Esta presentación tiene el objetivo de mostrar al lector las configuraciones básicas del acondicionamiento de señales con amplificadores operacionales, amplificadores de instrumentación, Convertidores Analógico a Digital y Digital a Analógico, su planteamiento y sus fórmulas básicas. para que el lector tenga una referencia rápida para su aplicación en sistemas de medida. La actual presentación fue hecha con fines didácticos, la información obtenida se encuentra con mayor detalle en las referencias, al igual que algunas de las imágenes que se pusieron sin permiso del autor, pero que sin embargo no violan los derechos de autor. Ésta versión esta pensada para uso didáctico y puede ser utilizada, haciendo referencia al trabajo aquí presentado.

1. Introducción al
Acondicionamiento de Señales
Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván

2. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Índice
 Introducción
 Amplificadores operacionales
Circuitos con realimentación negativa
Filtros
Amplificadores de Instrumentación
 Amplificadores Diferenciales
 Convertidores D-A y A-D

3. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Introducción 1/4
 Todos los fenómenos físicos de la naturaleza se
encuentran en alguno de los siguientes dominios:
mecánico, térmico, magnético, eléctrico, óptico y
químico.
 Un sistema de medida es la combinación de dos o
más elementos, subconjuntos o partes necesarias para
asignar de forma objetiva y científica una magnitud a
una cualidad, propiedad o evento de algún fenómeno
físico, de tal forma que lo describa.

4. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Introducción 2/4
 Lo más importante para implementar un
sistema de medida es conocer detalladamente
la cualidad, propiedad o evento físico que
queremos medir; así como también tener el
dominio de los conocimientos científicos,
matemáticos y tecnológicos para poder
manipularlos y obtener información de calidad.

5. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Introducción 3/4
 Sistema acondicionador para el procesamiento
automático con computadoras.

6. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Introducción 4/4
 Los acondicionadores de señal son los elementos del
sistema de medida que a partir de la señal de un
sensor electrónico proporcionan una señal apta para
ser registrada, presentada o simplemente que permita
un procesamiento posterior mediante un equipo o
instrumento estándar.
 Consisten normalmente en circuitos electrónicos que
ofrecen las siguientes funciones: acoplamiento de
impedancias, amplificación, filtrado, operaciones
matemáticas, modulación, demodulación, etc.

7. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores operacionales
En 1960 Robert J. Widlar desarrolla el primer
amplificador operacional en chip.
Fairchild saca al mercado el 741 en 1968
El uso intensivo de los AO ha provocado que bajen
drásticamente de precio.
Pueden configurarse para realizar diferentes
operaciones matemáticas como suma, resta,
diferenciación e integración, VMA, VRms, etc.

8. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores operacionales
 Un amplificador operacional está formado por
cuatro bloques bien diferenciados conectados
en cascada:
Amplificador diferencial de entrada
Etapa amplificadora
Adaptador y desplazamiento de nivel
Etapa de salida

9. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES
OPERACIONALES IDEALES
 Resistencia de entrada infinita.
 Resistencia de salida cero.
 Ganancia en tensión en modo diferencial infinita.
 Ganancia en tensión en modo común cero (CMRR =
∞).
 Corrientes de entrada nulas.
 Ancho de banda infinito.
 Ausencia de desviación en las características con la
temperatura.

10. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
AO Ideal
 a  
 rd = 
 ro = 0
 vo= avD = a(vP-vN)
avD
ro
rd
-
vD
+
-
+
vO
iN = 0
VP
iP = 0
VN
0O
D N P
v
v v v
a
   

11. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
CARACTERÍSTICAS DE LOS AMPLIFICADORES
OPERACIONALES REALES
 Resistencia de entrada muy alta, pero finita (del orden de MΩ).
 • Resistencia de salida no nula.
 • Ganancia en tensión en modo diferencial finita (del orden de
105).
 • Ganancia en tensión en modo común mayor que cero
(CMRR finita).
 • Corrientes de entrada no nulas (del orden de nA).
 • Ancho de banda finito.
 • Deriva térmica de las características.

12. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
AO real
Vs
Rs
Ri
+
vi
-
Aocvi
+
vo
-
Ro
RL
o i L
oc
s s i o L
v R R
A
v R R R R

 
El circuito básico del AO real es el siguiente.

13. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Circuitos con realimentación
negativa I
Seguidor de tensión
El seguidor de tensión es una
configuración del AO en
retroalimentación negativa en el cual
la ganancia A es igual 1 y la
resistencia de entrada Ri tiende a
infinito y la resistencia de salida Ro
tiende a 0; por lo que lo hace un
circuito muy apto para el
acoplamiento de impedancias.

14. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Circuitos con realimentación
negativa II
 O P Nv a v v 
2 1
1 2 1 2
N I O
R R
v v v
R R R R
 
 
2 1
1 2 1 2
O I O
R R
v a v v
R R R R
 
   
  
 
2 2
1
1 2 1
1
O
I
v R R
A
v RR R R
a

   
 
Amplificador inversor ideal
2
1
limideal
a
R
A A
R
  
Amplificador inversor

15. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Circuitos con realimentación
negativa III
Amplificador no inversor
1
1 2
N O
R
v v
R R


P Iv v
 O P Nv a v v  1
1 2
O I O
R
v a v v
R R
 
  
 
1 2 2
1 1 1
1 2
1
1
1
O
I
v R R R
A
Rv R R
a R R

    


Amplificador no inversor ideal
2
1
lim 1ideal
a
R
A A
R
 
   
 

16. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Análisis de otras configuraciones
(AO idea) I
Amplificador sumador
1 2 3R R R Rfi i i i  
Utilizando el concepto de corto
virtual entre vP y vN obtenemos
31 2
1 2 3
1 2 3
1 2 3
0 00 0 O
f
f f f
O
v vv v
R R R R
R R R
v v v v
R R R
  
  
 
    
 

17. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Análisis de otras configuraciones (AO ideal) II
Diferenciador
 
0
0
( )
( )
C R
O
I
I
O
i i
vd
C v
dt R
dv t
v t R C
dt


 
 
Integrador
 
0
0
0
( ) 1
( )
1
( ) ( ) (0)
R C
I
O
O
I
t
O I O
i i
v d
C v
R dt
dv t
v t
dt RC
v t v d v
RC
 


 
 
  

18. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Filtros
 Los filtros activos son circuitos con AO o
transistores acondicionadores de señal que permiten
el paso de las que se encuentra en una determinada
banda de frecuencias, mientras las que no, son
modificadas en amplitud y fase.
 Tipos más destacados
Paso bajo
Paso alto
Paso banda
Rechaza banda

19. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Filtros activos
Filtro paso bajo con ganancia
2
1 2
1
( )
1
o
i
V R
H s
V R R Cs
  

Para frecuencias bajas podemos ignorar la
impedancia del condensador y el circuito
funciona como un amplificador inversor.
2
1
2
1
o
o
R
H
R
w
R C
 

La frecuencia de corte es aquella para la que se produce
una caída de -3 dB entre la señal de entrada y la de salida.
20logo o
i i
V V
dB
V V
   
   
   

20. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Filtros activos II
Filtro paso alto con ganancia
2 1
1 1
( )
1
R R Cs
H s
R R Cs
 

Para frecuencias altas
2
1
o
R
H
R
 
0
1
1
w
R C

Frecuencia de corte

21. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Filtros activos III
Filtro paso banda
2 1 1
1 1 1 2 2
1
( )
1 1
R R C s
H s
R R C s R C s
 
 
Para frecuencias altas
2
1
o
R
H
R
 Frecuencias de corte
1 1 2 2
1 1
2 2
L Hw w
R C R C 
 

22. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación I
 El amplificador de instrumentación es un amplificador
diferencial de voltaje cuya ganancia puede establecerse de
forma muy precisa a través de un solo elemento y que es
óptimo para operar aun en un entorno eléctricamente hostil.

23. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación II
Características de los AI
 1) Ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango
de 1 a 1000.
 2) Ganancia diferencial controlada mediante un único elemento
analógico,
 (potenciómetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su
ajuste.
 3) Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto de la
ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en
todo el rango de frecuencia en que opera.
 4) Una impedancia de entrada muy alta para que su ganancia no se
vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.

24. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación III
Características de los AI (cont…)
 5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no
se vea afectada por la carga que se conecta a su salida.
 6) Bajo nivel de las tensión de offset del amplificador y baja
deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder
trabajar con señales continuas muy pequeñas.
 7) Una ancho de banda ajustable a los requerimientos del
problema.
 8) Un factor de ruido muy próximo a la unidad, Esto es, que
no incremente el ruido.
 9) Una razón de rechazo al rizado a la fuente de alimentación
muy alto.

25. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación IV
Amplificador Diferencial
Amplificador Diferencial
Aplicando el principio de superposición
vO = vO1 + vO2, donde vO1 es vO con v2 = 0
y vO2 es vO con v1 = 0
2
1 1
1
o
R
v v
R
 
 
2 4 2
1 2
1 4 3 1
2 4 2
1 4 3 1
4 1 2 3
1 3 4
1
1
1
2
o
d
c
R R R
v v v
R R R R
R R R
A
R R R R
R R R R
A
R R R
 
    
  
  
        



2
2 4
1
1 3
0
d
c
R
AR R
R
R R
A
 
 

Para que sea un AD se debe cumplir:

26. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación V
Amplificador Diferencial
El amplificador diferencial básico es un amplificador de
instrumentación de muy bajas prestaciones, porque:
 a) Requiere modificar dos componentes para
modificar su ganancia diferencial, manteniendo la
ganancia en modo común nula.
 b) Es muy difícil conseguir CMRR muy altos. El
CMRRTOTAL del circuito se degrada por dos causas:
 El amplificador operacional tiene un CMRRAO finito.

27. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación VI
Amplificador Diferencial
 Las resistencias difícilmente se pueden ajustar para que
exactamente satisfagan la relación R1R4=R2R3, y en consecuencia
se genera un CMRRR de las resistencias
1 4 2 3 2 4
1 4 2 3
1
2
d
R
c
A R R R R R R
CMRR
A R R R R
 
 

Resultando como combinación de ambos:
1 1 1
TOTAL AO RCMRR CMRR CMRR
 

28. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación VII
Amplificador Diferencial
 c) La impedancia de entrada es muy baja Zid =
R1+R3. Esta característica podría mejorarse
poniendo sendos amplificadores en
configuración seguidor en la entrada.
 d) El ancho de banda es bajo si la ganancia
diferencial es alta
BW= αfT=fT/(Ad+1)

29. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación VIII
La configuración mas utilizada como amplificador de instrumentación está
constituido por tres amplificadores operacionales utilizados de acuerdo con el
esquema de la figura.
1 21 2
1 1
2 3
2 3
´
´ ´
a b
G
b f f
a f f o
v v v vv v
R R R
v v v
R R
v v v v
R R
 
 


 

3 2 3 1 3 3 1 2 3 31 1
1 2
3 2 2 2 3 2 2 2
' ´ '´
' ' ' '
G G
o
G G G G
R R R R R R R R R R R RR R
v v v
R R R R R R R R R R R R
      
       
    

30. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación IX
El circuito funciona como amplificador diferencial si las resistencias satisfacen la
relación:
3 1 1
3 2
2
3 2
'
1
' '
0
d
G G
c
R R R
AR R
R R R
R R
A
 
    
   

En el caso de que el circuito sea simétrico:
3 1
1 1 2
2
1
'
0
d
G
c
R R
A
R R R R
A
 
   
   


31. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación X
El CMRR de este amplificador de instrumentación depende de los dos factores:
a) Las resistencias no satisfacen exactamente la relación entre resistencias
R2R’3=R3R’2. El CMRRR debido a las resistencias es:
2 3 2 3 3 31 1
2 3 3 2
' ' 2 '' 1
1
2 ' '
R
G G
R R R R R RR R
CMRR
R R R R R R
   
   
 
b) Los amplificadores operacionales tienen CMRR finito.
El CMRR total del amplificador de instrumentación debido a ambas causas integradas
es:
1 2 1 1
3
1 1 1 1 1
'
1TOTAL R
G G
CMRR CMRR CMRR CMRRR R
CMRR
R R
   
 
  
 
Si se utilizan operacionales integrados en un solo encapsulado el CMRR1 y el
CMRR2 se cancelan, por lo tanto, el CMRRTOTAL aumenta.

32. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación XI
Dado que las resistencias no se pueden fabricar con una precisión excesiva, para
conseguir que el último termino no degrade el CMRR, se suele hacer la resistencia
R’3, y experimentalmente se ajusta su valor de forma que se minimice la ganancia en
modo común y con ello se haga maximo el CMRR.

33. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Amplificadores de instrumentación XII
APLICACIONES
 Sensores-amplificadores industriales
 Adquisición de datos
 Acondicionamiento de señal para conversores A/D
 Sistemas de comunicaciones
 Control de Temperatura de termistores
 Muy útiles en el campo de las mediciones
 Receptores lineales diferenciales con ganancia
 Amplificadores de audio
 Instrumentación en general.

34. Acondicionadores
Digitales
Convertidores DAC y ADC

35. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Características del acondicionamiento
digital
 Menor incertidumbre (menor influencia a ruido
eléctrico, impedancias, etc.).
 Fácil implementación de computadoras para el
procesamiento y control.
 Posibilidad de implementar procesamientos mas
complejos.
 Siempre hace falta un acondicionamiento analógico
antes del procesamiento digital.

36. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Esquema común de un sistema de
control y adquisición digital
Muestreo y
retención
ADC
Proceso de
la señal
DAC
Filtrado
de salida
Filtrado
de entrada

37. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Convertidores Digitales a analógicos
CDA
b0
b1
b2
Bn-1
voDI
VREF
Salida analógica = K * entrada digital

38. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Parámetros importantes de un DAC
Resolución (tamaño de paso): se define como la menor
variación que puede ocurrir en la salida analógica como
resultado del cambio de 1 bit en la entrada digital
Re
2 1
ref
n
V
solucion 

Tiempo de conversión: es el tiempo requerido para que un
DAC cambie de 0 al voltaje de escala completa cuando todos
los bits de entrada cambian de o a 1.
Error de desplazamiento (offset): es el voltaje en la salida
analógica aun cuando la entrada digital es 0.

39. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Circuito interno de un DAC
2 1
ref
o n
V
V




40. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Convertidores Analógico a Digital
CAD
b0
b1
b2
Bn-1
vI DO
VREFINICIO Fin Conversión
Salida digital = K * entrada analógica

41. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Parámetros importantes de un ADC
Resolución (tamaño de paso): se define como la menor
variación que puede ocurrir en la salida digital como resultado
del cambio en la entrada analógica.
2 1
Re
n
ref
solucion
V


Tiempo de conversión: es el intervalo de tiempo entre el fin
del pulso de inicio de conversión y el cambio de flanco del pin
de fin de conversión.
Error de cuantización: la entrada analógica puede producir
un error en el proceso de conteo, este error depende de la
resolución del ADC y es de 1 LSB.

42. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Circuito interno de un ADC

43. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Sistema de Adquisición con
computadora

44. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Interfaz de una PC y un ADC0804

45. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Circuito de muestreo y retención
Se recomienda el uso de circuitos de
muestreo y retención antes de que la
señal vaya a la entrada de un ADC para
que esta no cambie mientras el ADC
realiza la conversión.

46. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Otros tipos de ADCs
ADC de aproximaciones sucesivas ADC FLASH

47. Dr. Adrián Antonio Castañeda Galván
Muchas Gracias
 Si te gusto la presentación
RECOMIENDALA
Si descargas la presentación
RECOMIENDALA
Si no te gusto comparte tu comentario para que
me apoyes a mejorar y pueda ayudar a los
demás con un mejor contenido
DE ANTEMANO GRACIAS

48. Referencias
Coughlin R., Driscoll F. (1999), Amplificadores Operacionales y Circuitos
Integrados Lineales (5ª Edición), México: Pearson, ISBN: 970-17-0267-0.
Creus Sole, Antonio (2006), Instrumentación industrial (7ª edición), México:
Alfaomega-Marcombo, , ISBN 84-267-1361-5.
Figliola Richard S., Beasley Donand E. (2008), Theory and Design for
Mechanical Measurement (3rd Edition), Wiley India Pvt. Ltd., ISBN
9788126516391.
Pallás-Areny Ramón (2003), Webster John G., Sensors and signal
conditioning (2nd Edition), USA: John Wiley and Sons, ISBN 0-471-33232-1.
Pallás-Areny Ramón (2007), Sensores y acondicionadores de señal (4ta.
Edición), México: Alfaomega-Marcombo, ISBN 978-970-15-1231-9.
Webster John G. (2009), Medical Instrumentation Application and Design
(4th Edition), USA: Wiley, ISBN 0471676004.