Tema 3: Adaptadores de Señal - OCW Usal

Tema 3: Adaptadores de Señal
 Sistema
GENERAL de instrumentación (bloques funcionales):
sensor
Señal
Medio
Sensor
primario
Transductor
de entrada
Filtrado, A/D
Amplificación
Radio, internet
bus de datos
Adaptación
de la señal
Transmisión
de la señal
Señal eléctrica
Medida
Controlador
Presentación
de datos
Actuador
Transductor
de salida
Adaptación
de la señal
Almacenamiento
Control
Cada sistema de instrumentación
contiene alguno o todos de estos bloques funcionales
[email protected]
1
Tema 3: Adaptadores de Señal

Adaptadores o acondicionadores de señal
 Convierten una señal (eléctrica o no) en una señal eléctrica de
características especiales
Al realizar las medidas es importante no quitar mucha energía del medio
(no perturbarlo)
Las señales de los sensores son muy débiles

es necesario amplificarlas
Amplificadores: necesarios para procesar o presentar las señales con la
instrumentación estándar (osciloscopios, ordenadores, etc.)


Adaptación del rango
Las señales pueden tener ruido (asociado por ejemplo a la red eléctrica: 50
Hz) que puede eliminarse utilizando: FILTROS o INTEGRANDO la señal


Conversores A/D, D/A, etc.
La mayoría de estos circuitos están basados en : Amplificador
Operacional

[email protected]
2
Tema 3: Características del AO Ideal/Real
Amplificador: circuito que a la salida proporciona más potencia de
la que toma de la señal entrada
 El Amplificador Operacional Ideal/Real:

+Vcc
v 0  G (v1  v 2 )  G v i
v1
Se representa como un triángulo
vi
 Entrada diferencial y salida simple
 Ganancia en tensión infinita:
v2
G= 
v1=v2
(105-1010)
 Desde el punto de vista de impedancias:
 Impedancia de entrada infinita: (Rin
= ) : 1 M-100 M
(

corriente
 Impedancia de salida nula: (Rout=0
): 10-50
(
corriente a la salida
v0=Gvi
G
-Vcc
D. Pardo, et al. 1999
toma poca
proporciona mucha
Sus características no dependen de la frecuencia o la temperatura
 En él no se produce ni distorsión ni ruido

[email protected]
3
Tema 3: Amplificador Operacional

El Amplificador Operacional Real
El más utilizado es el µA 741
 Viene en una gran variedad de empaquetados, la mas usual es la de 8
pins duales en línea:

Pin nº 4: - Vcc = -10 Voltios y Pin nº 7 + Vcc = +10 V de alimentación continua
 Pin nº 2: Entrada inversora, Pin nº 3: Entrada inversora
 Pin nº 6: Salida del AO

[email protected]
J. Turner, et al. 1999
4
Tema 3: Amplificador Operacional

Estructura del Amplificador Operacional Real
VCC
12
9
8
13
14
vi1
15
vi2
1
2
vo
18
3
R5
4
21
40K
39K
20
23
VCC
7
22
R7
R10
VCC
22
R6
19
CC
16
5
11
10
6
17
50K
R8
R4
5K
1K
R1
1K
R2
50K
22
24
R9
100
50K
-VEE
[email protected]
Ajuste externo de offset
D. Pardo, et al. 1999
5
Tema 3: Características del AO Real

El Amplificador Operacional Real:



El diseño de un AO real está encaminado a que sus propiedades se aproximen
a las del ideal
Los límites de amplificación vienen dados por la alimentación dc: Vcc
Constitución interna genérica (en bloques) de un amplificador operacional real y
sus características de transferencia
v0
VCC=+10V
Entrada no
inversora
v1
v2
(típicamente)
Etapas de
amplificación
Etapa diferencial
Pendiente=G
v1-v2
Salida
Etapa de salida
Región de
amplificación
Típicamente:
10V/200000
=0.05mV
Entrada
inversora
-VCC =-10 V
(típicamente)
Saturación
D. Pardo, et al. 1999
Saturación
[email protected]
6
Tema 3: Aplicación AO sin realimentación
Circuito COMPARADOR: (ejemplo de amplificador sin
realimentación)

Se lleva a saturación positiva o negativa de acuerdo con la diferencia de
voltajes de entradas

v0


Saturación
Vss=+10V
Si v1 > v2: Entonces v0 = +VCC =10 V
(típicamente)
Pendiente=G
Si v1 < v2 : Entonces v0 = + VCC =10 V
v1-v2
Región de
amplificación
Entradas
v1
+
Amplificador
v2
-
G
Típicamente:
10V/200000
=0.05mV
Salida
v0
-Vss =-10 V
(típicamente)
D. Pardo, et al. 1999
Saturación
D. Pardo, et al. 1999
Dado que NO hay realimentación, las
entradas NO tienen que estar al mismo voltaje

[email protected]
7
Tema 3: Aplicación AO sin realimentación

Ejemplo de Circuito COMPARADOR:
COMPARADOR (amplificador sin realimentación)

Las dos señales que comparamos son:
Entradas
v1

Amplificador
v2 = 0 (debemos conectarlo a tierra)
v2

+
Salida
G
-
v1 es una señal senoidal
v0
D. Pardo, et al. 1999
Montar en el Laboratorio
De esta manera podemos convertir una señal senoidal en una señal
Cuadrada
Hemos visto que se utiliza para obtener
los Pulsos de sincronismo
del osciloscopio
Señal en
v1
Onda
cuadrada
E. Mandado, et al. 1995
[email protected]
8
Tema 3: AO realimentado
 Normalmente el AO se usa en circuitos con algún tipo de realimentación:
Entrada
Entrada
vi
Amplificador
G
vi
Salida
G
v0
Bloque de
realimentación

v0 G vi
v 0 G v
v  vi  vr
vr   v0

v
Salida
vr
v0
D. Pardo, et al. 1999

Amplificador
G
v0 
vi
1  G
v0 
1

vi
G es la ganancia en lazo abierto
Como la ganancia G del AO es muy elevada: la salida no depende de la
ganancia G sino que sólo depende de la  de la red de realimentación

La ganancia en lazo cerrado:
[email protected]
v0 1

vi 
9
Tema 3: Aplicaciones AO realimentado
Reglas que han de cumplirse en prácticamente todos los
circuitos de AO “ideales” con realimentación externa:

Regla nº 1= Dado que la ganancia G= 
asumir que no hay
diferencia de voltaje entre los dos terminales de entrada

v1  v 2
El AO ajusta v0 de modo que la realimentación sea capaz de hacer que (v1-v2)
sea lo más próxima a cero.
 En caso contrario la salida v0 tomaría el valor de saturación: +VCC o - VCC

R1
Regla nº 2= Debe asumirse que la
impedancia de entrada Rin= 

No entra corriente a ninguna de
las dos entradas del operacional:
[email protected]
R2
vx
i1
i1  0
i2  0
v1
v2
v0
i2
vy
R1
D. Pardo, et al. 1999
10
R2
Tema 3: Aplicaciones AO realimentado

Aplicaciones LINEALES:

Ejemplo nº 1:

Circuito Amplificador NO INVERSOR

Aplicando las reglas
v1  v 2
i1  0
i2  0


Obtenemos la ganancia:
vi
v0
R1
R2
D. Pardo, et al. 1999
Montar en el
Laboratorio
v0
R
 1 2
vi
R1
Caso particular: R1 = , R2 = 0 :
vi
v0
SEGUIDOR DE SEÑAL
D. Pardo, et al. 1999
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)
[email protected]
11
Tema 3: Aplicaciones AO realimentado

Aplicaciones LINEALES:

Ejemplo nº 2:
R1

Circuito Amplificador INVERSOR

Aplicando las reglas
v1  v 2

Obtenemos la ganancia:

R2
vi
v0
i1  0
i2  0
D. Pardo, et al. 1999
v0
R
 2
vi
R1
Montar en el
Laboratorio
Si R1=R2 (es sólo INVERSOR: ganancia = - 1)
[email protected]
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Tema 3: Aplicaciones AO realimentado

Aplicaciones NO LINEALES:
R

Ejemplo nº 3:
vi
Circuito INTEGRADOR:
idéntico al Amplificador Inversor en el que
la resistencia R2 ha sido sustituida por un
condensador

C
i2
i1
v0
D. Pardo, et al. 1999

Aplicando las dos reglas :
v1  v 2

i1  0
i2  0
Obtenemos:
v0  
1
v i dt  C

RC
Montar en el
Laboratorio
La señal a la salida, v0,
es la integral de la
entrada vi y además está
invertida (signo - )
[email protected]
13
Tema 3: Aplicaciones AO realimentado

Aplicaciones NO LINEALES:

i2
Ejemplo nº 4:


R
vi
iC
Circuito DIFERENCIADOR
Aplicando las reglas dos reglas,
v1  v 2

C
v0
i1  0
i2  0
D. Pardo, et al. 1999
Montar en el
Laboratorio
Obtenemos:
dv i
v 0  R C
dt
La señal a la salida, v0,
es la derivada de la
entrada vi y además está
invertida (signo - )
[email protected]
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Tema 3: Aplicaciones AO realimentado

Aplicaciones NO LINEALES:

Ejemplo nº 3:


C
R
i2
vi
Circuito INTEGRADOR
i1
Aplicando las reglas dos reglas
i1  0
v0
v1  v 2 i 2  0


Obtenemos:
D. Pardo, et al. 1999
1
v0  
v i dt  C

RC
i2
Ejemplo nº 4:


Circuito DIFERENCIADOR
C
vi
R
iC
Aplicando las reglas dos reglas, obtenemos:
v 0  R C
v0
dv i
dt
D. Pardo, et al. 1999
[email protected]
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Tema 3: Aplicación AO sin realimentación

Circuito COMPARADOR: (ejemplo de amplificador sin realimentación)
 Se lleva a saturación positiva o negativa de
v0
Saturación
acuerdo con la diferencia de voltajes de entradas


Si v1 > v2: Entonces v0 = +VCC =10 V
Si v1 < v2 : Entonces v0 = + VCC =10 V
Dado que NO hay realimentación, las
entradas NO tienen que estar al mismo voltaje
Vss=+10V
(típicamente)
Pendiente=G

v1-v2
Región de
amplificación
Típicamente:
10V/200000
=0.05mV
Entradas
v1
+
-Vss =-10 V
Amplificador
v2
-
G
Salida
v0
(típicamente)
Saturación
D. Pardo, et al. 1999
D. Pardo, et al. 1999
Ejemplo Comparador: v2=0 y v1 senoidal:
convertimos una señal senoidal en una señal
cuadrada
Pulsos de sincronismo
del osciloscopio

[email protected]
Señal en
v1
Onda
cuadrada
E. Mandado, et al. 1995
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
Agradecimientos


Daniel Pardo Collantes. Departamento de Física Aplicada.
Universidad de Salamanca.
Figuras cortesía de


Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., Universidad de
Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio
Editorial.1999.
J. Turner, M. Hill. “Instrumentation for Engineers and Scientists”.
Oxford University Press.1999.
[email protected]
17