Este documento describe diferentes conceptos relacionados con el análisis instrumental y la cuantificación de señales. Explica la diferencia entre mediciones analógicas y digitales, y cómo la conversión analógico-digital introduce ruido. También analiza las fuentes de ruido y cómo utilizar filtros para reducirlo, mejorando la relación señal/ruido. El objetivo final es realizar mediciones precisas minimizando el ruido.

1. Técnicas analíticas
instrumentales
- Son aquellas en que medimos una lectura en un
instrumento.
- Filosoficamente podrian ser todas, ya que una
balanza o una bureta TAMBIEN son un
instrumento, pero se llama “instrumentales” a las
electrónicas, generalmente mas rápidas.
Error y ruido
En el análisis cuantitativo tradicional llamamos error a las
diferencias (absolutas o relativas) entre el valor medido y el
verdadero (o esperado). Hay aleatorios y sistemáticos.
En los instrumentos que miden rápido, se suele denominar ruido a
la desviacion respecto del promedio, y error a las diferencias que
se obtienen despues de tratar los datos. Es nomenclatura, jerga,
ya que se trata de los viejos errores aleatorios o sistematicos !
110
110
108 108
106
error 106
104 104
102 102
error ruido
100 100
98 98
1

2. Precision y exactitud
ruido: precision error: exactitud (tambien es jerga !)
110 110
108 108
106 106
104 104
102 102
100 100
98 98
110 110
108 108
106 106
104 104
102 102
100 100
98 98
Ruido en 2 dimensiones
2

3. Relacion señal / ruido
En toda medición, la señal es lo que
queremos medir y el ruido es aquello que
molesta, sea lo que sea.
Queremos aumentar la relación S/N.
Analógico vs. Digital
Analógico: es la comparación contra una escala (la
mayoria de las veces lineal). Casi siempre se basa en la
capacidad del ojo-cerebro para comparar LONGITUDES.
En principio tiene precision infinita.
En la práctica, la precision está dada por la capacidad de
diferenciar una longitud de otra con certeza.
Digital: es la entrega de un CODIGO, cuya estructura
no tiene nada que ver con la medida en si, sino que es
una convencion humana. Por ejemplo, “44”. Otro
ejemplo: “cuarenta y cuatro”. Otro ejemplo: “XLIV”.
Otro más: “forty four”. La precision máxima está
dada por el mismo código. (En este caso, una unidad)
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4. La naturaleza nos parece
(generalmente) analógica
Una concentración parece contínua. Una cantidad de
masa parece contínua. Una absorbancia parece
continua. En realidad no lo son (ya que atomos,
moleculas, fotones son en realidad discretos), pero
son tan pequeños que lo tratamos como continuo. Lo
continuo es analógico.
Contraejemplos: single molecule spectroscopy;
contador de fotones; contador “geiger” en analisis
radiactivo; número de particulas detectadas en
espectroscopias de masa.
Ventajas de lo digital
Guardar y transferir los datos con exactitud. Es posible
hacerlo sin que se deteriore la señal.
La lectura puede automatizarse.
Si el que lee es un humano, la lectura no depende de
errores de apreciación (paralaje, etc.)
Desventajas:
Lectura errónea por dislexia temporaria.
por ejemplo: confundir 428 con 482 al anotar.
Dificultad para que el operador determine en
tiempo real si una magnitud aumenta o disminuye.
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5. Conversion analogica-digital
V= 0-1V
adecuacion 12 bits
i = 4-25 µA
Conversor
A/D
sensor
V / Volts salida salida en binario
0 0
000000000000
0.000244 1
000000000001
0.000488 2
000000000010
0.000733 3
000000000011
0.000977 4
000000000100
...... ...... .......
0.999512 4093 111111111101
0.999756 4094 111111111110
1 4095 111111111111
sistema
Parametros de un A/D
Resolucion = numero de posibles valores = 2nro de bits
8 bits = 256 valores (0.4%), 12 bits = 4096 valores (0.02%)
32 bits = 4294 millones de valores (0.2 ppb)
Velocidad = muestras por segundo (Sa/s o s-1)
Multímetro digital: 1-2 s-1
Placas A/D sonido: 44 ks-1
Placas digitalizadoras de video: 18 Ms-1
Osciloscopios digitales: 500 Gs-1
En quimica se usan diversas velocidades segun
que cosa querramos medir.
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6. Ruidos (o errores) que solamente
aparecen en los sistemas digitales
“error ± 1 LSB” (least significant bit). Es la incerteza
digital del instrumento. Dice 14.32, pero podria ser 14.31
o 14.33, MAS ALLA de otras fuentes de error.
“error de redondeo” Se produce al utilizar datos digitales
en formato de baja resolucion numerica (pocos bits).
Aunque el resultado final sea de 8 bits (aprox 0.4%), la
aritmetica para llegar a ese resultado precisa al menos 12
bits, y mejor aun 16 o 32 bits.
De donde viene el ruido ?
Mas ruido es menos repetibilidad, menos sensibilidad,
mayor limite de detección. ¿ De donde viene ?
Las fuentes de ruido son muchisimas:
- electrostatico/electromagnetico de 50 Hz
- mala regulacion de fuentes de alimentacion
- los mismos componentes electronicos
- ruido real del sistema a medir
- el primero es generalmente el mayor, y por suerte el
mas facil de solucionar.
6

7. De donde viene el ruido ?
- electrostatico/electromagnetico de 50 Hz
- Cables mal blindados.
- Malas conexiones de tierra.
- Transformadores en las cercanias del equipo.
- Cercanías de emisores de radio (incluído celulares!)
- Placa A/D dentro de la computadora y mal blindada.
- No usar jaulas de Faraday en el sistema a medir.
De donde viene el ruido ?
- mala regulacion de fuentes de alimentacion
- Algunos equipos de bajo costo no regulan bien los
voltajes internos. La mala regulacion de estos voltajes
aparece en las mediciones. Hay que modificar el
equipo, o cambiarlo por otro.
7

8. De donde viene el ruido ?
- los mismos componentes electronicos
aun en un equipo de buena calidad, la naturaleza
discreta de los electrones y la tecnología de
fabricacion de los semiconductores y demas
componentes electronicos producen un ruido de fondo
que siempre está, aunque mejora a medida que se
perfecciona la tecnología.
Eliminacion del ruido
Si ya se redujo al mínimo el ruido electrostático /
electromagnético, y no se quiere cambiar el equipamiento,
se puede bajar el ruido de dos formas:
-Filtros analógicos
Filtran las frecuencias del ruido, tratando de no tocar las
frecuencias de la señal. Se colocan ANTES del A/D.
-Filtros digitales
Muchos tipos diferentes. Van DESPUES del A/D o se
aplican en diferido directamente en la computadora.
8

9. Filtro analógico
adecuacion 12 bits
Conversor
A/D
sensor
2 50
2 00
150
10 0
50
0
sistema
Filtro analógico
adecuacion F 12 bits
Conversor
A/D
sensor
250
200
2 50
150
2 00
100
150
50
10 0
0
50
0
sistema
9

10. Filtro digital
adecuacion 12 bits
Conversor
A/D
sensor
2 50
2 50
2 00
2 00
150
150
10 0
10 0
50
50
0
sistema 0
Filtro digital
adecuacion 12 bits
Conversor
A/D
sensor
2 50
2 50
2 00
2 00
150
150
10 0
10 0
50
50
0
sistema 0
10

11. Un ejemplo: espectrofotómetro
de matriz de diodos Ocean Optics
detector
cubeta matriz de diodos
rendija de salida
prisma o red de prisma o red de
difraccion móvil difraccion fija
rendija única
rendija de entrada
fuente de luz
cubeta
fuente de luz
espectrofotometro de arreglo
espectrofotometro de barrido
de diodos (diode array)
Ocean Optics Red Tide 650
1 - Entrada de fibra óptica
2 - Rendija única (entrada)
3 - filtro de entrada
4 - espejo enfocador 1
5 - red de difracción
6 - espejo enfocador 2
7 - lentecitos (opcionales)
8 - detector de array de
diodos
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12. Ocean Optics Red Tide 650
650 señales
analógicas
procesador
A/D 12 bits interno USB
Detector Sony ILX511 CCD Optical resolution ~2.0 nm FWHM
No. of elements 2048 pixels Stray light <0.05% at 600 nm; <0.10% at 435 nm
Sensitivity 75 photons per count (at 400 nm) Dynamic range:
Pixel well depth ~62,500 electrons 2 x 108 (system); 1300:1 for a single acquisition
Signal-to-noise ratio 250:1 (at full signal) Data transfer rate: Full scans into memory every
A/D resolution 12 bit 13 milliseconds with USB 2.0 port
Dark noise 3.2 RMS counts (RMS = σ) Integration time: 10 microseconds to >60
Corrected linearity >99.8% seconds (detector's limit is ~15 sec)
Como leer especificaciones
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13. Ruido en una medición
Sensitivity 75 photons per count
Pixel well depth ~62,500 electrons
62500 / 75 = 833 cuentas al maximo de luz
(suponiendo 1 foton por electron)
Dark noise 3.2 RMS counts
(suponemos ruido como σ = 3.2 cuentas)
Promediando muchos espectros
El ruido se reduce
en un factor de n1/2
a expensas del
tiempo de
medición.
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14. Promediando pixels contiguos
El ruido se reduce en
un factor de n1/2 a
expensas del
ensanchamiento de
las bandas.
2D - promedio de frames
El ruido se reduce
en un factor de n1/2 a
expensas del tiempo
de medición.
100frames
16 frames
1 frame
14

15. 2D - promedio de pixels contiguos
El ruido se reduce
en un factor de n1/2
a expensas de la
perdida de definicion
espacial.
10x10 pixels
4x4 pixels
no prom
Relacion señal/ruido:
conclusiones
El objetivo de toda medicion es minimizar el ruido,
para de esta forma poder medir mas precisamente la
señal.
Para ello se tienen todos los cuidados posibles en la
toma de datos y se filtran los resultados obtenidos.
En todo hay un “trade of”. Una mejor relacion S/N
nos va a costar tiempo, o resolución, o dinero.
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