Aspectos básicos de electrónica digital. La velocidad a la que ha crecido la electrónica, la...
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Aspectos básicos de electrónica digital
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• La velocidad a la que ha crecido la electrónica, la instrumentación y la tecnología de los microordenadores se ha convertido en algo casi inexplicable.
• En la mayoría de los instrumentos de laboratorio se pueden encontrar microordenadores o microprocesadores, incluso en balanzas y medidores de pH.
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Medidas digitales a partir de señales analógicas
• Se utiliza un contador electrónico de alta velocidad para contar el número de sucesos que se estudian. Ejemplos:
• - # de fotones emitidos
• - # de partículas desintegradas
• - # de gotas de disolución valorada
• - # de pasos de un motor de pasos para inyectar un reactivo
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Sistema decimal Sistema binario
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Fig. 3-2. Contador para determinar pulsos de voltaje por segundo.
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Fig. 3-3. Configurador de señal: (a) circuito; (b) señal de entrada; (c) señal de salida
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Fig. 3-4. Contador binario para números del 0 al 15. El cálculo indicado es el binario 1011 o el decimal 12.
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Fig. 3-5. Forma de las ondas de las señales en varios puntos del contador de la figura 3-4. En este caso el cálculo durante el período t es el binario 1011 o el decimal 12.
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Fig. 3-6. Contador decimal codificado en binario que utiliza unidades de cómputo en décadas (DCU).
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Fig. 3-6. Contador decimal codificado en binario que utiliza unidades de cómputo en décadas (DCU).
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Convertidores analógico-digital (ADC)
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• Para dicho propósito se emplean convertidores analógico digital (ADC).
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Amplificadores operacionales
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• Los Amplificadores Operacionales (AO) son dispositivos electrónicos que se utilizan para tratar las diferentes señales.
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• La mayoría de señales analíticas son señales analógicas:
- Carga
- Corriente
- Voltaje
- Potencia
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• Un amplificador operacional (AO ó op-amp) 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 llamado ganancia.
• Originalmente se empleaban para realizar operaciones matemáticas en calculadoras.
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Características generales de los amplificadores operacionales
• Dispositivo analógico consistente de unos 30 transistores, resistencias, condensadores y diodos incorporados en un chip.
• Compactos (1 cm sin incluir la fuente de alimentación), fiables y baratos.
• Colocado en una caja cerámica o epoxi de 8 polos.
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Algunas propiedades Algunas propiedades electrónicas de los AOelectrónicas de los AO
• Amplias ganancias ( = 104 a 106)• Esencialmente una salida cero para una entrada
cero (idealmente < 0.1 mV)• La salida de un AO queda determinada por la
naturaleza del circuito o red al que este conectado y es independiente del propio AO
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• Los transductores de los instrumentos convierten las señales analógicas químicas en señales analógicas eléctricas que luego se tratan haciendo uso de AO.
• Los AO amplifican, filtran, cambian de frecuencia, integran, suman, dividen, etc.
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• Las señales tratadas se visualizan en un formato analógico o digital.
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• Servosistema: sistema que detecta una diferencia o error entre los estados actual y deseado de una cantidad controlable.
• Servomecanismo o servosistema electromecánico: si la cantidad a controlar es la posición de un objeto, un motor eléctrico o hidráulico puede utilizarse para que las posiciones coincidan.
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Operaciones matemáticas con AO
• Vi puede multiplicarse por una constante Rf/Ri. La división se da cuando Rf/Ri<1
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Operaciones matemáticas con AO
• Suma y resta: vo = -Rf(i1 + i2 + i3 + i4)
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• Los AO se usan para la amplificación y medición de las señales eléctricas de los transductores (intensidad, potencial, carga) que dependen de la concentración de un analito.
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Medición de la intensidad
Ix: corriente DC que se genera en el transductor (fototubo que convierte luz en corriente)
f
ofox
fxffo
fsfx
Rk
kVRVI
RIRIV
IIII
/1
/
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• La medida de potencial da la intensidad.
Si Rf = 100k
V = IR = (0.000001amp)(100,000)ohms
= 0.1 Voltios
Es decir, una intensidad de1μA producirá un potencial de 0.1 V, cantidad facilmente medible con elevada precisión
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Leyes de la electricidad
• Ley de Ohm: V = IR
V: diferencia de potencial en voltios entre dos puntos de un circuito
R: resistencia en ohms entre los dos puntos
I: intensidad de corriente en amperios
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Ley de la intensidad de corriente: la suma algebraica de las intensidades de corriente en cualquier nudo de un circuito es igual a cero.
Ley del voltaje: la suma algebraica de los voltajes de un circuito cerrado es igual a cero.
•Leyes de Kirchhoff:
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Circuito en serie
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Circuito en paralelo
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• Ley de la potencia: P = IV
P: potencia en watios disipada en un resistor
I: corriente en amperios
V: caída de potencial en voltios
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Señales y Ruido
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• Cada medida analítica lleva dos componentes:
El que lleva la información acerca del analito que interesa al químico
La compuesta por información ajena, no deseada: el ruido
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• El efecto del ruido en el error relativo de una medida aumenta cada vez más a medida que disminuye el valor de la cantidad medida.
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• La relación señal/ruido S/N se define como
• La relación señal/ruido es un parámetro de calidad mucho mejor que el ruido solo
• Nótese que x/s es el inverso de la desviación estándar relativa RSD, por lo tanto S/N = 1/RS
sx
medialadeestándardesviaciónmedidalademedia
NS
..............
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• Norma general: La detección cierta de una señal mediante un sistema visual resulta imposible cuando la relación señal/ruido < 2 o 3
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Consultar en libro de texto páginas 104 a 111, es decir:
- Sección 5B
- Sección 5C y 5C1
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Fuentes de ruido
• Ruido químico
Fluctuaciones en la humedad de la muestra
Estratificaciones en un sólido o polvo
Cambios en la intensidad de la luz que afectan sustancias fotosensibles
Cambios de presión o temperatura que afectan el equilibrio
Humos
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• Ruido instrumental
Se asocia a cada componente del instrumento: fuente, transductor de entrada o transductor de salida
Puede ser de distinto tipo y provenir de distintas fuentes
Es una mezcla compleja que no se puede caracterizar por completo
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• Ciertos tipos de ruido instrumental se pueden reconocer:
1) Ruido térmico (o Johnson)
2) Ruido de disparo
3) Ruido de parpadeo (o 1/f)
4) Ruido ambiental
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• Ruido térmico, o ruido Johnson:
Se debe a la agitación térmica de los electrones u otros portadores de carga
Dicha agitación o movimiento origina periódicamente heterogeneidades de carga que a su vez crean variaciones de voltaje
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• Ruido de disparo:
Se origina siempre que exista una corriente que produzca un movimiento de electrones o de otras partículas cargadas a través de una unión 8p y n o el vacío para un tubo de vacío.
Puede minimizarse reduciendo el ancho de banda de las frecuencias.
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• Ruido de parpadeo:
Sus causas no se comprenden bien. Su valor es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal que se observa. Ruido 1/f
Es significativo para frecuencias < 100 Hz
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• Ruido ambiental:
Proviene del entorno; cada conductor de un instrumento es una antena potencial que capta radiación electromagnética y la convierte en señal eléctrica.
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Aumento de la relación S/N
• Puede mejorarse por hardware o software
Hardware: incorpora al diseño del instrumento filtros, cortadores, escudos, moduladores, detectores sincrónicos
Software: se basan en distintos algoritmos digitales de ordenador que permiten extraer las señales de entornos ruidosos