Luxometro CIA

Circuitos Integrados Analógicos 24-11-08

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MEDIDOR DE DENSIDAD LUMINOZA(LUXOMETRO)

INTRODUCCIÓN

Los amplificadores operacionales se utilizan por lo general para la amplificación y medida de las señales eléctricas de los detectores. En las señales, que muchas veces dependen de la concentración en instrumentos analíticos, son de intensidad, potencial y carga. Este apartado incluye aplicaciones sencillas de los amplificadores operacionales para la medida de cada tipo de señal.

La medida exacta de pequeñas intensidades es importante en distintos métodos analíticos como la voltamperometría, la culombimetría, la fotometría y los detectores de ionización muy utilizados en cromatografía de gases. Una preocupación importante que se plantea en todas las medidas físicas, incluyendo la de la intensidad, es si el proceso de medida alterará significativamente, por sí mismo, la señal que se mide, produciendo de esta forma un error de carga.

Es inevitable que cualquier proceso de medida perturbe el sistema en estudio, de modo que la cantidad realmente medida difiera del valor inicial antes de la medida. Se debe intentar asegurar que la perturbación sea pequeña. Para una medida de intensidad, esta consideración requiere que la resistencia interna del dispositivo de medida se minimice, de forma que no altere significativamente la intensidad.

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RESUMEN

En el presente proyecto se pretende realizar el diseño de un instrumento de medición analógico con despliegue digital capaz de medir la densidad luminosa comprendida entre los (0X10 a 450X10) Lux. El proyecto consta de 4 etapas, la primera es la etapa de transducción compuesta por un sensor del tipo fotodiodo modelo BPW34 el cual fue caracterizado para escoger el rango de trabajo anteriormente mencionado basado en la función de transferencia de dicho sensor con ayuda de en un patrón de referencia el cual fue un luxómetro.

La segunda etapa consta de un convertidor de corriente a voltaje el cual fue diseñado para transformar nuestra salida de corriente generada por nuestro sensor a un voltaje proporcional a dicha corriente para posteriormente procesar nuestra señal en una tercera etapa.

La tercera etapa consta de un amplificador instrumentación el cual nos proporciona un CMRR muy alto para eliminar cualquier ruido presente, un control de ganancia para adecuar nuestra señal y una inversión de fase para así poder introducirla a la última etapa de nuestro instrumento y desplegar nuestro valor esperado indicado por nuestro patrón.

Por último la cuarta etapa consta de un convertidor analógico a digital (ADC) de doble integración con despliegue a 7 segmentos en un encapsulado de 40 pines de la marca microchip modelo TC7107 el cual hace dicha conversión y despliegue con una resolución de 1mV.

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ANTECEDENTES TEORICOS.

Densidad Luminosa

La densidad de radiación afectada por el coeficiente de iluminación relativa es la densidad luminosa. Su unidad es el Lux (lx), definido como 1 lúmen/m2, o lo que es lo mismo: 1 candela · sr / m2. Esta magnitud recibe otros nombres: iluminación (densidad luminosa incidente), iluminancia y radiancia (densidad luminosa emitida). Es la proporcionada por los instrumentos de medición de luz utilizados en fotografía (fotómetros).La densidad luminosa es la que conocemos vulgarmente como "iluminación". En este sentido decimos que un sitio está bien o mal iluminado según sea su densidad luminosa. La tabla#1 muestra algunos valores típicos de densidad luminosa:

Fuente de iluminación densidad luminosa lx

Máximo de luz solar 100.000

Día nublado 10.000

Luz de plenilunio 0,2

Luz de las estrellas 0,0003

TABLA#1 Valores de densidad luminosa típicos

Convertidor de Corriente a Voltaje.

Se puede obtener fácilmente un dispositivo de baja resistencia para la medida de la intensidad eliminando la resistencia Rt en la Figura 3-4 y usando como señal de entrada la corriente que hay que medir. En la Figura 3-8 se muestra una disposición de este tipo, en la que una pequeña corriente continua Ix, se genera en un fototubo y un detector que convierte energía radiante como la luz en una corriente eléctrica. Cuando el cátodo del fototubo se mantiene a un potencial cercano a -90 V, la absorción de radiación por su superficie da lugar a la emisión de electrones que son acelerados hacia el ánodo que es el filamento, originándose una corriente que es directamente proporcional a la potencia del haz radiante.

Si las conclusiones obtenidas en el tratamiento de la re alimentación se aplican a este circuito, se puede escribir:

Además, el punto S está en una Toma de tierra virtual, de modo que la tensión Vo corresponde a la diferencia de potencial en bornes de la resistencia Rf. Por tanto, mediante la ley de Ohm:

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Y

Así pues, la medida del potencial Va da la intensidad, siempre que se conozca Rf. Aumentando razonablemente el valor de Rf es posible medir con exactitud intensidades pequeñas. Por ejemplo, si Rf es 100 kohm, una intensidad de 1uA produce un potencial de salida de 0,1 V, una cantidad que se mide fácilmente con un elevado grado de exactitud y de precisión.

Como se muestra en el siguiente ejemplo, una propiedad importante del circuito de la Figura 3-8 es su baja resistencia en relación a la corriente del detector. Por lamo, el medidor no es gobernado por el detector sino por la corriente amplificada de la fuente de alimentación externa del amplificador operacional. El resultado es un error de medida mínimo.

INSTRUMENTACIÓN

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Se trata de un amplificador operacional cuyas características son extremadamente más buenas y muchísimo más preciso que el amplificador operacional digamos normal

se utiliza para procesar señales de pequeña magnitud pero que debido a su gran importancia deben ser convenientemente tratadas.

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-tensión cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificación aún en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece características funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere:

a) Tengan unas características funcionales que sean precisas y estables.b) Sus características no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos.

A los amplificadores de instrumentación se les requieren las siguientes características:1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000.2) Su ganancia diferencial se controlada mediante un único elemento analógicos (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 muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia5) 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 la tensión de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con señales de continua muy pequeñas.7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseño.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.

CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL (ADC) DE DOBLE INTEGRACIÓN.

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El circuito es el de la figura siguiente:

El sistema funciona en dos partes en el tiempo proporcionando dos rampas distintas.1. La entrada es la señal analógica VA que se desea digitalizar. Dura un tiempo fijo tF.2. Tiene como entrada -VREF y el tiempo es variable. Se supone VA>0.

Durante el primer período de tiempo la salida será:

Ya que el condensador está descargado al comenzar la conversión mediante el interruptor que tiene en paralelo. En el segundo tramo, al conmutar la entrada ésta se hace negativa lo que implica una pendiente positiva. Sin considerar las condiciones iníciales la salida sería:

Y teniendo en cuenta las condiciones iníciales:

La condición de final de segunda rampa se tendrá cuando la salida sea nula.

Se puede encontrar una expresión de esta ecuación en la que, eliminando el tiempo, se introduzcan los pulsos de reloj. Si f es la frecuencia de reloj, su período será la inversa de la frecuencia y se puede escribir:

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Siendo nx, nF el número de pulsos en el contador transcurridos en un tiempo tx, tF respectivamente.

Por tanto, en valores del contador la expresión será:

nx depende de VREF externa y de nF que es el número fijo de pulsos de reloj que se puede fijar sin problema. La única condición a pedir al sistema es que el reloj debe tener una frecuencia constante durante el tiempo de conversión.

Los convertidores de este tipo son lentos: unas 30-40 conversiones por segundo, es decir de30-40 mseg lo cual permite que el oscilador se muy sencillo del tipo RC. Este convertidor es útil ya que además de tener una dependencia baja de la salida con la entrada, permite conseguir alta resolución (24 bits o algo más). Sin embargo esta alta resolución puede presentar problemas de deriva o offset que se resuelva mediante una tercera rampa (7109). Su idea básica es medir la deriva en la primera fase poniendo la entrada a cero y añadiendo esta deriva mediante un sumador en el resto del circuito. Se añade, por tanto, un tiempo previo al primero que es un ajuste de cero del A/D.

Por otra parte, si VA<0 se necesitará que VREF sea positiva. El 7109 permite ambos signos en la entrada mediante un selector del signo de la tensión de referencia dependiendo del de la entrada. Otra ventaja de este circuito es el bajo consumo por estar fabricado en tecnología CMOS. Son también bastante inmunes al ruido sobre todo al de alta frecuencia. Si, por ejemplo, se quiere convertir una señal continua, si se observa ésta detenidamente se verá que no tiene un único valor sino que oscila dentro de una banda de valores (tiene ruido). Con un convertidor de integración la conversión no es instantánea (del orden de 30 c/s), por ello al integrar en el tiempo está promediando el valor de la señal. Si el período de conversión es un múltiplo de la señal de ruido, conseguiremos que el valor obtenido coincida con el valor de la señal constante y por tanto sin ruido, ya que la contribución de los semiperiodos positivos del ruido es la misma que la de los semiperiodos negativos.

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DESARROLLO

Caracterización del Sensor BPW34 como detector de densidad luminosa

Medir la cantidad de luz que recibe una planta

El sensor es un fotodiodo de silicio con estructura p-n que a diferencia de los demás este tiene una elevada área fotosensible con lo cual es posible captar luz visible e infrarroja y generar una intensidad de corriente inversa, proporcional a la luz que recibe.Se requiere aplicar una tensión inversa para que este produzca una corriente fotogenerada significativa y pueda ser procesada analógicamente.

La densidad de luz que percibe el fotodiodo de silicio con unión p-n en la que los pares electrón-hueco generados por la absorción de la luz son separados por el campo eléctrico existente en la zona de unión, el cual arrastra los huecos hacia la zona p y los electrones hacia la zona n, dando lugar a una corriente inversa a través del diodo. La cual es convertida a voltaje de CD.

La función de transferencia que se requiere es la densidad de luz marcada por nuestro patrón (luxómetro) medida en Lux con respecto al Vo en CD.

Para caracterizar se miden 5 veces de subida y 5 veces de bajada se promedian y se obtiene la desviación estándar. La gráfica indica cómo funciona el transductor con las variaciones que se obtienen.

Para esto se requiere las siguientes etapas de adecuación de la señal.

Transductor utilizado.

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TRANSDUCTORConvertidor

I-VAmplificación

FiltradoConvertidor

ADCDespliegue

Digital


Convertidor de corriente a voltaje.El diseño del circuito convertidor de I-V diseñado fue el siguiente:

Amplificador Instrumentación.El diseño del circuito Instrumentación diseñado fue el siguiente:

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Conversión Analógica a Digital y Despliegue.Por último el circuito de conversión y despliegue utilizado fue el siguiente:

FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL SENSOR

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CONCLUSIONES

El trabajar con señales analógicas es de suma importancia ya que el mundo en su totalidad esta compuesto por dichas señales, el como poder procesar dicha señal y llevarla al mundo digital de una manera controlada es hacia donde la tecnología esta ya centrada, en especial como en este caso el de instrumentación, donde se vio la manera de poder medir y controlar un señal analógica que produce un sensor al estar detectando un parámetro físico como es la luz.

El poder entender el proceso de conversión analógico a digital nos ayudo a pasar esa señal analógica a una señal digital teniendo e cuenta todas las características del ADC como la resolución, Linealidad y exactitud que nos sirvió para que dicho proceso fuera fiel y rápido.

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Tabla de caracterización

Luz [x10 Lx]Vo sub 1

Vo baj 1

Vo sub 2

Vo baj 2

Vo sub 3

Vo baj 3

Vo sub 4

Vo baj 4

Vo sub 5

Vo baj 5

Vo (subida)

Vo (bajada) AVo (sub) AVo (baj)

449 448.00 447.00 449.00 447.00 450.00 447.00 450.00 446.00 449.00 446.00 449.20 446.60 0.84 0.55399 390.00 398.00 403.00 400.00 406.00 413.00 409.00 406.00 379.00 413.00 397.40 406.00 12.58 7.04304 305.00 304.00 307.00 302.00 299.00 313.00 306.00 305.00 292.00 312.00 301.80 307.20 6.30 4.97257 243.00 252.00 260.00 257.00 254.00 265.00 259.00 257.00 247.00 264.00 252.60 259.00 7.44 5.43221 207.00 220.00 224.00 219.00 217.00 220.00 221.00 221.00 219.00 225.00 217.60 221.00 6.47 2.35189 187.00 187.00 190.00 187.00 186.00 190.00 188.00 190.00 122.00 193.00 174.60 189.40 29.44 2.51163 170.00 161.00 165.00 162.00 161.00 164.00 165.00 165.00 158.00 165.00 163.80 163.40 4.55 1.82145 153.00 143.00 146.00 145.00 143.00 145.00 145.00 145.00 145.00 148.00 146.40 145.20 3.85 1.79130 138.00 128.00 131.00 131.00 129.00 131.00 130.00 128.00 130.00 133.00 131.60 130.20 3.65 2.17116 125.00 116.00 116.00 116.00 115.00 116.00 116.00 115.00 113.00 117.00 117.00 116.00 4.64 0.71105 112.00 104.00 104.00 104.00 104.00 104.00 104.00 104.00 105.00 106.00 105.80 104.40 3.49 0.8994 103.00 93.00 93.00 93.00 94.00 94.00 94.00 92.00 94.00 95.00 95.60 93.40 4.16 1.1486 93.00 85.00 84.00 85.00 86.00 85.00 86.00 84.00 87.00 87.00 87.20 85.20 3.42 1.1080 86.00 79.00 79.00 79.00 80.00 79.00 79.00 79.00 80.00 82.00 80.80 79.60 2.95 1.3473 76.00 72.00 72.00 73.00 73.00 72.00 73.00 71.00 73.00 75.00 73.40 72.60 1.52 1.5267 67.00 68.00 67.00 66.00 67.00 67.00 67.00 65.00 68.00 67.00 67.20 66.60 0.45 1.1463 63.00 64.00 62.00 63.00 63.00 63.00 63.00 61.00 63.00 63.00 62.80 62.80 0.45 1.1058 57.00 59.00 58.00 58.00 58.00 58.00 58.00 56.00 58.00 58.00 57.80 57.80 0.45 1.1055 55.00 55.00 54.00 58.00 54.00 54.00 54.00 53.00 55.00 54.00 54.40 54.80 0.55 1.9252 52.00 52.00 51.00 52.00 51.00 51.00 51.00 51.00 52.00 51.00 51.40 51.40 0.55 0.5548 49.00 48.00 47.00 48.00 47.00 48.00 47.00 46.00 49.00 47.00 47.80 47.40 1.10 0.8946 47.00 46.00 45.00 46.00 44.00 46.00 44.00 44.00 46.00 46.00 45.20 45.60 1.30 0.890 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Promedios Desviación estándar

CIRCUITO CON ETAPAS ACOPLADAS IMPLEMENTADO.

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Materia: Circuitos Integrados Anal¢gicos con Laboratorio Clave: 000095 Grupo: 3392

NOTA: Es importante que conserve este comprobante, por si en un futuro tuviera que hacer aclaraciones sobre la entrega de la asignación con su profesor.

Matricula: 00000008660 Nombre: Abraham Francisco ArVilla Cisneros

Unidad de Competencia: 8 Período: Del 13 de Octubre al 26 de Noviembre de 2008

Asignación: PROYECTO, que consistió en:Fecha límite de entrega del proyecto. Si se presenta este día, será conforme a una agenda acordada. El reporte se entregará por medio electrónico.

Fecha Entrega24 de Noviembre de 2008

Hora18:14

Tu código de entrega es:

054120081801408010100

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