Amplificadores Amplificadores Operacionales Operacionales Aplicados en Instrumentación Instrumentación Paul Chacón Francisco Córdova Luis Cuzco
[email protected] Marcelo Merchán Serrano
[email protected] Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca. Analógica II.
Abstrac: En el presente investigación vamos a tratar sobre la aplicación de los amplificadores en un electrocardiograma así como también en instrumentación de medición. 1. Objetivo Principal:
Reconocimiento
del
AO
como La operación que realiza es la resta de sus
instrumento de medición.
dos entradas multiplicada por un factor. f actor. 1.1 Objetivo especifico:
Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, tales
Esquemas calculo, comportamiento,
como equipos médicos (por ejemplo, el
simulaciones.
electrocardiograma),
para
minimizar
el
error de medida.
2. Marco Teórico
Al existir realimentación negativa se puede Un amplificador de instrumentación es
considerar un cortocircuito virtual entre las
un
entradas inversora y no inversora (símbolos
dispositivo
creado
a
partir
de amplificadores operacionales. Está
-
diseñado
una
operacionales. Por ello se tendrán las
un
tensiones en dichos terminales y por lo
para
alta impedancia de
tener entrada,
alto rechazo al modo común(CMRR) y una alta ganancia. Se puede construir a base de componentes discretos o se puede
encontrar encapsulado (por
ejemplo el INA114).
Esquema de un instrumentación
amplificador
de
y
+
respectivamente)
de
los
dos
tanto en los extremos de la resistencia Rg. Así que por ella circulará una corriente:
)
Ig=(V2-V1)(
Y debido a la alta impedancia de entrada
instrumentación que estudia el registro de
del Amplificador Operacional, esa corriente
la actividad eléctrica cardiaca.
será
la
misma
que
atraviesa
las
resistencias R1 Por lo tanto la tensión que cae en toda la rama formada por Rg,R1 y R1.
con muy poco ruido, para la adquisición de la señal electrocardiográfica. La presencia de ruido en el registro de este tipo de
=(( )(Rg+2R1))=
señales, es prácticamente inevitable. Ya sea por causas ajenas, o propias del sistema.
)
El conocimiento acerca del ruido, y las
(V2-V1)(
El principal objetivo es conseguir un sistema
causas que lo propician, ayudarán al
( )
Que será la diferencia de tensión entre la salida inmediata de los dos A.O. 's (justo antes de las R2). Puesto que el resto del circuito es un restador de ganancia la unidad (R2=R3) su salida será exactamente
procesado y eliminación de éste. Y podríamos referirnos a este ruido como a toda señal ajena a la señal de estudio, en este caso particular tendríamos el ruido de la fuente que funciona a una frecuencia de 60Hz.
la diferencia de tensión de su entrada (sin
Destacamos, el problema que conlleva la
añadir ganancia), la cual se acaba de definir.
amplitud tan pequeña de las señales
( )
bioeléctricas. Los potenciales bioeléctricos
del ser humano son magnitudes que varían
En caso de que las resistencias no sean iguales, la ganancia total del amplificador de instrumentación será:
con el tiempo. Los valores de dicha medida pueden variar entre distintos individuos por diversos factores. Por ejemplo, en un ECG la magnitud de un paciente, puede variar
( ) ( )
entre 0.5mV-4mV, nivel estimado para el ECG.
En circuitos integrados suele encapsularse
El
todo excepto la resistencia Rg para poder
instrumentación es usado para denotar la
controlar la ganancia. También puede
elevada
sustituirse la conexión a tierra por otra a
amplificador diferencial con una única señal
una tensión dada.
de salida, alta impedancia, y un elevado
término
amplificador
ganancia,
acoplo-DC,
de
un
CMRR. El amplificador de instrumentación
APLICACIONES
se
utiliza
para
amplificar
señales
de
En la medicina la electrocardiografía es una
entradas muy diferentes y pequeñas, que
de las principales aplicaciones de los
provienen de transductores, en los cuales
amplificadores
operacionales
de
podría haber una señal o nivel alta de modo
debe ser alta de 1000 como se había
común, como son las biolectricas.
especificado en los requerimientos.
Existen algunos requerimientos para el funcionamiento de dicho aparato: •
La señal de ECG tiene componentes relevantes solo entre 0.05 hz y 150 hz.
•
Los valores de
la
señal
en
la piel oscilan en pocos milivoltios (entre unos 0.5 y 10mV como máximo). •
Ganancia
de
aproximadamente
1000. •
Con estos datos se deberá saber que ancho de banda debe tener el circuito, y la ganancia que este deberá presentar.
Para la adquisición analógica, se toma la señal electro cardiográfica del usuario a través de los electrodos, y estos a su vez se
-Vo= salida del amplificador. -Va y Vb son las entradas al diferenciador.
encuentran conectados al circuito a partir de cable apantallado que permite la eliminación de ruidos, los electrodos que se utilizaran son de los de tipo superficial por su facilidad de manejo y economía. Como las amplitudes de la señal eléctrica del
corazón
van
desde
1milivoltio
a
5milivoltios la ganancia del amplificador
-Gd= es la ganancia del amplificador. -Necesitamos que Gd se ha de 1000 para conseguir esto asumiremos; -Rg=1k ohmio. -R3=100k ohmio. -R2=10k ohmio.
Ejemplo de simulación con ganancia 1000
debe dejar pasar las señales que se encuentren en este rango.
la frecuencia de corte es 150 Hz, asumimos un condensador de 1uf y de la formula despejamos R.
R=1/(150*2*pi*1uf)
=
1061,03
ohmios
Esquema de amplificación de instrumentación
Filtro Pasa Bajo
CALCULO DE FILTRO PASA ALTO Ingreso de 1 mV
Calculo de filtro Pasa Bajo
Filtro pasa Alto
La frecuencia de corte es 0.05 hz, asumimos Filtro Pasa Bajo
un condensador de 1uf y de la formula
despejamos R.
fo= Una de las partes mas importantes de un acondicionador de señales es el filtrado el cual nos determinara el ancho de banda del circuito.
Como
habíamos
mencionado
anteriormente la señal de ECG tiene componentes relevantes solo entre 0.05 Hz y 150 Hz por lo tanto nuestro circuito solo
R=1/(0.05*2*pi*1uf) = 3,18 megohmios. Grafica del Filtro Pasa Alto
Grafica Filtro Pasa Alto
La señal que se obtiene de los electrodos esta en milivotios, en el ambiente por lo general existen señales indeseadas las cuales por lo general tiene mayor amplitud que la señal de los electrodos, por lo que es necesario
realizar
una
etapa
de
amplificación para la señal del electrodo para que no se obtenga una mezcla de las 2 señales al momento de filtrar la señal o
Grafica filtro pasa banda
incluso solamente la señal parasita, por lo
Se simulo los filtros unidos y nos dio la
que es necesario utilizar un amplificador de
siguiente grafica en el dominio de la
instrumentación.
frecuencia es decir es un filtro pasa banda de acuerdo a los valores deseados.
valores exactos para no tener ningún error
Filtro Rechaza Banda Cuando
en la obtención de los datos se debe utilizar
utilizamos fuentes de poder que
están alimentadas por la red de 120 voltios a 60hz con las cuales alimentaremos los operacionales esa frecuencia de 60 Hz se introduce dentro de nuestro sistema siendo una
señal
indeseable.
Tenemos
Debido a que el amplificador debe tener
que
un operacional especial, en este caso el AD620
que
es
un
circuito
cuyos
componentes fueron diseñados para tener solo pequeñas variaciones, las cuales hacen que el circuito funciones de manera adecuada en amplios rangos de ganancia y voltajes de operación.
eliminarla por medio de un filtro rechaza banda de 60 Hz.
Electrocardiograma La señal del corazón que se debe obtener del nódulo sinusoidal que se encuentra en la parte derecha del mismo. Aplicación del Operacional
FILTRADO DE LA SENAL Para filtrar la señal se necesita un filtro pasa banda de 0.05 – 150Hz debido a que solo entre Grafica de un electrocardiograma
estas
electrocardiograma
frecuencias tiene
el
componentes
relevantes, fuera de este rango no, algo que
se debe tomar en cuenta es que también
La señal de los electrodos están conectadas
existe ruido eléctrico causado por la señal
a un amplificador de instrumentación
de la red de alimentación 120v-60Hz, esta
INA114AP el cual tiene una ganancia fija de
señal de 60Hz se introduce en nuestro
circuito haciendo que sea una señal no deseada, por lo también seria necesario un así
Pero antes de este existe un circuito de
evitaríamos cualquier ruido eléctrico que se
protección que esta formado por dos
pueda introducir en nuestro sistema.
amplificadores LF353N y cumple con 2
filtro
rechaza
banda
de
60Hz
y
FRECUENCIA CARDIACA
objetivos, colocar la pierna derecha RL a una tierra aislada de la tierra del circuito
Para la medición de la frecuencia cardiaca
para proteger al paciente y atenuar el
es
potenciales
voltaje de modo común que afecta los
generados por el corazón los cuales pueden
terminales de entrada del amplificador de
ser registrados ubicando electrodos en
instrumentación.
necesario
medir
los
diferentes lugares del cuerpo para así obtener información sobre el potencial electico del corazón, la ubicación clásica de estos electrodos, es uno en cada muñeca y un ultimo en el tobillo izquierdo, luego de ubicarlos
se
registran
los
potenciales
eléctricos que hay entre ellos tomados por Conexión del operacional a la señal del cuerpo
pares.
Luego de esto pasa por un filtro pasa banda de 0.05 - 40Hz y luego por otro de banda angosta de 12 - 25Hz, esto es necesario debido a que existe ruido eléctrico el cual puede
hacer
que
se
obtenga
una
información errónea, luego de este proceso de filtrado se puede utilizar la señal para obtener información mediante un circuito.
CIRCUITO BÁSICO DE MEDICION DE VOLTAJE En la figura se muestra un Voltimetro de cd Frecuencia Cardiaca y Señal de un Electrocardiograma
de alta resistencia de entrada, simple, pero efectivo. El voltaje que va a medirse, E1, se
aplica a la terminal de entrada (+). Ya que el
transistor, este circuito puede alimentarse a
voltaje diferencial de entrada es 0V, E1 se
una
desarrollara a través de ri. La corriente del
5mA*100=0.5 A.
corriente
de
carga
máxima
de
medidor Im se establece por Ei y Ri precisamente como en el amplificador no inversor.
Probador de diodo
Puede medirse la brillantez de los Led con facilidad, uno después de otro, para propósito de prueba o igualación, debido a que la corriente a través de cada diodo será exactamente 20mA independientemente
Grafica de medicion de voltaje
del voltaje directo en los LED Si ri es de 1 kohm, entonces 1mA de
3. CONCLUSIONES
corriente del medidor fluirá para que Ei=1V cd. Por lo tanto, el miliamperímetro puede
El amplificador de instrumentación,
calibrarse directamente de cd desde -1V a
es una excelente opción cuando se
+1V.
necesite trabajar con señales de precisión.
PROBADOR DE DIODO EMISOR DE LUZ
respuesta y estabilidad frente al
El circuito de la figura convierte Ei en una
ruido.
corriente de carga de 20mA, pero como si se le añade un transistor se proporciona una
corriente
alimentación terminal
de
de de
carga
mediante
la
voltaje
negativo.
La
salida
del
calidad para que los cálculos sean similares y no presenten cambios es el momento de funcionamiento.
operacional solo debe alimentar corriente corriente de carga. El factor 1/100 proviene de suponer que la beta del transistor es igual a 100. Puesto que el amplificador operacional puede alimentar una corriente de salida hasta 5mA dentro de la base del
Que los elementos de discretos que se utilicen con los AI sean excelente
amplificador
de base, la cual es por lo común 1/100 de la
Utilizar amplificadores de buena
En los Sistemas ECG la señal debe ser los mas pura posible, para así tener un resultado idóneo para su análisis en el ámbito de la medicina.
