T4 Instru

IE

Acondicionamiento de señal (I)

● Introducción

● Puente de Wheatstone

Estructura y propiedades básicas

Conexión remota de la alimentación

Puentes con RTDs

Puentes con galgas

Conexión remota del sensor

● Otros circuitos de adaptación

1

IE

● Amplificadores

De instrumentación

De aislamiento

2

IE

Introducción

– La salida de los sensores no es casi nunca adecuada para se presentada

o procesada por un equipo digital.

– El acondicionamiento de señal es la transformación de la señal del sensor

en una señal apta para ser procesada, registrada o enviada.

– Dentro del acondicionamiento podemos incluir:

Amplificación

Filtrado

Linearización

Modulación y demodulación

etc.

3

IE

Puente de Wheatstone

Estructura y propiedades básicas

– Ideado por Charles Wheatstone en 1844. Permite medir una R desconocida

a partir de 3 resistencias conocidas.

Medida por comparación, puente en equilibrio

4

IE Puente …

Puente de Wheatstone, Medidas por deflexión

La señal de salida nos informa de la R, y por tanto de la magnitud de la que ésta dependa

En la mayor parte de los casos se requiere que la salida sea

nula cuando el valor de la resistencia R es R . Por ello:

x 0

Además es habitual hacer R =R

0 3

y R =R , llamando r a la relación con R

1 2 0

Con ello nos queda:

5

IE Puente …

Linealidad y error

Vemos que la salida no es lineal con el cambio

6

IE Puente …

Sensibilidad

Sensibilidad

Pendiente de la salida

Sensibilidad

normalizada

en la aprox.

lineal

¡ Compromiso entre sensibilidad y linealidad !

7

IE Puente …

Referencias de tensión

Es importante que la tensión de alimentación del puente sea estable. De lo contrario induce

errores en la medida. Para alimentar el puente podemos usar una refencia de tensión,

circuitos que dan un voltaje DC de alta precisión, siempre que no se les exiga mucha

intensidad (20 mA)

8

IE Puente …

Referencias de tensión

Si el puente exige más intensidad se puede utilizar este esquema:

OJO en la elección de Rs

debe cuidarse de que Iref

esté dentro de los límites

marcados por el fabricante

9

IE Puente …

Equilibrado y calibrado del puente

Equilibrado:

Puesta a 0 de la salida en

reposo.

Necesario si no se cumplen

las condiciones ideales

Calibrado del puente

Medida de la sensibilidad, cuando la razón entre resistencias es desconocida

y difícil de medir. Para ello usamos una resitencia de calibración, Rc, en

paralelo con la resistencia de medida, que activaremos midiendo el voltaje a

la salida. De allí se puede obtener la sensibilidad.

10

IE Puente …

Conexión remota de la alimentación

Si la alimentación no está cerca del puente y la corriente es apreciable, la

caída de tensión en los cables puede inducir un error en la medida. En

estos casos, se pueden poner circuitos que compensen esta caída para

mantener una tensión constante. Por ejemplo, algunos circuitos que

trabajan con puentes tienen:

– dos conexiones para medir el voltaje a la salida del puente

– dos conexiones para alimentar el puente (EX+, EX-)

– dos conexiones para medir la alimentación del puente

El circuito internamente intenta compensar

Ejemplo de NI-Tutorial-11488,

circuito de medida NI 9237

11

IE Puente …

Conexión remota alimentación: Esquema interno

Un ejemplo de cómo podría estar hecho tal circuito es el siguiente (Cap. 4 de Op Amp

applications de Analog Devices)

OJO

– VB tiene que ser estable

– Puede que se necesiten

buffer a la salida de los

amplific.

– Los amplificadores deben

tener alimentación negativa

(-FORCE puede ser negativa)

12

IE Puente …

Puentes con RTDs

Podemos aplicar las ideas anteriores al caso de una RTD.

Salida

Error

Sensibilidad

13

IE Puente …

Puentes con galgas

El puente se puede utilizar también con galgas. Podemos usar la fórmula general con:

En este caso se suele hacer r= 1, es decir R1=R2=R3=R0:

δ =Kcon  la elongación l/l

ο

V = V K /4 1/(1+K /2)

s

Aprox lineal: V = V K /4

SL

14

IE Puente …

Otras configuraciones de galgas

V = V K /2

SL

Puente completo

V = V K

SL

15

IE Puente …

Error de linealidad en la configuración básica

Error de linealidad en la configuración básica

16

IE Puente …

Conexión remota del sensor

Las galgas (o RTD) suelen estar lejos del puente. Los cables de conexión pueden introducir

un error debido a su resistencia. El efecto se puede compensar con el equilibrado, pero si

cambia la temperatura por ejemplo, los cambios en la conexión se pueden interpretar

erróneamente como cambios en la elongación. Una conexión a 3 hilos mejora el resultado:

17

IE Puente …

Conexión a 3 hilos: medida doble

Si podemos realizar varias medidas, también es posible eliminar el efecto de los cables:

Por ejemplo:

conectando al puente el cable cafe y azul, medimos R(t) + 2 Rc

conectando al puente los cables azul y verde medimos 2 Rc

restando la medida eliminamos el efecto de Rc

es importante que todos los cables tengan la misma resistencia (no es difícil si

tenemos la misma longitud y el mismo tipo de cable de conexión)

18

IE

Otros circuitos de adaptación

– Un simple divisor resistivo puede servir en ocasiones: tomando dos medidas y su cociente,

o una sola medida (de R. Pallás, Sensores y acondicionamiento de señal).

+ Si R similares, los errores del – En muchos sensores, las variaciones de

voltímetro tienden a cancelarse tensión son pequeñas en comparación con el

– Difícil hacer dos medidas de forma valor en reposo. Los errores en la medida de

automática tensión se traduce directamente en el

resultado.

Es más fácil medir tensiones pequeñas que

diferencias con respecto a una tensión

grande => puente de Wheastone

19

IE Otros circuitos …

Otros circuitos con RTD

En el caso de RTDs se utilizan otros circuitos

+ La salida ya es lineal

– Es necesario una buena

estabilidad temporal y baja

deriva térmica de las R del

circuito

20

IE Otros circuitos …

Otros circuitos con RTD

21

IE Otros circuitos …

Otros circuitos con RTD: uso de

referencias de I y conexión a 4 hilos

Suponiendo I1=I2=I, Rw1= Rw2

22

IE

Amplificadores

Recordatorio AO:

AO ideal

– A -> infinito.

d

– Impedancia de salida nula.

– Impedancia de entrada infinita.

– Ancho de banda infinito.

Sin embargo, los amplificadores reales no cumplen estas características.

A la salida aparecerá la señal deseada junto con otras adicionales. En

sistemas de instrumentación, la señales suelen ser de nivel muy bajo, por

lo que cobra vital importancia reducir el efecto del ruido externo (para ello

amplificamos la señal), así como el efecto de la no idealidad del

amplificador.

23

IE Amplificadores

Configuraciones básicas con el AO:

Inversor No inversor

Sumador – Restador Integradora

24

IE Amplificadores

Configuraciones básicas con el AO:

Derivadora Conversión V-I

Conversión I-V

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IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– A finita: No suele ser un problema importante, A grande

d d

– Impedancia de entrada finita: tampoco suele dar problemas

R centenas de K hasta miles de M

id

26

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Impedancia de salida no nula: de 40 a 100 , menor en los de potencia

No suele ser un problema grave, por el error que induce, salvo en los

casos en que se requiera una potencia elevada a la salida

27

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Tensión de desviación de entrada (input offset voltage):

Vio: de signo desconocido, se puede colocar en cualquier entrada según convenga

Para el sistema es una entrada más y se amplifica con ella.

FET: 1 a 20mV, Bipolar: 0,1 a 2 mV

Muy importante en sistemas de medida:

– Elegir amplificadores de bajo offset

– Compensar el offset

Ojo a T: Vio depende de T

Comportamiento dinámico:

puede empeorar

Cambios a lo largo de la vida del operacional

28

– Bloquear señales continuas si mido en alterna

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Corrientes de polarización (input bias current)

Relacionados con los valores de las corrientes que circulan por las entradas. Los

fabricantes sólo dan el valor medio (input bias bias current, I ) y su diferencia en módulo

B

(input offset current, I ). No es posible saber cuál es mayor.

io

–

I

B2

R

th- +

R , R son las impedancias

th+ th-

R I

B1 equivalentes vistas desde los nudos

th+

+ y –

Sus efecto son similares a las tensión de desviación de entrada:

– Puede intentar compensase: R =R , Rth bajos

th+ th-

– Siempre existirá deriva térmica y cambio con el tiempo.

29

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

Caso del AO inversor

R2

R1

–

I

B2

+

R3 I

B1

El efecto de I se anula si:

B

30

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Factor de rechazo del modo común (Common Mode Rejection Ratio)

Un sistema real también amplifica el voltaje en modo común, definido como la media del

voltaje de sus dos entradas (Ac ganancia en modo común).

A su relación con la ganancia diferencial se le llama factor de rechazo en modo común

(CMRR)

Es importante si los voltajes de entrada son elevados 31

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

32

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Razón de rechazo de la alimentación (Power Supply Rejection Ratio)

Representa el efecto en la salida del ruido en la alimentación a frecuencias bajas. Se

suele expresar como: Relevante en sistemas alimentados con batería

33

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Ancho de banda (bandwidth) y producto ganancia-anchura de banda

(gain bandwith)

La ganancia de un operacional depende de la frecuencia. Nos interesa sobre todo el

efecto en el caso de tener una realimentación (factor β)

B=  B

0dB

B ancho de banda a ganancia

0dB

unidad (unity gain bandwidth)

Ganancia-ancho de banda (gain

bandwidth) o GBW: expresado en

Herzios, se mantiene cte en una

etapa con AO

Es necesario tener en cuenta también los conceptos de margen de fase y margen de

ganancia para asegurar la estabilidad.

Baja ganancia: mejor usar amplificadores compensados; alta ganancia, mejor no

compensados. 34

OJO: CMMR y PSRR también decrecen con la frecuencia.

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Slew rate:

Relacionado también con la rapidez de respuesta del circuito, pero en este caso no está

relacionado con pequeñas señales sino que es válido para cualquier tipo de señal.

Para una onda sinusoidal de amplitud V:

En una onda sinusoidal observaremos distorsión si se supera la pendiente del SR.

En una onda cuadrada siempre habrá distorsión en los bordes 35

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

– Ruido interno:

Un amplificador tiene en su salida un nivel de tensión con un amplio espectro de frecuencias

(ruido basal) incluso con las entradas a masa y con todas los ajustes de desviaciones

hechos. Este ruido se añade a la señal deseada y degrada la relación señal/ruido de la

entrada. Se mide en V/ sqrt(Hz), si bien se puede dar también una componente directamente

en voltaje

a) Ruido térmico (también llamado Johnson o blanco), se produce en cualquier elemento con

comportamiento resistivo. Espectro plano, crece con la temperatura.

b) Ruido de parpadeo (o flicker o ruido 1/f): decrece con la frecuencia. Aparece en

componentes activos y resistencias de carbón.

c) Ruido de golpeteo (shot noise): distribución espectral plana, crece con la corriente que

circula y es debido al movimiento aleatorio de los electrones.

d) Burst noise, a baja frecuencia < 100Hz debido a impurezas en uniones PN.

e) Ruido de transición:

f) Ruido de avalancha, en las uniones que trabajan cerca de la zona de avalancha.

36

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

El ruido interno se puede modelar como una fuente de tensión e intensidad.

Hay que tener en cuenta que cada componente tiene su ruido, y que su

efecto hay que sumarlo cuadráticamente (en RMSE) y tener en cuenta el

factor de ganancia (MT-047, MT-050 Analog Devices).

I

N –

+

I

N

Rango típicos: Para obtener la magnitud, haremos, multiplicamos la densidad espectral

1 fA/√Hz – 10 pA√Hz al cuadrado por el ancho de banda, y luego extraemos la raíz cuadrada:

37

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

Las resistencias tienen también un ruido

interno:

K cte Boltzmann = 1.38 10-23 en el SI

T temperatura absoluta

R resistencia

ENB ancho de banda efectivo de

ruido (Effective Noise Band)

Es un factor, f, por el ancho de banda

del circuito.

f = 1.57 primer orden, 1.11 segundo

orden, etc decreciendo hasta 1

38

IE Amplificadores

Parámetros del AO real

Ejemplo: calcular el efecto del ruido a la salida de este circuito:

10 k

AO:

1 k

– 0.08 V 0.1 a 10 Hz

pp

+ 3 nV/Hz1/2

1 pA/Hz1/2

GBW = 8 MHz

25 ºC

Nota: el ruido a la salida es una componente aleatoria, y se caracteriza por

su RMSE

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IE Amplificadores

Amplificadores de instrumentación

Un amplificador de uso en instrumentación: capacidad de amplificar

elevada, puesto que las señales pueden ser de microvoltios; CMRR

elevado, ya que muchas veces las señales no están referenciadas a tierra.

Un sólo AO no es capaz de cumplir con todos los requisitos.

Amplificador diferencial:

Escribir fórmula: OJO en el

libro mal

Si R3=R1 y R4=R2

El CMRR depende de la condición de igualdad de resistencias.

Para cambiar la ganancia hay que cambiar dos resistencias si queremos mantener la

condición.

La impedancia de entrada no es buena (aprox. R1 y R3+R4 desde v1 y v2), por lo que las 40

impedancias de las fuentes son relevantes y contribuyen al CMRR.

IE Amplificadores

Amplificadores diferenciales

A pesar de ello los amplificadores diferenciales son el primer paso en el

desarrollo de amplificadores de instrumentación

Si RefA y Ref B se interconectan a la masa de

las fuentes, el circuito puede trabajar con

elevado modo común

Aplicaciones: fuentes de corrientes controladas por tensión,

convertidors V/I e I/V para bucles de 4-20 mA; filtros activos;

inversores de ganancia 1, no-inversores de ganancia 1, 2 o 0.5 sin 41

uso componentes externos.

IE Ampllifiifcicaaddoorerses

Concepto de AI

Amplificador de instrumentación (concepto general): un

amplificador de instrumentación (AI) es un amplificador diferencial de

tensión optimizado para ámbientes hostiles (cambios en T, ruido

eléctrico). Deben ser capaces de trabajar con sensores de

resistencia interna apreciable, señales eléctricas muy débiles.

42

IE Ampllifiifcicaaddoorerses

AI con dos operacionales

Amplificador de instrumentación con dos operacionales:

Las entradas presentan un alta impedancia

y además igual en ambas.

Rg es externa y permite obtener la

ganancia. La condición de CMRR infinito es

la misma que en el caso anterior. R5 sirva

para ajustarla en DC, C en alterna.

Bajo margen de entrada en modo común.

A1 puede saturarse pues ofrece una

ganancia (R3+R4+R5)/(R4+R5). Si hacemos

R3 pequeño, no se pueden obtener

pequeñas G con CMRR bajo.

G > 1 siempre

43

IE Amplificadores

AI con tres operacionales

– Consta de dos etapas: la de entrada permite impedancias de entrada elevadas

e iguales, y presenta impedancias bajas e iguales a la siguiente etapa, que

funciona básicamente como un amplificador diferencial.

– El CMRR depende de la igualdad entre las dos R2 y las dos R3.

44

– La ganancia se puede modificar con R1 y Rg sin afectar al CMRR

IE Amplificadores

AI con tres operacionales: CMRR

Nota sobre el CMRR (obtenido del libro de Pallás):

Utilizando como referencia esta figura:

45

IE Amplificadores

AI con tres operacionales: CMRR

Con resistencias no están apareadas y AO no son ideales, se tiene

donde G= 2 R1/R2=2 R3/R2, CMMR1, 2 y 3 son los factores de rechazo de

cada amplificador (expresados como número, NO en dB), y CMMRR es

R

Algunas consecuencias:

– Si se pone una R ajustable R7 se puede hacer no sólo CMMRR 0, sino que se

R

puede compensar el CMRR total

– El efecto de una tolerancia en el CMMRR se puede evaluar como:

R

46

IE Amplificadores

AI monolíticos

– Debido a la importancia del apareamiento de resistencias, se construyen AI

monolíticos con resistencias de alta precisión

– Existen también amplificadores de ganancia programable. Mediante valores en

los pines o registros internos se puede controlar la configuración de las

resistencias internas

En algunos

casos depende

de R externas

tambien.

OJO a la RON

de los

interruptores

internos

47

IE Amplificadores

Parámetros de los AI

Muchos son similares a los de los AO. Comentamos algunos aspectos:

– Ganancia (G) y su margen en el que puede estar (gain and gain range).

– Error de la ganancia (gain error): para una R constante.

G

– Deriva de la ganancia (gain drift): con la temperatura

– Tensión de desviación (offset voltage). El concepto general es similar a los AO.

No obstante, en este caso se puede referir a la entrada RTI (Referred to Input) o a

la salida RTO (Referred to Output). En el primer caso, para calcular su efecto en la

salida hay que multiplicar por la ganancia.

En realidad, la desviación tiene dos componentes, el de la primera etapa y el de la

segunda. Si lo expresamos como RTI:

Vio = Vio1 + Vio2/G

– Deriva térmica de la tensión de desviación (offset voltage drift): se suele referir a

la entrada 48

IE Amplificadores

Parámetros de los AI

– Corrientes de polarización de entrada y de desviación (bias and offset input

currents). Similar al parámetro de los AO.

En aplicaciones con sensores sin ningún terminal conectado a masa, es necesario dar un

camino a las corrientes desde cada entrada a masa. Si no, las entradas pueden quedar a un

potencial flotante que puede exceder el rango admitido de modo común. Se recomienda que

la impedancia sea similar, pero aún en este caso la corriente de desviación ocasiona una

tensión de desviación:

49

IE Amplificadores

Parámetros de los AI

– Derivas térmicas de las corrientes de polarización y desviación (bias and offset

current drift).

– Tiempo de establecimiento (settling time): tiempo necesario para que la salida

se diferencie sólo en un 0.1 % o 0.01% del valor final. Es dependiente del ancho

de banda y de la ganancia:

ST (0,1%) = 22 s para G=1, 100 s para G=100

– Producto ganancia – ancho de banda (GBW): en los amplificadores de

instrumentación suele ser bajo, ya que la mayoría son para aplicaciones en

continua o baja frecuencia.

– Razón de rechazo de modo común CMRR.

50

IE

Amplificadores de aislamiento

Un amplificador de aislamiento es un sistema que permite una separación

galvánica entre la entrada y la salida. Su objetivo es distinto de un AO o

un AI (aunque pueden llevar asociados una etapa de amplificación).

Es necesario utilizarlos cuando podemos tener grandes voltajes en modo

común que un AI no va a soportar. Aunque el CMRR de los AI sea alto y

la salida no se vea afectada, existe un límite en el voltaje de modo común

que soporta el AI.

Hay que tener en cuenta que a veces los sistemas están referenciados a

la tierra de la red eléctrica. Dos tierras separadas varios metros pueden

estar a voltajes muy diferentes.

Son circuitos de tecnología híbrida (no son chip

integrados, sino que se mezclan varias tecnología

de fabricación). Por ello tienen un coste elevado.

51

IE Amplificadores

Aplicaciones de los amplificadores de aislamiento

Aplicaciones:

– Cuando existan niveles de modo común en la entrada muy elevados

(OJO a las tierras de la red).

– Para evitar que los potenciales de los circuitos electrónicos se

transfieran a los sensores en contacto con el cuerpo humano

(aplicaciones biomédicas).

– En cualquier aplicación en la que se necesite un aislamiento entre los

circuitos de entrada y salida.

52

IE Amplificadores

Tipos de amp. Aislamiento por la alimentación

– Dos puertos: El dispositivo queda dividido en dos islas aisladas entre sí, y alimentadas

de forma independiente y aislada (acoplo capacitivo u óptico), o con una sola fuente de

salida con su masa referida al circuito de salida (acoplo inductivo).

– Tres puertos: una sola fuente aislada de las otras dos partes del circuito alimenta

mediante un pequeño convertidor CC/CC con trasnformador al resto. Pueden lograr

aislamientos de hasta 2500 V entre las masas de entrada y salida.

53

IE Amplificadores

Tipos de ampl aislamiento por el tipo de acoplo

– por acoplamiento capacitivo

– por acoplamiento óptico

– por acoplamiento magnético (mediante transformador)

Acoplamiento capacitivo:

+ Tensiones de aislamiento entre 1500 y 2000 V, anchos de banda hasta

80 Khz.Buena precisión de la ganancia a un coste bajo.

– Rizado en la salida

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IE Amplificadores

Amplif aislamiento: Acoplamiento óptico

Buena linealidad y estabilidad en la ganancia, aislamiento de 800 V ancho de banda de 60

Khz.

Se puede hacer con componentes discretos, incorporando fibra óptica con lo que se

separa y se mejora el aislamiento. 55

IE Ampllifiifcicaaddoorerses

Amplif aislamiento: Acoplamiento magnético

Altas tensiones de aislamiento, 2000V y buena linealidad

56

Sólo aptas para baja frecuencia (< 5 KHz)

IE Amplificadores

Parámetros de los amplif aislamiento

– Muchos parámetros se interpretan de forma análoga a los AO.

– Existen además las impedancias de aislamiento (R , C ), que indican

ISO ISO

la separación galvánica entre las dos referencias de la etapa de entrada y

la de salida.

– También de suele dar el IMRR (Isolation Mode Rejection Ratio), que

indica el error en la salida debido al voltaje en la barrera de aislamiento

(entre las dos referencias): V /IMRR

ISO

Nota: a veces IMRR expresa en A/V y se refiere a la corriente en el

circuito (ver hojas de características).

– Si las entradas son diferenciales (no están referidas a masa de entrada),

los voltajes en modo común se aplican respecto de la masa de salida y

aparecen en el AA como V . Esto es conveniente ya que IMRR > CMRR

ISO

en muchas ocasiones, soportando tensiones de miles de voltios.

57

IE Amplificadores

Amplif de aislamiento: conexiones

OJO los AA son componentes

complejos. Es especialmente

importante leer las hojas de

características:

– Cómo se han de hacer las

conexiones en general y la

separación galvánica

– Precauciones en el trazado

del circuito impreso

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IE Amplificadores

Amplif de aislamiento: Burr-Brown 3650

Efecto de los

voltajes en modo

común y de

aislamiento

Nota: el primer

factor es la

ganancia

59

IE Amplificadores

Amplif de aislamiento: Burr-Brown 3650

Efecto de voltajes de offset y corrientes de polarización

60

IE Amplificadores

Amplif de aislamiento: Burr-Brown 3650

Ejemplos de aplicaciones: medida de corriente y voltaje de motor

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IE Amplificadores

Amplif de aislamiento: Burr-Brown 3650

Ejemplos de aplicaciones: aplicación biomédica

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