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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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 mjmm@usal.es 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: mjmm@usal.es 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: mjmm@usal.es 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) mjmm@usal.es 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) mjmm@usal.es 12 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 - ) mjmm@usal.es 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 - ) mjmm@usal.es 14 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 mjmm@usal.es 15 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 mjmm@usal.es Señal en v1 Onda cuadrada E. Mandado, et al. 1995 16 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. mjmm@usal.es 17