memoria instr pract 2

E.U.I.T.I. UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID

DPTO. ELECTRNICA, AUTOMTICA E INFORMTICA INDUSTRIAL

PRCTICAS

DE

INSTRUMENTACIN

Gabriel Carvalho Garcia 51581

Instrumentacin. Prctica II Amplificadores de instrumentacin

PRCTICA II

ACONDICIONAMIENTO DE SEAL. AMPLIFICADORES DE INSTRUMENTACIN

NDICE

1 INTRODUCCIN. 3

2 OBJETIVO DE LA PRCTICA. 3

3 ACONDICIONADORES DE SEAL. 3

3.1 DIVISORES DE TENSIN. 33.2 PUENTE DE WHEATSTONE. 43.3 AMPLIFICADORES DIFERENCIALES Y DE INSTRUMENTACIN 6

4 REALIZACIN DE LA PRCTICA. 10

4.1 IDENTIFICACIN DE LOS COMPONENTES 104.2 ESTUDIO DEL RECHAZO AL MODO COMN DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL 104.3 ESTUDIO DEL RECHAZO AL MODO COMN DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN 114.4 ESTUDIO DEL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL 114.5 ESTUDIO DEL AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIN 124.6 COMENTAR LAS DIFERENCIAS DE LOS VALORES OBTENIDOS EN LOS APARTADOS ANTERIORES 124.7 CLCULOS, COMENTARIOS Y ACLARACIONES 12


1 Introduccin.

Los sensores normalmente ofrecen una salida de muy bajo nivel, por lo que es necesario acondicionarla amplificndola convenientemente. En esta prctica se estudiarn circuitos que permiten amplificar de forma adecuada dichas seales.

2 Objetivo de la Prctica.

En esta prctica se persiguen los siguientes objetivos:

1. La identificacin de los amplificadores de instrumentacin.2. El estudio y manejo de sus hojas de caractersticas.3. Comparar sus prestaciones con los amplificadores operacionales.

3 Acondicionadores de seal.

Cuando la informacin proporcionada por el transductor est asociada al valor de una impedancia, los acondicionadores de seal ms utilizados son los divisores de tensin y los puentes de impedancias y cuando la informacin est ligada a una tensin o corriente se utilizan los amplificadores. Estos ltimos tambin son utilizados en elcaso de que las variaciones de seal proporcionadas por los divisores de tensin o puentes de impedancias sean muy pequeas.

3.1 Divisores de tensin.

Cuando la informacin procede de la variacin de la impedancia del transductor, el caso ms sencillo de configuracin de entrada del acondicionador consiste en utilizar su impedancia de entrada para configurar un divisor de tensin junto con la impedancia de salida del transductor. En la figura 1 se observa un transductor de impedancia de salida RO y un generador de tensin V conectado a un acondicionador de impedancia de entrada RL.

La tensin VO que el acondicionador procesa es:

V +

R0

RL

+

-

V0

Figura 1. Divisor de tensin

R L VO = V

R L + R O


3.2 Puente de Wheatstone.

El puente de Wheatstone o puente de impedancias de la figura 2 se utiliza en sistemas de medida por comparacin, mediante un detector (voltmetro) del equilibrio del puente. El equilibrio se obtiene cuando las cadas de tensin en las ramas resistivas del puente son iguales.

La tensin de desequilibrio V (entre los puntos 1 y 2) del puente tiene un valor que es funcin de las resistencias que lo forman y es igual a:

Cuando en el puente se cumple la relacin:

o, lo que es lo mismo:

se dice que el puente est equilibrado y se obtendr una lectura nula en el voltmetro V.

El transductor se puede colocar en la posicin de cualquier resistencia Ri y para medir el valor de su impedancia se pueden utilizar dos procedimientos.

El primero consiste en reajustar el valor de las dems resistencias conocidas de manera que se logre una tensin de salida V nula y a partir de las relaciones anteriores se obtiene el valor de la resistencia del transductor. Una caracterstica importante de este puente es que la condicin de tensin nula a la salida es la misma con independencia del valor de la tensin de alimentacin V o de si es alterna o continua e incluso se pueden intercambiar los nudos de alimentacin y medida.

R2 R4 = R1 R3 R1 R2 = R4 R3

R1 R3 R2 R4 VS = V

(R2 + R3) (R1 + R4)

Figura 2. Puente de Wheatstone

(2.1)

R2

R3R4

R1

V +

VS 1 2 +


El procedimiento anterior; aunque es muy preciso, es de difcil realizacin prctica, por lo que se suele utilizar el procedimiento de montar tres resistencias fijas de valor conocido y medir el valor de la tensin de salida VS. Si el transductor se coloca en la posicin de la resistencia R3= R0 (1+x) y se hace R1 / R4 = R2 / R0 = k, la ecuacin 2.1 se puede transformar en:

y podemos calcular x en funcin de VS.

Si lo que queremos es calcular el valor de la resistencia del sensor en funcin de la salida del puente, operando sobre (2.1) tenemos:

Lo que permite calcular el valor de la impedancia del transductor una vez medido el valor de la tensin de desequilibrio VS.

De la ecuacin 2.1 se deduce que la relacin entre la tensin de desequilibrio V y cualquiera de las resistencias del puente es no lineal. La sensibilidad1 del puente es mxima cuando las cuatro resistencias son iguales, como la impedancia del transductor es variable, se toma como valor de impedancia de las tres resistencias fijas el valor medio del intervalo de variacin de la impedancia del transductor. Este intervalo de variacin se define en las hojas de caractersticas de los transductores que ofrecen los fabricantes de los productos.

Se puede mejorar la sensibilidad del puente y hacer su salida lineal si se disponen dos transductores idnticos y con excitaciones opuestas en el mismo brazo (figura 3). Si se colocan los transductores en la posicin de las resistencias R2 y R4 y se hace R1 = R3 = Ro, la ecuacin 2.1 se reduce a:

1 La sensibilidad o factor de escala de un transductor se define como la pendiente de la curva que relaciona la salida y con la entrada x (curva de calibracin). Para una relacin y=f(x), la sensibilidad en un punto xi [S(xi)], es:

dy S(xi) =

dx x=xi

)2.2()1)(1(

11

4

41

3

3241

4

32

3

+++=

++=

++= kxkxkV

RRR

RRRVRR

RRR

RVVS

)3.2(1

1123 ++=

= kVVAcon

AARR S

)4.2(2xVVS =

Ro(1-x)

Ro(1+x)Ro

Ro

V+

Figura 3. Puente de impedancias con dos transductores idnticos


3.3 Amplificadores diferenciales y de instrumentacin

En muchas ocasiones, la seal proporcionada por el puente de impedancias anterior es muy dbil y necesita ser amplificada antes de ser procesada.

Para amplificar la seal utilizaremos amplificadores operacionales. A la hora de realizar el estudio de los circuitos con amplificadores operacionales utilizados en instrumentacin, hemos de tener en cuenta las caractersticas reales de estos dispositivos, que aunque se acercan a las que se estudian cuando se consideran ideales, no son iguales. La siguiente tabla es una comparativa entre ambos modelos de estudio.

Tabla I. Comparativa entre las caractersticas ideales y reales de los amplificadores operacionales.

CARACTERSTICA A.O.IDEAL A.O.REALResistenciadeentrada Infinita Superior a 1M Resistenciadesalida Nula Muy pequea, unos ohmios Anchodebanda Infinito Muy grande (0 a cientos de Mhz) Gananciaenlazo

abiertoInfinita Muy alta (103 a 106)

Gananciaenmodocomn

Cero Muy pequea

En un amplificador operacional, la salida es proporcional a la diferencia de las tensiones aplicadas a la entrada no inversora e inversora:

donde Vd es la tensin diferencial de entrada.

En el amplificador operacional real, aparece a su salida una tensin correspondiente a la media de las tensiones aplicadas a la entrada:

siendo VC la tensin en modo comn y Gc la ganancia en modo comn.

El parmetro que define la calidad de un amplificador operacional es el rechazo al modo comn (CMRR por sus siglas en ingls) que se define como:

Otro parmetro a considerar en nuestro estudio es la tensin de offset. La tensin offset es la tensin continua que aparece en la salida cuando la diferencia de tensin entre la entrada inversora y no inversora es cero (VD = 0). Esto se debe a que los transistores internos de la etapa de entrada del amplificador operacional no son exactamente iguales y se produce una seal diferencial interior, que amplificada aparecer en la salida. Esta tensin provoca una deriva en la salida.

( ) )5.2(0 GVGVVV d== +

( ) ( ) )6.2(20 cCdDcd

GVGVGVVGVVV +=+= ++

)7.2(c

d

GGCMRR =


El amplificador diferencial representado en la figura 4 es un circuito tpico que se utiliza para amplificar seales diferenciales; procedentes, en este caso, de un puente de impedancias.

El amplificador est formado por un amplificador operacional y una red de resistencias.

Si se supone un amplificador operacional ideal y se analiza el circuito, la tensin de salida V0 es:

Si se hace R2 / R1 = R4 / R3 = K la tensin de salida V0 ser:

Figura 4. Amplificador diferencial en un puente

)8.2(1 243

4

1

21

1

20 VRR

RRRV

RRV +

++=

+==

2:

21

12

EEE

EEEssustituimoSi

c

d

::

conEGEGVvalesalidadetensinLa ddccS +=

( ) )9.2(121

43

4

1

2

1

2

0431

3241

0

+

++==+

==== RR

RRR

RR

EVG

RRRRRRR

EVG

cd Ed

sd

Ec

sc

)10.2(0 dd EGV =

k Romk Ro

Ro(1+x)

R1

R2

R3

R4m Ro

V1

V2


ya que GC pasa a valer 0.

La impedancia de entrada del circuito es igual al valor de R1 para la rama inversora y de la suma de las resistencias R3 + R4 para la no inversora. Normalmente esta impedancia se quiere que sea bastante alta, y para obtener una buena ganancia, el valor de las resistencias R2 y R4 deber ser muy elevado. Estas condiciones pueden introducir un ruido excesivo en el circuito, por lo que se suelen utilizar amplificadores ms complejos. Adems, para modificar la ganancia hay que variar dos resistencias y al mismo tiempo conservar el apareamiento. Por este motivo se han desarrollado alternativas ms prcticas: los amplificadores de instrumentacin.

En la figura 5 tenemos un ejemplo de amplificador con dos operacionales. Si apareamos las resistencias R1 a R4 obtenemos alto rechazo al modo comn, y la ganancia se regula externa RG segn la ecuacin:

En la figura 6 tenemos el circuito clsico para realizar un amplificador de instrumentacin integrado. Consta de tres amplificadores operacionales, dos en una etapa de entrada diferencial y uno en la etapa amplificadora de salida. El rechazo al modo comn es mximo si hacemos:

6

7

4

5

RR

RRk == (2.12)

y si se cumple que:

GRR

RR ==

2

3

2

1 22 (2.13)

Entonces la ganancia en modo diferencial valdr:

( )GkGd += 1 (2.14)

Vref

E1

E2

Vs

+

-

.+

-

.

Rg

R2R1R3R4

Figura 5. Amplificador de instrumentacin con dos operacionales.

)11.2(11

2

3

442

RR

RRkconE

RRRkEV ref

gdS ==+

+++=


Un ejemplo de amplificador de instrumentacin de tres operacionales integrado en un chip para aplicaciones generales y con una excelente precisin es el INA114AP. El circuito de la figura 7 representa un puente de impedancias junto a este amplificador. La ganancia diferencial G se modifica con una nica resistencia externa RG segn la ecuacin:

Figura 5. Amplificador de instrumentacin INA114AP

Sus caractersticas pueden consultarse en el anexo.

E1

E2

Vs

AO 1+

-

.

AO 2

+

-

.

AO 3

+

-

.

R4Va R5Vc

R6 R7

Vc

R1

R2

R3

Vb

Deteccin(sense)

Referencia

50 K G = 1 +

RG

V

V0

5

4 3 8

1 2 7 6

V-

V- IN

RG Ref

V+

V+ IN

V2

V1

R1

R4 R3

R2

Figura 7. Amplificador de instrumentacin INA114AP

INA114AP

(2.15)

Figura 6. Amplificador de instrumentacin con tres operacionales.


4 Realizacin de la prctica. Material necesario: Resistencias Sensores RTD Amplificadores operacionales Amplificador de instrumentacin Instrumentos del banco de trabajo

4.1 Identificacin de los componentes

4.2 Estudio del rechazo al modo comn del amplificador diferencial

Calcular y montar el circuito tpico de un amplificador diferencial de ganancia unidad con un operacional, utilizando el 741.

Cortocircuitar las dos entradas (entrada nula) y medir a la salida la tensin de offset del circuito. Para ello utilizar el CH1 como entrada (nos servir despus), con ganancia sobre 5V/div, y el CH2 como salida, en torno a 10mV/div, con el osciloscopio con acoplamiento en DC. La base de tiempos puede situarse sobre 0,5 ms/div, y el disparo en modo DC. Anotar su valor.

Introducir en las dos entradas la seal del generador de funciones (seal diferencial nula). Situar la ganancia del generador al mnimo. Con el mando de nivel de continua aadir continua y observar la seal de salida (No sobrepasar la mxima seal en modo comn a la entrada segn se detalla en las hojas de caractersticas).

Anotar los valores obtenidos.

Calcular el CMRR como: CMRR = 20*log(Ganancia*Vi/Vo)

** Se encuentra al final del documento.

3,7 mV

Vi=9,55 V V0=5,4 mV

CMRR = 64,95 dB



4.3 Estudio del rechazo al modo comn del amplificador de instrumentacin

Repetir el proceso con el amplificador de instrumentacin. Calcular y montar el circuito tpico de un amplificador de instrumentacin de ganancia unidad, utilizando el INA114.

Cortocircuitar las dos entradas (entrada nula) y medir a la salida el offset del circuito con el osciloscopio. Anotar su valor.

Introducir en las dos entradas la seal del generador (seal diferencial nula). Situar la ganancia del generador al mnimo. Con el mando de nivel de continua aadir seal y observar la seal de salida (No sobrepasar la mxima seal en modo comn a la entrada segn se detalla en las hojas de caractersticas). Anotar los valores obtenidos.

Calcular el CMRR como: CMRR = 20log(Ganancia*Vin/Vout)

4.4 Estudio del amplificador diferencial

Montar el circuito de la figura 4. Utilizar como sensor una PT100 y fijar k=1.

V ser la seal continua de 5 V (la tensin de salida fija de la fuente de alimentacin). V+ = 12 V. V- = -12 V.

Medir la ganancia G del amplificador:

1. Para temperatura ambiente, obtener.

2. Tocar el sensor con un dedo y obtener su temperatura.

V0 = 58,3 m V. R = 111,9 Tamb = 21 C

V0 = 89,3 m V. R = 113,8 Tc = 31 C

Vo = 0,0 mV

Vi = 11,07 mV Vo = 1,8 mV

CMRR = 75,78 dB

G = 1


4.5 Estudio del amplificador de instrumentacin

Montar el circuito de la figura 7. Utilizar los siguientes valores:

V es la seal continua de 5 V. Resistencias del puente: las necesarias para k=1 R3 es el sensor, una RTD tipo PT100 RG = la que se obtenga para una ganancia unidad V+ = 12 V. V- = -12 V. Conectar el terminal de referencia a tierra (0 V.)

Medir la ganancia G del amplificador:

1. Para temperatura ambiente, obtener.

2. Tocar el sensor con un dedo y obtener su temperatura.

4.6 Comentar las diferencias de los valores obtenidos en los apartados anteriores

V0 = V. R = Tamb = C

V0 = V. R = Tc = C

G = 1

13,3 m 111,9 21

21,4 m 113,8 31

La diferencia encontrada entre la salida en el amplificador operacional y en el amplificador de instrumentacin es justificable por el INA poseer una ganancia comn ms baja que el UA741. Como se puede notar en el apartado 4.2 y 4.2, el amplificador de instrumentacin (INA114) tener una salida en modo comn con Vi = 0V de 0,0 mV, mientras que el amplificador de instrumentacin tiene una salida de casi 4 mV en las mismas condiciones.

La prctica tuvo que ser hecha en dos veces, ya que el tiempo dado en la primera

oportunidad no fue suficiente. En la segunda visita al laboratorio no fue posible contar

con la ayuda del profesor, con lo que la confirmacin de los circuitos por parte de l no

existi.

El profesor recomend utilizar todas las resistencias iguales, pero al hacer el

puente con esas condiciones la variacin en la tensin de salida era despreciable.

Utilizando la relacin que R1/R4 = R2/R3 para salida igual a 0 V, cambiamos una de las

resistencias para seguir la relacin entre R2 y R3 (la RTD), que era de aproximadamente

10. De esa forma utilizamos una resistencia de 12 kohm en la R1 e 1,2 kohm en las

dems.

No tener ms una fuente de alimentacin para dar tensin al puente, y utilizar el

generador de funciones para esa finalidad fue una mala opcin, ya que medir la salida

se torn algo mucho ms complicado de lo que debera.

La prctica fue interesante para tener un primero contacto con la medicin de

temperatura utilizando una RTD y hacer el acondicionamiento de su salida. Sera

interesante haber estudiado los montajes con ganancias mayores que uno, para adems

de acondicionar la seal, amplificarla y ser ms til en un caso real.

4.7 Clculos, Comentarios y Aclaraciones

4.2) CMRR = 20*log(1*9,55/5,4m) 50 K

= 1 + oo

G = 121

43

4

1

2

1

2

+ + R +R

RRR

RR =

4.3) CMRR = 20log(1*11.07/1.8m)

4.5)

4.4)

G


**Amplificador de Instrumentacin INA114AP


Amplificador Operacional -- UA741


Sensor RTD PT100


Circuito 4.4


Circuito 4.5


memoria instr pract 2

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