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Práctica detallada de la elaboración de un amplificador de instrumentación con amplificadores operacionales. Podrás encontrar su funcionamiento, respuesta, desarrollo físico y aplicaciones.
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5/14/2018 Amplificador de instrumentación_Práctica 1 - slidepdf.com
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INSTITUTO POLITÉCNICO
NACIONAL
UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIERÍA Y TECNOLOGÍASAVANZADAS
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
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AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTACIO N 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.
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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 puestoque 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.
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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
(
)
La ganancia Ac en modo
común se obtiene de
dividir la tensión de salida
entre la tensión de entrada
Ecuación 3
( )
Imagen 2. Configuración en modo diferencial
Imagen 3. Configuración en modo diferencial
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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
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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
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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.
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Las resistencias R1, R2, R3, R4, R6 de 10 KΩ son de precisión para tener el mejor
balance posible.
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.
Resistencia variable RG a 20 Ohms
Amplificadores operacionales
encapsulados en un TL084
Resistencia de precisión R de 10 KΩ
Modo diferencia = V1 – V2
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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 enmodo diferencial
Calculando la ganancia en modo diferencial, de la ecuación 2:
Resultado 1
( )
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Resultados es de medición en modo común
Imagen 10. Captura del osciloscopio, respuesta del amplificador de instrumentación enmodo común
Calculando la ganancia en modo común, de la ecuación 3:
Resultado 2
( )
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ANÁLISIS DE R ESULTADOS
Una vez obtenidos los resultados y calculado sus ganancias los tabulamos para ser
analizados y comparados
Tensión desalida Ganancia real Gananciaestimada(Ideal)
Mododiferencial
Modo común 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 CMRRmayor 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 deinstrumentación 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
Tensión deentrada
Tensión desalida
Gananciaobtenida
28 mV 30.4 V 1085.71 1000
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