Unidad2_Fase3_203038_24 (3).docx

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD

Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Curso: Instrumentacion-203038

UNIDAD 2: FASE 3 - SELECCIONAR TEMAS, REALIZAR VÍDEOS Y DISEÑAR AMPLIFICACIÓN DE SEÑALES

INSTRUMENTACION – 203038 203038

PRESENTADO POR: EMILIO ALVARADO: EVELIO CRISTANCHO: 91352139 LUCERO MUÑOZ: 1151945261 MAURICIO ANDRES VASQUEZ: RODRIGO RAUL CARDENAS:

TUTOR: JORGE ENRIQUE ARBOLEDA

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS, TECNOLOGIAS E INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA 2018



INTRODUCCION Nuestro mundo es una constante de descarga de interacciones, de las cuales en la totalidad de ellos es difícil interpretar, Por esto nos vemos en la necesidad de transformar esas interacciones a un lenguaje entendible para nosotros. En la historia el hombre. tratado de encontrar la mejor manera para que exista un perfecto encaje entre lo que sucede y lo que nosotros plasmamos en un papel. Siempre estamos tratando de permitir el acceso a estas cantidades son los instrumentos de medida. Es por esto que la instrumentación es una parte fundamental de la ingeniería, y una óptima conexión entre eventos, sistemas y el humano depende de ello. En esta fase el grupo colaborativo tendrá que realizar una parte investigativa que consiste en elegir uno de los temas de instrumentación y realizar un video donde se aborde lo más relevante, luego se abordaran las ventajas y desventajas de una de las características del amplificador de instrumentación frente al amplificador operacional. Por otro lado, el grupo tendrá que diseñar e implementar puentes Wheatstone donde se indica para cada uno ciertas características, y culminamos con la implementación de un software CAD un sistema de medición de temperatura. Todo esto con el fin de potencializar y reafirmas las habilidades que hemos conseguido con el estudio de la unidad 2.



OBJETIVOS

Objetivos General Aplicar todos los conceptos aprendidos en la unidad 2 adquiriendo las destrezas necesarias en el manejo de las técnicas de instrumentación

Objetivos Específicos



Analizar las ventajas ventajas y desventajas del amplificador de de instrumentación



Diseñar e implementar implementar un Puente de Wheatstone



Implementar un software software CAD sistema de de medición de temperatura temperatura



Paso 1: Seleccione uno de los siguientes temas, investigue y realice un video de máximo 3 minutos en el cual mencione lo más relevante:     

Ruido (incluir tipos y fuentes ruido) Técnicas reducción Ruido Escalización y amplificación de señales Conversión Análoga – Digital Visualización dinámica de señales

Estudiante Evelio Cristancho Rodrigo Cardenas

Link Video

Tema

https://youtu.be/qQZL2ubzyXg.

Ruido (incluir tipos y fuentes ruido)

https://www.youtube.com/watch?v=fGHatPCewLI&feature=youtu.be

Técnicas reducción Ruido Escalización y amplificación de señales

Lucero Muñoz

https://www.dropbox.com/s/346foi2d2y436k1/Conversi%C3%B3n%20An%C3%A1loga%20%E2%80%93 %20Digital.wmv?dl=0

Conversión Análoga – Digital Visualización dinámica de señales



Paso 2: Seleccione una de las siguientes características del amplificador de instrumentación y justifique porque es una ventaja frente a un amplificador operacional:     

CMRR alto Ajuste de ganancia con un único resistor Alta impedancia de entrada Baja impedancia de salida Factor de ruido muy cercano a la unidad

TEMA

VENTAJAS Rechazo de Modo Común en Amplificadores de Instrumentación

CMRR alto

Existen en equipos en la industria, en equipos de electromedicina, y en equipos en otras muchas aplicaciones, la necesidad de medir señales muy pequeñas del orden de microvoltios o pocos milivoltios en la presencia de comparativamente grandes señales de ruido provenientes de distintas fuentes, como ser motores, tubos de iluminación de descarga gaseosa, y la siempre presente inducción de la frecuencia de línea de alimentación, en nuestro caso 50Hz. Para realizar las mencionadas mediciones estos deberán utilizar en su entrada Amplificadores de Instrumentación con un adecuada Relación Rechazo de Modo Común (CMRR). En la siguiente figura se c oloca un esquema básico de medición



Al Amplificador de Instrumentación ingresan dos señales de modo común: una de c.c. de +2.5V provenientes del puentes de resistencias y otra de c.a. Vruido inducida sobre los cables de entrada al amplificador.-

Rechazo de Modo Común Los amplificadores de Instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales. Esas señales diferenciales en la práctica provienen de sensores como ser termocuplas, fotosensores, puentes de medición resistivos, etc. En la figura de arriba se ve que de un puente resistivo, en estado de equilibrio sin señal, en la mitad de las ramas del puente existe una señal de 2.5V respecto a masa. Esta señal de corriente continua es común a ambas entradas por lo cual es llamada Voltage de Modo Común de la señal diferencial. Se puede ver que estas señales no contienen información útil en lo que se quiere medir y como el amplificador amplificará la diferencia de ambas, al ser igulaes, se restan y a la salida el resutado será cero o sea idealmente no están contribuyendo a la información de salida. También se ve que se inducen señales de corriente alterna en ambas entradas a la vez y que serán rechazadas como en el caso de continua. Pero al producirse un desbalance del equilibrio del puente por la variación de una de sus r esistencias se producirá una señal que será aplicada entre ambas entradas y será amplificada. Por lo expuesto, es que se justifica la utilización de amplificadores de instrumentación para rechazar señales que entran en modo común, osea en las dos entradas se presenta la misma señal. En la práctica, las señales de modo común nunca serán rechazadas completamente, de manera que alguna pequeña parte de la señal indeseada contribuirá a la s alida.

Para cuantificar la calidad del Amplificador de Instrumentación, se especifica la llamada Relación de Rechazo de Modo Común (CMRR) que matemáticamente se expresa como:

siendo: 

AD= Amplificación Diferencial


Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería Curso: Instrumentacion-203038     

AD = Vout / Vin diferencial ACM= Amplificación Modo Común VCM= Voltage de modo común en la entrada ACM = Vout / VCM Vout= Voltage de salida

De la última fórmula podemos obtener la Vout como:

De las hojas de datos de los Amplificadores de Instrumentación podemos obtener por ejemplo

  

CMRR=100db ; AD =10 ; De la figura, V CM de modo común es de 2.5Volt

de donde: Vout = 250uV para el caso de la figura anterior.



TEMA

VENTAJAS Ajuste de ganancia con un único resistor

Ajuste de ganancia con un único resistor

Teniendo en cuenta las fuentes visitadas, el amplificador de instrumentación pose las mismas características del amplificador operacional, pero se tienen dos características importantes y es la ganancia, de acuerdo a lo consultado estas son: la ganancia puede ser modificada y la ganancia es constante.

Un amplificador de instrumentación tiene dos entradas, V + y V-, una salida VO y una tierra común. Idealmente la ganancia diferencial G± está dada por:

Para el circuito de la figura la expresión de esta ganancia diferencial es:



Una característica importante en el amplificador de instrumentación es la Relación de Rechazo de Modo Común , la misma se define como la capacidad del amplificador de rechazar las señales de interferencia comunes a ambas entradas y amplificar únicamente la diferencia entre las entradas. Un amplificador de instrumentación tiene tanto ganancia diferencial , como la mostrada arriba (G ±) y ganancia de modo común GC. RRMC = 20log 10(G±/GC)

Desventajas: 

de las desventajas de los Amplificadores Operacionales es que se necesita tener una fuente de Una

alimentación simétrica, es decir, un voltaje positivo y el otro negativo pero los dos de igual valor. 

Otra de las desventajas es que no se pueden usar para frecuencias elevadas ya que no responden de la misma forma como si lo hicieran a frecuencias bajas.



Los Amplificadores Operacionales no sirven para trabajar con medias y altas potencias.

La figura 2 muestra el esquema básico de un amplificador de instrumentación con resistor de ajuste (RG).



Fig. 2. Amplificador de instrumentación básico con un resistor externo de ajuste de ganancia 

El amplificador operacional A1 recibe la señal de entrada diferencial , V ent1, en su entrada no inversora (+) y la amplifica con una ganancia de voltaje de:



El amplificador operacional también tiene una señal de entrada , Vent2, en su entrada inversora (-), a través del amplificador operacional A2 y la trayectoria formada por R 2 y RG.

La señal de entrada Vent2 es amplificada por un amplificador operacional A1 con una ganancia de voltaje de:

AV



R1 RG



La ganancia de lazo cerrado total del amplificador de instrumentación es:

Ejemplo : Determine el valor del resistor de ajuste de ganancia externo RG para cierto amplificador de instrumentación en circuito integrado con R 1 = R2 = 25 kΩ. La ganancia de voltaje en lazo cerrado debe ser de 500.

RG 



2 R

Acl  1





2 25 k  500  1



 100 

Utilizado en ambientes de ruido intenso.

Medición de pequeños voltajes de señal diferenciales superpuestos en un voltaje en modo común (ruido).





Situaciones en las que una cantidad es detectada por un dispositivo remoto, tal como un transductor sensible a la temperatura o presión, y la pequeña señal eléctrica resultante es enviada a través de una larga línea sujeta a ruido eléctrico que produce voltaje en modo común en ella.



TEMA

VENTAJAS

Alta impedancia de entrada

El amplificador de instrumentación es ventajoso porque resuelve satisfactoriamente el tema de la impedancia de entrada, ya que es idealmente infinito y al tener una impedancia muy alta su ganancia no se vea afectada por la impedancia de la f uente de entrada. Pero en el caso del amplificado operacional (A.O.) las impedancias de entrada no son infinitas y como consecuencia carga a las etapas previas. Además, en los AO su alta ganancia se determina por la realimentación introducida externamente La precisión y estabilidad de los amplificadores de instrumentación se realiza a costa de limitar su flexibilidad. El amplificador de instrumentación es diseñado para ser utilizados únicamente como amplificadores, pero a cambio de ello, proporcionan unas características excepcionalmente buenas, y además pueden utilizarse sin necesidad de conocer con detalle su diseño interno y con sólo interpretar su especificación externa.



TEMA

VENTAJAS Amplificador de instrumentación: Baja impedancia de salida

Para hablar de las características del amplificador de instrumentación y conocer las ventajas de este frente al amplificador operacional, primero hablaremos un poco del amplificador de instrumentación: El amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir de amplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia de entrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo, el INA114). La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por un factor. Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiógrafo), para minimizar el error de medida. El amplificador de instrumentación tiene todas las características del amplificador operacional:

-

Amplificación diferencial Alta impedancia de entrada Baja impedancia de salida La ganancia puede ser modificada La ganancia es constante sobre una amplia banda de frecuencias.



Las ventajas del amplificador de instrumentación: Las tensiones y corrientes parásitas (no deseadas), Tensión de offset (Vos) y corriente de offset (Ios), y sus derivas térmicas son mucho más bajas en los amplificadores de instrumentación que en los amplificadores operacionales. Una de las desventajas del amplificador de instrumentación es que no es apto para trabajar con señales demasiado altas, por lo que su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales como equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiógrafo), para minimizar el error de medida.

Característica del Amplificador de Instrumentación: Baja Impedancia de Salida ventaja frente a un amplificador operacional: Los amplificadores de instrumentación surgen ante la necesidad de medir tensiones de un nivel muy bajo en presencia de señales indeseadas (ruidos); por ejemplo, la salida de un puente de medida con transductores. Por tanto una de las ventajas de este frente al amplificador operacional es que la ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.

En el amplificador operacional la impedancia de salida Zout es muy baja, del orden de 1 ohm.



Paso 3: Diseñar e implementar Puente de Wheatstone alimentado con 500mV; realice la medición de una fotoresistencia. Amplifique la salida del puente de wheatstone por un número igual al # de grupo * 11 (AV=#G*11), constituido por 3 amplificadores operacionales.

usando un amplificador de instrumentación

Aporte 1.

Principio de funcionamiento: RX es la resistencia a medir y R1, R2 y R3 son resistencias de valor conocido. El puente se alimenta con una fuente de tensión continua y se varía el valor de la resistencia R3 mediante un mando hasta conseguir que amperímetro indique que la corriente IG tiene un valor nulo. En este caso se puede demostrar que se verifica la siguiente relación:

 =  ∗ 

Alimentación: 500mV



   Fotorresistencia: 

Resistencias

:2.2kΩ

Resistencia desconocida:

 =  ∗ 



 =2000k∗ 2.2k 2.2k =2000k  =2000 Fórmula para Corriente:

G1=V2−V1∗ 2    = .  .



Donde; RA= RB y . ≠ . RA = RB = 25k;       =  = ..  Óℎ  = ( RG  1)  =   ó    = #  = 24  = 24 . = 5;     . . =  ∗ . ≠ .; . =11∗5k≠. . =   Rt=RA=RB=25k



RG = 2 −Rt1 = 2∗25k 24−1 = 2173.91Ω   :24∗ 11 = 264

 : 20.5 ∗24∗11=5.412



 : 407 ∗24∗11=107.448



Aporte 2. Numero grupo 24.

Puente de Wheatstone equilibrado



Puente de Wheatstone desequilibrio máximo

1=0,5 1=1 2=1 3=1=2000 4==? Emplearemos la siguiente fórmula para hallar RX:



1∗4=2∗3 Despejamos en función de R4:

4=3∗ 2 1 4=2000∗ 1 1 = Diseño de los amplificadores de instrumentación.

== Por lo que le damos un valor:

==30 También tenemos que la ganancia de la etapa diferencial está dada por:

  = − 1.2 1.1 Podemos calcular la resistencia de la etapa de preamplificación con la siguiente formula:

 =    1



La guía nos solicita que sea igual al número del grupo.

=24 Con estos datos podemos hallar ahora RG:

2   = −1 2∗30  = 24−1 =2.608 Ω Calculamos ahora las resistencias de la etapa diferencial:

1.2 = 4 1.1 3 Para calcular la ganancia de 11 que pide la guía:

  = − 1.2 1.1 =11 Daremos un valor a R1.1 para hallar R1:

1.1= 5  1.2=∗1.1



Según la teoría:

1.2=11∗5 1.2 = 55  1.1=3 1.2=4

Podemos ahora realizar la simulación con la salida amplificada según la guía:

∗= Variando la entrada:



Paso 4: Diseñar e implementar Puente de Wheatstone alimentado con 200mV; realice la medición de una fotoresistencia. Amplifique la salida del puente de Wheatstone y obtenga una salida de 0V

– 10V,

usando un amplificador de instrumentación AD620.

 :   = 100k∗100k 200k =50k  =50

   ∶ 



 = 49,4k G−1    10,   264 =  24 ∗ 11  = 10V 264 = 0.0378787 10V =264  = 0.0378787 49,4k = 0.1 8783 = 187.8 3Ω  = 264−1





Paso 5: Implementar en software CAD un sistema de medición de temperatura con un lm35 y diseñe la etapa de amplificación de tal manera que obtenga 5V para una temperatura de 80°C. Adicionalmente el sistema debe encender un LED rojo cuando la temperatura supere los 75°C y un LED verde cuando se mantenga entre 40°C y 74°C. 80 = 800mV 800mV (X) = 5000mV

800 =6.25  = 5000  =   1 6.25=   1 6.25−110=   =52,5 Divisor de Voltaje Voltaje de referencia cuando la temperatura sea de 40

 =     





Voltaje entrada es 5V Alimentación del LM35 Voltaje de salida cuando se tienen 40  = 400mV * (la ganancia) del amplificador

4006.25 = 2.5  Se realiza ajuste al voltaje de salida (ref. voltaje simulacion2.54 V) cuando la temperatura es igual a 40  C

2.54=5 +   2.5410   = 5 25.4  2.54 = 5 25.4  = 5 − 2.54 25.4 = 2.4 6  = 25.4 2.46 =10.3 Voltaje cuando la temperatura es de 75 :

7506.25 = 4.7  4.75=5 ( 10 10 )



4.7510  =5∗10 47.5 4.75 = 50 4.75 = 50 − 47.5 4.75 = 2.5  2.5  = 4.7 = 0.531 = 531



CONCLUSIONES

La simulación de circuitos teniendo en cuenta los diferentes softwares par a la simulación permiten tener un desarrollo completo de las temáticas del curso, es importante resaltar que hoy en día se estudian a fondo los fenómenos que tiene que ver con los circuitos y el ruido, estos se presentan en diferentes formas.

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