F O R M A T O D E P R Á C T I C A

DATOS DE LA PRÁCTICANOMBRE DE LA CARRERA Mecatrónica Área Automatización

NUMERO DE CUATRIMESTRE 4 GRUPO B

* TIPO PRÁCTICA FECHA

NOMBRE DE LA ASIGNATURA Dispositivos analógicosUNIDADES TEMÁTICAS

No DE ALUMNOS POR PRÁCTICA No. DE ALUMNOS POR REPORTE

NOMBRE DEL PROFESOR Miguel Urzais

NOMBRE (S) DEL ALUMNO (S) Herrera Caamal Walter Gabriel CaamalArellano Tuz Rodolfo gutierrez cruz geovanni

TIEMPO ESTIMADO VALOR DE LA PRÁCTICA CALIFICACIÓN

COMENTARIO

* Tipos de práctica: Parcial No.; Ordinario No.; Recuperación; Especial

Práctica no.CONTENIDO DE LA PRÁCTICA

1. OBJETIVO:

2. MARCO TEORICO:El cuerpo humano genera una amplia variedad de señales eléctricas,

provocadas por varios eventos, ya sean físicos o químicos. Estos eventos dan

lugar en varios lugares del cuerpo, ya sean nervios o músculos. El corazón es

una de los productores de estas señales, que es una señal muy característica y

con la instrumentación adecuada esta señal puede ser medible.

El proyecto lo que quiere brindar es una aproximación de este

instrumento (ECG), que con una configuración características puede mostrar

las señales de voltaje que emite el corazón, y así el usuario que está midiendo

la señal, pueda verla claramente para su análisis e interpretación a través de

un osciloscopio.

En la actividad eléctrica cardiaca, un latido cardíaco consiste en una

contracción (sístole), y una relajación (diástole), rítmicas y secuenciales de todo

el músculo cardíaco. La contracción de cada célula está asociada a un

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potencial de acción (PA) en dicha célula. La producción de los potenciales de

acción es debida a cambios en la permeabilidad (conductancia) para los iones

Na+, K+ y Ca+2 que presentan una distribución desigual dentro y fuera de la

célula en reposo.

La actividad eléctrica del corazón se inicia en una región marcapasos del

corazón, concretamente en unas células musculares especiales localizadas en

la aurícula derecha denominadas células marcapasos del nódulo seno-auricular

(S-A), y se propaga a todo él de una célula a otra puesto que las células están

eléctricamente acopladas a través de uniones en sus membranas. El

acoplamiento eléctrico de las células miocárdicas y la existencia de células

especializadas en la conducción eléctrica entre aurículas y ventrículos, hace

que la onda de despolarización surgida en las células marcapasos se propague

rápidamente a través de todo el músculo cardíaco, permitiendo así que las

células se contraigan de forma sincronizada. La naturaleza y el grado de

acoplamiento determinan el patrón con que se propagará la onda eléctrica de

excitación a todo el corazón y también influye en la velocidad de conducción.

En el corazón de mamíferos, la onda de despolarización se propaga

desde el nódulo S-A hacia ambas aurículas, las cuales se despolarizan y se

contraen. Las aurículas están conectadas eléctricamente a los ventrículos tan

sólo a través del nódulo aurículo-ventricular (AV). La excitación se propaga al

ventrículo a través de una serie de fibras especiales, que permiten que todas

las fibras musculares del ventrículo se contraigan también sincrónicamente,

pero más tarde. El significado funcional de la organización eléctrica del

miocardio es su capacidad para generar contracciones sincrónicas y separadas

de las aurículas y los ventrículos. Así, la propagación del estímulo cardíaco

desde las aurículas a los ventrículos permite que la contracción de las aurículas

preceda a la de los ventrículos y proporciona un desfase de tiempo que permite

el paso de sangre desde las aurículas a los ventrículos.

Así que finalmente este proyecto consiste en realizar un sistema para el

registro ECG de alguna persona. Esto se realizará por medio de un circuito

amplificador de baja señal el cual consiste en un amplificador de

instrumentación y un filtro pasa banda. Estos acondicionarán la señal al orden

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de 101 voltios y con las componentes armónicas en el espectro de frecuencia

deseadas respectivamente.

Para poder visualizar el pulso cardiaco se es necesario tener un

Electrocardiógrafo, instrumento especializado para esta tarea, el cual es común

encontrarlo en hospitales, clínicas para la atención de pacientes.

Lo primero que tenemos que hacer es un diagrama de bloques. Un

electrocardiógrafo es un acondicionador de señales y tiene la siguiente

estructura general:

Amplificación de la señal

Los amplificadores operacionales se clasifican básicamente en

amplificador de instrumentación, amplificador de aislamiento y amplificador de

baja deriva.

El amplificador de instrumentación es un amplificador diferencial tensión-

tensión cuya ganancia se puede establecer de forma muy precisa y que ha sido

optimizado para que opere con su propia especificación aún en ambiente hostil.

El amplificador de instrumentación es un dispositivo esencial en los aparatos de

medida en las que se ensambla con un bloque funcional que posee funciones

propias e independientes.

Los requerimientos de este amplificador son que tenga características

funcionales precisas y estables; y que sus características no se modifiquen

cuando se ensambla con otros elementos.

Las características de este amplificador son:

Amplificación de Señal

Transductor o Electrodos

Señal de salida Filtro Eliminador de Banda

Filtro Banda

Amplificación con ganancia

Acople de Impedancias

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1. Ganancia diferencial precisa y estable, cuyo valor se encuentra

entre 1 y 1000.

2. Su ganancia diferencial se controla mediante: dispositivos

analógicos como potenciómetros resistivos o con elementos digitales

como los conmutadores.

3. Su ganancia en modo común debe ser muy baja respecto a la

ganancia diferencial, esto significa que debe ofrecer un CMRR muy alto

en todo el rango de frecuencias que opere.

4. Una impedancia muy alta en la entrada para que su ganancia no

se vea afectada por la impedancia de la fuente de entrada.

5. Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se

vea afectada por la carga que se conecta a la salida.

6. Bajo nivel de tensión 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 para que no se

incremente el ruido.

9. Una razón de rechazo de rizado a la fuente de alimentación muy

alto.

La base del amplificador de instrumentación es el amplificador

diferencial, el cual se puede usar como amplificador inversor o como no

inversor.

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Si se anula el voltaje V2 (V2=0) entonces el voltaje de

salida es V0=G*V1, y el amplificador funciona como no inversor.

Si se anula V1, entonces el voltaje de salida es V0= - G*V2,

y el amplificador funciona como inversor.

Además de que el amplificador de instrumentación puede amplificar la

diferencia y permite también distinguir entre la señal y el ruido.

Debido a que el amplificador de instrumentación se basa en el

amplificador diferencial, se hace necesario comprender el funcionamiento del

amplificador diferencial básico, el cual consiste de un único amplificador

operacional el cual cumple con algunas de las características del amplificador

de instrumentación pero no todas. A continuación se presenta este circuito

básico.

Resistencia de entrada:

Realizando el método de superposición es posible calcular el valor del

voltaje de salida en función de los voltajes V1 y V2.

Anulando V2:

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Anulando V1

Y ahora sumando los dos términos para V0:

Para que esta ecuación sea del tipo diferencial debe ser análoga a la

ecuación:

Es decir:

Con la cual se llega a la condición que R2*R3=R4*R1, y una solución

particular con la que se simplifica esta ecuación es R2=R1 y R3=R4 con lo

cual:

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Pero cabe destacar que debido a que las resistencias tienen una

tolerancia determinada, los valores nominales no son exactamente los

esperados.

Este amplificador diferencial básico se considera un amplificador de

instrumentación de muy bajas prestaciones, porque:

a) Requiere modificar dos componentes para modificar su ganancia

diferencial, manteniendo la ganancia en modo común nula.

b) Es muy difícil conseguir CMR muy altos. El CMR del circuito se

degrada por dos razones:

El amplificador operacional tiene un CMR finito.

Las resistencias difícilmente se pueden ajustar

exactamente para que satisfagan la relación R1*R4=R2*R3 y en

consecuencia:

Resultando en una combinación de ambos:

c) Impedancia de entrada muy baja Zin=R1+R3, pero esta

característica puede mejorarse poniendo amplificadores en configuración

seguidor en la entrada.

d) La anchura de banda es baja si la ganancia diferencial es alta.

Amplificador de Instrumentación

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Es uno de los dispositivos mas útiles, precisos y versátiles disponibles

en la actualidad, y en cada unidad de adquisición de datos se requiere al

menos uno.

El amplificador de instrumentación básico esta compuesto por tres

amplificadores operacionales y siete resistencias, el mismo esta basado en un

amplificador aislador (compuesto a su vez de dos AmOp) y un amplificador

diferencial básico.

En donde se ha puesto la línea roja para dividir el circuito en dos partes

la primera (aislador) y la segunda (amplificador diferencial). Para comprender

este circuito conviene analizar su resistencia interna, la manera de variar la

ganancia diferencial Gd fácilmente y que le ocurre al CMR (rechazo en modo

común).

Para calcular los voltajes Va y Vb, en la salida de cada amplificador, es

necesario aplicar el principio de superposición, esto con el fin de utilizar estos

valores de voltajes para la segunda parte del circuito.

Aplicando principio de superposición:

1) Anulando V2:

Va

VbPrimera parte Segunda parte

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2) Anulando V1:

Va

Vb

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Sumando las contribuciones para cada voltaje se obtiene que los valores

para Va y Vb son:

Aplicando ahora estos valores al amplificador diferencial que aparece en

la segunda parte del circuito se tiene el valor para V0 en función de los voltajes

V1 y V2.

Vb

Va

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La cual proporciona el valor general para el voltaje de salida; pero una

condición ideal es:

En cuyo caso el voltaje de salida es:

Ahora sustituyendo este valor para hallar V0:

El hecho de que R1 y R’1 sean iguales o no, no influye en el carácter

diferencial del dispositivo. Aunque se suele hacer que sean iguales para que la

variación de la ganancia sea solo dependiente de la resistencia Rg. Haciendo

R1=R’1, la ecuación resultante es:

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En donde la ganancia diferencial es:

Esta ecuación para la ganancia se puede dividir en dos partes, de la

misma forma que se dividió el circuito en dos partes también. Así la ganancia

diferencial total será de la forma:

A partir de la cual la ganancia Gd2 es la ganancia debido a la segunda

parte del circuito (amplificador diferencial) y la ganancia Gd1 es la ganancia

debido la primera parte del circuito.

La formula para Gd proporciona la ganancia en forma general, la cual

seria variable si se hace variable R1 o Rg; pero es mas conveniente y sencillo

hacer variable solo la resistencia Rg, así a medida que Rg disminuye la

ganancia será mayor.

Ahora que ya se tiene la ganancia del circuito se hace necesario calcular

el CMR, que representa el rechazo en modo común. Para poder calcular este

término CMR se utiliza la siguiente expresión:

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A partir de la cual se desconoce la ganancia en modo común y se

hace indispensable encontrar este valor. Y para poder hallar esta ganancia en

modo común, se coloca la entrada de los terminales a una tensión en modo

común Vcm, como se muestra en la figura.

Dado que en los extremos de la resistencia Rg la tensión es la misma

(Vcm), la corriente que circula por ella es cero y con ello se deduce que

Va=Vb=Vcm. Así que esta parte del circuito, mediante esta configuración,

proporciona una ganancia 1, así que

= y el valor de CMR es:

Se concluye así que el CMR del circuito se calcula como el producto de

la ganancia diferencial de la primera parte por el CMR de la segunda parte del

circuito. Para un valor determinado de ganancia Gd, la ganancia puede ser

debida solo a la primera parte Gd1, solo a la segunda parte Gd2, o compartida

entre ambas.

Lo que nos interesa es obtener un CMR tan grande como sea posible,

por lo cual se debe maximizar Gd1, para que el factor que multiplica a

sea mayor que la unidad.

Va

Vb

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Así el circuito más adecuado se representa en la siguiente figura, en

donde cabe notar el emparejamiento de las resistencias, es decir, los mismos

valores de resistencias se presentan para dos de estos elementos pasivos.

Para este circuito la resistencia de entrada es infinita, y además la

variación de la ganancia se puede hacer en cualquiera de las dos etapas, pero

no es conveniente hacerla en la segunda etapa debido a que habría que variar

dos resistencias emparejadas, R3.

En la primera etapa no se presenta este problema y es posible variar

solamente Rg para variar la ganancia.

Como se indico anteriormente, para que el CMR sea mayor que

se debe hacer que el Gd1 sea alto, para que este circuito amplifique de la

forma esperada se requiere que Gd1 este en el rango de 100 a 500. De igual

forma para que presente una buena ganancia gd1 también debe ser alta:

Se puede concluir entonces, que el CMR se incrementa con la ganancia,

esto es consecuencia de que la ganancia en modo común no se modifica

apreciablemente cuando se incrementa la ganancia diferencial. Por otra parte

la anchura de banda del CMR disminuye con el incremento de la ganancia.

Si se requiere, por ejemplo una ganancia de Gd=100, la forma de

lograrla puede ser de muchas formas pero la manera mas indicada es que

Gd1=100 y Gd2=1, ya que además de proporcionar la ganancia esperada

V0

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también presenta un mejor CMR y también un efecto positivo sobre la

influencia del offset, como se analizara a continuación.

Filtro pasa Bajas y pasa Altas

Una de las partes mas importantes de un acondicionador de señales es

el filtrado el cual nos determinara el ancho de banda del circuito la señal de

ECG tiene componentes 0.05 hz y 150 hz por lo tanto nuestro circuito solo

debe dejar pasar las señales que se encuentren en este rango.

Utilizaremos filtros pasa bajas sencillo el cual consta de

una resistencia y un condensador y tiene la siguiente configuración:

Para determinar la frecuencia de corte se tiene la siguiente formula:

Utilizaremos un filtro pasa altas sencillo el cual consta de

una resistencia y un condensador y tiene la siguiente configuración:

Para determinar la frecuencia de corte se tiene la siguiente formula:

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Con todos estos arreglos la señal que obtendremos será un limpia de

ruido y de interferencias, y se podrá visualizar con un osciloscopio.

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3.- DESARROLLO:Antes de realizar el armado del circuito del electrocardiógrafo, debemos

analizar y entender el circuito dado que de esta manera evitaremos tener

defectos o errores en el armado.

En la primera face tenemos que acoplar el pulso de voltaje trasmitido por

los transductores; en ambas entrdas se les amplifica con una ganancia de 50

individual mente, pero si nos damos cuenta existe una conexcion en medio de

ambos, si esta resistencia es un potenciometro, tendriamos la posiblidad de

poder manipular la ganacia de en ambos amplificadores. acficcio

Las salidas de estos dos amplificadores se vuelven a someter en una

amplificación y al mismo tiempo se determina la diferencia existente entre las

dos. La amplificación del tercer amplificador debe cumplir con una ganancia de

10.

De esta forma la ganancia total del acoplamiento es de 100, y la señal

medida en milivoltios la podremos manejar al final con una escala de volts.

Dado que la diferencia, obtenida en este ultimo amplificador, se

encuentra amplificada y con ella el ruido persivido por los electrodos y de la

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fuente de voltaje; y para poder eliminar este ruido la señal es medita en un filtor

pasa banda de _____ y junto con este un filtor elimanador de banda de 60Hz,

dado el que es la frecuencia que se obtiene de alguna toma de luz o de voltaje.

Y de esta manera nuestra la señal medida despues de los filtros estaran

libres de ruido y se podran obervar con mayor claridad en un osciloscopio.

Una vez analizado y comprendido el circuito a armar, nos disponemos a

hacer la construcción del circuito y el establecemos los cálculos de los

componentes de las etapas.

Los transductores se elaboraron de manera cacera, con 2 pedazos de

tubo de cobre y cada uno se soldó aun cable coaxial. Con estos tomaremos las

señales para el circuito.

En los dos primeros amplificadores, los cuales tendrá una ganancia de

50, se usaran las siguientes resistencias:

Para las resistencias del divisor de voltaje.-

Las dos resistencias fijas de los extremos son de 50Kohm y en la

resistencia intermedia, que bien puede ser un potenciómetro, de 1Kohm, para

poder manipular las ganancias de la amplificación.

Resistencia o potenciómetro

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Y que dando de la siguiente manera:

Para la tercera etapa de amplificación, en las entradas al amplificar

colocamos resistencias de 10kohm y en la retroalimentación como en la

resistencia a tierra colocamos una de 100kohm. Y obtenemos el diferenciador

con ganancia de 10.

Luego conectamos esta salida a la etapa de filtrado, de los siguientes

valores:

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En primera instancia un filtro pasa banda, que esta conformado por un

filtro pasa bajas y uno pasa altas.

Para el filtro pasa bajas, siendo la frecuencia de corte 150Hz, asumimos

un capacitor de 1uf y buscamos el valor de la resistencia (R), con el despeje de

la formula de frecuencia de corte (fc).

R=1/(fc*2 π*C)

R=1/(150*2π*1uf) = 1061,03 ohms

Entonces la resistencia a usar será de 1kohm.

Par el filtro pasa altas, con la frecuencia de corte de 0.05Hz, asumimos

el mismo capacitor de 1uf, despejamos y sustituimos para obtener la formula

resistencia (R).

R=1/(fc*2 π*C)

R=1/(0.05*2 π *1uf) = 3,18 Mohms

Y obtenemos nuestros valores del filtro pasa banda.

Luego procedemos con un filtro eliminador o rechaza banda, como

habíamos mencionado antes, para eliminar la frecuencia de 60Hz. Este filtro

será con las siguientes frecuencias de corte:

Para Fc1= 58Hz y para el Fc2= 62Hz; y calculamos los valores de los

elementos a utilizar.-

Para el filtro pasa bajas, de 58Hz, asumimos un capacitor de 10uf,

despejamos y sustituimos, para obtener la resistencia (R).

R=1/(fc*2 π*C)

R=1/(58*2 π *10uf) = 274.4ohms; por lo tanto, la resistencia será de

280ohms.

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Para el filtro pasa altas, de 62Hz, utilizamos el mismo capacitor,

despejamos y sustituimos, para obtener la resistencia (R).

R=1/(fc*2 π*C)

R=1/(62*2 π *10uf) = 256.7ohms; por lo tanto, la resistencia será de

260ohms.

Una ves obtenidos los valores armamos nuestro filtro rechaza banda.

La señal obtenida hasta este punto del circuito sigue estando con un

valor negativo, por las amplificación anteriores, dado esto se es necesario

implementar una amplificador mas al circuito; con una amplificación de

ganancia uno en su terminal inversora, podremos pasar el valor negativo a un

positivo.

Esta salida será la que se conecte al osciloscopio con ayuda del una

punta de prueba.

Y solo nos sobre probar el circuito con “un conejillo de indias”.

Salida

Salida de señal

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Y nuestra graficas obtenidas del osciloscopio será las de un

electrocardiograma.

Durante el proceso de armado y prueba del circuito de

electrocardiograma tuvimos varios inconvenientes, como son el mal cableado,

dispositivos quemados o malos, y uno de los potoboards ya no es funcional, ya

que no tiene continuidad en algunas partes de este mismo.

Y otro de los problemas que se nos presento fue el mal calibrado del

osciloscopio.

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Conclusiones:

Durante práctica realizamos el análisis de un circuito por medio de la

superposición, dado que se es más fácil entenderlo de esta manera;

ciertamente el circuito constaba de varias partes, y delas cuales ya se conocían

previamente, como amplificaciones y filtros.

Las amplificaciones estaban ordenadas de tal forma que se obtenía un

amplificador de instrumentación, el cual es utilizado en instrumentos

especializados de medición, como el electrocardiograma.

El amplificador de instrumentación, para poder ser usado, el circuito

debe cumplir con una serie de arreglos o condiciones que permiten el

funcionamiento de este mismo, uno de esas condiciones debe ser que la

amplificación de todo el circuito debe de ser de 1000, ya que nuestra señal se

encuentra en el rango de milivoltios.

Herrera Caamal Walter

Luis can uitz

En esta práctica pude ver como lo antes aprendido en clases es de gran ayuda

para realizar ciertos circuitos en este caso es la del electrocardiograma el cual

aplicamos los filtros como los cuales son, los pasa bajas, pasa altas, eliminador

de banda y rechaza banda el cual la señal leída del pulso del corazón como es

tan pequeño lo teníamos que amplificar luego la señal que amplificamos lo

pasábamos el los filtros para eliminar lo que no nos va a servir y la señal este

limpia y se aprecie mejor.

Gabriel Alberto Caamal Quintal

En esta practica aprendi como es que el electrocardiograma funciona, de los

distintos partes de componentes que este lleva como los cuales son como un

filtro pasa altas, filtro pasa bajas, filtro pasa eliminador de banda y filtro pas

banda el cual combinadas ganeran una señal mas acta para ser leidas por el

osciloscopio en base a las señales de el corazón y esta aparecerá mas limpia y

mejor.

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Arellano Tuz Rodolfo

En esta práctica se implementaron, los diferentes filtros que ya hemos vimos

desde el comienzo del cuatrimestre desde el pasa-baja hasta el eliminador de

banda para la elaboración de un electrocardiograma el cual media las señales

del cuerpo humano y la amplificaba para que se aprecie en el osciloscopio de

manera que no tenga ninguna interferencia.

Geovanni gutierrez cruz.—

En la realización de la practica se estuvo haciendo unos circuitos para saber

nuestro pulso cardiaco, pero durante la practica tuvimos muchos errores ya que

siempre queríamos armar todo de un solo golpe. También se tuvo que realizar

por bloques ya que cada uno de los circuito tiene una función muy importante,

teníamos que realizador lo visto en clases anteriores ya que todo esto nos

sirvió para esta practica que me sirvió de mucho.