Sa Tema 15- Circuitos Acondicionadores 2

5/22/2018 Sa Tema 15- Circuitos Acondicionadores 2

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Circuitos acondicionadores de sensores

Tema 15 - 1

E.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo

Departamento de Tecnologa Electrnica

SENSORES Y ACONDICIONADORES

TEMA 15 (2)

CIRCUITOS ACONDICIONADORES DESENSORES ANALGICOS

CIRCUITOS DE EXCITACIN, CONVERTIDORES DE

PARMETRO Y CONVERTIDORES DE FORMATO

Profesores: Enrique Mandado PrezAntonio Murillo Roldan


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Tema 15 - 2



Se denominan acondicionadores los circuitos que convierten unacaracterstica del elemento sensor en una seal elctrica analgica,digital o temporal.

Se puede considerar tambin que forman parte del circuitoacondicionador los circuitos convertidores que proporcionan variablesque pueden ser memorizadas en un procesador digital. Algunos autoreslos denominan circuitos electrnicos de interfaz (Interface electroniccircuits) porque estn situados entre uno o mas sensores y un

procesador digital.Los circuitos acondicionadores estn formados por uno o ms de lossiguientes tipos de circuitos:

Circuitos adaptadores Circuitos amplificadores Circuitos de excitacin Circuitos convertidores de parmetro y formato

DEFINICIN


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Tema 15 - 3



CIRCUITOS DE EXCITACIN

Se denominan circuitos de excitacin o excitadores a los circuitos que generan

las seales necesarias para convertir la variacin de una impedancia o de unainductancia mutua en una seal analgica o temporal.

Los principales circuitos de excitacin son:

Fuentes de tensin de referencia

Fuentes de corriente

Generadores de seales


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Tema 15 - 4



FUENTE DE TENSIN DE REFERENCIA

Las fuentes de tensin de referencia (Voltage reference) son circuitos

electrnicos que generan una tensin constante independientemente de las

variaciones de la fuente de alimentacin de entrada, de la temperatura, de la

impedancia de la carga, del envejecimiento, etc.

Circuito bsicoInconvenientes del circuito bsico:

Dependencia de la temperaturaDependencia de la carga

R1

Vi Vref

V

IVz

Iz

Vzk

Rs

ViVo

Rz

VzRL

IL



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Tema 15 - 5



Circuito bsico con amplificador de error

refo VR

RV

++++====

1

21


La combinacin de un diodo Zener de baja deriva con un amplificador seguidorde baja impedancia de salida, independiza la Vref de la carga del circuito IL.

+

-

R1R2

R3

Vref

Vo

IL



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Tema 15 - 6




Combinacin de un diodo Zener y undiodo en serie en oposicin para anular elefecto de las variaciones de la temperatura

Compensacin de temperatura

Vd (Tc < 0)

Vz (Tc > 0)

Iz

IzIr

Combinacin de un diodo Zener y unaresistencia de caldeo para manteneruna temperatura constante por encimadel ambiente



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Tema 15 - 7



Circuito tpico de una fuente de referencia con regulador serie

y proteccin contra cortocircuitos

refO VR

R

V

+=

1

2

1

+

-

R4

v refR7 v o

v i

1

D2

I2 I1

R1

D1

R5 R6

T3 T4

T1T1

R2R3T2

Cp

2

FUENTE DE TENSIN DE REFERENCIACIRCUITOS DE EXCITACIN


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Tema 15 - 8



Ejemplo: AD584

FUENTES DE TENSIN DE REFERENCIACIRCUITOS DE EXCITACIN


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Tema 15 - 9



FUENTE DE CORRIENTE

Una fuente de corriente (Current source or generator) es un circuito

excitador que proporciona la corriente que necesitan algunos sensores. Tambinse le denomina bomba de corriente (Current pump) y proporciona una

corriente cuyo valor es independiente de la impedancia de la carga.

Las principales caractersticas de una fuente de corriente son la resistencia de

salida (Output resistance) y el valor mximo de la tensin de salida por

encima del cual no se mantiene constante la corriente de salida (Voltage

compliance).

Las fuentes de corriente suelen generar la corriente a partir de una tensin y por

ello constituyen en realidad convertidores tensin-corriente que se analizan en el

tema 16 dedicado a los circuitos convertidores de parmetro y formato.



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Tema 15 - 10



Espejo de corriente (Current mirror)

A partir de una tensin de referencia se genera una corriente Iref mediante un

transistor TR conectado como diodo. Dicha corriente se puede convertir en otra

corriente idntica IO (Current mirror) aplicable a los circuitos que necesitan

como excitacin una corriente constante en lugar de una tensin constante. En la

prctica el espejo de corriente es un convertidor de tensin constante en corrienteconstante.

V o

IREF

VREF

R

TR

I oVVV

I REFBEREFREF7,0

=

=

REFO II =

CIRCUITOS DE EXCITACINFUENTE DE CORRIENTE


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Tema 15 - 11



Reciben el nombre de generadores de seales los circuitos electrnicos que

generan seales peridicas variables.

Segn el tipo de seales que generan pueden ser:

Osciladores senoidales (Sinewave generators)

Generadores de impulsos (Pulse generators)

Generadores de dientes de sierra (Sawtooth generators)

Generadores de funciones (Function generators)

CIRCUITOS GENERADORES DE SEALESCIRCUITOS DE EXCITACIN

[PALL 98 pag. 428]


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Tema 15 - 12




Fundamentos

El amplificador multiplica V1 por la ganancia A y genera un desfase .

El circuito de realimentacin proporciona una atenuacin Ar cuyo valor depende

de la frecuencia y genera un desfase .

La condicin de oscilacin es V1 = V3 = Ar A V1. Para ello se debe cumplir que ArA = 1 y +=0, 2,

RL

AMPLIFICADOR

v 1

CIRCUITO DE

REALIMENTACINv 2 Ri

v 3

Realimentacin

Ri: Impedancia de entrada

del amplificador

V3 = ArV2

A Ar

CIRCUITOS DE EXCITACINCIRCUITOS GENERADORES DE SEALES


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Tema 15 - 13






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Tema 15 - 14






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Tema 15 - 15



Los principales circuitos osciladores senoidales son:

Osciladores LC

Oscilador Hartley

Oscilador Colpitts

Oscilador en contrafase (push-pull)

Oscilador de cuarzo

Oscilador RC




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Tema 15 - 16



Fundamento del oscilador senoidal realizado con un circuito LC

+

-

R1

R2

v 1v 2

C

R

L

LC

10 ==




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Tema 15 - 17




Ejemplo de osciladores LC

R1

10K

P120K

C20,001

Q12N2222

C10,001

L11 mH

Salida0,5 Vp-p/ 110 KHz

+5 V

R16,8K

P1

5K

Q12N2222

C20,002

LVDT+12 VC10,002

Aldemodulador

Oscilador Hartley Oscilador Colpitts utilizado

en un sensor LVDT



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Tema 15 - 18



Osciladores de cristal de cuarzo

Oscilador de cristal de cuarzoCircuito equivalente de un

cristal de cuarzo

C

L

R

CO

VO

+

-




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Tema 15 - 19



Los principales circuitos generadores de impulsos son:

Astables (astables, multivibrators, pulse generators or clock)

Temporizadores analgico-digitales (Analog timers)

Generadores de Impulsos (Pulse generators)



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Tema 15 - 20



Ejemplo de Astable en tecnologa CMOS


Generadores de Impulsos (Pulse generators)


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Tema 15 - 21



Ejemplo: Astable con el circuito integrado 555

Generadores de Impulsos (Pulse generators) [MAND 08]



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Tema 15 - 22



Esquema bsico de un generador de diente de sierra realizado con un

integrador y un generador de impulsos

+

-

R

-v R

INTERRUPTORANALGICO

GENERADORDE

IMPULSOS

Tensin endiente de sierra

C

Generadorde impulsos

Salida delintegrador




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Tema 15 - 23



Esquema bsico de un generador de dientes de sierra realizado con una fuente

de tensin de referencia y un circuito espejo de corriente

VI

Espejode

corrienteT

VI

Fuente de tensinde referencia

VS

VS




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Tema 15 - 24



GENERADORES DE FUNCIONES (Function generators)

Generador de seales triangulares (Triangular waves)y cuadradas (Square waves)

Comparador Schmitt Integrador Generador seno

Vcuadrada VsenoVtriangular



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Tema 15 - 25



CIRCUITOS ACONDICIONADORESDE SENSORES

- Circuitos adaptadores

- Circuitos amplificadores- Circuitos de excitacin

- Circuitos convertidores de

parmetro y formato


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Tema 15 - 26



CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETRO Y FORMATO

- CONVERTIDORES DE PARMETRO

Convertidores de tensin en corriente Convertidores de corriente en tensin

- CONVERTIDORES DE FORMATO

Convertidores del formato digital al analgico

Convertidores del formato analgico al digital

Convertidores del formato analgico al temporal

Convertidores del formato temporal al analgico

[PALL 98 pag. 458] [PERE 04, pag. 551]


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Tema 15 - 27



CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETRO

INTRODUCCIN

En un sistema de transmisin de seales analgicas en forma de unatensin que lleva la informacin en la amplitud, la seal recibida no coincide conla transmitida debido a la cada de tensin en los cables, que es funcin del tipode material, de la temperatura, de la distancia y de la resistencia de las

conexiones.Por ello se han desarrollado convertidores de tensin en corriente que se

pueden clasificar en:

- Convertidores de tensin en corriente con carga flotante

- Convertidores de tensin en corriente con carga a masa

CONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE(VOLTAGE TO CURRENT CONVERTERS)


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Tema 15 - 28



Circuito bsico de un convertidor

de tensin en corriente con carga flotante

-ivI =

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE CON CARGA FLOTANTE


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Tema 15 - 29



Convertidor con amplificador de corriente

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE CON CARGA FLOTANTE


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Tema 15 - 30



Circuito bsico

+

-

R 2

R 1

v i

R 2

R 1

I o

R

1

io

R

vi =

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE CON CARGA A MASA

E T S d I i d T l i i d Vi


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Tema 15 - 31



Convertidor con amplificador de corriente

y ajuste de cero (Zero offset) y fondo de escala (Span)

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE CON CARGA A MASA

E T S d I i d T l i i d Vi


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Tema 15 - 32



Ejemplo: XTR110

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE

E T S de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo


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Tema 15 - 33



CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETRO

Circuito bsico de aplicacin del XTR110

CONVERTIDORES DE TENSIN EN CORRIENTE



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Tema 15 - 34



Ejemplo de aplicacin del circuito XTR110 con ajuste de cero y de fondo de escala




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Tema 15 - 35



Aplicacin del XTR110 a la transmisin a distancia

de la seal procedente de un puente de medida




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Tema 15 - 36



Circuito bsico

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE CORRIENTE EN TENSIN

CON ENTRADA FLOTANTE (NO REFERIDA A MASA)



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Tema 15 - 37

g g


Circuito bsico

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE PARMETROCONVERTIDORES DE CORRIENTE EN TENSIN

CON ENTRADA REFERIDA A MASA

Ci i di i d dE.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo


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Tema 15 - 38

g g


CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATO

Son sistemas electrnicos que convierten una informacin binaria codificadaen un determinado cdigo binario (binario natural, BCD natural, etc.) en una

tensin o una corriente analgicas.

Existen diferentes tipos de convertidores D/A entre los que cabe citar:

- Convertidores D/A de resistencias ponderadas

- Convertidores D/A de resistencias en escalera (ladder)

- Convertidores D/A de tensiones o corrientes segmentadas

- Convertidores D/A Sigma-Delta

CONVERTIDORES DEL FORMATO DIGITAL AL ANALGICO (D/A)

[PERE 04, pag. 617]

Ci it di i d dE.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo


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Tema 15 - 39


Convertidor de resistencias ponderadas

2R

4R

2nR

bn-1

bn-2

b0

MSB

LSB

Vref

Io

R

Vo

Io/2n

Io/2

Io/4

+

Sn-1

S0

Sn-2

Convertidor

I/V

Red de Resistencias

ponderadas en binario

bi2R2

VI

1n

0i

i

n

ref

o =

=

bi22

VV

1n

0i

i

nref

o =

=

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDORES DEL FORMATO DIGITAL AL ANALGICO (D/A)

Circuitos acondicionadores de sensoresE.T.S. de Ingenieros de Telecomunicacin de Vigo


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Tema 15 - 40


Son sistemas electrnicos que convierten una tensin o una corriente

analgicas en una informacin binaria codificada en un determinado cdigobinario (binario natural, BCD natural, etc.) .

Existen diferentes tipos de convertidores A/D entre los que cabe citar:

- Convertidores A/D simultneos (Flash A/D Converters) y semi-

simultneos (Half Flash A/D Converters)

- Convertidores A/D implementados con convertidor D/A

- Convertidor de rampa digital (tracking A/D Converters)

- Convertidor de aproximaciones sucesivas

- Convertidores A/D de rampa analgica simple, doble o triple

- Convertidores A/D Sigma-Delta

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDORES DEL FORMATO ANALGICO AL DIGITAL (D/A)



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Tema 15 - 41


CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATO

Convertidor de aproximaciones sucesivas

CONVERTIDORES DEL FORMATO ANALGICO AL DIGITAL (D/A)

Evolucin del resultado de las comparaciones sucesivas



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Tema 15 - 42


Esquema de bloques de un convertidor A/D de aproximaciones sucesivas

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDORES DEL FORMATO ANALGICO AL DIGITAL (D/A)


D d T l El i


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Tema 15 - 43


Son sistemas electrnicos que convierten una tensin o una corrienteanalgicas en una variable que lleva la informacin en algn parmetrotemporal.

Los ms utilizados son:

- Convertidores de tensin en frecuencia (V/f)

- Convertidores de tensin en anchura de impulso (V/PWM)

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDORES DEL FORMATO ANALGICO AL TEMPORAL[PALL 98 pag. 441] [PERE 04, pag. 663]


D t t d T l El t i


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Tema 15 - 44


CONVERTIDORES DE TENSIN EN FRECUENCIA (V/f)

Implementacin con un integrador, un comparador y un temporizador

+

-R

INTERRUPTORANALGICO

+

-

v R

TEMPORIZADOR

C

Tensinanalgica

Salida del

temporizador

Salida delintegrador

v R v R

C

1e

R

tV

C

2e

R

tV

Integrador

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDORES DEL FORMATO ANALGICO AL TEMPORAL




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Tema 15 - 45



Implementacin con bomba de corriente (Current pump)





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Tema 15 - 46


CI convertidor tensin/frecuencia con bomba de corriente: LM331

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDOR DE TENSIN EN FRECUENCIA (V/f)

CONVERTIDORES DEL FORMATO ANALGICO AL TEMPORAL




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Tema 15 - 47



Implementacin con un generador de impulsos de frecuencia variable.Utilizacin como circuito de acondicionamiento de un sensor capacitivo.

Umbral

Disparo

Salida

555

R

C

OSC

1f

1 4RC,

=





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Tema 15 - 48




Ejemplo: LM331




49/53

Tema 15 - 49

p g

CONVERTIDORES DE TENSIN EN ANCHURA DE IMPULSO (V/PWM)





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Tema 15 - 50

p g

Son sistemas electrnicos que convierten una seal temporal en una

tensin o una corriente analgicas.Los ms utilizados son:

- Convertidores de frecuencia en tensin (f/V)

- Convertidores de anchura de impulso en tensin (PWM/V)

CIRCUITOS CONVERTIDORES DE FORMATOCONVERTIDORES DEL FORMATO TEMPORAL AL ANALGICO




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Tema 15 - 51

CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN TENSIN (f/V)

Temporizador

Bomba decorriente

VO

Comp

fin

VR

i

Rs RL

iA

Filtro

Vs

LAO RiV =

inTTA fCRii )1,1(=

Si VS= 1,9 V

inTT

S

LO fCR

R

RVV )(09,2=

RT CT





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Tema 15 - 52

CONVERTIDORES DE FRECUENCIA EN TENSIN (f/V)

Ejemplo: Circuito de aplicacin del LM331





53/53

Tema 15 - 53

CONVERTIDORES DE ANCHURA DE IMPULSO EN TENSIN (PWM/V)

MULTIPLEXORANALGICO

VR

Tensin de

referenciaFILTRO

INTEGRADOR

Variableanalgica

Seal PWM


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