PRÁCTICA 2 Acondicionamiento de señal I

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Práctica 2. Acondicionamiento de señal
PRÁCTICA 2
n
Acondicionamiento de señal I
t
s
1 Objetivo.
El objetivo de esta práctica es presentar al alumno diferentes circuitos de adaptación de medida, y poner de
manifiesto la importancia de la función de transferencia de dichos circuitos. En concreto se pretende hacer
ver al alumno lo importante que es disponer de una función de transferencia lineal en estos circuitos.
Por otra parte se profundizará en el uso de elementos que se emplearán en muchas de las sesiones prácticas
como son: potenciómetros, fuentes de tensión, multímetros, etc.
Por último se pretende poner de manifiesto las diferencias entre las representaciones esquemáticas de los
circuitos empleados y los montajes reales de los mismos.
Se presenta a continuación una breve introducción teórica de cada uno de los bloques que componen la
práctica.
Á
D
2 Introducción.
2.1 Divisor resistivo.
D
En la Ilustración 1 se representa el circuito correspondiente a un divisor resistivo
E
U
h
Ilustración 1. Esquema de un divisor resistivo.
Una de las formas más simples de construir un divisor resistivo es mediante un potenciómetro. Los
potenciómetros pueden funcionar de dos formas distintas: como reostatos o como divisores resistivos. En el
primer caso, se desea que la resistencia del potenciómetro sea ajustable a voluntad, pero no se desea
establecer una salida adicional del mismo, en ese caso, se cortocircuitan ó unen dos de las tres patas del
potenciómetro, de forma que se comporta como una resistencia variable de dos terminales. En el segundo
caso, lo que se tiene son dos resistencias en serie, de forma que la suma de los valores de ambas resistencias
es siempre igual al valor total del potenciómetro, las ecuaciones que describen este comportamiento son las
siguientes:
R1 = X  Rmax
R2 = 1  X   Rmax
Ecuación 1. Ecuaciones del potenciómetro como divisor resistivo.
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Donde Rmax es el valor resistivo máximo del potenciómetro y X la “fracción” de giro completado del tornillo hasta llegar al
final de escala.
2.1.1 Adaptación de señal mediante divisor resistivo.
Sea un sensor tal que variaciones en la magnitud física a la que es sensible provoque variaciones en el valor resistivo del
sensor. Para obtener una señal eléctrica a partir de dicho sensor se puede emplear un divisor resistivo, tal y como se muestra en
la Ilustración 2
Ilustración 2. Adaptación mediante divisor resistivo.
Donde la resistencia variable RS, representa la resistencia que presenta el sensor para un valor dado de la magnitud física a la
que es sensible. La función de transferencia del circuito de la Ilustración 2 es la que se muestra en la Ecuación 2
G RS  =
Vout
RS
=
RS + R1 
Vin
Ecuación 2. Función de transferencia del circuito de adaptación mediante divisor resistivo.
Ilustración 3. G (Rs) para distintos valores de R1.
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La función de transferencia de dicho circuito es claramente no lineal, sin embargo, si se representa G (R S) para distintos
valores de R1 como se muestra en la Ilustración 3, se observa que para valores de R1 >> RS la función de transferencia tiene un
comportamiento próximo al lineal. El inconveniente que presenta trabajar con valores de R 1 >> RS es que se pierde
sensibilidad ya que a medida que aumenta el valor de R1 disminuye la pendiente de G (RS).
2.2 Puente de Wheatstone.
El puente de Wheatstone es un puente constituido por elementos puramente resistivos. La Ilustración 4 muestra el esquema del
circuito que representa a un puente de Wheatstone.
Ilustración 4. Esquema del puente de Wheatstone.
En este circuito las tensiones de entrada son V y Vref, mientras que las tensiones de salida son Va y Vb.
La Ecuación 3 muestra la función de transferencia que liga la diferencia entre las tensiones de salida y la diferencia entre las
tensiones de entrada. Hay que tener en cuenta que esta función de transferencia ha sido obtenida suponiendo que por los nudos
de salida (Va y Vb) no fluye ninguna corriente, término que es correcto en el caso de que se conecte a la entrada de un
amplificador operacional ya que el mismo tiene una impedancia de entrada que puede ser considerada infinita respecto al resto
de impedancias del circuito.
G=

Va  Vb  R3
R4

= 

V  Vref  R1 + R3  R2 + R4  
Ecuación 3. Función de transferencia del puente de Wheatstone.
2.2.1 Adaptación de señal mediante puente de Wheatstone.
El puente de Wheatstone es ampliamente utilizado como circuito de adaptación de señal, para ello una de las resistencias que
forman el puente es sustituida por la resistencia variable asociada al sensor usado para medir la magnitud física, y el resto de
resistencias son escogidas con un valor conveniente. Así, si en el circuito de la Ilustración 4 se hace:
R4 =R S
R1 =R2 =R3 =R
Ecuación 4. Particularización de valores en el puente de Wheatstone.
La función de transferencia del circuito se muestra en la Ecuación 5.
G RS  =
R  RS 
Va  Vb
=
V  Vref
2  RS + R 
Ecuación 5. Función de transferencia para el circuito de adaptación de medida mediante puente de Wheatstone.
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Ilustración 5. G (Rs) para distintos valores de R.
En la Ilustración 5 se muestran curvas de G (RS) para distintos valores de R observándose que para valores de R >> R S la
función de transferencia tiene un comportamiento próximo al lineal. También se observa que al igual que ocurría con la
adaptación mediante divisor resistivo, a medida que aumenta el valor de R se pierde sensibilidad.
Pero por otra parte, aunque la linealidad se deteriora cuando disminuye el valor de las resistencias, la sensibilidad aumenta en
determinados puntos. Por ejemplo, en torno al punto de equilibrio. Este aumento es mayor cuanto menor es el valor de las
resistencias del montaje, por ejemplo, para una resistencia de 1K la pendiente de la curva se hace más pronunciada y para una
resistencia de 10 ohmios se hace casi infinita, cuando se trabaja en un punto cercano al equilibrio, es decir G(Rs)=0. Esto hace
a estos puentes más adecuados para acondicionamiento de sensores con resistencias que experimentan pequeñas variaciones
como es el caso de las galgas extensométricas. Otro aspecto interesante que se observa de la gráfica es que, dado un valor fijo
de resistencia del sensor Rs, la resistencia R que proporciona la máxima sensibilidad es justamente igual a Rs. Por ejemplo, si
se analizan las pendientes de las curvas para un valor de Rs=1k, se observa que la curva que tiene mayor pendiente es la que
corresponde a R=1k.
2.2.2 Adaptación de señal mediante puente de Wheatstone en circuito activo.
El uso de circuitos activos junto al puente de Wheatstone, como circuito de adaptación, permite introducir una ganancia en el
sistema que palia la pérdida de linealidad y consecuentemente la necesidad de reducir la sensibilidad si se pretende trabajar con
grandes variaciones de resistencia del sensor, como se ha visto en los apartados 2.2.1 y 2.2.2. Un posible circuito de adaptación
sería, por ejemplo, el mostrado en la Ilustración 6:
Ilustración 6. Circuito de adaptación activo.
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Del análisis del circuito, supuestos los amplificadores operacionales ideales, se puede obtener su función de transferencia, que
es la dada en la Ecuación 6.
G R S  =
R g  RS 
Vout
=
 1 

Vin
R 
R 
Ecuación 6. Función de transferencia del circuito activo de adaptación.
Donde se observa un comportamiento lineal del sistema y además una ganancia que se puede ajustar mediante la adecuada
selección del valor de la resistencia Rg. En la Ilustración 7 se muestran distintas curvas de G (RS) para distintos valores de Rg y
un valor de la resistencia del puente de 12kΩ.
Ilustración 7. G (Rs) para distintos valores de R.
3 Manejo de los equipos de medida y placas.
Con carácter general habrá que seguir las siguientes normas de operación en el laboratorio:




Todos los elementos de las placas de circuito impreso deben ser tratados con cuidado, no ejercer excesiva presión
sobre los mismos ni deformarlos, ya que ello podría provocar su rotura.
No tocar los terminales de las fuentes de alimentación cuando están activas, asimismo evitar que los terminales con
potencial toquen bajo ningún concepto los de tierra o común. Esto provocaría un cortocircuito que podría dañar las
fuentes de alimentación y otros elementos conectadas a la misma.
Apagar las fuentes de alimentación para realizar cualquier cambio en el circuito que implique un cambio de
configuración en el mismo, de este modo se evita que por accidente los terminales se suelten durante la manipulación
del circuito y provoquen cortocircuitos o fuercen ciertos nodos del circuito a un potencial inadecuado.
No tocar las superficies de los componentes del circuito cuando estos estén o hayan estado alimentados, podrían estar
calientes y provocar quemaduras.
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4 Realización de la Práctica.
Figura 1. Esquema a usar en la práctica.
4.1 Divisor resistivo.
En la parte derecha de la placa de prácticas se puede observar un pequeño circuito independiente que consta de un par de
resistencias y un divisor resistivo (Ilustración 8). Este circuito representa el funcionamiento interno de un transductor; se puede
observar que, al variar las propiedades físicas del transductor (el potenciómetro actúa como tal, variando su resistencia) varía la
señal de salida de dicho transductor, representada por la V out de dicho circuito. El par de resistencias que hay en paralelo con el
transductor representan un acondicionamiento de señal, limitando la salida del mismo.
Ilustración 8. Divisor resistivo
El procedimiento detallado a seguir durante la realización de la práctica es el siguiente.
 Repasar las normas generales de manipulación en el laboratorio.
 Alimente el circuito a 5V por medio de dos cables ( rojo a Vcc y negro a GND )
 Encienda la fuente de alimentación.
Para observar la variación de la tensión de salida, sólo han de girar el tornillo de la parte superior del potenciómetro POT1 en
un sentido o en otro.
 Sitúe el potenciómetro POT1 en uno de los dos límites de escala (gire el tornillo en el sentido de las agujas del reloj, hasta
que se oiga un “clic” que indica que ha alcanzado el tope; ese punto es el de impedancia máxima del circuito).
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 Es frecuente que en los límites del recorrido de los potenciómetros exista cierta zona de histéresis, es decir, cierto recorrido
del cursor no produce cambios de resistencia eléctrica entre los terminales de los mismos. Para evitar dicha zona, una vez
situado el cursor en uno de los límites dar una vuelta completa de tornillo en sentido opuesto para tomar dicho punto como el
primer dato válido.
 Habilite la salida de la fuente de alimentación. Tome nota de la tensión V out. Desconecte uno de los hilos de la fuente de
alimentación y mida la resistencia eléctrica entre la salida y GND, esta medida junto con el valor de las resistencias que forman
parte del circuito permiten determinar el valor resistivo de la parte del potenciómetro que queda por debajo del cursor.
 Vuelva a girar un poco el tornillo (1 vuelta aproximadamente) y realice la misma operación un mínimo de 10 veces.
Los datos que hay que anotar en el cuestionario consisten en la lectura de la tensión de salida (lectura directa del polímetro) y
el valor resistivo correspondiente al transductor, es decir, Rn(1-X). Dicho valor no se puede medir directamente puesto que en
el circuito se encuentra en paralelo con otra resistencia (R2) por lo que habrá que realizar una medida del valor del paralelo
para posteriormente y conocido el valor de R2 determinar el dato de interés. Es necesario desconectar físicamente la fuente de
alimentación cuando se realice la medida con el galvanómetro para evitar que la impedancia interna de la misma afecta a la
medida.
4.2 Puente de Wheatstone.
4.2.1 En ausencia de amplificadores operacionales.
El procedimiento detallado a seguir durante la realización de la práctica es el siguiente.
 Repasar las normas generales de manipulación en el laboratorio.
 Retire todos los jumpers del circuito excepto el que está numerado con el número 1. De esta forma, el circuito queda
desconectado de los amplificadores.
 Conecte la tensión de entrada al circuito, inicialmente Vin (5V) representa la parte superior del “rombo” que conforman las
resistencias (entrada de tensión continua), mientras que GND representa la tierra a la que se conectan los cables negros. NO
habilite todavía las salidas de la fuente de alimentación.
 Coloque la sonda de medición entre las bornas A y B del puente de Wheatstone, es decir, conectarlo a los pines verdes que
hay en el puente.
 Habilite la salida de la fuente de alimentación para que el circuito funcione.
 Con el destornillador, manipule el tornillo del potenciómetro POT2 hasta que el puente quede equilibrado (tensión nula entre
A y B).
 Gire el tornillo de POT2 5 vueltas en un cada sentido (desde el punto de equilibrio del puente) anotando cada vez la tensión
de salida del puente.
 Con el destornillador, manipule el tornillo del potenciómetro POT2 hasta que el puente quede equilibrado (tensión nula entre
A y B)
4.2.2 En presencia de amplificadores operacionales.
El procedimiento detallado a seguir durante la realización de la práctica es el siguiente.








Repasar las normas generales de manipulación en el laboratorio.
Deshabilite y desconecte la alimentación del circuito.
Conectar todos los jumpers excepto el que está numerado con el número uno, que debe ir desconectado.
Coloque la alimentación de los amplificadores (+Vcc y –Vcc a +12V y –12V, respectivamente). Emplee para ello una fuente
simétrica.
Proceda de igual modo con la tensión de entrada y conecte la toma de tierra al pin GND del circuito.
Sitúe la sonda entre las bornas A y B del puente.
Conecte la alimentación y habilite las salidas de la fuente.
Gire al menos 5 medias vueltas el potenciómetro POT2 en cada sentido, anotando en cada caso la tensión de salida del
circuito.
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Práctica 2. Acondicionamiento de señal
5 Cuestionario.
5.1 Divisor resistivo.
 ¿Qué resistencia se mide con el multímetro entre los puntos Vout y GND del circuito (supuesto el circuito sin alimentación)?.
 Siguiendo los pasos del apartado 4.1 apunte en la gráfica que se facilita a continuación los puntos que se han medido.
¿Considera correcto el resultado obtenido si se compara con la expresión teórica de la relación entre la salida y el valor
resistivo correspondiente al sensor ( R(1-X) )?
5.2 Puente de Wheatstone.
5.2.1 En ausencia de amplificadores operacionales.
 Supuesto que en el circuito de la Ilustración 4 no existe alimentación, ¿cuál es la resistencia medida entre los puntos A y B?.
 Para equilibrar el puente debe haber 0V entre los puntos A y B. Anote el valor del reostato, cuando el puente esté
equilibrado.
 Apunte en la gráfica que se facilita a continuación los puntos que se han medido en el apartado 4.2.1. Observe los puntos
medidos. ¿Era de esperar este resultado?
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5.2.2 En presencia de amplificadores operacionales.
 Apunte en la gráfica que se facilita a continuación los puntos que se han medido en el apartado 4.2.2. Observe la
característica obtenida. ¿Qué similitudes y diferencias se aprecian con respecto a la característica teórica?
 ¿Se podría cambiar la ganancia del circuito sin modificar la topología del mismo? ¿Cómo?
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