Tema 3: Adaptadores de Señal
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1 [email protected] Tema 3: Adaptadores de Señal Sistema GENERAL de instrumentación ( Sistema GENERAL de instrumentación ( bloques funcionales bloques funcionales ): ): Cada sistema de instrumentación contiene alguno o todos de estos Cada sistema de instrumentación contiene alguno o todos de estos bloques funcionales bloques funcionales Medio Transductor de entrada Sensor primario sensor Adaptación de la señal Transmisión de la señal Filtrado, A/D Amplificación Radio, internet bus de datos Señal eléctrica Señal Almacenamiento Presentación de datos Medida Actuador Transductor de salida Controlador Adaptación de la señal Control
Transcript of Tema 3: Adaptadores de Señal
Tema 3: Adaptadores de Señal Sistema GENERAL de instrumentación (Sistema GENERAL de instrumentación (bloques funcionalesbloques funcionales):):
Cada sistema de instrumentación contiene alguno o todos de estosCada sistema de instrumentación contiene alguno o todos de estos bloques funcionalesbloques funcionales
MedioTransductorde entrada
Sensorprimario
sensor
Adaptación de la señal
Transmisión de la señal
Filtrado, A/DAmplificación
Radio, internetbus de datos
Señal eléctrica
Señal
Almacenamiento
Presentaciónde datos
Medida
ActuadorTransductor
de salida
Controlador
Adaptación de la señal
Control
Adaptadores o acondicionadores de señalAdaptadores o acondicionadores de señal Convierten una señal (eléctrica o no) en una señal eléctrica deConvierten una señal (eléctrica o no) en una señal eléctrica decaracterísticas especialescaracterísticas especiales Al realizar las medidas es importante no quitar mucha energía dAl realizar las medidas es importante no quitar mucha energía del medio el medio ((no perturbarlono perturbarlo) Las señales de los sensores ) Las señales de los sensores son muy débilesson muy débiles
es necesario es necesario amplificarlasamplificarlas AmplificadoresAmplificadores: necesarios para procesar o presentar las señales con la : necesarios para procesar o presentar las señales con la instrumentación estándar (osciloscopios, ordenadores, etc.)instrumentación estándar (osciloscopios, ordenadores, etc.) Adaptación del rangoAdaptación del rango Las señales pueden tener ruido (asociado por ejemplo a la red eLas señales pueden tener ruido (asociado por ejemplo a la red eléctrica: 50 léctrica: 50 Hz) que puede eliminarse utilizando: Hz) que puede eliminarse utilizando: FILTROSFILTROS o INTEGRANDO la señal o INTEGRANDO la señal ConversoresConversores A/D, D/A, etc.A/D, D/A, etc.
La mayoría de estos circuitos están basados en : La mayoría de estos circuitos están basados en : Amplificador Operacional
Tema 3: Adaptadores de Señal
Amplificador: circuito que a la salida proporciona más Amplificador: circuito que a la salida proporciona más potenciapotencia de de la que toma de la señal entrada la que toma de la señal entrada El El Amplificador OperacionalAmplificador Operacional Ideal/Real/Real: :
Se representa como un triánguloSe representa como un triángulo Entrada diferencial y salida simple Entrada diferencial y salida simple Ganancia en tensión infinita: Ganancia en tensión infinita:
G= v1=v2 (10(1055--10101010)) Desde el punto de vista de impedancias:Desde el punto de vista de impedancias: Impedancia de entrada infinita: (Impedancia de entrada infinita: (Rin = ) : ) : 1 M1 M--100 M100 M toma poca toma poca corrientecorriente Impedancia de salida nula: (Impedancia de salida nula: (Rout=0): ): 1010--5050 proporciona mucha proporciona mucha corriente a la salidacorriente a la salida
Sus características no dependen de la frecuencia o la temperatuSus características no dependen de la frecuencia o la temperaturara En él no se produce ni distorsión ni ruidoEn él no se produce ni distorsión ni ruido
G v0=Gvi
vi
v1
v2
+Vcc
-Vcc
Tema 3: Características del AO Ideal/Real
ivGvvGv )( 210
D. Pardo, et al. 1999
El El Amplificador Operacional Amplificador Operacional Real Real El más utilizado es el El más utilizado es el µA 741µA 741 Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la de 8 de 8
pins duales en línea:pins duales en línea: Pin nº 4: Pin nº 4: -- VccVcc = = --10 Voltios y Pin nº 7 10 Voltios y Pin nº 7 + + VccVcc = +10 V de alimentación continua= +10 V de alimentación continua Pin nº 2: Entrada inversora, Pin nº 3: Entrada inversoraPin nº 2: Entrada inversora, Pin nº 3: Entrada inversora Pin nº 6: Salida del AOPin nº 6: Salida del AO
Tema 3: Amplificador Operacional
J. Turner, et al. 1999
Estructura del Estructura del Amplificador Operacional Amplificador Operacional Real Real Tema 3: Amplificador Operacional
VCC
VCC
VCC
-VEE
12 9 138
14
19
18
15
21
23
20
22 24
1 2
34
5
7
6
1011
16
17
R5
R4
R1 R2
R8 R9
R10
39K
5K1K 1K
50K
vi1 vi2CC
50K 100 50K
40K
R6
R7
22
22
Ajuste externo de offset
vo
D. Pardo, et al. 1999
Entradainversora
Entrada noinversora
v1
v2
SalidaEtapas deamplificación
Etapa de salida
SaturaciónVCC=+10V
(típicamente)
-VCC =-10 V(típicamente)
Típicamente:10V/200000
=0.05mV
Pendiente=G
Región deamplificación
v1-v2
v0
Etapa diferencial
Saturación
El El Amplificador Operacional Amplificador Operacional RealReal: : El diseño de un AO real está encaminado a que sus propiedades seEl diseño de un AO real está encaminado a que sus propiedades se aproximen aproximen
a las del ideala las del ideal Los Los límites de amplificaciónlímites de amplificación vienen dados por la alimentación vienen dados por la alimentación dcdc: : Vcc
Constitución interna genérica (en bloques) de un amplificador oConstitución interna genérica (en bloques) de un amplificador operacional real y peracional real y sus características de transferenciasus características de transferencia
Tema 3: Características del AO Real
D. Pardo, et al. 1999
Circuito COMPARADOR: (ejemplo de amplificador sin realimentación)
Se lleva a saturación positiva o negativa de acuerdo con la diferencia de voltajes de entradas
Si Si v1 > v2: Entonces : Entonces v0 = += +VVCCCC =10 V =10 V
Si Si v1 < v2 : Entonces : Entonces v0 = + = + VVCCCC =10 V =10 V
Dado que NO hay realimentación, las entradas NO tienen que estar al mismo voltaje
Amplificador
G
Entradasv1
v0
Salida
v2
+
-
SaturaciónVss=+10V
(típicamente)
-Vss =-10 V(típicamente)
Típicamente:10V/200000
=0.05mV
Pendiente=G
Región deamplificación
v1-v2
v0
Saturación
Tema 3: Aplicación AO sin realimentación sin realimentación
D. Pardo, et al. 1999D. Pardo, et al. 1999
Ejemplo de Circuito Ejemplo de Circuito COMPARADORCOMPARADOR: (amplificador sin realimentación)
Las dos señales que comparamos son:
v2 = 0 (debemos conectarlo a tierra)
v1 es una señal senoidal
De esta manera podemos convertir una señal senoidal en una señal Cuadrada
Hemos visto que se utiliza para obtenerlos Pulsos de sincronismo
del osciloscopio
Amplificador
G
Entradasv1
v0
Salida
v2
+
-
Tema 3: Aplicación AO sin realimentación sin realimentación
Onda cuadrada
Señal en v1
Montar en el Laboratorio
E. Mandado, et al. 1995
D. Pardo, et al. 1999
Normalmente el AO se usa en circuitos con algún tipo de Normalmente el AO se usa en circuitos con algún tipo de realimentaciónrealimentación::
GG es la es la ganancia en lazo abiertoganancia en lazo abierto
Como la ganancia Como la ganancia G del AO es muy elevada: la salida no depende de la del AO es muy elevada: la salida no depende de la ganancia G sino que ganancia G sino que sólo depende de la de la red de realimentación
La La ganancia en lazo cerradoganancia en lazo cerrado::
Tema 3: AO realimentadorealimentado
Amplificador
GEntrada
vi v0
Salida
Amplificador
G
Bloque derealimentación
Entrada
vi vvr
v0
Salida
ivGv 0
0
0
vvvvv
vGv
r
ri
ivG
Gv
10 ivv
1
0
10
ivv
D. Pardo, et al. 1999
ReglasReglas que han de cumplirse en prácticamente todos los que han de cumplirse en prácticamente todos los circuitos de AO circuitos de AO “ideales”“ideales” con realimentación externa:con realimentación externa: Regla nº 1=Regla nº 1= Dado que la ganancia Dado que la ganancia G= G= asumir que no hay asumir que no hay diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada
El AO ajusta El AO ajusta vv00 de modo que la realimentación sea capaz de hacer que (v1de modo que la realimentación sea capaz de hacer que (v1--v2) v2) sea lo más próxima a cero.sea lo más próxima a cero. En caso contrario la salida En caso contrario la salida vv00 tomaría el valor de saturación: tomaría el valor de saturación: +V+VCCCC o o -- VVCCCC
Regla nº 2=Regla nº 2= Debe asumirse que laDebe asumirse que laimpedancia de entradaimpedancia de entrada Rin=Rin=
No entra corriente a ninguna deNo entra corriente a ninguna delas dos entradas del operacional: las dos entradas del operacional:
Tema 3: Aplicaciones AO realimentadorealimentado
21 vv
v2
vx
v0
R1 R2
vy R1 R2
v1 i1
i200
2
1
ii
D. Pardo, et al. 1999
Aplicaciones LINEALESAplicaciones LINEALES:: Ejemplo nº 1:Ejemplo nº 1: Circuito Circuito Amplificador NO INVERSOR
Aplicando las reglasAplicando las reglas
Obtenemos la ganancia:Obtenemos la ganancia:
Caso particular: RCaso particular: R1 1 = = , R, R2 2 == 00 : :
SEGUIDOR DE SEÑAL
aisla la entrada de la salida: puede proporcionar corriente a varios circuitos conectados a la salida sin afectar a la entrada (que puede ser un sensor)
Tema 3: Aplicaciones AO realimentadorealimentado
21 vv 00
2
1
ii
vi v0
R1 R2
1
20 1RR
vv
i
vi v0
Montar en el Laboratorio
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
Aplicaciones LINEALESAplicaciones LINEALES:: Ejemplo nº 2:Ejemplo nº 2:
Circuito Circuito Amplificador INVERSOR
Aplicando las reglasAplicando las reglas
Obtenemos la ganancia:Obtenemos la ganancia:
Si R1=R2 (es sólo Si R1=R2 (es sólo INVERSOR: ganancia = : ganancia = -- 11))
Tema 3: Aplicaciones AO realimentadorealimentado
21 vv 00
2
1
ii
vi
v0
R1 R2
1
20
RR
vv
i
Montar en el Laboratorio
D. Pardo, et al. 1999
vi
v0
Ci2
i1
R Aplicaciones Aplicaciones NO NO LINEALESLINEALES::
Ejemplo nº 3:Ejemplo nº 3:
Circuito Circuito INTEGRADOR:idéntico al Amplificador Inversor en el quela resistencia R2 ha sido sustituida por un condensador
Aplicando las dos reglas :Aplicando las dos reglas :
Obtenemos:Obtenemos:
Tema 3: Aplicaciones AO realimentadorealimentado
21 vv 00
2
1
ii
CdtvCR
v i 1
0
La señal a la salida, a la salida, v0, , es la integral de la es la integral de la
entrada entrada vi y además está y además está invertida (signo invertida (signo -- ))
Montar en el Laboratorio
D. Pardo, et al. 1999
Aplicaciones Aplicaciones NO NO LINEALESLINEALES::
Ejemplo nº 4:Ejemplo nº 4:
Circuito Circuito DIFERENCIADOR
Aplicando las reglas dos reglas, Aplicando las reglas dos reglas,
Obtenemos:Obtenemos:
Tema 3: Aplicaciones AO realimentadorealimentado
21 vv 00
2
1
ii
vi
v0
Ri2
C
iC
dtdvCRv i0
La señal a la salida, a la salida, v0, , es la derivada de la es la derivada de la
entrada entrada vi y además está y además está invertida (signo invertida (signo -- ))
Montar en el Laboratorio
D. Pardo, et al. 1999
vi
v0
Ci2
i1
R Aplicaciones Aplicaciones NO NO LINEALESLINEALES:: Ejemplo nº 3:Ejemplo nº 3: Circuito Circuito INTEGRADOR
Aplicando las reglas dos reglasAplicando las reglas dos reglas
Obtenemos:Obtenemos:
Ejemplo nº 4:Ejemplo nº 4: Circuito Circuito DIFERENCIADOR
Aplicando las reglas dos reglas, obtenemos:Aplicando las reglas dos reglas, obtenemos:
Tema 3: Aplicaciones AO realimentadorealimentado
21 vv 00
2
1
ii
CdtvCR
v i 1
0
vi
v0
Ri2
C
iC
dtdvCRv i0
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
Circuito COMPARADOR: (ejemplo de amplificador sin realimentación) Se lleva a saturación positiva o negativa de acuerdo con la diferencia de voltajes de entradas Si Si v1 > v2: Entonces : Entonces v0 = += +VVCCCC =10 V =10 V Si Si v1 < v2 : Entonces : Entonces v0 = + = + VVCCCC =10 V =10 V
Dado que NO hay realimentación, las entradas NO tienen que estar al mismo voltaje
Ejemplo Comparador: v2=0 y v1 senoidal: convertimos una señal senoidal en una señal cuadrada Pulsos de sincronismo
del osciloscopio
Amplificador
G
Entradasv1
v0
Salida
v2
+
-
SaturaciónVss=+10V(típicamente)
-Vss =-10 V(típicamente)
Típicamente:10V/200000
=0.05mV
Pendiente=G
Región deamplificación
v1-v2
v0
Saturación
Tema 3: Aplicación AO sin realimentación sin realimentación
Onda cuadrada
Señal en v1
E. Mandado, et al. 1995
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
AgradecimientosAgradecimientos Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada. Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada.
Universidad de Salamanca.Universidad de Salamanca.
Figuras cortesía deFiguras cortesía de Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Universidad de Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Universidad de
Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio Editorial.1999.Editorial.1999.
J. J. TurnerTurner, M. Hill. “, M. Hill. “InstrumentationInstrumentation forfor EngineersEngineers andand ScientistsScientists”. ”. Oxford Oxford UniversityUniversity PressPress.1999..1999.
