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Diagrama en bloques elemental de un instrumento electrónico analógico. Diagrama en bloques elemental de un Instrumento Digital

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(1)

Diagrama en bloques elemental de un

instrumento electrónico analógico

Diagrama en bloques elemental de un

Instrumento Digital

(2)

Amplificadores elementales

e

s

u

u

u

A

=

Primera etapa de un aparato digital

Bloque amplificador

(generalmente un amplificador de tensión, que idealmente, debe entregar a su salida una versión magnificada de la tensión de

entrada, independientemente del valor de las resistencias de carga y fuente)

Amplificador elemental:

(3)

Algunos inconvenientes de la

amplificación de lazo abierto

La ganancia cambia con el dispositivo y puede no ser

estable (alinealidad).

La ganancia depende fuertemente de magnitudes de

influencia como la temperatura.

Dispositivos de un mismo tipo pueden presentar

diferencias de ganancia.

(4)

En un circuito realimentado, se vincula la salida con la

entrada:

Lazo cerrado (elemental)

Amplificadores Realimentados

Lazo abierto (elemental)

A

u

e

u

s

(5)

Ganancia de un circuito con realimentación

A

: ganancia de lazo abierto (muy alta)

ββββ

:

fracción de

u

s que se mezcla con

u

e en el comparador (se supone que no influye sobre la entrada)

2

s

A

u

u

=

)

A

1

(

u

u

e

=

2

+

β

1

A

A

u

u

A

e

s

f

=

=

+

β

Ganancia de lazo cerrado

(6)

A

1

A

u

u

A

e

s

f

=

=

+

β

β

1

A

lím

f

A

=

Si la ganancia de lazo abierto

A

del amplificador es muy grande, la de lazo cerrado depende sólo de la red de realimentación, que pueden ser muy bien conocida, con grados de exactitud superiores

a los de los elementos activos que constituyen el amplificador.

A

A

A

1

1

A

A

f

f

β

+

=

Algunas ventajas de un circuito con realimentación

Una variación porcentual de la ganancia del amplificador básico

A

queda reducida en un factor

1+

β

A

, factor que siempre es mayor

(7)

Amplificadores Operacionales

A (ganancia en CC): 10

5

… 10

7

Z de entrada:…10

5

… 10

6

Z de salida: …10…10

2

Representación típica Valores característicos

(8)

Se consiguen en forma de circuitos integrados con una gran variedad de aplicaciones

(9)

(

2

1

)

d

s

A

U

U

U

=

1

2

d

U

U

U

=

Tensión de modo diferencial

2

U

U

U

c

=

1

+

2

modo comúnTensión de

Amplificador Ideal

Amplificador

Real

d

s

d

U

U

A

=

c

s

c

U

U

A

=

Ganancia de modo

Diferencial Común

c

d

A

A

CMRR

=

...

10

4

...

10

6

...

(10)

(En un amplificador real, existen apartamientos de lo anterior, aunque no suelen ser de gran importancia)

R

i

→ ∞

R

s

0

A

d

→ ∞

A

c

0

Amplificador Operacional Ideal

3

-+ 1 2 A

R

i

R

s

(

2

1

)

d

s

A

U

U

U

=

Amplifica la diferencia

(11)

Amplificador Operacional Realimentado Negativamente

s

f

i

i

f

R

R

AU

U

I

+

+

=

A

1

R

R

I

U

Z

f s f i i

+

+

=

=

A

Z

i

0

Si se desprecia el efecto de la corriente que se deriva por

R

i ( ): A → ∞ Ri → ∞ ; Rs0 0 → ε

La pata (-) del A.O. está al potencial de tierra sin estar vinculada galvánicamente a ella. Es una “tierra virtual”.

(12)

;

R

250

M

1

R

i

>

s

Ejemplo: de la hoja de características

de un A.O. se obtienen Para

R

f

=

5

k

se tiene:

A

1

R

R

Z

i

f

s

+

+

=

5

10

A

>

5

3

10

1

)

250

10

5

(

+

+

=

0

,

05

(13)

Ejemplo de aplicación de un Amplificador Operacional

Realimentado Negativamente - Inversor

R

U

I

=

i

Us

-+ Ri Rs Rf Ui If AUi

-+

-+ R I f

I

=

f f s

I

R

U

=

f i

R

R

U

=

R

R

U

U

f i s

=

f

A

=

Ganancia de lazo cerrado (Inversor) Rf Ui Us -+ R I If

(14)

L s s

I

U

Z

=

i f s

U

R

R

U

=

s i f s L

R

U

A

R

R

U

I

+

=

(

)

R

A

R

R

R

Z

s

s

f

+

Para los datos del ejemplo anterior: Impedancia de salida

5

f

s

250

;

R

5

k

;

A

10

R

=

>

Y con:

R

=

5

k

Se tiene:

Z

5

m

s

(15)

Ejemplo de aplicación de un Amplificador Operacional

Realimentado Positivamente - No Inversor

Us

-+ Ri Rs Rf AUi

-+ + R I Ui U1 + If If i s f

U

U

A

=

R

R

1

A

f

=

+

f

i s f 1

U

U

R

R

R

U

=

+

=

0

I

=

(16)

i

1

i

R

U

U

I

=

(

)

i f 1

U

R

R

A

1

A

R

U

+

+

=

I

U

I

U

Z

i

=

i

=

1

R

R

1

A

R

Z

f

i

i

+

0

I

>

0

A

>

>

Para los datos del

ejemplo anterior:

11

3

3

5

6

i

0

,

5

10

10

5

10

5

1

10

10

Z

=

+

Impedancia de entrada

(17)

Ventajas de la configuración no inversora

Impedancia de salida muy baja. Ganancia sin inversión.

Impedancia de entrada muy grande.

Ganancia independiente del amplificador, siempre que ésta sea muy alta.

Ideal como etapa amplificadora para fuentes con alta resistencia de salida.

(18)

Un caso particular de la configuración no inversora:

“Separador” o “Buffer”

U

s

+

-U

1

R

R

1

A

f

=

+

f

Para la configuración no inversora vista antes:

0

R

f

=

Para este caso:

1

A

f

=

(19)

En resumen:

Se han analizado los A.O., que no son más que un tipo particular de amplificadores de alta ganancia.

Con una adecuada realimentación, se usan extensamente en circuitos de instrumentos digitales (y en muchos otros): • con y sin inversión;

(20)

Algunas operaciones típicas con

Amplificadores Operacionales

Sumador

U

s

-+

R

1

R

2

U

1

R

n

U

2

Un

R





+

+

+

=

n

n

2

2

1

1

s

R

U

...

R

U

R

U

R

U

(21)

Integrador

R

U

I

f

=

1

C

U

s

-+

U

1

I

f

R

=

I

dt

C

1

U

s

f

=

U

dt

RC

1

U

s

1

(22)
(23)

Salidas del simulador

Fuente

(24)

dt

dU

C

R

U

s

=

1

R

I

U

s

=

f

R

U

s

-+

U

1

I

f

C

Diferenciador

=

I

dt

C

1

U

1 f

dt

dU

C

I

f

=

1

(25)

Rectificador de precisión de media onda

U

s

-+

U

1

R

R

D

1

D

2

I

1

s

U

U

=

0

U

1

<

0

U

s

=

0

U

1

>

(26)
(27)

Fuente de corriente

f

f

s

I

R

U

=

.

cte

I

.

cte

U

1

=

f

=

R

f

U

1

U

s

-+

R

I

f

f

1

I

R

U

=

(28)

Convertidor corriente - tensión

f

s

I

R

U

=

(29)

Esquema en bloques del proceso de

Conversión Analógico – Digital (CAD)

Los dos primeros bloques generalmente se encuentran en un único circuito conocido como circuito “sample and hold” (S/H). Son necesarios cuando se deben digitalizar señales que varían con el tiempo.

El cuantizador y el codificador generalmente están incluídos en un solo circuito denominado Conversor

(30)

Muestreo

Señales analógicas: en general tienen variaciones continuas.

No existen valores “prohibidos”. Entre un valor y otro, existe una cantidad infinita de valores posibles.

En el caso muy general dibujado, la señal puede tomar

(31)

La mayoría de las señales que aparecen en los circuitos comunes de medición son de naturaleza analógica (como así también son las que interpretan nuestros sentidos, como el oído por ejemplo).

La base de la digitalización de señales radica en el teorema

del muestreo:

Transformarlas en digitales, facilita su manejo (procesamiento mucho más sencillo), su almacenamiento y reduce, entre otras cosas, su sensibilidad a los ruidos.

(32)

Proceso idealizado: luego

del filtro pasabajos de banda estrecha, se vuelve a tener la señal analógica original.

(33)

Mientras la llave está abierta, no hay señal transmitida en

el canal de comunicación ⇒ pueden usarse esos lapsos para transmitir otra u otras señales muestreadas.

La señal muestreada, si bien es discontinua, es todavía

analógica pues no existen restricciones a los valores que

puede tomar.

(34)

“Sample and Hold” (S/H)

Muestreo y Retención

Esquema elemental de un circuito de

muestreo y retención

(35)

Señal de salida de un circuito S/H

(también analógica)

Señal analógica a muestrear

(36)

A la entrada continua

u

e, le corresponde la salida discontinua

u

s

u

e

u

s

A

a

Cuantización:

Proceso por el cual las infinitas amplitudes

posibles de la señal analógica de entrada se subdividen en

un número predeterminado de valores. Se realiza en un

bloque cuya transferencia es la siguiente:

Curva característica de

transferencia de un bloque cuantizador de 8 niveles igualmente espaciados

(37)

ue us A a

A:

Rango dinámico

a:

Paso de cuantización

M:

Nº total de niveles de cuantización

Cuantización

1

M

A

a

=

u

e t

u

s Proceso de cuantización de una señal analógica

(38)

Error de Cuantización

Aparece como consecuencia de que la señal de salida, cuantizada (discontinua), es una aproximación de la entrada, continua.

La señal cuantizada en el nivel

U

i podría deberse a cualquier valor de amplitud comprendido entre

U

i

-a/2

y

U

i

+a/2

.

El error de cuantización será entonces sistemático e

indeterminado, con valor límite:

2

a

E

c

=

±

El error de cuantización será tanto menor cuanto mayor sea el número de niveles posibles (para un mismo rango dinámico). Conviene utilizar el conversor a fondo de escala, a fin de

(39)

Codificar la señal cuantizada significa darle una

representación que sea de fácil manejo e interpretación, desde el punto de vista de los circuitos empleados.

Codificación

Codificación Decimal

0

0

1

n

1

n

n

n

10

d

*

10

d

*

10

...

d

*

10

N

=

+

+

+

0

1

n

n

10

d

d

...

d

N

=

Es la codificación más empleada en la vida cotidiana, pero cada uno de los los

n

coeficientes debe poder tomar 10 valores diferentes para lograr la

representación.

Muchas veces es necesario operar con códigos más convenientes y hacer luego una conversión a decimal, más fácilmente comprensible para el

(40)

Codificación Binaria

0

0

1

n

1

n

n

n

2

b

*

2

b

*

2

...

b

*

2

N

=

+

+

+

0

1

n

n

2

b

b

...

b

N

=

Es un sistema de codificación ideal: cada coeficiente sólo puede valer 0 o 1.

A cada uno de los dígitos binarios

b

i se le da el nombre de

bit (binary digit)

Ejemplo: Decimal:

14

Binario:

1110

)

2

*

0

2

*

1

2

*

1

2

*

1

(

3

+

2

+

1

+

0

(41)

La Codificación Binaria puede caracterizarse fácilmente: presencia o ausencia de tensión, nivel alto o bajo, señal

positiva o negativa, etc. (dos estados netamente distinguibles)

Notar que la cantidad de niveles de

discretización dependen del número de bits:

1110

bi

nary digi

t

bit más significativo

MSB

bit menos significativo

LSB

n

2

M

=

(42)

3 cifras decimales

10

3

=1000

valores posibles (niveles)

Así, para tener una resolución adecuada en aparatos de medida, aún no demasiado exactos, se necesitan 8 bits o más.

Ejemplos:

3 bits

2

3

= 8

valores posibles (niveles)

Resolución =

1/1000 (0,1 %)

Resolución =

1/8 (12,5 %)

0,002

65536

16

0,02

4096

12

0,10

1024

10

0,20

512

9

0,39

256

8

Resolución

[%]

Cantidad

de niveles

Nº de

Bits

(43)

Nº a convertir: 17

Atención: el código que hemos mostrado en estos ejemplos es el denominado Código Binario Natural (respeta las potencias crecientes de 2, de derecha a izquierda), pero no es el único.

Conversión rápida de binario a decimal:

1 0

0 0

1 Resto (Nº en Binario Natural)

8 4

2 1

0 Cociente al dividir por 2

(44)

Resumiendo: Conversión Analógico – Digital (CAD)

Los dos primeros bloques generalmente se encuentran en un único circuito conocido como circuito “sample and hold” (S/H). Son necesarios cuando se deben digitalizar señales que varían con el tiempo.

El cuantizador y el codificador generalmente están incluídos en un solo circuito denominado Conversor

Analógico - Digital.

Finalmente, la señal es transcodificada a una forma más simple de entender por un operador humano, como por

ejemplo un formato numérico decimal (3½, 4½ dígitos) o un formato de "barras".

(45)

Falso Cero

Error de Ganancia

Errores de Digitalización

Además del error de cuantización ya mencionado, los sistemas de digitalización reales exhiben apartamientos de la característica ideal de transferencia que se traducen en nuevas fuentes de

errores (citaremos sólo algunos de los más importantes)

F.E.

111

(46)

Error de Linealidad

Error de Conmutación

F.E.

111

000

(47)

Una vez digitalizada la señal de entrada, muchas veces es

necesario volver a convertirla en analógica para su uso posterior

El último bloque (D/A) es un conversor Digital - Analógico: su entrada es una señal digital y su salida una analógica.

(48)

Convierte una señal

Digital de

n bits

, en una Analógica a partir

de una dada Tensión

de Referencia.

La señal

u

s será una tensión cuyo valor dependerá de una cierta relación entre

u

ref y la información contenida en la señal digital de

n bits

.

(49)

U

ref

U

0

U

S

Ejemplo





+

+

+

=

0

0

2

n

2

n

1

n

1

n

ref

L

R

S

...

R

S

R

S

U

I

Suponiendo

U

0

=

0

Donde

U

ref y

U

0 son tensiones conocidas con adecuada exactitud

(50)

La corriente (analógica) guarda una relación directa con el estado de cada una de las llaves, que se

corresponden con cada uno de los bits de la señal digital de entrada.

(

0

)

0

2

n

2

n

1

n

1

n

ref

L

S

2

S

2

...

S

2

R

U

I

=

+

+

+

Inconveniente: si el Nº de bits aumenta, se hace difícil conseguir resistores estables y bien conocidos de valores que pueden llegar a ser muy altos.

(51)

Esquema de un conversor D/A R-2R de 4 bits

(Requiere el doble de resistores que el anterior, pero de sólo dos valores, R y 2R)

Una posible solución:

(52)
(53)

Haciendo el circuito equivalente de Thevenin “visto” desde

“0”

hacia la izquierda, tenemos:

(54)
(55)

Siguiendo, el circuito equivalente “visto” desde el borne donde aparece

“U

S

:

Cada llave contribuye a la salida total con su propio peso binario.

La expresión general de la tensión de salida puede escribirse:

+

+

+

=

3

3

2

2

1

1

0

0

ref

s

2

S

2

S

2

S

2

S

U

U

Con

S

i de valor

“0”

o

“1”

Referencias

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