Amplificador de instrumentación_Práctica 1

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAS AVANZADAS

PRÁCTICA 1

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIÓN

UNIDAD DE APRENDIZAJE

SENSORES Y ACONDICIONADORES DE SEÑAL

PRESENTAN GARCIA CAMACHO JUAN LUIS IVAN

IMPARTE

CASTAÑEDA GALVÁN ADRIÁN ANTONIO

México D.F. a martes 20 de marzo del 2012

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACION INTRODUCCIÓN Los sensores son dispositivos que transforman la energía de la variable de un fenómeno físico en una energía de salida que es función de la variable medida. Para seleccionar un sensor se toman en cuenta diversos parámetros que son necesarios conocer para hacer un acondicionamiento adecuado de la señal de salida. Ante la exigencia de medida que imponen

los

sensores,

se

necesitan

amplificadores

específicos

llamados

de

instrumentación, estos cumplen con características que los hacen indispensables para el acondicionamiento de señales. En esta práctica describiremos el amplificador de instrumentación, sus características, uso y funcionamiento. Desarrollaremos un amplificador de instrumentación con amplificadores operacionales, realizaremos las pruebas necesarias para obtener un CMRR mayor a los 93 dB con el objetivo de poder implementar este amplificador en prácticas posteriores.

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Definir el amplificador de instrumentación, su uso, principio de funcionamiento y características. Realizar un análisis para realizar un amplificador de instrumentación con amplificadores operacionales en base a su principio de funcionamiento. Obtener un CMRR mayor a los 93 dB, reportar y obtener conclusiones.

MARCO TEÓRICO Un amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial que cumple con ciertas características que lo hacen diferente a un amplificador común. Los amplificadores de instrumentación amplifican la diferencia entre dos señales, su uso es relevante puesto que estas señales, en la práctica, provienen de sensores y son muy utilizados en equipos industriales, instrumentación medica electrónica entre otros. Para realizar una correcta medición (de la diferencia entre dos señales) el amplificador de instrumentación debe tener una adecuada relación de rechazo en modo común, abreviado como CMRR.

Razón de rechazo al modo común (CMRR)

Cuando se introduce una señal V1 y V2 iguales al amplificador de instrumentación, se produce una pequeña señal de salida aunque lo ideal seria que esta fuese igual a cero.

Imagen 1. Salida del amplificador en modo común Aunque la salida debería ser idealmente cero, se observa que hay una pequeña amplitud en la señal de salida.

De a cuerdo a lo anterior, se puede decir que el CMRR sirve para cuantificar la calidad del amplificador de instrumentación y se expresa matemáticamente como: Ecuación 1

(

)

Donde Ad y Ac son la relación de tensión de entrada y tensión de salida. A continuación se muestra la configuración de modo diferencial y modo común.

La ganancia Ad en modo diferencial se obtiene de dividir la tensión de salida entre la tensión de entrada Ecuación 2

(

)

Imagen 2. Configuración en modo diferencial La ganancia Ac en modo común

se

obtiene

de

dividir la tensión de salida entre la tensión de entrada Ecuación 3

(

Imagen 3. Configuración en modo diferencial

)

Funcionamiento del amplificador de instrumentación

El amplificador de instrumentación esta formado por tres amplificadores operacionales y 7 resistencias como se aprecia en la imagen 5.

Imagen 5. Amplificador de instrumentación formado por 3 amplificadores operacionales y 7 resistencias

Para simplificar el análisis del circuito, se observa que el amplificador de instrumentación esta compuesto de un amplificador acoplado con un amplificador diferencial básico.

Imagen 6. Amplificador básico

Imagen 7. Amplificador diferencial básico

Todas las resistencias del amplificador de instrumentación son iguales, excepto por RG y R7. La resistencia RG es variable con fines de modificar la ganancia en modo diferencial, la resistencia R7 es variable con objeto de balancear la tensión de modo común que esté presente. Se expresa matemáticamente la ganancia en función de RG de modo que:

Ecuación 4

Donde Ecuación 5

De modo que sustituyendo (5) en (4) tenemos:

Ecuación 6

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Una vez conocidos los fundamentos del amplificador de instrumentación, su funcionamiento y modo de operación, necesitamos conocer el valor de la resistencia RG, para esto proponemos R = 10 KΩ y sustituimos en (6): Ecuación 7

Sabemos que: Ecuación 8

Entonces proponemos una ganancia de 1000 y sustituimos en (7), despejamos y obtenemos RG:

Ecuación 9

La resistencia variable RG la ajustamos con un trimpot (Trimmer potentiometers o resistencia variable lineal) a 20 Ω, armamos y conectamos el circuito en la protoboard de a

cuerdo a la imagen 5 para comenzar a realizar pruebas de medición.

Las resistencias R1, R2, R3, R4, R6 de 10 KΩ son de precisión para tener el mejor balance posible.

Resistencia variable RG a 20 Ohms

Amplificadores operacionales encapsulados en un TL084

Resistencia de precisión R de 10 KΩ

Imagen 8. Amplificador de instrumentación montado en protoboard (tabla de prueba)

Modo diferencial

Se alimentó el amplificador de instrumentación con 35 Vpp para obtener la máxima tensión de salida posible. Con el generador de señales calibramos una señal de entrada sinoidal con amplitud lo mas pequeña posible que pudiese observar el osciloscopio sin ruido. La señal del generador fue de 58 mVpp (mili volts pico a pico) y la monitoreamos con el canal 1 del osciloscopio (línea amarilla). La salida la monitoreamos con el canal 2 (línea azul). La medición diferencial se hiso respecto a tierra, así que conectamos V2 con la referencia. Modo diferencia = V1 – V2

Modo Común

Para la conexión en modo común (figura 3) la señal de entrada fue de 20 Vpp. Esta puede ser prácticamente de cualquier amplitud, pues la salida dependerá del balance que se obtenga con R7 y el conjunto de resistencias, por esto que fuesen de precisión.

OBTENCIÓN DE RESULTADOS Resultados es de medición en modo diferencial

Imagen 9. Captura del osciloscopio, respuesta del amplificador de instrumentación en modo diferencial

Calculando la ganancia en modo diferencial, de la ecuación 2: Resultado 1

(

)

Resultados es de medición en modo común

Imagen 10. Captura del osciloscopio, respuesta del amplificador de instrumentación en modo común

Calculando la ganancia en modo común, de la ecuación 3: Resultado 2

(

)

ANÁLISIS DE RESULTADOS Una vez obtenidos los resultados y calculado sus ganancias los tabulamos para ser analizados y comparados

Modo diferencial Modo común

Tensión de entrada

Tensión de Tensión de salida salida

Ganancia Gananciareal obtenida

Ganancia estimada (Ideal)

28 mV

30.4 V

1085.71

1000

20V

176 mV

0

Con los resultados obtenidos calculamos el CMRR que para efectos prácticos entre mas grande mejor. Una de las aplicaciones de un CMRR alto en un amplificador de instrumentación es poder monitorear una señal biológica, para esto se necesita un CMRR mayor a 93 dB. De la ecuación 1 obtenemos el CMRR: Resultado 3

(

)

(

)

CONCLUSIONES Con un CMRR como el obtenido (101.82dB) podemos decir que el amplificador de instrumentación es bueno aunque no excelente. Como se mencionó anteriormente entre mayor sea el CMRR mayor es la calidad del amplificador. En la práctica, la señal de modo común nunca será rechazada completamente, por lo tanto, lo importante es reducirla al máximo mediante el balance de las resistencias con R7, consiste en igualarlas lo más posible. Los objetivos de esta práctica se cumplieron y con el amplificador de instrumentación podemos acondicionar señales provenientes de sensores en prácticas posteriores. Independientemente de esto