electronica operacional

2. Diseño de un circuito
acondicionador de señal
(CAS)

3. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una
forma adecuada para la siguiente etapa de la operación. La señal puede ser, por ejemplo,
demasiado pequeña, y sería necesario amplificarla; podría contener interferencias que
eliminar; ser no lineal y requerir su linealización; ser analógica y requerir su digitalización;
ser digital y convertirla en analógica; ser un cambio en el valor de la resistencia, y
convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un
cambio de corriente de magnitud adecuada, etcétera.
A todas estas modificaciones se les designa en general con el término acondicionamiento de
señal.
• Elementos para acondicionar señales.
Amplificadores operacionales, amplificadores inversores, amplificadores no inversores,
amplificador sumador, amplificador integrador, amplificador diferencial, amplificador
logarítmico, comparadores

4. PROCESOS DEL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
• PROTECCIÓN :Evita el daño al siguiente elemento
• CONVERTIR UNA SEÑAL EN UN TIPO DE SEÑAL ADECUADO:
Cuando es necesario convertir una señal a un voltaje de CD, o a
una corriente.
• ELIMINACION O REDUCCION DEL RUIDO:Para eliminar el ruido
en una señal se utilizan filtros
• OBTENCIÓN DEL NIVEL ADECUADO DE LA SEÑAL: En un
termopar, la señal de salida es de unos cuantos milivolts. Si la
señal se va a alimentar a un convertidor analógico a digital para
después entrar para después entrar a un microprocesador.
• MANIPULACIÓN DE LA SEÑAL: Convertir una variable en una
función lineal. Las señales que producen algunos sensores. Por
ejemplo los medidores de flujo.

5. Un acondicionador de señal es un dispositivo que convierte un tipo de señal
electrónica en otro tipo de señal. Su uso principal es convertir una señal, que
puede ser difícil de leer por la instrumentación convencional, en un formato
más fácil de leer. Al realizar esta conversión, puede tener lugar una serie de
funciones.
• Aislamiento eléctrico: Cuando una señal se amplifica, la magnitud total de
la señal es aumentada.
• Amplificación: Aislar eléctricamente significa romper el camino galvánico
entre la entrada y la señal de salida. Es decir, no hay ningún cable físico
entre la entrada y la salida.
• Linealización: Es la conversión de una señal de entrada no lineal a una
señal de salida lineal. Esto es algo común en las señales de los
termopares.
• Compensación de unión fría: Se utiliza en los termopares. La señal del
termopar se ajusta para las fluctuaciones en temperatura ambiente.
• Excitación: Muchos sensores requieren alguna forma de excitación para su
funcionamiento.

6. Útil en una aplicación de microcontrolador y que se comporta de acuerdo con la
ecuación de una línea recta
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏
Esta ecuación se presenta con frecuencia cuando se diseñan los CAS
Para diseñar una unidad de CAS es necesario obtener la ecuación del circuito. Esta
ecuación se obtiene tomando en cuenta lo que se ESCRIBE
LAS CONDICIONES DE SALIDA DEL SENSOR Y DESPUÉS TRANSFORMANDO LO ANTERIOR
EN LO QUE SE DESEA, ES DECIR, LAS CONDICIONES DE ENTRADA DEL CONVERTIDOR A/D
DEL MICROCONTROLADOR.

7. INTRODUCCION AL SENSOR DE TEMPERATURA.
Para esta aplicación normalmente se utiliza el LM335, un sensor de temperatura de
estado solido con una sensibilidad de 10mV/°K (lo haremos en grados Celsius, su relación
con respecto a los grados Kelvin es la siguiente:
Una elevación de 1 grado en la escala de Kelvin es igual a una elevación de 1 grado en la
escala de Celsius y el punto de congelación del agua es de 0°C, y equivale a 273°K).
Usado para medir temperaturas comprendidas entre 10 y 100°C; similar al Zener de dos
terminales.
Puede funcionar por encima de un rango de corriente comprendido entre 400 y 5 𝜇A

8. ECUACIÓN QUE REPRESENTA AL SENSOR
En la figura se muestra una grafica del voltaje de salida del LM355 EN FUNCION DE LA
TEMPERATURA. La pendiente de la línea equivale a la sensibilidad del dispositivo 10mV/°K.
Por lo tanto el voltaje de la salida expresado en °K es el siguiente:
VT = 10
mV
°K
Tent°K
En la cual T es la temperatura en °K. A 273°K(0°C), el voltaje de salida del sensor es:
VT = 10
mV
°K
273°K = 2.73V
Es posible expresar el voltaje de salida del sensor en grados Celsius como en la siguiente
ecuación:
VT = 10
mV
°K
Tent°K + 2.73 V

9. En donde T es la temperatura expresada en grados Celsius. En el caso de nuestra
aplicación a 0°C VT=2.73 V y de este modo a 50°C VT=3.23 V.
Este es el margen del voltaje de entrada correspondiente al CAS. El margen de salida
del CAS viene a ser el margen de entrada del convertidor A/D el cual esta comprendido
entre 0 y 5V.
ECUACION QUE DESCRIBE EL
COMPORTAMIENTO DEL SCC
Con base en la información del sensor y
convertidor A/D, se grafican las características
de entrada/salida del CAS (como se mostro en
el grafico). Los valores de salida del CAS SE
FRAFICAN EN EL EJE Y. Hay que tener
presente que estos valores corresponden al
margen de voltaje del convertidor A/D de -0 a
5V. Los calores de entrada del CAS se grafican
en el eje x. Estos valores son los del margen
de voltaje del sensor -2.73V a 3.23 V en el
caso de esta aplicación.
𝑚 =
5 − 0 𝑉
3.23 − 2.73 𝑉
= 10 =
∆𝑉𝑜
∆𝑉𝑇

10. Este valor de 10 es la ganancia por la que hay que multiplicar VT. La desviación de cd se
encuentra con solo elegir un punto de la línea y sustituirlo en la ecuación de una línea
recta:
𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏
Después de escojer un par de coordenadas (2.73,0) obtenemos:
0 = (10)(2.73) + 𝑏
Resolviendo y despejando b se obtiene:
b = −27.3𝑉
Por lo tanto, la ecuación del voltaje de salida del CAS es:
10 =
∆𝑉𝑜
∆𝑉𝑇
→ 𝑉𝑜 = 10 𝑉𝑇 − 27.3𝑉

11. DISEÑO DEL CIRCUITO ACONDICIONADOR DE SEÑAL
Una vez obtenida la ecuación del CAS, expresada en la forma 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 nos damos
a la tarea de crear un circuito en el que la ganancia de 10 y la desviación de -27.3V se
definan de manera independiente. La solución no esta en un sumador no inversor
puesto que en este la ganancia y la desviación no se pueden definir de manera
independiente. Lo que se necesita es un amplificador operacional como el que se
muestra a continuación:
La ecuación general de voltaje de salida del
sumador es:
𝑉𝑜 = −
𝑅𝑓
𝑅1
−𝑉𝑇 −
𝑅𝑓
𝑅2
𝐸𝑐𝑑
O bien
𝑉𝑜 = −
𝑅𝑓
𝑅1
𝑉𝑇 −
𝑅𝑓
𝑅2
𝐸𝑐𝑑
Con base en la correspondencia de los
coeficientes de VT en las ecuaciones
𝑉𝑜 = 10 𝑉𝑇 − 27.3𝑉….1
𝑉𝑜 = −
𝑅𝑓
𝑅1
𝑉𝑇 −
𝑅𝑓
𝑅2
𝐸𝑐𝑑…2
Se obtiene:
𝑅𝑓
𝑅1
= 10

12. Si se elige R1=10kΩ. Correlacionando los términos correspondientes a la desviación de cd
de la ecuación 1 y de los de la ecuación 2 se obtiene:
−𝑅𝑓
𝑅2
𝐸𝑐𝑑 = −27.3V
Supongamos que se conecta Ecd a la fuente de +15V.
Dado que Rf=100kΩ, entonces R2=54.9KΩ. Se observa que Ecd es un voltaje positivo y
que VT es un voltaje negativo que esta a la entrada del sumador inversor. Dado que el
LM355 genera un voltaje positivo, Vt, el amplificador inversor con ganancia de -1 se
utiliza para generar –VT, como se muestra en el circuito ya completo del circuito anterior.

13. I
E F E
R
T DOC E
OU D
L
D
C I R C U I T O S
C O P A R A
O S
M O R E S
L
S O B R E

14. COMPARADOR
Un comparador analiza una señal de voltaje en una entrada
respecto a un voltaje de referencia en la otra. Tanto el
amplificador operacional de propósito general como el
comparador no operan con propiedad si hay ruido en cualquier
entrada. para resolver este problema se aprenderá como con
agregar retroalimentación positiva se resuelve el problema de
ruido. obsérvese que la retroalimentación positiva no alimenta el
ruido. pero hace que el amplificador operacional responda
menos a él.
El amplificador operacional se utiliza en la configuración de lazo
abierto con el voltaje que entrada en una de sus dos entradas
(inversora o no inversora) y un voltaje de referencia en la otra
entrada. La salida es uno de dos estados, dependiendo de si el
voltaje de salida es alto o bajo. Por esta razón, los
comparadores son comúnmente usados como conexión entre
circuitos analógicos y digitales.
COMPARADOR
Es un circuito que analiza una señal de voltaje en
una entrada con un voltaje de referencia en la otra
entrada.

15. ¿CÓMO FUNCIONA UN COMPARADOR HECHO CON UN
AMPLIFICADOR OPERACIONAL?
Cuando V1>V2
• La salida vale Vo= -Vcc.
Cuando V1<V2
• La salida vale Vo=+Vcc

16. EFECTOS DEL RUIDO SOBRE LOS CIRCUITOS
COMPARADORES
La señal de entrada Ei se aplica a la entrada (-) de un
amplificador operacional 301 como se aprecia en la figura 4-1(el
301 es un amplificador operacional de propósito general). Si no
hay ruido , el circuito funciona como un detector inversor de
cruce por cero. debido a que Vref=0

17. El voltaje de ruido se presenta como una
onda cuadrada en serie con Ei, para
mostrar el efecto del voltaje de ruido . el
voltaje de la señal de entrada de el
amplificador operacional se ilustra con y
sin ruido en la figura 4-2. La forma de
onda de Vo en función de el tiempo
muestra claramente como la suma del
ruido da como resultado señales falsas a
la salida. Vo debe indicar solo los cruces
de Ei, no los cruces de Ei más el voltaje
de ruido. Si Ei se aproxima muy
lentamente a Vref, o se mantiene cercano
a este valor , Vo puede seguir todas las
oscilaciones del voltaje de ruido , o bien
iniciar bruscamente una oscilación de alta
frecuencia. Estos cruces en falso se
pueden eliminar mediante la
retroalimentación positiva.

18. EN RESUMEN.
¿QUÉ PROBLEMA OCASIONAN LOS RUIDOS
SUPERPUESTOS A LAS SEÑALES EN UN COMPARADOR?
Un comparador no funciona con propiedad si está presente el ruido en
cualquier entrada pero podemos hacer que responda menos a él
mediante la realimentación positiva.
Si Ei se aproxima muy lentamente a V. ref. O flota cerca de V. ref., Vo
puede seguir todas las oscilaciones del voltaje de ruido o bien entrar
bruscamente en oscilación de alta frecuencia. Estos cruces en falso
pueden eliminarse por la realimentación positiva.

19. CR E T AO LAR I
O
T
P
NM
S
I O
I
E N
T AVI

20. INTRODUCCION A LA REALIMENTACION
POSITIVA
El uso de la realimentación positiva es útil en
la construcción de osciladores. La condición
de realimentación positiva se da cuando una
parte de la salida se combina en fase con la
entrada.
En términos prácticos, la ganancia que se
aplica a las amplitudes de señales bajas se
reducirá hasta que la amplitud de salida
alcance algún valor constante. Sin embargo,
ese valor límite será independiente de la
entrada, permitiendo al circuito producir una
salida diseñada.
La retroalimentación positiva se
realiza tomando una fracción
del voltaje de salida Vo y
aplicando esta a la entrada(+) .
El voltaje de salida Vo se divide
entre R1 y R2 . una fracción de
Vo se retroalimenta a la
entrada (+) y crea así un voltaje
de referencia que depende de
Vo. ahora se descubrirá qué es
la retroalimentación positiva y
cómo servirse de ella para
eliminar cambios en la salida
provocados por el ruido.

21. REALIMENTACION POSITIVA
REALIMENTACION POSITIVA
Se lleva a cabo
tomando una fracción
del voltaje de salida
Vo y aplicándola a la
entrada (+).
El voltaje de salida Vo
se divide entre R1 y
R2. Una fracción de
Vo se realimenta a la
entrada (+) y crea un
voltaje de referencia
que depende de Vo.

22. REALIMENTACION POSITIVA
VOLTAJE DE UMBRAL SUPERIOR
Como se menciono , el voltaje de salida Vo se divide
entre R1 y R2 donde una fracción de Vo se
retroalimenta a la entrada(+) . cuando Vo=+Vsat el
voltaje retroalimentado se denomina umbral
superior de voltaje, VUT. Este voltaje se expresa en
función de el divisor de voltaje de la siguiente
manera:
𝑉𝑈𝑇 =
𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
+𝑉𝑆𝐴𝑇
Para valores de Ei inferiores a , VUT , el voltaje en la
entrada (+) es mayor que el voltaje en la entrada (-)
. por lo tanto , Vo se fija como +Vsat. Si Ei se vuelve
ligeramente mas positivo que , VUT, , la polaridad
de Ed como se muestra se invierte y el valor de Vo
comienza a descender. Ahora la fracción de Vo
retroalimentada en la entrada positiva es menor ,
de modo que Ed se incrementa. Vo desciende con
mayor rapidez y llega pronto al valor –Vsat; de esta
manera , el circuito es estable, de acuerdo con lo
que se muestra en la imagen.

23. Cuando Vo = + Vcc el voltaje
realimentado se denomina “voltaje de
umbral superior VUT”. El VUT se
expresa en función del divisor de voltaje
como
VUT = ( ( R2/(R1+R2) ) (+ Vcc)
Para los valores de Ei inferiores a VUT o
VLT, el voltaje en la entrada (+) es
mayor que el voltaje (-). Por tanto, Vo
está fijado a + Vcc.
Si Ei se hace ligeramente más positivo
que VUT, la polaridad de Ed, como se
muestra, se invierte y Vo comienza a caer
en valor. Ahora la fracción de Vo
realimentada a la entrada positiva es
menor, de modo que Ed se vuelve más
grande. Vo cae entonces con más
velocidad y se impulsa rápidamente a –
Vcc. El circuito entonces es estable en la
condición que se muestra en la figura
siguiente.

24. Cuando Vo está en –Vcc, el
voltaje de realimentación a la
entrada (+) se denomina
2voltaje de umbral inferior
VLT” y está dado por
VLT = ( ( R2/(R1+R2) ) (-
Vcc) Obsérvese que VLT es
negativo con respecto a
tierra. Por tanto, Vo
permanecerá en +Vcc en
tanto que Ei sea mayor, o
positivo con respecto a VLT
o VUT. Vo cambiará
regresando a +Vcc si Ei se
vuelve más negativo que, o
abajo, de VLT.

25. REALIMENTACION POSITIVA
VOLTAJE DE UMBRAL INFERIOR
Cuando Vo esta en –Vsat el voltaje de retroalimentación
en la entrada (+) se denomina “umbral inferior de voltaje
VLT y se expresa como:
𝑉𝑈𝑇 =
𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
−𝑉𝑆𝐴𝑇
Observe que VLT es negativo con respecto a la tierra,
por lo que Vo permanecerá en –Vsat, en tanto Ei sea
mayor o positivo con respecto a VLT, y Vo cambiará,
regresando a +Vsat si Ei se vuelve mas negativo que VLT
o queda por debajo de este. Se concluye así quela
retroalimentación positiva induce una acción casi
instantánea que permite cambiar Vo de un límite a otro
con gran velocidad. Una vez que Vo comienza a cambiar,
provoca una acción regeneradora que genera un cambio
aun mas rápido que Vo. Si los voltajes de umbral resultan
mayores que los voltajes pico de el ruido, la
retroalimentación positiva eliminara las transiciones
falsas de salida.

26. EN RESUMEN
En un circuito electrónico tenemos una señal de entrada (exitacion) y una
señal de salida (respuesta); la retroalimentación o realimentación es la
inyección de una muestra ( o porción ) de la señal de salida en la entrada,
Esta señal muesrta de salida es mezclada con la señal de entrada, o sea,
puede ser sumada o restada.
Hay dos tipos de realimentación:
- Realimentación negativa: cuando la muestra de señal de salida es
restada a la señal de entrada.
- Realimentación positiva: cuando la muestra de señal de salida es
sumada con la señal de entrada.
Se aplica a poca cantidad de circuitos, entre ellos en
osciladores. Generalmente este tipo de
realimentación hace inestable al sistema.
POSITIVA
Se aplica a muchos sistemas, por ejemplo,
amplificadores de audio, etc.NEGATIVA

27. EN RESUMEN
Un amplificador tiene realimentación negativa cuando, para cualquier
incremento de la señal de salida, la realimentación hacia la entrada es tal
que tiende a provocar la disminución de dicha señal de salida. La
utilización de éste tipo de realimentación puede mejorar las propiedades
del amplificador, por ejemplo, aumenta la impedancia de entrada y
disminuye la impedancia de salida en un amplificador de tensión,
estabiliza la ganancia de transferencia que se ve afectada por la variación
de parámetros de los componentes del circuito ( que varían con la
temperatura, etc.)
- Otra ventaja es la mejora en la respuesta en frecuencia (mayor ancho de
banda) y el funcionamiento más lineal del amplificador si no tuviera dicha
realimentación.
- Conseguimos una reducción del ruido.
- Con éste tipo de realimentación la ganancia del circuito disminuye
entonces, mejora las características del circuito a costa de la perdida de
ganancia.
Existen diversos métodos para realizar una realimentación en un
amplificador:
Realimentación de tensión en serie.
Realimentación de corriente en serie.
Realimentación de tensión en paralelo.
Realimentación de corriente en paralelo.