Laboratorio de Instrumentacin Digital

Prctica 3.- Proceso de acondicionamiento de seal.

Alumno: Fernando Alonso Hernndez

Matrcula: 1475254Da y hora: Sbado, V1

Ing. Jess Medina Crdenas

Monterrey, Nuevo Len, 10 de Septiembre del 2015.

Laboratorio de Control de procesos

Practica 4.- Elementos Primarios de Control

Alumno: Fernando Alonso Hernndez

Matrcula: 1475254Da y hora: Sbado, N1

Ing. Jess Medina Crdenas

Monterrey, Nuevo Len, 10 de Septiembre del 2015.

Acondicionamiento de seales.La seal de salida del sensor de un sistema de medicin en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operacin a estas modificaciones se les designa en general con el trmino acondicionamiento de seal.

Interconectndose con un microprocesador

Los dispositivos de entrada y de salida estn conectados con un sistema de microprocesador mediante puertos. El trmino interfaz se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto. Existen as entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores. Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital; por ello, cuando un sensor produce una salida analgica, es necesaria una conversin de seal analgica a digital. Hay tambin que considerar la salida del microprocesador, quizs para operar un actuador. Aqu tambin es necesaria una interfaz adecuada.

Procesos del acondicionamiento de seales

Los siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una seal:1. Proteccin2. Convertir una seal en un tipo de seal adecuado3. Obtencin del nivel adecuado de la seal.4. Eliminacin o reduccin del ruido5. Manipulacin de la seal

El amplificador operacional.

El fundamento de numerosos mdulos para acondicionamiento de seal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o ms, y est disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada inversora () y entrada no inversora (+). La salida depende de cmo se hagan las conexiones de estas entradas. Adems de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentacin de voltaje negativo, una alimentacin de voltaje positivo y dos entradas conocidas como nulo del voltaje de desvo, cuyo propsito es activar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

Amplificador inversor

El inversor es un amplificador quecambia el signo o la fase del voltaje deentra. La ganancia est determinada porla relacin de resistencias:

Amplificador no inversor

El no inversor es un amplificador deseal con una ganancia determinadapor la relacin de resistencias:

Amplificador sumador

El amplificador suma los voltajes deentrada e invierte la seal de salida:

Amplificador diferencial

Esta configuracin resta los voltajes deentrada. La polaridad del voltaje de salidadepende de la magnitud de los valores deentrada:

Comparador.

Un comparador indica cul de dos voltajes es mayor, y con ese fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentacin u otras componentes. Uno de los voltajes se aplica a la entrada inversora y el otro a la entrada no inversora. Cuando las dos entradas son iguales no hay salida. Sin embargo, cuando la entrada no inversora es mayor que la inversora por una cantidad mayor a una pequea fraccin de volt, la salida salta a un voltaje de saturacin positivo estable, en general de +10 V. Cuando la entrada inversora es mayor que la no inversora, la salida salta a un voltaje de saturacin negativo estable, casi siempre de-10 V. Este tipo de circuito puede determinar en qu momento un voltaje rebasa cierto nivel, y la salida quiz se utilicen para iniciar una accin.

Proteccin.

Existen diversas situaciones en las que la conexin de un sensor con la unidad siguiente, por ejemplo un microprocesador. Para protegerse contra corrientes grandes en la lnea de entrada se incorpora una serie de resistencias que limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la corriente excede un nivel seguro. Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener.Los diodos Zener se comportan como diodos comunes hasta que se presenta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten en conductores.En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones elctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador.

Filtrado.

El trmino filtrado se refiere al proceso de eliminacin de cierta banda de frecuencias de una seal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa como banda de supresin; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan.El trmino pasivo describe un filtro en el cual slo hay resistencias, capacitores e inductores. El trmino activo se refiere a un filtro en el que tambin hay un amplificador operacional. Los filtrospasivostienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguiente elemento puede modificar la caracterstica de frecuencia del filtro. Estos problemas no se presentan en los filtros activos.

El puente Wheatstone.

Se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje.

Estando en balance:

Cuando no se est en balance:

Seales digitales.

La salida que produce la mayora de los sensores en general es de tipo analgico. Cuando un microprocesador forma parte del sistema de medicin o de control, es necesario convertir la salida analgica del sensor a una forma digital antes de alimentarla al microprocesador. Por otra parte, la mayora de los actuadores funcionan con entradas analgicas, por lo que la salida digital de un microprocesador debe convertirse a su forma analgica antes de utilizarla como entrada del actuador.El sistema binario se basa slo en dos smbolos o estados: 0 y 1. A stos se les conoce como dgitos fonarios o bits.

Conversin de seales analgicas a digitalesDeterminar la cantidad de bits que se van a utilizarMuestreo y RetencinTomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal a determinada frecuencia que debe ser por lo menos el doble de la seal analizada segn la condicin de Nyquist. Despus se retiene la seal y se le asigna un valor en el sistema decimal. Para retener la seal puede utilizarse un amplificador de muestreo y retencin.Convertir a seal digitalSe le asignan a los valores numricos su nmero binario correspondiente y se muestra la seal convertida.

Multiplexores.

Un multiplexor es un circuito que puede recibir datos provenientes de diversas fuentes para despus al seleccionar un canal de entrada, producir una salida correspondiente a slo uno de ellos. En las aplicaciones en que se necesita hacer mediciones en diversas ubicaciones, en vez de utilizar un CAD y un microprocesador para cada medicin que se realiza, se usa un multiplexor para seleccionar cada entrada en tumo y conmutarlas a travs de un solo CAD y un micro-procesador (figura 3.42). El multiplexor es, en esencia, un dispositivo de conmutacin electrnica con el que las entradas se muestrean por turno.Existen multiplexores analgicos, digitales y por divisin de tiempo.

Adquisicin de datos.

El trmino adquisicin de datos, o AD, describe el proceso que consiste en tomar datos de los sensores e introducirlos en una computadora para procesarlos. Los sensores estn conectados, por lo general despus de someterlos a un acondicionamiento de seal, a una tablilla de adquisicin de datos conectada en la parte posterior de una computadora (figura 3.45a). Se trata de una tablilla de circuito impreso que, para entradas analgicas, cuenta con circuitos para realizar funciones de multiplexin, amplificacin, conversin analgica a digital, registro y control, a fin de alimentar las seales digitales muestreadas en el sistema de computacin. El software de la computadora controla los datos de adquisicin a travs de la tablilla de AD.

Procesamiento de seales digitales. El trmino procesamiento de seales digitales o procesamiento de seales de tiempo discreto se refiere al procesamiento que realiza el microprocesador de una seal. Las seales digitales son seales de tiempo discreto, es decir, no son continuas en funcin del tiempo, sino que existen slo en momentos discontinuos o discretos. En el acondicionamiento de seales analgicas se necesitan componentes como amplificadores y circuitos filtro, en cambio, el acondicionamiento de una seal digital se puede llevar a cabo mediante un programa en un microprocesador, es decir, se procesa la seal. Para modificar las caractersticas de un filtro usado para seales analgicas es necesario cambiar las componentes de hardware; mientras que, para modificar las caractersticas de un filtro digital basta cambiar el software, es decir, el programa de instrucciones del microprocesador.En la entrada de un sistema de procesamiento de seales digitales se recibe una palabra que representa la magnitud de un impulso y se produce la salida de una palabra distinta. Con base en el impulso de salida de un determinado instante, el sistema hace un clculo que es el resultado del procesamiento de la entrada del presente impulso as como el producto de entradas de impulsos anteriores y, quizs, de salidas anteriores del sistema.

Modulacin por pulsos.

Un problema frecuente en la transmisin de seales de cd de bajo nivel generadas por sensores es que la ganancia del amplificador ope-racional usado para amplificar estas seales puede experimentar un desplazamiento o deriva, al igual que la salida. Este problema se puede corregir con una seal que sea una secuencia de impulsos en vez de una seal continua en el tiempo.Una manera de realizar lo anterior es dividiendo la seal de cd. La salida del divisor es una cadena de impulsos cuyas alturas tienen relacin con el nivel de cd de la seal de entrada. A este procedimiento se le denomina modulacin por amplitud de impulsos. Concluida la amplificacin y dems acondicionamiento de la seal, la seal modulada se desmodula para obtener una salida de cd. En la modulacin por amplitud de impulsos, la altura de los impulsos est relacionada con la magnitud del voltaje de cd.

Una alternativa a lo anterior es la modulacin por ancho de pulso (PWM), donde el ancho, es decir, la duracin del pulso y no su amplitud es de lo que depende la magnitud del voltaje.