Practica N° 4: AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN Y ACONDICIONADOR DE SEÑALES

[pic 1]UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA[pic 2]

SEDE SECCIONAL SOGAMOSO

ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Practica N° 4:  

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN Y ACONDICIONADOR DE SEÑALES

Resumen:

La presente guía de laboratorio contiene el análisis, diseño, conclusiones e implementación de un amplificador de instrumentación que contiene un puente Wheatstone además de un acondicionador de señales. Estos dos implementados en discreto.

1. OBJETIVO

• Diseñar, simular e implementar un amplificador de instrumentación que cumpla con unas características predeterminadas de diseño.
• Diseñar, simular e implementar un acondicionador de señal para un rango de voltajes determinado.
• Verificar el funcionamiento del acondicionador de señal y el amplificador de instrumentación.

1. MATERIALES

• Computador con multisim instalado.

• Amplificadores operacionales con referencia LM 741, LF 353, LM 324, LM 358 etc.

• Fuente de alimentación dual.

• Potenciometros

• Osciloscopio

• Generador de señales

• Multimetro

1. INTRODUCCION

El amplificador operacional (AO) es un dispositivo directamente acoplado de alta ganancia.  Sus características básicas son alta ganancia de entrada, alta ganancia de voltaje y baja impedancia de salida.  Esto lo hace aplicable a muchos circuitos prácticos.  Es un IC generalmente conocido como un dispositivo análogo lineal.

1. Aplicaciones lineales de los amplificadores lineales

Algunas aplicaciones requieren a menudo medir (censar) cantidades físicas. Ejemplos de cantidades a medir son la distancia, la posición, la intensidad de la luz y la temperatura. Cada clase de sensor tiene características diferentes.  Por ejemplo, la salida puede ser una corriente en algunos tipos mientras que en otros puede ser una tensión.

Sin embargo, un aspecto que comparten todos los sen- sores es la débil señal de salida  que generan.  Las salidas de los sensores suelen oscilan entre  unos cientos  de ţV/ţAţV/ţA y decenas  de  mV/mA. Estas  señales  débiles deben ser condicionadas  antes  de poder utilizarlas para  generar  datos  útiles.  La versatilidad de los amplificadores operacionales  los convierte  en un componente fundamental de  los circuitos  de  acondicionamiento  de señales.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

El amplificador de instrumentación es uno de los amplificadores más útiles, precisos y versátiles disponibles en la actualidad.

Un amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial dedicado con una impedancia de entrada extremadamente alta. Puede rechazar una señal que es común a ambos terminales, pero amplificar una señal diferencial (gran capacidad de rechazo en modo común), y esta característica es útil para amplificar pequeñas señales ocultas en grandes offsets de modo común o ruido.

Se utilizan comúnmente como acondicionadores de señales muy tenues (a menudo DC) en grandes cantidades de ruido. Todas las unidades de adquisición de datos (DAQ) cuentan por lo menos con uno.

Está formado por tres amplificadores operacionales y siete resistencias, como se observa en la Figura 1.  El amplificador operacional A3 y las resistencias iguales Ri y Rf   constituyen un amplificador diferencial (resaltado en rojo), con una ganancia de voltaje

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La resistencia RP es variable, con el objeto de balancear voltajes de modo común que puedan estar presentes.

La salida del amplificador de instrumentación está dada por:

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Figura 1. Amplificador de instrumentación.

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Haciendo Rf = Ri,

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Como se puede observar, el voltaje de salida depende de la diferencia v1-v2, solamente.

PUENTE DE WHEATSTONE

Es un circuito adaptador.  Esta formado  por dos divisores de tensión  en paralelo  y la tensión  de salida  es la diferencia  entre  las tensiones  de salida  de ambos  divisores.  Las RTD y las galgas extensiométricas  son los sensores resistivos típicos que utilizan el puente  de Wheatstone. El método  de medida  basado en un  puente  de Wheatstone se denomina  medida  por comparación. El voltaje  de salida  es vw   = v1  − v2 . La condición de equilibrio se da cuando vw = 0 V o cuando R1 R4  = R2 R3 . Para  emular  un sensor, la resistencia  R4 debe ser una resistencia  de la forma

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Figura 2. Circuito de un puente Wheatstone.

ACONDICIONADOR DE SEÑAL

Un  acondicionador de  señal,  en  su  forma  más  sim- ple, consta  de un amplificador  operacional  con entradas ponderadas. La salida  es un polinomio en función de la entrada. Requiere,  para  que funcione correctamente, de un  acoplador  de  impedancias   que  no  es más  que  otro amplificador  conectado  como  seguidor  de  tensión,  en- tre la fuente  de señal y el propio acondicionador. Gene- ralmente se utiliza  para  mapear  señales de entrada, en determinado rango,  en un nuevo  rango  apropiado para otro  sistema.  Un ejemplo  típico  es su uso para  acondi- cionar  sensores  que podrían  hacer  parte  de un  sistema de control  automático. En  la Figura  3 se puede  obser- var  el ejemplo  de un acondicionador de señal,  donde  el sensor se ha reemplazado por un divisor de tensión  con una  resistencia  variable  Rp . La resistencia  Rp   al variar de un valor mínimo a un valor máximo permite  entregar un rango de voltajes,  de acuerdo  al sensor elegido.

1. PROCEDIMIENTO

Observación.  Se recomienda  leer en su totalidad la pre- sente  guía  antes  de  iniciar  la  práctica de  laboratorio, para  garantizar el éxito de la práctica y la correcta  pre- sentación  de los resultados. Se aconseja también consultar  [1, 2, 3, 4, 5]. Para  realizar  los diseños  asumir  los valores que sean necesarios, pero que sean prácticos.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

Diseñar las resistencias del circuito de la figura 4, con las siguientes condiciones.

• El voltaje   de referencia (v2) para   el puente   de Wheatstone es de 9V.
• Las variaciones del punto de prueba (v1) están en el rango de 9 V a 9.x V, donde x es el último dígito del código del primer integrante del grupo en la lista de grupos del profesor. Si x < 4 tomar x = 5.
• La salida  referenciada  a la tierra  del sistema  es de 0 V para  9 V y de 8 V para  9.x V.
  

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Figura 4. Amplificador de instrumentación conectado a puente Wheatstone.

ACONDICIONADOR DE SEÑAL

Diseñar  un  circuito  acondicionador de señal  como el de la Figura 3 para un sensor que varía sus resistencia Rp entre  1 kΩ y 1,5 kΩ, en función de alguna  variable  física. La salida  del acondicionador debe estar  en el rango  de (x) V a (x + 6) V, donde x es el último  dígito del código del primer  integrante del grupo en la lista de grupos del profesor.  Si x  < 4 tomar  x  = 5.  Diseñar  también el circuito  necesario  para  el sensor conectado  a la entrada                                   del acondicionador de señal.

• Implementar el circuito y probarlo, mostrando que se cumplen las condiciones impuestas.
• Mostrar las condiciones asignadas, los criterios de diseño y las asunciones.
• Explicar el proceso de diseño y el funcionamiento del circuito.

DESARROLLO DE LA GUIA

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN.

Para el diseño del amplificador de instrumentación se comenzó con el diseño del puente de Wheatstone.

PUENTE DE WHEATSTONE PRIMER CASO

El voltaje de referencia (v2) al ser 9 V se diseñó de manera qué asumiendo el vcc como 14 voltios y asumiendo el valor de R1 se procede a calcular el valor de la resistencia R3 además teniendo en cuenta que en paralelo el voltaje de las ramas es el mismo posteriormente se calcula R4 de la siguiente manera:

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