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AcondiocionamientoTRANSCRIPT
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Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de TelecomunicacinUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria
ACONDICIONADORES DE SEAL PARA TRANSDUCTORES DE REACTANCIA VARIABLE
Juan A. Montiel-Nelson
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17/10/2004 Transductores Resistivos 2
Indice
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17/10/2004 Transductores Resistivos 3
Introduccin
Objetivo Disponer de una seal til.
Guarda un paralelismo con el tema de Acondicionadores de seal para transductores resistivos
Osciladores variables Tambin se pueden aplicar a los transductores resistivos
Problemas y alternativas Situaciones ms generales
Presentacin analgica inmediata Conversin digital Conversin a una seal de frecuencia variable Telemedida por tensin Telemedida por corriente
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Introduccin
Problemas y alternativas Seal alterna de excitacin
Tipos de transductores Transductores capacitivos o inductivos simples: C0 C L0 L Detectores de proximidad por corrientes de Foucault: L0 L, L0 Diferenciales: C0 + C, C0 C L0 + L, L0 L Tensin alterna modulada en amplitud: LVDT, sincros o resolver
Transductores capacitivos < 100pf Alimentacin a frecuencias altas [10kHz, 100MHz] a fin de tener
impedancias manejables Impedancia de salida alta conviene que los cables estn apantallados
Esto significa aadir una capacidad en paralelo con el conductor, con la consiguiente prdida de sensibilidad y deterioro de la linealidad
La soluin consiste en pone la electrnica cerca, con cables cortos, incluso rgidos, y emplear guardas activas o bien transformadores de impedancia
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Introduccin
Problemas y alternativas Magnitudes continuas
Deteccin de valor de pico, medir valor eficaz u obtener el valor medio Cuando la cadena de medida est diseada de forma que hay que
convertir todas las magnitudes medidas en tensiones continuas Soluciones
Aplicacin de la ley de Ohm. Un cambio de impedancia se puede detectar viendo el cambio de
la corriente a travs de ella cuando se alimenta a tensin alterna constante, o bien a partir de la variacin de la cada de tensin en la impedancia cuando se la laimenta a corriente alterna constante
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Introduccin
Problemas y alternativas Soluciones
Aplicacin de la ley de Ohm Si el factor de calidad (Q) del transductor no es elevado, estos
mtodos implican la medida de dos componentes de la seal de salida: la que est en fase y la que est en cuadratura con la seal de alimentacin, si bien slo la primera tiene informacintil de la variable de medida
Excepcin La aplicacin del mtodo de correinte constante a un
transductor capacitivo de desplazamiento, basado en la variacin de la distancia entre placas de un condensador plano
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Introduccin
Problemas y alternativas Soluciones
Aplicacin de la ley de Ohm Inters del circuito
En la relacin lineal que se obtiene entre la tensin de salida y la distancia medida, a pesar de que la capacidad no vara linealmente con sta
( );1;
11
00
0
xCCv
ZZvv
xCC
x
x
+==+=
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Introduccin
Problemas y alternativas Soluciones
Utilizacin de un divisor de tensin Para otros transductores de reactancia variable, la utilizacin de
un divisor de tensin ofrece una alternativa a la ley de Ohm Cuando se aplica a un transductor lineal que vara de la forma
Z0(1+x), la tensin de salida es no lineal
)1()1(
0
0
xZZxZ
vvs
+++=
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Introduccin
Problemas y alternativas Soluciones
Utilizacin de un divisor de tensin diferencial
;2)1( x
vvs +=
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Puentes de alterna
Sensibilidad y linealidad Funcin
Eliminacin de la tensin fija que aparece a la salida de un divisor de tensin, la solucin clsica es emplear una configuracin de medida en puente
Puente de alterna en general
;)2(2 x
xvvs +=
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Puentes de alterna
Sensibilidad y linealidad Puente de alterna con brazos resistivos lineal
;2xvvs =
-
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Puentes de alterna
Sensibilidad y linealidad Puente de alterna con brazos resistivos no lineal
( )( )
( )( ) ;11
11
0
0
0
0
+
+++=
xsLRxsL
xsLRxsLvvs
-
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Puentes de alterna
Sensibilidad y linealidad Puente de Blumlein
Errores por impedancia parsitas En transductores capacitivos diferenciales, o simples so la no
linealidad es aceptable, dado que su capacidad es muy pequa, si se emplea un puente con brazos resistivos los errores debidosa las impedancias parsitas a tierra son muy importante. Loe efectos de stas se reducen.
Los efectos de stas se reducen mucho empleando un puente con dos brazos inductivos acoplados segn una relacin exacta y con una toma media de tierra.
( )( )
( )( ) ;11
11
0
0
0
0
+
+++=
xsLRxsL
xsLRxsLvvs
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Puentes de alterna
Sensibilidad y linealidad Puente de Blumlein
Circuito equivalente de los puentes de Blumlein Para un transformador de tensin con N3=N4=N
;2
212
;21
2;;
;22
21
211
12
21
1
2
1
2
11
12
21
12
1122
12
+=
+=
=====
+=
++=+=
ZZZZU
ZZZUv
NNr
NNr
UUNN
ZZZZ
Nv
ZZZZZ
NvZ
ZZNv
Nvv
S
tt
s
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Puentes de alterna
Sensibilidad y linealidad Puente de Blumlein
Circuito equivalente de los puentes de Blumlein Medicin con un detector de alta impedancia de entrada
Si las variaciones de impedancia son lineales, transductor capacitivo diferencial Z1 = Z0(1-x), Z2=Z0(1+x)
Medicin con un detector de baja impedancia de entrada Si las variaciones de impedancia son lineales, transductor
capacitivo diferencial Z1 = Z0/(1-x), Z2=Z0/(1+x)
;2
;2 012
12 xVvvZZZZvv ss ==+
=
;0
0 ZvI x=
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Puentes de alterna
Linealizacin analgica de puentes capacitivos Creciente inters por los transductores capacitivos
Desarrollo de circuitos que tuvieran las propiedades de los puentes en lo que se refiere a cancelacin de interferenciaso, si se prefiere, a medidas por relacin
Pero no tuvieran en cambio los incovenientes de la no linealidad de algunos de ellos,
Ni fueran tan laboriosos como los puentes con transformador
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Puentes de alterna
Linealizacin analgica de puentes capacitivos Pseudopuentes capacitivos
Para puentes capacitivos simples Para puentes capacitivos diferenciales
;1
4
3
1
2
4
3
ZZ
ZZ
ZZvvs +
= ;4
3
1
2
=
ZZ
ZZvvs
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Puentes de alterna
Amplificadores de alterna. Desacoplamiento. Amplificadores operacionales disponibles
Permiten amplificar seales de hasta 10 MHz con ganancias de hasta 10, en una sola etapa.
Descripcin Si como detector en el puente de Blumlein se emplea un amplificador
en configuracin inversora, se tiene la ventaja de que la salida es independiente de las impedancias parsitas que quedan en paralelo con los terminales de salida del puente Zp
En cambio la tensin amplificada tiene una dependencia no linealrespecto a la variable a medir
;s
so ZZvv =
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Puentes de alterna
Amplificadores de alterna. Desacoplamiento. Configuracin no inversora
Las impedancias parsitas influyen en la seal amplificada
;11
2
++= Z
ZZZ
Zvv
ps
pso
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Puentes de alterna
Amplificadores de alterna. Desacoplamiento. Configuracin no inversora
Si las impedancias parsitas son altas, v0 no depende de Z, y, por lo tanto, si vs es lineal con x tambin lo ser v0
Las impedancias se pueden elegir de modo que el ancho de banda de trabajo sea limitado, conforme a las caractersticas de la seal a amplificar, evitando as ruido innecesario en las etapas siguientes
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Puentes de alterna
Parmetros que limitan las prestaciones de los amplificadores operacionales Impedancia de entrada
Se aleja mucho de los valores obtenidos en continua Capacidades parsitas en los componentes pasivos
En particular en los resistores No se deben emplear resistencias de valor elevado y hay que reducir
las capacidades parsitas Slew Rate Deascoplar alimentaciones
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Puentes de alterna
Blindajes electrostticos. Guardas activas El objetivo al blindar un transductor capacitivo es mantener
constante la capacidad del elemento, con independencia de los cambios en el entorno
Blindaje simple para un transductor capacitivo
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Puentes de alterna
Blindajes electrostticos. Guardas activas Caractersticas
Capacidad final del elemento, permanece constante Ce = C + C2 Capacidad e tierra CT variar de acuerdo con la posicin relativa de
los conductores Si el terminal de tierra forma parte del circuito de medida, habr que
conectar a tierra uno de los terminales del transductor.
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Puentes de alterna
Blindajes electrostticos. Guardas activas Blindaje doble
Cuando no esposible conectar uno de los terminales del condensador transductor
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Puentes de alterna
Blindajes electrostticos. Guardas activas Guardas activas
Con el apantallamiento se logra que la capacidad arsita permanezca constante, pero no su reduccin. El blindaje aumenta la capacidad parsita, ms si se prolonga a lo largo del cable de conexin del amplificador (cable coaxial), este aumento supone, una prdida de sensibilidad
Para lograr una reduccin de la capacidad parsita hay que conectar el blindaje no a tierra, sino a un potencial prximo al de los conductores del interior
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Puentes de alterna
Blindajes electrostticos. Guardas activas Guarda o blindaje ellectrosttico convencional
Si la malla del cable coaxial se conecta a tierra, la capacidad del cable queda en paralelo con el transductor y con la impedancia de entrada del amplificador
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Puentes de alterna
Blindajes electrostticos. Guardas activas Guarda o blindaje ellectrosttico convencional
La impedancia del condensador queda multiplicada por A+1. La capacidad efectiva del cable queda reducida en un factordprcticamente igual a la ganancia en lazo abierto del amplificador. Cuanto mayor sea A a las frecuencias de inters, tanto mayor ser la reduccin del capacidad parsita
( ) ( )( )
( )( )( ) CS
SdC
CC
ss
Ce
ZZAIV
CZZZIIV
ZIZZIZIVZIZZIVVZIAVvAV
//1
;1//;
;20;
;
1
230
321
021
0200
+=
==++=
++=== La ganancia de un amplificador
decrece desde valores superiores a 106en continua hasta un valor de entre 1 y 10 a la frecuencia de 1 MHz.
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Amplificadores de portadora
Introduccin Su necesidad y estructura
Todos los transductores cuya salida sea una seal alterna modulada en amplitud y que incluya el cero dentro de su margen de valoresrequieren un amplificador de portadora. (LVDT, todos los trnasductores montados en un divisor de tensin o en un puente en alterna).
Un amplificador de portadora es un circuito que realiza las funciones de amplificacin de alterna, demodulacin y filtro de pasao bajo, incluyendo el oscilador
Cuando la seal del oscilador de referencia se emplea no para alimentar el transductor sino para excitar la respuesta en el sistema donde se mide, se habla de amplificador coherente
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Amplificadores de portadora
Modulacin de amplitud de los transductores de alterna Puente que incorpore un nico transductor (lineal) en uno de
sus brazos Suposiciones:
Resistencia nominal de los cuatro brazos del puente es la misma x
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Amplificadores de portadora
Modulacin de amplitud con y sin supresin de portadora Formas de onda y espectros
correspondientes al caso de una moduladora y una portadora que sean senoides puras V0 debe ser muy estable Ancho de banda de x < cinco veces
inferior a w0 En otro caso los filtros paso
bajo son de orden muy elevado
Ancho de banda del amplificador de alterna al menos 0,2 w0
( )( )[ ] ( )[ ]{ };coscos
8
;cos)(;cos
000
00
+++=+==
ttAVv
tAtxtVv
SSS
St
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Amplificadores de portadora
Demodulacin sncrona o coherente En otro caso
Si se realiza una mera deteccin de envolvente (rectificacin y filtrado de paso bajo), se perdera informacin sobre el signo de x.
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Amplificadores de portadora
Demodulacin sncrona o coherente Descripcin
Multiplicar la seal modulada vs(t) por una tensin alterna de referencia Vrcosw0t, en fase con v(t)
El filtro paso bajo elimina la componente de alta frecuencia, de forma que a su salida
( )[ ] ( )[ ]{ }[ ] [ ] ( )[ ]{ }
+++=
=+++===
tttAVV
tttAVVtVvv
SSSr
SSr
rSm
00
0000
0
2coscoscos16
coscoscos8
cos
( ) ;8
cos8
00 xVVtAVVv rsrd =+=
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Amplificadores de portadora
Detectores de fase Descripcin
El demodulador es el elemento fundamental en un amplificador de portadora, por ser sensible a la fase, se denomina demodulador de fase o detector de fase.
Una demodulacin de fase (o sncrona) la constituye lo anteriormente presentado, cuya realizacin fue el producto de la seal modulada por una de referencia sncrona con la portadora, y luego filtrando paso bajo.
Una solucin ms simple consiste en emplear los llamados detectores de fase conmutados, en los que se toma como referencia no una seal senoidal sini una cuadrada en fase con la portadora, es decir
;0,1]sgn[;0,1]sgn[
];sgn[cos)( 0
=
=
xxxx
tVtvr
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Amplificadores de portadora
Detectores de fase Descripcin
Desarrollando en series de Fourier
Si la seal se filtar paso bajo, y se eliminan los trminos de frecuencia 2w0 y superiores
( ) ( )[ ]( )[ ] ( )[ ]( )[ ] ( )[ ] }4cos
614cos
61
2cos612cos
21
2cos21{cos
2)()(
;55cos
33coscos)(
00
00
00
000
L
L
+++
+++
+++++=
++=
tt
tt
ttAVVtvtv
ttttv
ss
ss
ssrs
r
( ) ;2
cos2
)( 00 xVVtAVVtv sd =+=
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Amplificadores de portadora
Detectores de fase Ventajas
Es ms fcil que la seal de referencia, V, sea constante, que no en el caso de una senoide
El producto se puede hacer con un simple interruptor de polaridad (ganancia +1 -1) mucho ms barato que un multiplicador analgico.
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Amplificadores de portadora
Detectores de fase Esquemas empleados
Demodulador de fase basado en dos diodos apareados
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Amplificadores de portadora
Detectores de fase Esquemas empleados
Demodulador de fase en anillo (double balanced mixer)
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Amplificadores de portadora
Detectores de fase Esquemas empleados
Amplificador conmutado con ganancia +1 1 seleccionable
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Amplificadores de portadora
Aplicacin al LVDT Descripcin
Para detectar el sentido de la posicin del vstago respecto a la posicin central, hace faltra una demodulacinsncrona
Inconvenientes El dispositivo de salida o
presentacin debe ser diferencial
Los diodos deben trabajar por encima de su tensin umbral, cosa que no se puede garantizar en los extremos del margen de algunos dispositivos
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Amplificadores de portadora
Aplicacin al LVDT Inconveniente
Desfases propios entre primario y secundarios
Solucin Alimentar el trafo a su
frecuencia natural Compensar el desfase
previsible a la frecuencia a que se vaya a alimentar, mediante una red de adelanto de fase o retardo de fase
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Amplificadores de portadora
Aplicacin al LVDT Inconveniente
Desfases propios entre primario y secundarios
Solucin Alimentar el trafo a su
frecuencia natural Compensar el desfase
previsible a la frecuencia a que se vaya a alimentar, mediante una red de adelanto de fase o retardo de fase
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Convertidores resolver a digital y digital a resolver
Convertidores sincro-resolver Ecuaciones
Transformador de Scott Adems de permitir pasar de
uno a otro formato (permite la adaptacin de niveles de tensin), el transformador puede obtener un aislamiento elevado entr los circuitos del primario y del secundario
( )( );240cos
;120cos;cos
21
32
13
+=+=
=
tVsenketVsenketVsenke
s
s
s
;coscos;cos
24
13
tkVetkVsene
R
R
==
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Convertidores resolver a digital y digital a resolver
Convertidores digital a resolver Descripcin
Se basan en los llamados multiplicadores de seno y coseno Se tratan de circuitos que
aceptan una seal analgica de referencia y una seal digital, dando a su salida, en forma analgica, el producto de la primera por el seno o coseno del ngulo repersentado por la segunda
Selector de cuadrante Salida
Seal de salida en alta tensin y de baja impedancia, por lo que se puede transmitir en una lnea larga. Los transformadores de salida se incluyen para evitar daos al circuito en caso de cortocircuito.
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Convertidores resolver a digital y digital a resolver
Convertidores resolver a digital Descripcin