2.2 Acondicionamiento de señales


La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación a estas modifica­ciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal.

Interconectándose con un microprocesador
Los dispositivos de entrada y de salida están conectados con un sis­tema de microprocesador mediante puertos. El término interfaz se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos disposi­tivos y un puerto. Existen así entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores.
Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital; por ello, cuando un sensor produce una salida analógica, es necesaria una conversión de señal analógica a digital.
Hay también que considerar la salida del microprocesador, qui­zás para operar un actuador. Aquí también es necesaria una interfaz adecuada.

 Procesos del acondicionamiento de señales
Los siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una señal:
1.    Protección
2.    Convertir una señal en un tipo de señal adecuado
3.    Obtención del nivel adecuado de la señal.
4.    Eliminación o reducción del ruido
5.    Manipulación de la señal

El amplificador operacional
El fundamento de numerosos módulos para acondicionamiento de señal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o más, y está disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada in­versora (—) y entrada no inversora (+). La salida depende de cómo se hagan las conexiones de estas entradas. Además de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentación de voltaje negativo, una alimentación de voltaje positivo y dos entra­das conocidas como nulo del voltaje de desvío, cuyo propósito es ac­tivar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

Amplificador inversor


El inversor es un amplificador que cambia el signo o la fase del voltaje de entra. La ganancia está determinada por la relación de resistencias:

Amplificador no inversor


El no inversor es un amplificador de señal con una ganancia determinada por la relación de resistencias:




Amplificador sumador



El amplificador suma los voltajes de entrada e invierte la señal de salida:



Amplificador diferencial

Esta configuración resta los voltajes de entrada. La polaridad del voltaje de salida depende de la magnitud de los valores de entrada:



Comparador
Un comparador indica cuál de dos voltajes es mayor, y con ese fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentación u otras componentes. Uno de los voltajes se aplica a la entrada inver­sora y el otro a la entrada no inversora. Cuando las dos entradas son iguales no hay salida. Sin embargo, cuando la entrada no inversora es mayor que la inversora por una cantidad mayor a una pequeña fracción de volt, la salida salta a un voltaje de saturación positivo estable, en ge­neral de +10 V. Cuando la entrada inversora es mayor que la no in­versora, la salida salta a un voltaje de saturación negativo estable, casi siempre de-10 V. Este tipo de circuito puede determinar en qué momento un voltaje rebasa cierto nivel, y la salida quizá se utilicen  para iniciar una acción.



 Protección
Existen diversas situaciones en las que la conexión de un sensor con la unidad siguiente, por ejemplo un microprocesador. Para protegerse contra corrientes grandes en la lí­nea de entrada se incorpora una serie de resistencias que limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la co­rriente excede un nivel seguro. Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener.
 Los diodos Zener se comportan como diodos comunes hasta que se pre­senta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten en conduc­tores.
En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones eléctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador.

 Filtrado
El término filtrado se refiere al proceso de eliminación de cierta ban­da de frecuencias de una señal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa como banda de supresión; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan.
El término pasivo describe un filtro en el cual sólo hay resisten­cias, capacitores e inductores. El término activo se refiere a un filtro en el que también hay un amplificador operacional. Los filtros pasivos tienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguiente elemento puede modificar la característica de frecuencia del filtro. Estos problemas no se presentan en los filtros activos.



 El puente Wheatstone
Se utiliza para convertir un cambio de resistencia en uno de voltaje.







 Estando en balance:
                             








Cuando no se esta en balance: 
 


Señales digitales

La salida que produce la mayoría de los sensores en general es de tipo analógico. Cuando un microprocesador forma parte del sistema de medición o de control, es necesario convertir la salida analógica del sensor a una forma digital antes de alimentarla al microprocesa­dor. Por otra parte, la mayoría de los actuadores funcionan con entra­das analógicas, por lo que la salida digital de un microprocesador debe convertirse a su forma analógica antes de utilizarla como entra­da del actuador.
El sistema binario se basa sólo en dos símbolos o estados: 0 y 1. A éstos se les conoce como dígitos fonarios o bits.

Conversión de señales analógicas a digitales
Determinar la cantidad de bits que se van a utilizar
Muestreo y Retención
Tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal a determinada frecuencia que debe ser por lo menos el doble de la señal analizada según la condición de Nyquist. Después se retiene la señal y se le asigna un valor en el sistema decimal. Para retener la señal puede utilizarse un amplificador de muestreo y retención.
Convertir a señal digital
Se le asignan a los valores numéricos su número binario correspondiente y se muestra la señal convertida.


 Multiplexores
Un multiplexor es un circuito que puede recibir datos provenientes de diversas fuentes para después al seleccionar un canal de entrada, producir una salida correspondiente a sólo uno de ellos. En las apli­caciones en que se necesita hacer mediciones en diversas ubicacio­nes, en vez de utilizar un CAD y un microprocesador para cada me­dición que se realiza, se usa un multiplexor para seleccionar cada entrada en tumo y conmutarlas a través de un solo CAD y un micro-procesador (figura 3.42). El multiplexor es, en esencia, un dispositi­vo de conmutación electrónica con el que las entradas se muestrean por turno.Existen multiplexores analógicos, digitales y por división de tiempo.

Adquisición de datos
El término adquisición de datos, o AD, describe el proceso que con­siste en tomar datos de los sensores e introducirlos en una computa­dora para procesarlos. Los sensores están conectados, por lo general después de someterlos a un acondicionamiento de señal, a una tabli­lla de adquisición de datos conectada en la parte posterior de una computadora (figura 3.45a). Se trata de una tablilla de circuito im­preso que, para entradas analógicas, cuenta con circuitos para reali­zar funciones de multiplexión, amplificación, conversión analógica a digital, registro y control, a fin de alimentar las señales digitales muestreadas en el sistema de computación. El software de la computadora controla los datos de adquisición a través de la tablilla de AD

Procesamiento de  señales digitales                               
El término procesamiento de señales digitales o procesamiento de señales de tiempo discreto se refiere al procesamiento que realiza el microprocesador de una señal. Las señales digitales son señales de tiempo discreto, es decir, no son continuas en función del tiempo, sino que existen sólo en momentos discontinuos o discretos. En el acondicionamiento de señales analógicas se necesitan componentes como amplificadores y circuitos filtro, en cambio, el acondiciona­miento de una señal digital se puede llevar a cabo mediante un pro­grama en un microprocesador, es decir, se procesa la señal. Para mo­dificar las características de un filtro usado para señales analógicas es necesario cambiar las componentes de hardware; mientras que, para modificar las características de un filtro digital basta cambiar el software, es decir, el programa de instrucciones del microprocesa­dor.
En la entrada de un sistema de procesamiento de señales digitales se recibe una palabra que representa la magnitud de un impulso y se produce la salida de una palabra distinta. Con base en el impulso de salida de un determinado instante, el sistema hace un cálculo que es el resultado del procesamiento de la entrada del presente impulso así como el producto de entradas de impulsos anteriores y, quizás, de salidas anteriores del sistema.

Modulación por pulsos
Un problema frecuente en la transmisión de señales de cd de bajo ni­vel generadas por sensores es que la ganancia del amplificador ope-racional usado para amplificar estas señales puede experimentar un desplazamiento o deriva, al igual que la salida. Este problema se puede corregir con una señal que sea una secuencia de impulsos en vez de una señal continua en el tiempo.
Una manera de realizar lo anterior es dividiendo la señal de cd. La salida del divisor es una cadena de impulsos cuyas alturas tienen relación con el nivel de cd de la se­ñal de entrada. A este procedimiento se le denomina modulación por amplitud de impulsos. Concluida la amplificación y demás acondi­cionamiento de la señal, la señal modulada se desmodula para obte­ner una salida de cd. En la modulación por amplitud de impulsos, la altura de los impulsos está relacionada con la magnitud del voltaje de cd.

Una alternativa a lo anterior es la modulación por ancho de pulso (PWM), donde el ancho, es decir, la duración del pulso y no su am­plitud es de lo que depende la magnitud del voltaje.



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