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.
Impresionante artículo relacionado con los Acondicionadores de señal.
ResponderEliminarLa verdad es que la necesitaba