Laboratorio N°6: Amplificadores de instrumentación

Laboratorio N°6: Amplificadores de instrumentación

Cristian Aravena, Felipe Muñoz. Ingeniería Civil Biomédica, Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad de Concepción, Chile. Profesor Pablo Aqueveque y Roberto Lopez , Ayudantes. Maritza Villar y Macarena Diaz.

          Resumen—En el presente informe se muestran los datos y resultados obtenidos luego de realizar la experiencia del laboratorio, en el cual se diseñan e implementan circuitos utilizando amplificadores de instrumentación, con el fin de verificar el correcto funcionamiento de estos, se utilizan amplificadores operacionales en el diseño,  para medir y observar señales en tiempo real del cuerpo humano, ya sea un EMG o un ECG y sus respectivas diferencias. Ademas de implementar filtros y circuitos rectificadores parae obtener una señal más limpia de los biopotenciales.

1. INTRODUCCIÓN

L

os  amplificadores operacionales son circuitos electronicos  integrados compuesto de una serie de transistores, resistencias y condensadores, que nos permiten tener una salida hasta cien veces mayor que los voltajes de entrada en sus terminales, esto nos permite utilizarlos en aplicaciones del area biomedica donde las señales producidas por el cuerpo humano son de bajo volataje [mV]. [1]

        El JFET presenta 3 regiones de operación: Región óhmica, Región de Saturación o Activa y Región de Ruptura. En la primera, el transistor se comporta como una resistencia que depende netamente del voltaje gate y source. Al operar el transistor en esta region se busca una resistencia variable. En la región activa  el transistor opera entre la region de ruptura  y el voltaje de estrangulamiento. Se busca operar en esta región para obtener una ampliacion lineal de señales. La región de ruptura se obtiene cuando el voltaje entre drain y source crece mas allá del extrangulamiento, lo que genera que que el transistor se destruya debido a el aumento instantaneo de la corriente de drain.[1]

En este laboratorio se diseñaron redes de polarización para obtener transistores JFET en corte, además se obtuvieron parámetros característicos de un amplificador monoetapa, es decir, su máxima  incursión y excursión simétrica, ganancia de voltaje, ganancia de corriente, impedancia de entrada y salida, y respuesta en frecuencia. También utilizamos un transistor MOSFET para diseñar una compuerta lógica NOT que permita actuar el transistor  un switch.

1. Materiales y Métodos

1. Materiales, equipos y programas

Componentes:

• Resistencias: 2x1k[Ω]; 1x 7k[Ω]; 4x 10k[Ω]; 1x 2k[Ω];
• Diodos: 1xLED 1.75[V]
• Capacitores: 1x1[nF]; 1x0.4[nF]
• Amplificador Operacional TL062
• Protoboard y cables de conexión

       Equipos:

• Generador de Funciones: GwInstek modelo GFG-8216
• Fuente de Voltaje 12V
• Osciloscopio: Tektronix modelo TDS 1002B
• Multímetro digital: Meterman 37XR 

     Programas:

• NI Multisim 12.0
• Microsoft Visio

1. Métodos

1. Ley de Ohm

                                                    (1)[pic 1]

        V:voltaje ; I:corriente ; R:resistencia

1. Ley de Voltajes de Kirchhoff

                                       (2)[pic 2]

1.    Ganancia de voltaje (Av)

                                     (3)[pic 3]

,,[pic 4][pic 5]

1. Analisis de circuitos con Amplificadores Operacionales.

                                                                        (4.1)[pic 6]

       : Corriente de entrada no inversora; :Corriente entrada inversora[pic 7][pic 8]

                                                                             (4.2)   [pic 9]

: voltaje entrada no inversora; : voltaje entrada inversora[pic 10][pic 11]

1. Ecuación de decibeles (dB)

[pic 12]

:decibeles, :ganancia de voltaje [pic 13][pic 14]

1. Conceptos Importantes

Amplificador de implementación: Circuito formado por amplificadores operacionales que tiene como fin amplificar señales muy pequeñas, en este caso biopotenciales. Su ganancia está dada por: [1]

R1

vout=(v2−v1)(1+2 [pic 15]Rg)                   (1)

Donde: Vout: Voltaje de salida; v1, v2: Voltajes de entrada.

Electrocardiograma: Representación gráfica de la actividad eléctrica del corazón, los voltajes de entrada varían desde los 0.1 [mV] (onda P) a los 1.5 [mV] (onda QRS).[2]

Electromiograma: Examen que muestra gráficamente la actividad muscular. Los biopotenciales varían desde 50 [μV] a los 5[mV] y la frecuencia varía desde los 10 [Hz] pudiendo llegar hasta los 1 [kHz]. En este caso se tomarán las frecuencias de corte en 20 [Hz] (Filtro pasa altos) y 500 [Hz] (filtro pasa bajos). [3]

Filtro pasa altos de segundo orden (Butterworth): Filtro que atenúa la señales que se encuentren bajo la frecuencia de corte. Cabe destacar que este tipo de filtro (Butterworth) presentan una respuesta en frecuencia mas plana que otros filtros revisados. Se le llama de segundo orden dado que presenta dos capacitores y presenta una señal de transferencia dada por: [4]

Filtro pasa bajos de segundo orden (Butterworth): Similar al filtro anterior, este busca atenuar las frecuencias mayores a la frecuencia de corte. Su función de transferencia está dada por: [4]

Rectificador de media onda: Tiene como fin cortar la señal negativa. Adicionalmente se conecta un capacitor con el fin de mostrar en la señal de salida solo las bajas frecuencias y así observar mejor la contracción muscular. Esto se representa por medio de la formula: [1]

1. Desarrollo

1. Actividad 1.

Se debe implementar un circuito amplificador de instrumentacion, para así poder medir señales muy pequeñas, como lo es un electro cardiograma, este amplificador se busca que tenga una ganancia de 30,

Figura amplificador operacional.

Figura 1. Circuito amplificador operacional.

R1=22[kΩ]; R2=R3=10[kΩ]

Se puede notar que este circuito se compone de dos circuitos amplificadores y un circuito comparador, todos con amlpificadores operacionales.

De la ecuacion que modela el voltaje de salida del circuito se determina que el valor de la resistencia de grain debe ser Rg= 1.5[kΩ], pero finalmente, en  este circuito se utiliza en Rg un potenciometro, con el fin así poder ajustar la ganancia a voluntad.

Para comprobar el funcionamiento de este circuito, se le conecta a un emulador de pacientes, en el cual los “brazos” emulados por el circuitos, se conecta cada uno a una entrada del circuito amplificador operacional, y la “pierna” izquierda se toma como referencia y se conecta a tierra, luego se analiza el voltaje en la salida del circuito.

[pic 16]

Figura 2. Analisis de voltaje en salida de circuito 1 con simulador de pacientes

Se puede notar que este circuito amplifica correctamente la señal de ECG, ya que el voltaje que entrega el simulador de pacientes está en el orden de los 0.5[mV]. Los cuales fueron amplificados, tal que se pudiera notar bien la señal buscada, y cabe notar que esta señal presenta poco ruido, porque no está conectado a ala red electrica, ya que el simulador de pacientes es inalambrico, y la fuente que alimentan a los amplificadores operacionales se usaron baterías, pero aún así están presente frecuencias como las de comunicaciones, wi-fi,  y las del mismo cuerpo.

Luego se utilizó este mismo circuito para medir una señal de EMG, en el cual se deben conectar dos electrodos a algún musculo superficial, los cuales van a las entradas de nuestro circuito, se escoje este tipo de musculo por que es más facil de medir por el mismo hecho de que el electrodo está mas cerca del electrodo para medir el voltaje, y se conecta un tercer electrodo a alguna zona sin musculo, para usarlo como referencia.

En este caso se escojio el musculo fexor de la mano, y el codo se usó como referencia, cabe decir que los electrodos conectados al musculo deben estar en el cuerpo de este, ya que si se conceta al tendón no medirá el voltaje.

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