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RUIDO

Concurso “Electrónica Instrumental”

Jorge R Osio

Facultad de Ciencias Exactas - UNLP

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INTRODUCCION

El término ruido se utiliza para describir las desviaciones aleatorias observadas, cuando se repiten medidas de señales que se controlan de forma continua.

Cada medida Analítica consta de dos componentes. La primera lleva la información relativa al analito y la segunda denominada ruido.

El ruido es información ajena e indeseada porque degrada la precisión y exactitud de un análisis.

Establece un límite inferior en la cantidad de analito que se puede detectar.

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Relación Señal/Ruido Se puede observar una señal de corriente de 10-15 A con y sin ruido La diferencia entre las dos expresiones corresponde al ruido

asociado al experimento. No se puede obtener una señal libre de ruido por los efectos

termodinámicos y cuánticos que son imposibles de evitar. En la mayoría de la medidas el valor promedio del ruido R es

constante e independiente de la señal S. Se habla de relación señal ruido (S/N) porque el nivel de ruido es

más o menos perjudicial en función de cual sea el nivel de la señal. La Relación Señal/Ruido es un parámetro usado especialmente para

describir la calidad de un método analítico o el funcionamiento de un instrumento.

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Relación Señal/Ruido

La magnitud del ruido se define como la desviación estándar s de un conjunto de medidas tomadas de la intensidad de señal.

La intensidad de señal viene dada por la media ẋ de las medidas.

La relación S/N se calcula como la diferencia entre el nivel de la señal cuando el aparato funciona a nivel nominal de trabajo y el nivel de ruido cuando, a ese nivel de trabajo, no se introduce señal.

•

s

x

estándardesviación

media

R

S

_

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Relación Señal/Ruido

Norma general: es imposible la detección de una señal cuando la relación S/R es menor de 2 o 3.

Espectro de la Resonancia Magnética Nuclear de la progesterona La señal A tiene un R/N=4,3B tiene un R/N=43

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Fuentes de Ruido en Instrumentación Los análisis químicos pueden verse

afectados por dos tipos de Ruido:Ruido QuímicoRuido Instrumental

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Químico

Variaciones de temperatura o presión Fluctuaciones en la humedad relativa Vibraciones (estratificación de sólidos

pulverulentos) Cambios en la intensidad de la luz Humos del laboratorio que interaccionan con

muestras o reactivos.

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Ruido Instrumental Es importante conocer las características que definen los

diferentes tipos de ruido que pueden afectar los circuitos electrónicos.

Cada uno de los ruidos, tiene orígenes bastante bien definidos.

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental

El ruido se asocia a cada componente de un instrumento (fuente, transductores y elementos de procesamiento)

El ruido en cada componente puede ser de distinto tipo y provenir de distintas fuentes

Se pueden reconocer ciertos tipos de ruido:Ruido Térmico o JohnsonRuido de disparoRuido de fluctuaciones (flicker) o 1/fRuido Ambiental

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido Térmico o Johnson

Agitación térmica de electrones, (o huecos en el caso de semiconductores), en:Resistencias, capacitores, detectores de

radiación, celdas electroquímicas y otros elementos resistivos.

Esto hace variar la carga de manera aleatoria, provocando fluctuaciones en la tensión.

La magnitud se deduce de la termodinámica y su expresión es: fkTRv

rms 4

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido Térmico o Johnson

El ruido térmico es independiente de la naturaleza del material o de la intensidad de continua que lo atraviesa.

Este ruido se genera con igual nivel cuando la resistencia se encuentra en un circuito, a como cuando se encuentra aislada.

El ruido térmico puede modelarse como una fuente de tensión en serie con una resistencia no generadora de ruido.

El espectro de la señal de ruido térmico es de tipo blanco El ruido térmico en los detectores

se reduce bajando la temperatura

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido de disparo

A causa del movimiento de electrones a través de una unión.

En un circuito las uniones están en las interfaces pn de las fotocélulas y tubos de vacio.

Las corrientes en estos dispositivos implican la transferencia de electrones a través de la unión.

Estos sucesos se producen al azar a una velocidad dependiente de fluctuaciones estadísticas dada por:

fIeirms

2

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido flicker o de fluctuación

Es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal (ruido 1/f)

Se reconoce por su dependencia con la frecuencia

Es significativo para frecuencias inferiores a 100Hz

Un ejemplo es la deriva a largo plazo en Amplificadores de corriente continua.

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido flicker o de fluctuación

Esta presente en todos los dispositivos activos y pasivos, aunque su origen depende del tipo de dispositivo.

K: una constante que depende del dispositivo.

I: es la intensidad en continua que atraviesa el dispositivo.

α: es una constante propia del tipo de dispositivo que varia entre 0,5< α<2

𝑖𝑛𝑓𝑡=𝐾 𝐼 α

𝑓

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido flicker o de fluctuación

En los MOSFET, esta relacionado con los estados de energía atípica que se crean en la interface entre el silicio y el oxido, los cuales juegan el papel de trampas para las cargas.

En las Resistencias pasivas en mucho mas acusado en las resistencias de carbón.

Se reduce mediante resistencias de filamento enrollado o metálicas.

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Fuentes de Ruido en InstrumentaciónRuido Instrumental: Ruido Ambiental

Ruidos procedentes del entorno Cada conductor de un instrumento es una

Antena capaz de captar radiación electromagnética.

Líneas de alterna Emisoras tv y radio Encendido de motores Alumbrado Escobillas de motores Fluctuaciones de temp.

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Mejora de la relación Señal/Ruido

La relación S/R es , frecuentemente, limitante en la precisión de una medida.

Métodos para mejorar la relación S/N:Hardware

○ Blindaje y conexión a tierra○ Amplificadores diferenciales y de instrumentación○ Filtrado Analógico○ Modulación○ Amplificadores de corte y de cierre

Software○ Promediado por conjuntos ○ Promediado por grupos○ filtrado digital

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Blindaje y Conexión a tierra: Se usa para reducir la radiación

electromagnética generada en el ambiente.BlindajeConexión a tierra Minimización de la longitud de los conductoresUsado cuando se amplifica la salida de un

transductor de elevada impedancia (electrodo de vidrio)

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

El tipo de cables empleados, coaxiales, trenzados o blindados, tiene una relación directa con la cantidad de interferencias que éstos captarán o serán capaces de radiar a su entorno.

Los tipos de conectores y la agrupación de señales que se haga determinará el crosstalk entre pines.

La elección de conectores filtrados o no, tendrá que ver con la cantidad de energía de RF que mandaremos al exterior y también la que entrará en el sistema.

Blindaje:

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Amplificadores Diferenciales: Cualquier ruido generado en el circuito de un

transductor es crítico. Para atenuar esto se usa un Amplificador

Diferencial. Elimina ruido de modo común

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Amplificadores de Instrumentación: Una etapa de entrada formada por dos Amp Op

en paralelo con impedancia de entrada elevada. La segunda etapa es un Amplificador diferencial La ganancia total

se puede controlar

mediante R1/a La segunda etapa

rechaza modo común

en orden de 106

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Filtrado Analógico: Usado en instrumentos analíticos Pasa bajos (elimina ruido térmico y de disparo) Pasa altos (reduce efecto de

deriva y el ruido flicker). Filtros pasabandas, permite

reducir el ruido fuera de una banda

De frecuencias

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Modulación: El ruido 1/f es varias veces mayor que los que

se encuentran en alta frecuencia. Para esto se transforma la señal de baja

frecuencia a una de frecuencia mas alta mediante modulación.

Se amplifica Se elimina el ruido 1/f mediante un pasa altos Por último se realiza la demodulación y el

filtrado pasabajos.

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Amplificador de Corte: La señal se convierte en onda cuadrada Cortador eléctrico o mecánico Lo ideal es cortar la señal muy cerca de la fuente. Cortador mecánico usado en Espectroscopia de

Absorción Atómica. Aquí las fuentes de luz se cortan mediante un disco

giratorio ranurado El transductor la convierte en una señal eléctrica de

corriente alterna de onda cuadrada. Filtro pasa alto para eliminar el ruido Amplificación de señal

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Amplificador de corte: • Conmutador electrónico• El demodulador elimina el ruido generado en el amplificador

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

Amplificadores de cierre: Permite recuperar señales con S/R es

unitaria o menor. Requiere una señal de referencia de igual

frecuencia y fase que la señal a amplificar Como ejemplo se tiene un cortador óptico

para obtener señales analíticas y de referencia

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Hardware

El demodulador

sincrónico es un

conmutador bipolar

controlado por la referencia

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Mejora de la relación Señal/RuidoSOFTWARE El software permite aplicar

varias técnicas para reducir el ruido a la salida.

La lucha contra los rebotes a tierra y el filtrado digital pueden tener una contribución importante desde el terreno del software.

Muchos de los dispositivos descriptos para mejorar S/R pueden ser reemplazados por métodos de software

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Promediado Conjunto: Sucesivas series de datos almacenados en memoria

como matrices. Se suman punto por punto para el promediado Luego se promedian dividiendo la suma para cada

punto por el número de barridos realizados

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Promediado Conjunto:

Se utiliza en:Espectroscopía por resonancia

Magnética nuclearEspectroscopía en el infrarojo de

transformada de fourier

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Promediado por grupos: Permite suavizar irregularidades y resaltar la

relación S/R de una forma ondulatoria Se supone que las irregularidades las produce

el ruido Se supone que el promedio de un conjunto de

puntos adyacentes es una mejor medida que los puntos individuales

Se procesa en tiempo real

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Se usa en señales complejas que cambian rápidamente en función del tiempo

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Filtrado Digital: Se puede realizar por diferentes métodos:

Promediado conjuntoTransformación de FourierSuavizado PolinomialCorrelación

Se analizarán el de Fourier y el de Suavizado

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de SoftwareFiltrado Digital – Transformada de Fourier

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Filtrado Digital – Transformada de Fourier Se utiliza en espectrometros en el infrarojo y

en equipos de Resonancia Magnética Nuclear modernos.

Este procedimiento viene implementado en Software como Marlab

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

Filtrado Digital: Suavizado Polinomial Suavizado de datos sin ponderación Los 11 puntos rellenos corresponden a un

espectro de absorción inmerso en ambiente ruidoso

Los 5 primeros datos abarcados por el corchete 1 se promedian y se representan en el triangulo1

Se corre un punto el corchete y se repite lo anterior.

Así se obtiene una nueva curva de absorción.

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Mejora de la relación Señal/RuidoMétodos de Software

•La nueva curva menos ruido que la de los datos originales•El ancho de la función de suavizado siempre presenta números impares de puntos •Quedan si suavizar un número par de puntos.•La relación S/N se puede Incrementar:oAmpliando la función de suavizadooSuavizando los datos varias veces.

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Bibliografía

SKOOG,HOLLER, NIEMAN, “Principios de análisis Instrumental”, 5ta edición, 2001

Análisis Químico. Métodos y técnicas instrumentales modernas. F. y A. Rouessac. Mc Graw Hill