de salida posible. Con el generador de señales calibramos una señal de entrada

sinoidal con amplitud lo mas pequeña posible que pudiese observar el osciloscopio sin

ruido. La señal del generador fue de 58 mVpp (mili volts pico a pico) y la monitoreamos

con el canal 1 del osciloscopio (línea amarilla). La salida la monitoreamos con el canal 2

(línea azul). La medición diferencial se hiso respecto a tierra, así que conectamos V2 con la

referencia.

Resistencia variable RG a 20 Ohms

Amplificadores operacionales

encapsulados en un TL084

Resistencia de precisión R de 10 KΩ

Modo diferencia = V1 – V2



Modo Común

Para la conexión en modo común (figura 3) la señal de entrada fue de 20 Vpp. Esta

puede ser prácticamente de cualquier amplitud, pues la salida dependerá del balance que

se obtenga con R7 y el conjunto de resistencias, por esto que fuesen de precisión.

OBTENCIÓN DE RESULTADOS

Resultados es de medición en modo diferencial

Imagen 9. Captura del osciloscopio, respuesta del amplificador de instrumentación enmodo diferencial

Calculando la ganancia en modo diferencial, de la ecuación 2:

Resultado 1

( )



Resultados es de medición en modo común

Imagen 10. Captura del osciloscopio, respuesta del amplificador de instrumentación enmodo común

Calculando la ganancia en modo común, de la ecuación 3:

Resultado 2

( )



ANÁLISIS DE R ESULTADOS

Una vez obtenidos los resultados y calculado sus ganancias los tabulamos para ser

analizados y comparados

Tensión desalida Ganancia real Gananciaestimada(Ideal)

Mododiferencial

Modo común 20V 176 mV 0

Con los resultados obtenidos calculamos el CMRR que para efectos prácticos entre mas

grande mejor. Una de las aplicaciones de un CMRR alto en un amplificador de

instrumentación es poder monitorear una señal biológica, para esto se necesita un CMRRmayor a 93 dB. De la ecuación 1 obtenemos el CMRR:

Resultado 3

( )(

)

CONCLUSIONES

Con un CMRR como el obtenido (101.82dB) podemos decir que el amplificador deinstrumentación es bueno aunque no excelente. Como se mencionó anteriormente entre

mayor sea el CMRR mayor es la calidad del amplificador. En la práctica, la señal de modo

común nunca será rechazada completamente, por lo tanto, lo importante es reducirla al

máximo mediante el balance de las resistencias con R7, consiste en igualarlas lo más

posible.

Los objetivos de esta práctica se cumplieron y con el amplificador de instrumentación

podemos acondicionar señales provenientes de sensores en prácticas posteriores.

Independientemente de esto

Tensión deentrada

Tensión desalida

Gananciaobtenida

28 mV 30.4 V 1085.71 1000

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