Carlos Chicala
Adquisición de datos: Medir para conocer y controlar
Handbook de adquisición de datos
Adquisición de datos: medir
para conocer y controlar
HANDBOOK DE ADQUISICIÓN DE DATOS
PRIMERA EDICIÓN
Carlos Chicala
Revisión técnica:
M. en I. Naomi Berenice Romero Mata Profesora del Departamento de Control y Robótica
Facultad de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México
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Adquisición de datos: medir para conocer y controlar. Handbook de adquisición de datos. Primera edición
Presidente de Cengage Learning Latinoamérica:
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Adquisición de datos: medir para conocer y controlar. Handbook de adquisición de datos. Primera edición
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Contenido
Agradecimientos XIII
Prólogo XV
Presentaciones XVII
Parte I Hardware
INTRODUCCIÓN
Capítulo 1
Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora 3
1.1 Breve historia de la instrumentación 3
1.2 Instrumentación virtual 4
1.3 Componentes de un sistema de adquisición o toma de datos 6
1.4 Computadoras 7
1.5 Hardware de adquisición de datos y control 9
Capítulo 2
Comunicación entre el sistema de adquisición de datos y la computadora: buses y protocolos 15
2.1 Preliminares 15
2.2 Buses 15
2.3 Protocolos de comunicaciones 18
2.4 Repetidores o extensores y convertidores de estándares 24
NOCIONES BÁSICAS
Capítulo 3
Conceptos básicos: Acondicionadores de señal usando resistores 25
3.1 Preliminares 25
3.2 Ley de Ohm 25
3.3 Componentes pasivos 26
CONTENIDOVI
Capítulo 4
Conceptos básicos: Acondicionadores con L, C y R: filtros 33
4.1 Preliminares 33
4.2 Capacitores 33
4.3 Inductores o bobinas 41
4.4 Filtros compuestos por más de una etapa 46
4.5 Filtro pasa banda RLC 49
4.6 Filtro rechaza banda o filtro supresor de banda RLC 52
4.7 Filtros activos 55
Capítulo 5
Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 61
5.1 Nociones básicas de los amplificadores operacionales 61
5.2 Amplificador operacional básico 62
5.3 Tipos de amplificadores operacionales 62
5.4 Alimentación de potencia de los amplificadores operacionales 63
5.5 Ganancia de los amplificadores operacionales 63
5.6 Realimentación de los amplificadores operacionales 64
5.7 Impedancias de salida y de entrada de etapas construidas con amplificadores operacionales 67
5.8 Relación de rechazo de modo común 75
5.9 Características de los amplificadores operacionales reales 77
ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
Capítulo 6
Acondicionadores de señales analógicas: teoría, cálculo y sistemas reales 81
6.1 Análisis teórico y cálculos de algunos acondicionadores de señal 81
6.2 Filosofías de acondicionadores de señal reales del mercado 93
6.3 Aislación eléctrica de señales analógicas 99
6.4 Borneras y cables 100
Capítulo 7
Acondicionadores de señales digitales: teoría, diseño y sistemas reales 101
7.1 Interface con circuitos digitales de entrada y salida 101
7.2 Interfaz con interruptores o switches mecánicos 103
7.3 Rebote de contactos 103
VIICONTENIDO
7.4 Contactos secos 104
7.5 Señales digitales de variación lenta o de baja pendiente de cambio 104
7.6 Tratamiento de señales digitales de niveles incompatibles entre sí 108
7.7 Señales digitales de entrada y salida de alta corriente o de alto voltaje 109
7.8 Optoaislación digital para señales de entrada y salida 109
7.9 Switches o interruptores digitales: generalidades 110
7.10 Elementos interruptores 111
7.11 Tipos de relevadores 113
7.12 Filosofías de los acondicionadores de señales digitales del mercado 116
7.13 Tarjetas de adquisición de datos con el acondicionamiento de entradas y salidas digitales incorporadas en la misma tarjeta 118
7.14 Borneras y cables 118
Capítulo 8
Acondicionamiento de señales industriales: sensores 119
8.1 Consideraciones generales 119
8.2 Usos de las mediciones industriales 120
8.3 Entorno de medición industrial 120
8.4 Sensores y transmisores: definición 122
8.5 Linealización de sensores 124
8.6 Clasificación de sensores 126
8.7 Teoría de transductores o sensores más usados 127
Capítulo 9
Técnicas de reducción de ruido y aislación 135
9.1 Consideraciones generales 135
9.2 Fuentes de ruido 136
9.3 Técnicas para prevenir y evitar ruido eléctrico o para preservar la integridad de la señal de los sensores 139
9.4 Técnicas para eliminar el ruido presente en una señal adquirida 141
HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Capítulo 10
Multiplexado en los sistemas de adquisición de datos: muestreo y almacenamiento (sample and hold, S/H) 143
10.1 Diagrama de bloques de un sistema DAQ 143
10.2 Multiplexores 144
10.3 Principio de funcionamiento de los interruptores electrónicos 145
10.4 Conmutadores electrónicos 146
CONTENIDOVIII
10.5 Necesidad del muestreo y almacenamiento (sample and hold, S/HH) 148
10.6 Funcionamiento de un circuito de muestreo y almacenamiento (S/H) 151
10.7 Circuitos de muestreo y almacenamiento (S/H) con componentes activos 152
10.8 Análisis de la frecuencia de un circuito con multiplexor y circuito S/H 154
10.9 Muestreando múltiples canales 156
10.10 Ganancia seleccionable por canal: seleccionador de ganancia por software versus secuenciador de ganancia por hardware 160
10.11 Impedancia del sensor y acondicionador y su efecto sobre la velocidad de multiplexado 161
10.12 Influencia del tiempo de respuesta del amplificador de instrumentación y la velocidad de conmutación del multiplexor 162
10.13 Especificaciones técnicas de los amplificadores de muestreo y almacenamiento (S/H) 164
Capítulo 11
Convertidores digital a analógico y analógico a digital: principios de funcionamiento 165
11.1 Introducción 165
11.2 Teorema del muestreo 166
11.3 Cuantificación 166
11.4 Convertidores DACs (digital a analógico) 168
11.5 Salidas bipolares y unipolares de un convertidor digital a analógico: formatos de entrada y salida 175
11.6 Convertidores ADCs (analógico a digital) 176
Capítulo 12
Señales 189
12.1 Definición y clasificación de las señales 189
12.2 Señales digitales 190
12.3 Señales analógicas 191
12.4 Una señal, cinco perspectivas diferentes de medición 195
12.5 Interacción entre los sensores, los acondicionadores y el sistema DAQ 195
12.6 Señales referenciadas o no referenciadas a tierra y técnicas de medición 197
12.7 Sensores o fuentes de señal referenciadas a tierra 197
12.8 Sensores o fuentes de señal flotantes de tierra 198
12.9 Sistemas de medición con entrada diferencial 198
12.10 Sistema de medición single-ended referenciado a tierra 200
12.11 Sistema de medición single-ended no referenciado 200
IXCONTENIDO
12.12 Conexión de fuentes de señal referenciadas a tierra 201
12.13 Conexión de fuentes de señal flotantes 202
Capítulo 13
Entradas analógicas de sistemas de adquisición de datos 205
13.1 Partes constitutivas y señales a ingresar en un sistema DAQ 205
13.2 Parámetros analógicos de entrada y salida 206
13.3 Consideraciones acerca de resolución, rango y ganancia 209
13.4 Velocidad de muestreo: alias de la señal adquirida 210
13.5 Prevención del problema de alias de señales en un sistema DAQ 212
13.6 Formas de adquisición a través de las entradas analógicas 213
13.7 Adquisición de datos continua o adquisición de datos con buffer circular 216
13.8 Modos de inicio o disparo de la adquisición de datos: trigger 218
13.9 Archivar o guardar grandes volúmenes de datos a alta velocidad durante la adquisición 219
Capítulo 14
Salidas analógicas de sistemas de adquisición de datos 221
14.1 Salidas analógicas en los sistemas de adquisición de datos 221
14.2 Parámetros de salida analógica de los sistemas DAQ 221
14.3 Formas de salidas analógicas a través de un sistema DAQ 223
14.4 Adquisición y generación simultáneas de ondas analógicas: sincronismo de las mismas 228
Capítulo 15
Entradas y salidas digitales de sistemas de adquisición de datos 229
15.1 Entradas y salidas digitales en los sistemas DAQ 229
15.2 Agrupación de las funciones de entradas y salidas según su facilidad de uso 230
15.3 Líneas digitales: secuencia para lectura o escritura de líneas de entrada y salida digital usando funciones de fácil manejo (easy I/O) 230
15.4 Puertos digitales: secuencia para lectura y escritura de puertos digitales usando funciones avanzadas 232
15.5 Aplicación práctica de lectura de entradas digitales: lectura de un interruptor o switch de proceso 234
15.6 Aplicación práctica de escritura de salidas digitales: accionamiento o control de relevadores 235
15.7 Entradas y salidas digitales controladas o temporizadas: comunicaciones entre computadoras utilizando protocolos digitales especiales 235
CONTENIDOX
Capítulo 16
Contadores por hardware de sistemas de adquisición de datos 237
16.1 Necesidad de los contadores por hardware en un sistema DAQ: usos y aplicaciones 237
16.2 Características de las señales que ingresan a un contador 238
16.3 Partes que componen un contador por hardware 238
16.4 Secuencia de funcionamiento de un contador por hardware 239
16.5 Conexión de contadores en cascada 240
16.6 Agrupación de las funciones de contadores por hardware de un sistema DAQ según su facilidad de uso 242
16.7 Función para contar eventos o medir tiempos 242
16.8 Tipos de pulsos y características de los mismos 243
16.9 Medición de parámetros de un pulso (ancho o retraso) y medición del periodo 244
16.10 Medición de frecuencias desconocidas usando contadores por hardware 245
16.11 Encoders ópticos: medición de ángulos de giro usando contadores por hardware y encoders ópticos 246
Parte II Software
SOFTWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Capítulo 17
Software de base o software driver de sistemas DAQ 251
17.1 Importancia del software de bajo nivel o software driver de sistemas DAQ 251
17.2 Funcionamiento de los buffer de memoria: memorias FIFO 256
Capítulo 18
Software de aplicación final del usuario: lenguajes de alto nivel para sistemas de adquisición de datos 261
18.1 Sistemas de software de aplicación final del usuario y lenguajes de alto nivel para sistemas DAQ 261
18.2 Sistemas de entorno abierto versus sistemas de entorno cerrado 262
18.3 Clasificación de los software de aplicación y los lenguajes de alto nivel para sistemas DAQ 266
18.4 Accesorios o toolkits de LabVIEW para análisis específicos de adquisición de datos 280
XICONTENIDO
Capítulo 19
Adquisición de datos desde sistemas SCADA 285
19.1 Concepto de SCADA/HMI 285
19.2 Arquitecturas de SCADA/HMI 286
19.3 Módulos funcionales que debe tener un software SCADA 290
19.4 ¿Qué es OPC? 292
19.5 Arquitectura actual de un sistema de control industrial 293
19.6 Adquisición de datos desde SCADA 293
Parte III Curso de LabVIEW 297
PRÁCTICAS
Capítulo 20
Entorno y arquitectura de LabVIEW: comenzando con LabVIEW 299
20.1 Introducción 299
20.2 Panel frontal 300
20.3 Diagrama de bloques 303
20.4 Principales elementos o componentes del panel frontal 306
20.5 Principales elementos o componentes del diagrama de bloques 309
20.6 Paleta de herramientas 313
20.7 Ayuda de LabVIEW 315
Capítulo 21
Creación, edición y depuración de un VI: creando su primer VI con LabVIEW 317
21.1 Su primer VI 317
21.2 Secuencia de ejecución de los diagramas de flujo 328
Capítulo 22
Creación de una subrutina (SubVI) en LabVIEW: creando su primer SubVI con LabVIEW 331
22.1 Introducción 331
22.2 Su primer SubVI 331
22.3 Creación de la primera subrutina para calcular la pendiente de una recta 334
22.4 Una forma fácil y rápida de hacer subrutinas 348
CONTENIDOXII
Capítulo 23
Estructuras de iteración: “While loop”, “For loop” y gráficos de tipo “Charts” o gráficos históricos o de tendencias en LabVIEW 351
23.1 Introducción 351
23.2 Estructura “While loop” (estructura de iteración condicionada al valor de una variable) 352
23.3 Estructura “For loop” (estructura de iteración que se repite un número prefijado de veces) 368
Capítulo 24
Estructuras de decisión y tipos de datos 375
24.1 Estructuras de decisión: estructura de casos y función selectora 375
24.2 Tipos de datos en LabVIEW 380
Capítulo 25
Arreglos y gráficos de forma de onda 385
25.1 Arreglos en LabVIEW 385
25.2 Generando arreglos con las estructuras de iteración (For loop, While loop). 397
25.3 Gráfica de forma de onda o waveform graph 400
Capítulo 26
Cadenas de caracteres ASCII (Strings) y escritura y lectura de archivos (File I/O) en LabVIEW 405
26.1 Cadenas de caracteres (strings) en LabVIEW 405
26.2 Lectura y escritura de archivos en LabVIEW (File I/O) 413
Capítulo 27
Funciones de adquisición de datos: entradas analógicas 419
27.1 Introducción 419
27.2 Adquisición de entradas analógicas 419
27.3 Adquisición de entradas analógicas usando Express Vis 433
Capítulo 28
Funciones de adquisición de datos: salidas analógicas 437
28.1 Actuación sobre las salidas analógicas 437
28.2 Salidas analógicas usando VIs Express 450
Glosario 453
1
PARTE I
Hardware
3
1.1 Breve historia de la instrumentación
La instrumentación ha ido evolucionando a través del tiempo y siempre haciendo uso de los
últimos avances de la tecnología en cada momento de la historia. Podemos observar esto en la
figura 1.1, en la que se ha graficado la evolución de la instrumentación en función del tiempo,
teniendo en cuenta el aumento de flexibilidad o funcionalidad de la misma.
Partiendo de la premisa que hemos enunciado, los instrumentos que miden los fenómenos
eléctricos toman lo más avanzado de la tecnología de cada época para su funcionamiento,
con ello podemos analizar la gráfica antes mencionada
de la siguiente forma.
Cuando comienza el estudio de las ciencias eléctricas
en el siglo XIX, lo más avanzado tecnológicamente era
la relojería. De ésta, los instrumentos toman los ele-
mentos para su diseño, y es así que los componentes
de los mismos son agujas, resortes antagónicos, coji-
netes de rubí, etc. Posteriormente, con la aparición de
los receptores de radio los instrumentos toman de éstos
elementos tales como potenciómetros, condensadores
variables, válvulas rectificadoras de vacío (diodos), etc.
El aporte más importante es el tríodo, que como ele-
mento amplificador permite la amplificación de señales
débiles para luego poder medirlas. Aparecen también
los primeros osciladores o generadores de onda que ha-
Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos
basados en computadora
Capítulo
Figura 1.1
Evolución de la instrumentación.
Fle
xibili
dad
PC
TV
Radio
Relojería
Tiempo
INTRODUCCIÓN
PARTE I HARDWARE4
cen uso de la realimentación positiva. Años más tarde, con el advenimiento de la televisión
los instrumentos adoptan para su funcionamiento el tubo de rayos catódicos y la exhibición
en video para indicar las mediciones, y entonces aparecen los primeros osciloscopios, anali-
zadores de espectros, analizadores de video, etcétera.
Al mismo tiempo, con la aparición de la computadora y luego de la computadora personal,
los instrumentos sacaron el máximo potencial de las mismas. Así se abren camino dos nuevos
conceptos muy importantes: la instrumentación virtual y los sistemas de adquisición o toma de datos.
Observemos en la figura 1.1 que a lo largo del tiempo la instrumentación ha ido ganando en
flexibilidad y funcionalidad. Esto ha ocasionado que los productos se impongan y, obvia-
mente, sean adquiridos por los distintos tipos de clientes: la industria, laboratorios, centros
de investigación, universidades, escuelas técnicas, entre otros.
1.2 Instrumentación virtual
La aparición de la computadora personal generó este nuevo término, pero para comprender
qué es, comencemos por analizar la instrumentación tradicional.
Se entiende por instrumento tradicional todo aquel instru-
mento tipo hardware rígido que se puede adquirir de distin-
tos fabricantes y cuya funcionalidad viene definida por éstos.
Los instrumentos que observamos en la figura 1.2, y todos los
instrumentos semejantes que generalmente son anteriores
a la aparición de la computadora personal en la figura 1.1,
son de los llamados tradicionales (osciloscopios, analizadores
de espectro, frecuencímetros, etc.). Ejemplo de éstos son los
instrumentos que podemos encontrar en algún laboratorio de
electrónica.
Una vez explicado el término instrumentación tradicional,
veamos ahora qué significa instrumentación virtual, para lo
cual haremos uso de la figura 1.3.
Analicemos el diagrama en bloques de cualquier instrumento
tradicional, como el de un osciloscopio digital. Se observa que
tiene unos bornes de entrada en los que ingresa, dependiendo
del número de canales, la señal a un bloque amplificador y
acondicionador de la misma. A continuación, la señal es con-
vertida en digital a través de un convertidor análogo digital. La
señal digitalizada es procesada por un microprocesador, el cual
tiene memoria RAM para guardar los datos adquiridos y pone
en funcionamiento algoritmos conforme a un programa que se
ejecuta y reside en memoria ROM, estos algoritmos realizarán
análisis y cálculos de la señal adquirida. Los datos procesados
por este CPU son luego enviados a un bloque de video que ex-
hibe la señal en un TRC (tubo de rayos catódicos), donde final-
mente el operador observa los valores leídos y realiza el ensayo.
Dejando por ahora de lado el amplificador y el convertidor
analógico-digital, todos los bloques antes mencionados están
contenidos en cualquier computadora de escritorio, incluso
Figura 1.3
Instrumentos virtuales.
Instrumento tradicional
Alta velocidad de CPU
MemoMemoriaria RAMRAM eexpanxpandibldiblee
Adquisición on-line
Generación de reportes on-line
Conectividad LAN e internet
Software gráfico modificable
Instrumento virturr albasado en PC
Figura 1.2
Instrumentos tradicionales.
5Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora
con una potencialidad mucho mayor. Esto se debe a que el CPU o unidad central de proceso
de cualquier computadora supera a la de cualquier instrumento digital del mercado en los
siguientes puntos: velocidad, número de instrucciones, mayor versatilidad a la hora de defi-
nir cantidad de entradas y salidas, mayor memoria RAM y ampliable fácilmente, memoria
ROM que es todo un disco duro en donde se guardan los programas, que luego van a poder
ejecutarse y editarse fácilmente, un mejor procesador de video por su tamaño, resolución y
paleta de colores que puede manejar. Finalmente, y refiriéndonos a la salida de la computado-
ra, ésta puede ser conectada a un proyector de cañón y mostrar la imagen convenientemente
ampliada sobre una pantalla.
Como dijimos anteriormente, lo único que le faltaría a nuestra computadora para ser un ins-
trumento, desde el punto de vista del hardware, serían el amplificador y el conversor análogo
digital. Cabe mencionar que estos elementos de hardware están contenidos justamente en lo
que se conoce como tarjeta de adquisición o toma de datos o tarjeta DAQ. Con respecto al
software se pueden incorporar a las computadoras programas similares e incluso mucho más
poderosos que los que corren en cualquier osciloscopio.
Ahora estamos en condiciones de definir lo que se entiende por instrumentación virtual: es
toda computadora en la cual se ha insertado o conectado, interna o externamente, un dispo-
sitivo de adquisición de datos rodeado de un software lo suficientemente poderoso y flexible
como para sacar el máximo provecho de ese hardware. Observemos que al software se le ha
puesto la condición de ser lo suficientemente poderoso y flexible. Generalmente éstos son
calificativos contrapuestos, pero recordemos que nuestras computadoras actuales soportan
sistemas operativos de tipo gráfico, como Windows, Mac, etc., en los cuales es posible dise-
ñar software gráficos poderosos y flexibles.
En la figura 1.4 se muestra una comparación entre la instrumentación tradicional y la instru-
mentación virtual. La funcionalidad de la primera está definida por el fabricante, mientras
que la versatilidad de la instrumentación virtual radica en que
su funcionalidad es definida por el usuario final. Esto repre-
senta una gran ventaja, ya que quién mejor que el usuario final
para saber lo que necesita del instrumento y, por lo tanto, de-
terminar sus características.
Algunas otras ventajas de la instrumentación virtual son:
a) Fácilmente escalable: teniendo entradas disponibles en
la tarjeta de adquisición de datos puede ampliarse la can-
tidad de entradas al instrumento virtual, simplemente
con una modificación en el software. Otra opción es co-
locar un multiplexor o añadir otra tarjeta y sincronizarlos
si fuera necesario.
b) Fácilmente reciclable: si se dispone de un instrumento virtual funcionando como
osciloscopio y se desea pasar a un analizador dinámico o un registrador de da-
tos (datalogger), se puede hacer uso de la misma tarjeta. Simplemente hay que
cambiar o modificar el software, ya que en éste reside la funcionalidad del ins-
trumento.
c) Fácilmente conectable con el mundo exterior: todos sabemos que la computadora
en la que se basa cualquier instrumento virtual es fácilmente conectable a una LAN,
a una intranet o a internet, de esta manera el dato adquirido puede estar disponible
fácilmente en cualquier parte donde sea necesario.
Figura 1.4
Instrumentación tradicional vs. instrumentación virtual
Instrumento tradicional Instrumento virturr al
Funcionalidad definidapor el vendedor
Funcionalidad definidapor el usuario final
PARTE I HARDWARE66
d) Facilidad para configurar el instrumento virtual: se pueden guardar las configu-
raciones (settings) de ese instrumento en el mismo disco duro de la computadora,
incluso con el nombre de cada proyecto que se va haciendo. Esto permite repetir
cualquier proyecto, sin perder tiempo en recalibrarlo, retomando los controles del
instrumento con sólo rescatar el archivo de configuraciones.
e) Bajo costo por canal de adquisición: como los fabricantes de computadoras compi-
ten en el ámbito mundial, tenazmente entre ellos, la instrumentación virtual aprove-
cha estas ventajas de la competencia comercial: costos cada vez más bajos, equipos
cada vez más rápidos, con mayor capacidad de memoria RAM y discos duros con
mayor almacenamiento. Esto permite que las empresas de adquisición de datos pue-
dan generar hardware o software cada vez más económicos, lo que garantiza un
costo bajísimo por canal adquirido.
Todo lo antes mencionado demuestra que con la instrumentación virtual se aumenta la flexi-
bilidad o funcionalidad a menores precios, lo cual parece ser la clave del éxito que la misma
ha tenido y aún tiene en el campo de la industria y de los laboratorios.
1.3 Componentes de un sistema de adquisición o toma de datos
Se define como un sistema de adquisición o toma de datos a todo sistema compuesto por
los siguientes componentes:
a) Computadora: en ésta se lleva a cabo todo el procesa-
miento de la información, la cual una vez adquirida pue-
de ser exhibida en tiempo real, guardada en un archivo
con algún formato de intercambio, transmitida a través
de una LAN (Local Area NetWork) o a través de internet.
La información adquirida puede ser analizada por medio
de una computadora con algún cálculo complejo previo,
como integración, derivación, transformaciones de Fou-
rier, estadísticas, etcétera.
b) Software de adquisición: este elemento corresponde al
lenguaje de programación a usar, en el que se programará
o configurará el software encargado de llevar a cabo la
funcionalidad deseada por el sistema de adquisición de
datos. Normalmente hay dos o más niveles de software. Si
los niveles son dos, como mínimo, se tendrá un driver o
software de bajo nivel que comunica la tarjeta de adquisi-
ción de datos con el sistema operativo de la computadora y
un lenguaje de desarrollo generalmente gráfico o utilitario
también llamado software de alto nivel, donde se progra-
mará o configurará la aplicación final con la que interac-
tuará el operador al hacer los proyectos o mediciones.
c) Bus de conexión o puerto de conexión: este elemento tiene como función conectar la
computadora con el adquisidor de datos, encontrándose variantes como el bus PCI,
ISA, PCMCIA, puerto serial, puerto paralelo, puerto GPIB, USB, Ethernet, etcétera.
d) Adquisidor de datos: este elemento es el que toma los datos del acondicionador
y hace la conversión análoga a digital de la información. Hay que tener en cuenta
que puede ser un elemento interno o externo a la computadora. Cabe aclarar en este
Figura 1.5
Componentes de un sistema de adquisición de datos basado en
tarjetas DAQ insertadas en la computadora.
Software de adquisición de datos
TarjetTT a DAQ
Computadora
A los sensores
Acondicionador de señal
6
7Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora
punto que el enlace entre el equipo de cómputo y el elemento adquisidor de datos no
tiene que ser permanente, puede haber momentos durante los cuales esté conectado
y otros no. Cuando esté conectado el equipo descargará del adquisidor todos los
datos que éste ha almacenado.
e) Acondicionador de señal: la función del acondicionador es adaptar la señal que se recibe
del sensor, amplificándola, linealizándola, filtrándola, etc. Puede alimentar el sensor si
éste requiriera alimentación, como en el caso de los RTDs y los extensómetros.
f) Sensores: el sensor va a convertir un parámetro físico, o químico, como temperatura,
presión, fuerza, luz, desplazamiento, pH, CO2, etc., en un fenómeno eléctrico capaz
de ser medido.
Se debe tener en cuenta que en muchos casos es posible distinguir las componentes ante-
riormente citadas y en otras no, ya que en una misma caja se puede encontrar todo incluido,
como ocurre con algunos sistemas modernos.
Ya que estamos obteniendo información a través de la adquisición de datos, poseemos los
elementos para hacer también el control del sistema. Así, el concepto crece y podemos co-
menzar a hablar de adquisición de datos y control basados en computadora. Los términos en
inglés equivalentes que normalmente escuchamos son data acquisition and control, test and measurement, measurement and control, etcétera.
1.4 Computadoras
Recordemos que en este producto existe gran variedad de ofertas. Computadoras cada vez
más rápidas, con más memoria RAM, mayor capacidad de disco duro o HD, manejo de video
y monitor.
Al definir un sistema de adquisición de datos se debe considerar que las computadoras pueden
ser de distintas características. La calidad de las mismas se mide por parámetros tales como el
MTBF (tiempo medio entre fallas, en miles de horas de funcionamiento). Sabemos que las fallas
de hardware en la computadora pueden ser tan simples, como el que se “detenga” sin ningún mo-
tivo del software, o tan graves, como que se dañe el microprocesador, la memoria, la fuente, etc.
Teniendo en cuenta lo anterior y comenzando de menor a mayor exigencia de funcionamiento,
podemos agrupar a las computadoras en tres grupos, con sus ventajas e inconvenientes.
Figura 1.6
Elementos de un sistema de adquisición de datos: funcionalidades del hardware y del software.
Señales delos sensores
Adquisición
IngIngresreso yo yacondiciona-miento de
la señal
Cálculo
Formateo
Interfaz de usuario
Coppia imppresa o hard coppyy
Archivo I/O
Interprocesos de comunicación
Networking
InstrumentoTarjetTT as DAQ
IEEE488 (GPIB)VXI
RS-232
Hardware Softwff are
Análisis Presentación
PARTE I HARDWARE8
a) Computadora “clon” o sin marca: este tipo de equipos no tienen marcas y vienen
de fábrica sin ninguna línea de modelo. Son fruto de un importador que compra en
Estados Unidos o en Taiwán lo más económico posible en cuanto a tarjeta madre o
motherboard, procesador o CPU, memoria RAM, gabinete, fuente de alimentación y
disco duro. Se adquieren las partes al menor precio posible, se arman las computado-
ras “clon”, que aunque son las más baratas del mercado tienen la mayor posibilidad
de falla, o sea el menor MTBF (tiempo medio entre fallas). Estas fallas pueden ser
simplemente detenerse sin ninguna explicación, hasta el daño grave de algunos de
sus componentes. La única ventaja de este tipo de equipos es que su precio es muy
económico. Usos: generalmente se usan en pequeñas aplicaciones o sistemas DAQ
no críticos, sistemas DAQ educativos para universidades, escuelas técnicas, etcétera.
b) Computadora de marca: llamamos así a las fabricadas por alguna firma responsa-
ble, como IBM, Apple, etc., con marca y una línea de modelos definida. Esto ga-
rantiza que ese modelo está normalizado en el sentido de que fue diseñado con tal
tarjeta madre, cierto tipo de memoria RAM, cierta marca de disco duro, etc.; ade-
más, ese conjunto fue probado bajo diferentes condiciones y durante miles de horas
de ensayos, pudiendo en sus especificaciones fijar una cierta calidad. Al adquirir
en algún negocio este tipo de equipo conviene respetar la configuración original tal
como viene el modelo de fábrica. No se recomienda solicitar el agregado de memo-
ria RAM o más capacidad de disco duro, ya que si hacemos esto, probablemente
el vendedor agregue o inserte otra memoria u otro disco duro que pueden no ser
totalmente compatibles con el resto del hardware e incluso de otra marca. Entonces,
a pesar de haber pagado por una computadora de marca, se termina en realidad adqui-
riendo una que se comporta como un “clon”, ya que no puede garantizarse la absoluta
compatibilidad entre los elementos originales del modelo y los elementos añadidos.
Usos: es una buena solución para sistemas medianos y no críticos; tienen un buen
desempeño. Pero recordemos que fueron concebidas para ser utilizadas en oficinas y
no son aptas para entornos industriales, donde las condiciones de polución, polvo,
elementos agresivos, etc., pueden dañarlas.
c) Computadora industrial: son específicamente usadas en sistemas críticos, tienen un
elevado MTBF (tiempo medio entre fallas) y vienen en diferentes formatos, desde:
c-1. Computadora de panel (panel PC): toda la computadora está incluida en el mo-
nitor, resultando sumamente compacta. Tienen posibilidad de expansión de 1 slot
(ranura) PCIe o 1 slot PCI. Son a prueba de condiciones industriales agresivas, como
polvo o salpicaduras de líquidos, y la cubierta o carcasa puede ser de plástico o de
metal, el cual resulta mucho más resistente. Este equipo se muestra en la figura 1.7.
c-2. Computadora estándar (compact PCI): este tipo de compu-
tadora industrial se basa en la idea de rotar 90º el bus PCI,
con lo que se obtiene un chasis en el que se pueden conec-
tar y desconectar las tarjetas simplemente insertándolas o
extrayéndolas por la parte frontal del mismo sin necesidad
de abrirlo, como sucede en una computadora de escritorio.
La tarjeta madre o motherboard es una más de las tarjetas
que se insertan. Como extensión del estándar compact PCI
se generó el PXI. En consecuencia, todos los conectores de
las tarjetas DAQ quedan en la parte frontal del chasis, lo que
es ideal para ciertas aplicaciones, como su uso en laboratorios
de medición, telecomunicaciones, etc., y ambientes donde es
necesario cambiar frecuentemente conexiones a través de un
fácil acceso.
Figura 1.7
Computadora de panel de uso industrial.
9Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora
c-3. Computadora para rack de 19″: este tipo de computado-
ra industrial quizá sea el más popular y el más usado (véase
figs. 1.8 y 1.9). Consta de un chasis donde hay un backplane
con conectores ISA o PCI, con modelos por ejemplo para 20
slots PCI. En el mencionado backplane se inserta, como si fuera
una tarjeta más, el SBC (single board computer), que en reali-
dad es una tarjeta madre en sí misma. Habitualmente, en cual-
quier computadora de escritorio, cuando se desea cambiar la
plataforma del procesador para incrementar la velocidad de
procesamiento se debe cambiar la tarjeta madre completa.
Esto es un inconveniente, porque los nuevos modelos de tarje-
ta madre que se consiguen en el mercado cambian la cantidad
de slots ISA o PCI con respecto a los de la vieja tarjeta, obli-
gando a remplazar no solamente ésta, sino también las tarje-
tas insertadas en ella; es decir, que si se disponía de algunas
tarjetas ISA, deberán ser remplazadas por PCI. Además del
costo que supone adquirir una nueva tarjeta madre se deberá
afrontar el costo adicional de cambiar las tarjetas insertadas
en ella, lo cual en aplicaciones industriales o de adquisición
de datos implica un elevado costo extra.
Este problema se soluciona con la filosofía que usan las compu-
tadoras para rack de 19″, que tienen la ventaja de cambiar de
manera simple la SBC y no se toca para nada el backplane, con
lo que se mantiene la misma configuración anterior, pero con un
nuevo procesador más poderoso y más veloz. Cabe mencionar,
respecto a los SBC, que pueden tener un solo microprocesador
(single processor) o dos microprocesadores (dual processor).
Dentro de los backplanes hay modelos para tener dentro de un
chasis más de una SBC, hasta por ejemplo cuatro SBC. Esto
permite tener en un mismo chasís cuatro computadoras funcio-
nando independientemente, y así disminuir el volumen que im-
plicaría tener cuatro armazones de computadoras de escritorio.
También, en sistemas complejos se puede definir una de las cuatro como respaldo o backup
de las otras. Usos: sistemas de adquisición de datos y control industrial críticos y complejos;
sistemas de telecomunicaciones; usos nucleares, satelitales o aeronáuticos; defensa, etcétera.
Como conclusión acerca del tema de los equipos de cómputo hay que mencionar que para la
mayoría de las aplicaciones de adquisición de datos y control no es necesario usar lo último
en computadoras del mercado. Generalmente, con uno o dos modelos anteriores es suficiente
para la mayoría de las aplicaciones del mercado, incluso teniendo en cuenta ampliaciones de
corto plazo. Por otro lado, la diferencia de precio es bastante grande entre el último modelo del
mercado y uno o dos modelos anteriores. Lo que sí es aconsejable al elegir una computadora
es definirla con la mayor memoria RAM que sea posible. Esto hace que el sistema operativo
no haga frecuentes intercambios (swapping) a disco duro, sino que los datos son transferidos
a la memoria RAM y la eficiencia y velocidad del sistema se ve de esta forma incrementada.
1.5 Hardware de adquisición de datos y controlAcerca del hardware de adquisición de datos y control, es posible dividirlo en varios grupos. A
su vez, dentro de cada grupo los modelos se diferenciarán entre sí por la velocidad de muestreo,
número de canales, resolución, precisión y costo. Teniendo en cuenta lo anterior podemos
clasificar al hardware de adquisición de datos de la siguiente manera:
Figura 1.9
Chasis y backplane para computadoras industriales de 19”.
Chasis
Backplane
Figura 1.8
SBC o single board computer, componente de las computadoras
industriales de 19”.
PARTE I HARDWARE10
1.5.1 Tarjetas de adquisición de datos
Estas tarjetas son dispositivos similares a los módems, tarjetas de expansión, tarjetas de sonido
o de video que se insertan en una computadora para añadirle nuevas posibilidades. Se trata de
funcionalidades tendientes a adquirir señales y hacer su posterior conversión análoga-digital.
Las mencionadas tarjetas de adquisición de datos están diseñadas para ser montadas en los
diferentes tipos de buses disponibles en cualquier computadora. Así pueden estar confeccio-
nadas para trabajar a través del viejo bus ISA (Industry Standard Architecture) que todavía se
sigue usando en algunos entornos industriales, o a través del más actual bus PCI (Peripheral Component Interconnect) y también del último modelo de bus del mercado: el bus PCI Ex-
press, que se está convirtiendo en el nuevo estándar para placas de adquisición de datos para
computadoras. Las tarjetas de adquisición de datos también han sido desarrolladas para otros
buses más específicos, como el EISA, IBM MicroChannel y varios buses para Apple, como el
caso de la computadora Mac que se muestra en la figura 1.10.
Es muy importante destacar que las tarjetas de adquisición
de datos o tarjetas DAQ ofrecen no solamente entradas ana-
lógicas, sino también salidas analógicas, entradas digitales,
salidas digitales y contadores por hardware. Estas tarjetas
generalmente tienen una gran cantidad de canales de entrada,
alta velocidad de muestreo, adecuada sensibilidad para medir
señales de bajo nivel a un costo relativamente bajo por canal
adquirido.
Con respecto a las tarjetas DAQ podemos entonces resumir
las siguientes características:
a) Representan uno de los métodos más económicos al ha-
cer adquisición de datos y control, teniendo en cuenta el
costo por canal.
b) Desarrollan una alta velocidad de muestreo: de 100 kHz
a 1 GHz y más.
c) Son muy aconsejables para desarrollos de adquisición pequeños y medianos.
d) Tienen un adecuado desempeño en la mayoría de las aplicaciones, aunque habrá que
tomar precauciones cuando se intente medir señales de muy bajo nivel, ya que el
circuito de entrada y el convertidor análogo a digital está dentro de la computadora.
Esto podría generar un gran ruido eléctrico incompatible con mediciones de señales
de este tipo.
e) Permiten rangos de valores para las entradas analógicas del orden de ±10 V, para
las digitales y los contadores por hardware de 5 V nivel TTL. Esto obliga a que
cuando no se tengan esos niveles de señal, haya que colocar acondicionadores ex-
ternos, con lo que se incrementa el costo del sistema.
f) Si la aplicación de adquisición es muy grande, se necesitará usar más de una tarjeta.
Esto tiene como inconveniente que, salvo que se use una computadora industrial, la
cantidad de slots de conexión estará limitada por la capacidad de la computadora.
Además, si se agregan placas se consumirán más recursos de la computadora, como
interrupciones, direcciones DMA, etc., con la consiguiente disminución en el des-
empeño del sistema de adquisición de datos.
Figura 1.10
Distintos tipos de tarjetas de adquisición de datos.
11Capítulo 1 Introducción a la adquisición de datos y al control de procesos basados en computadora
g) La maniobra de conectar y desconectar canales de la tarjeta DAQ insertada puede
ser un poco incómoda a la hora de operar, ya que el conector se encuentra disponible
siempre en la parte posterior de la computadora, siendo esto de difícil acceso. Para
estos casos es mejor usar equipos Compact PCI o PXI, en los que las señales se
conectan y desconectan por el panel frontal de los mismos.
Cabe destacar que respecto a las tarjetas de adquisición de datos hay dos filosofías a nivel
mundial bastante contrapuestas, que son:
Filosofía americana de adquisición de datos: esta filosofía genera tarjetas con entradas
analógicas de ±10 V como máximo, entradas digitales de 5 V nivel TTL. Si se necesita algo
diferente se requerirá colocar acondicionadores externos, con el consiguiente aumento de
costo y volumen del sistema. Lo mismo sucede si en lugar de conectar voltaje se desea co-
nectar una señal de corriente de 4 a 20 mA en una entrada analógica. También ocurre con las
tarjetas de expansión de puertos seriales: dentro de esta filosofía americana existen tarjetas de
2, 4 u 8 puertos RS232 o 2, 4 u 8 puertos RS485 en forma independiente; pero si el sistema
necesitara puertos RS232 y RS485 juntos en una computadora, sería indispensable colocar
más de una tarjeta.
Filosofía europea de adquisición de datos: esta filosofía tiene como concepto base el que
todos los elementos de adquisición de datos sean reciclables y reusables. Cabe citar, a modo de
ejemplo, que es posible encontrar las tarjetas con entradas de voltaje ±10 V y con entradas
de 4 a 20 mA mezcladas en la misma tarjeta, con lo que no haría falta acondicionamiento
externo. Lo mismo sucede con las tarjetas de puertos seriales, donde se puede armar a medida
una tarjeta con un puerto RS232, dos puertos RS485 y un puerto RS422. Luego de usarla con
esta configuración, la misma tarjeta se puede reciclar y ser usada con cuatro puertos RS232,
simplemente cambiándole unos módulos SIMM. Esta filosofía también ha dado origen a tar-
jetas para control de procesos, en las que la cantidad total de canales está dividida en cuatro
y tienen la posibilidad de que cada cuarta parte de la mencionada tarjeta puede programarse
mediante un software y obtener así entradas o salidas digitales, contadores, lectores de en-
coders, frecuencímetros, etc. Es posible utilizar la tarjeta de una forma, y si en el futuro se
necesita otra configuración distinta, se puede redefinir la funcionalidad del hardware simple-
mente ejecutando un software que provee el fabricante.
1.5.2 Sistemas de adquisición de datos externos
Los sistemas de adquisición de datos externos proveen mayor cantidad de canales de adqui-
sición y un ambiente eléctricamente menos ruidoso, para efectos de la adquisición, que las
tarjetas DAQ insertadas en la computadora.
Estos sistemas pueden ser divididos en cuatro grupos:
Adquisidores externos. Son módulos o gabinetes que, dependiendo del proveedor y del mo-
delo, únicamente tienen entradas analógicas, salidas analógicas, entradas digitales, salidas
digitales y contadores por hardware. No realizan ninguna función lógica entre entradas y
salidas, es decir, no pueden realizar control stand alone. Estos adquisidores están conectados
a una computadora mediante algún tipo de interfaz estándar o propietaria, dependiendo del
proveedor y el modelo. Si a través de ellos se desea adquirir y realizar control, éste tendrá que
residir, indefectiblemente, en la computadora. Si el control lo realiza esta última, comunicán-
dose con el adquisidor a través de algún tipo de interfaz (por ejemplo RS485, Ethernet, etc.),
y por alguna circunstancia se perdiera la comunicación con ella, la computadora perdería el
control sobre el sistema. Para evitar este inconveniente, algunos proveedores han dotado a
PARTE I HARDWARE12
sus adquisidores externos de “estados seguros” o safety state, que permiten definir un estado
seguro para las salidas en caso de perder la comunicación. Se puede predeterminar entonces
que el estado seguro para las salidas analógicas sea que se sitúen en 7 mA, por ejemplo, si
son de 4 a 20 mA, y para las salidas digitales el estado seguro podría ser on u off, según el
sistema.
Adquisidores externos con control embebido. Este tipo de adquisidores permite adquirir
los datos analógicos o digitales y actuar como control analógico o digital sobre el sistema,
sin que el control radique en la computadora. Ya que todo el algoritmo de control reside en el
adquisidor, si se pierde la comunicación con la computadora el adquisidor puede continuar
con el control. No se trata de estados seguros, sino de control; es decir, si hay variación del
parámetro a controlar, hay variación del parámetro controlado. La misión de la computadora
es únicamente adquirir los datos en función del tiempo, almacenarlos y brindar al usuario
una interfaz SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) para tener una visión de lo
que pasa en el sistema que está siendo adquirido y controlado, pero repetimos: no se realiza
el control en la computadora, el control reside en el adquisidor.
Sistemas de adquisición externos con control embebido y con memoria de almacena-miento incorporada. Este tipo de adquisidores son similares a los anteriores, con el aña-
dido de un área de memoria ampliable que permite, además de adquirir y hacer el control,
almacenar los valores históricos adquiridos dentro del dispositivo. Cuando se desee, estos
datos almacenados se pueden descargar en la computadora. Estos sistemas son usados cuan-
do el equipo no está permanentemente conectado al sistema. Por ejemplo, en el monitoreo
de parámetros muy distribuidos, como pueden ser los de un gasoducto, oleoducto, etc., los
adquisidores pueden estar en sitios muy remotos. Los adquisidores realizarán el control y
almacenarán los datos históricos. Periódicamente pasará un operario a descargar los datos,
o en determinados días, cuando la tarifa sea más barata, se establecerá una conexión satelital o
telefónica desde dichos adquisidores.
Sistemas de adquisición de datos y control en tiempo real. Para aplicaciones críticas, estos
sistemas DAQ son generalmente externos y propietarios. Tienen un sistema operativo em-
bebido en tiempo real e incluso tienen un lenguaje de programación propio. Estos sistemas
mantienen una conexión con la computadora con el objetivo de transmitirle al operador las
novedades que se van suscitando, pero el control en tiempo real reside exclusivamente en el
sistema DAQ externo.
Cualquiera de los cuatro grupos de adquisidores antes mencionados se conecta a la compu-
tadora a través de una interfaz estándar, lo que permite conectar sobre la misma red produc-
tos de diferentes proveedores y no quedar cautivo de una marca o tipo de producto.
Dentro de las interfaces llamadas estándar podemos citar la interface RS232, RS485, RS422,
GPIB o IEEE488, puerto paralelo, USB, Ethernet, etcétera.
También existen adquisidores externos con interfaces propietarias. La ventaja de estos pro-
ductos puede ser alguna mejora en el desempeño, pero su principal desventaja es la impo-
sibilidad de conectar productos de otros proveedores sobre dicha interfaz. Esto hace que al
adquirir un sistema de tipo propietario el usuario quede cautivo de una marca o un modelo,
con lo que las posibilidades de expansión quedan acotadas a esa marca y modelo y, por su-
puesto, a los precios que el fabricante quiera fijar a esos productos.
Dentro de estos adquisidores externos se han derivado algunos estándares, como por ejemplo
MXI, VXE, VXI. A continuación se desarrollará el último de estos sistemas, dando una breve
explicación sobre el mismo.
61
Preliminares
Este capítulo tiene por objetivo explicar todas las bases electrónicas sobre las que se funda-
menta la amplificación en los acondicionadores de señal y en las tarjetas de adquisición o
toma de datos, haciendo uso de amplificadores operacionales en sus distintas configuraciones
y analizando sus características.
Está dirigido a personas que no están familiarizadas con los conceptos de este capítulo y para quie-
nes el mismo puede resultar de utilidad, o para aquellas personas que habiendo visto lo aquí enun-
ciado desean reforzar o repasar estos conocimientos.
En cambio, para aquellas personas que tienen todos los conocimientos enunciados en este
capítulo, al igual que con el capítulo anterior, pueden pasar por alto la lectura del mismo y
continuar con los subsiguientes capítulos.
5.1 Nociones básicas de los amplificadores operacionales
El amplificador operacional, también conocido como OP AMP, por sus siglas en inglés, es un
amplificador de alta ganancia, acoplado directamente, al cual se le puede modificar el tipo de
señal de respuesta por medio de la realimentación.
Conceptos básicos: Acondicionamiento de
señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales
Capítulo
NOCIONES BÁSICAS
PARTE I HARDWARE62
Los amplificadores operacionales se emplean en una
gran variedad de aplicaciones analógicas, tanto lineales
como no lineales.
En este capítulo se propone usar los amplificadores
operacionales en las tarjetas de adquisición o de toma
de datos y en los acondicionadores de señal. Son muy
recomendables como amplificador de entrada por sus
características inigualables de alta impedancia de en-
trada, alta ganancia, bajo consumo de corriente, alto
coeficiente de rechazo de modo común, etcétera.
5.2 Amplificador operacional básico
En la figura 5.1 se observa esquemáticamente un amplificador operacional básico que consta
de dos entradas: V+ se llama entrada no inversora y V− se llama entrada inversora. El volta-
je Vi que se aplica entre V+ y V− es amplificado o multiplicado por el amplificador operacional
mediante una ganancia de voltaje llamada A, de tal forma que a la salida del mismo se obtiene
un voltaje Vo = Vi × A.
En la figura 5.2 se observa el circuito equivalente del amplificador operacional básico
mencionado.
Un amplificador operacional ideal posee las siguientes carac-
terísticas:
1. La resistencia o impedancia de entrada, Ri = ∞.
2. Resistencia de salida, Ro = 0
3. Ganancia de voltaje, A = −∞.
4. Ancho de banda = ∞.
5. Equilibrio perfecto: Vo = 0, cuando V1 = V2.
6. Ausencia de desviación en las características con la tem-
peratura.
Obviamente, lo que se puede esperar en un amplificador operacional comercial son caracte-
rísticas próximas o tendientes a las que se han enunciado como ideales.
5.3 Tipos de amplificadores operacionales
De acuerdo con la tecnología de fabricación empleada se pueden obtener distintos tipos de
amplificadores operacionales. Las técnicas usadas pueden ser tecnología bipolar, JFET, CMOS
e incluso procesos mixtos.
Figura 5.1
Amplificador operacional básico.
Entrada no inversora
Entrada inversora
V22
+
+
−
−
1
V−
V+
Vi
Vo = A × Vi
RL
A < 0
V1
Figura 5.2
Circuito equivalente a baja frecuencia de un amplificador
operacional Vi = V2 – V1.
Vo
Ro
A Vi RL
A < 0
V2
Vi Ri
−+
++++
−−
−−
1
2
V1
–
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 63
Según el proceso de fabricación resultan con mejores características de acuerdo con la aplica-
ción en cuestión. Estas características son: impedancia de entrada, consumo de potencia, ruido,
ancho de banda, etcétera.
Por ejemplo, en el caso de tener un sensor cuya salida de voltaje es de bajo nivel (algunos mi-
livolts) y cuya impedancia de salida es muy alta, será necesario conectarlo a un amplificador
operacional de alta ganancia con una muy alta impedancia de entrada. Amplificadores ope-
racionales con esas características son los que se obtienen a partir de procesos tecnológicos,
como el FET o transistor de efectos de campo.
5.4 Alimentación de potencia de los amplificadores operacionales
Los amplificadores operacionales emplean para su alimentación de potencia una fuente de ali-
mentación de voltaje simétrico. Esto es, un voltaje positivo y otro negativo de igual magnitud,
como se muestra en la figura 5.3.
Los antiguos o primeros modelos de amplificadores opera-
cionales se alimentaban con una fuente simétrica del or-
den de ±30 Vdc. En los modelos más modernos de equipos
electrónicos que ocupan amplificadores operacionales, este
valor de voltaje de alimentación disminuyó a valores de ±18
Vdc y ±12 Vdc.
Las últimas tendencias son las de disminuir aún más este
voltaje al orden de ±5 Vdc. La corriente que puede consumir
un amplificador operacional es relativamente pequeña.
Dentro de los diferentes modelos de amplificadores ope-
racionales que se pueden adquirir en el mercado existen
modelos para aplicaciones portátiles, es decir, que pueden
ser alimentados con baterías, y otros que en cambio son
alimentados con fuentes de alimentación que a su vez están conectadas al suministro de co-
rriente alterna de la red eléctrica.
Por supuesto, en la elección de uno u otro tipo de amplificador operacional habrá que tener en
cuenta las ventajas y desventajas de cada modelo, según los requerimientos de la aplicación
que se trate.
5.5 Ganancia de los amplificadores operacionales
Ya se ha planteado que el amplificador operacional trabaja con una ganancia de voltaje lla-
mada A. Entonces se puede expresar el voltaje de salida Vo como:
Vo = ((V+) – (V−)) × A (Ec. 1)
El voltaje de salida Vo de un amplificador operacional será como máximo aproximadamente
1 V a 2 V menor que el voltaje de alimentación.
En el caso de las placas de adquisición o toma de datos que van insertas en las computadoras,
el voltaje de alimentación es de ±12 Vdc. Este voltaje es provisto por la ranura de la computado-
ra a la que está conectada la placa. Se sabe que una computadora puede suministrar un voltaje
Figura 5.3
Alimentación (+)
Alimentación (–)
GananciaA
V+
Vo
+
–V–
PARTE I HARDWARE64
de ±12 Vdc en sus ranuras como máximo. Éste es el motivo por el cual las máximas excursio-
nes de la salida de los amplificadores operacionales están entre ±10 Vdc y, por lo tanto, éstos
son los rangos que se manejan en las entradas y salidas analógicas de las tarjetas de adquisición
o toma de datos.
5.6 Realimentación de los amplificadores operacionales
En esta sección se analizará lo que sucede cuando se reali-
menta un amplificador operacional.
La realimentación que se va a considerar es siempre nega-
tiva, ya que tendrá como finalidad la estabilidad del mismo.
Además, no serán objeto de la presente obra el estudio de los
circuitos osciladores, sino sólo el uso de los amplificadores
operacionales como amplificadores de tarjetas de adquisición de
datos o de acondicionadores de señal.
Se abordarán dos tipos de conexión de realimentación en los
amplificadores operacionales: uno se denomina amplificador
operacional inversor y el otro amplificador operacional no in-
versor.
5.6.1 Amplificador operacional inversor
En la figura 5.4 se propone un amplificador operacional realimentado.
La realimentación se ha hecho a través de la impedancia Z′ que conecta la salida a la entrada
V−, es decir, a la terminal inversora. Esto es así porque la realimentación debe hacerse a la
terminal V− para que la misma sea negativa. Si se hiciera a V+ sería positiva y se correría el
riesgo de que el amplificador operacional oscile.
Ya se dijo que en los amplificadores operacionales la impedancia de entrada es muy grande,
casi tendiente a infinito. Esto implica que por la R de entrada (Ri) no circula corriente, es
decir que Ii = 0.
Como hay una resistencia Ri con una corriente que circula igual a 0, esto significa que vir-
tualmente el extremo superior de Ri, o sea V−, se encuentra prácticamente al mismo potencial
que el otro extremo de Ri, es decir V+. Esto es que V− está conectado a tierra.
Se puede decir entonces que “virtualmente” la entrada está en cortocircuito.
Lo anterior también admite otro análisis. Considerando que la ganancia es:
o
i
AV
V=
Figura 5.4
Amplificador operacional inversor con realimentación de
voltaje en paralelo.
Terminal inversora
Terminal no inversora
Z'
Z
I
I
Vs Vi
+ +
− −
−
+
+
Vo
Ri A = −∞
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 65
Despejando
ioV
V
A=
Recuerde que A en un amplificador operacional básico es igual a −∞:
ioV
V=
−∞Como Vo es finito y tiene un determinado valor, del orden de ±10 Vdc, tal como se expresó
en el punto 5.5, resulta que:
=−∞10 V
iV
De donde: Vi = 0
Lo cual significa que la entrada Vi está “virtualmente” en cortocircuito.
Se ha llegado entonces, por otro camino, a la misma conclusión que anteriormente se
enunciara.
A partir de esto se puede obtener el circuito equivalente de un
amplificador operacional inversor realimentado, tal como se pro-
pone en la figura 5.5.
En la figura 5.5 la corriente IN es igual a cero. No hay circu-
lación de corriente por la entrada del amplificador debido a
que no hay diferencia de potencial entre ambos puntos. Esto
ocasiona que la corriente I circule por Z y por Z′.
Por otro lado, la ganancia de voltaje del amplificador opera-
cional inversor realimentado (Av) es:
=vo
s
AV
V (Ec. 2)
A partir del circuito equivalente de la figura 5.5 se desprende que:
Vo = −I × Z′
Vs = I × Z
Remplazando estos valores en la ecuación 2:
vAI Z
I Z=
− × ′
×Simplificando, resulta:
vAZ
Z=
− ′
Ésta es la ecuación general de la ganancia en el amplificador
operacional inversor realimentado.
Para el caso que las impedancias sean resistores resulta Z = R
y Z′ = R′. Entonces la ganancia del amplificador operacional
inversor realimentado será:
vAR
R=
− ′
Figura 5.5
Tierra virtual en el amplificador operacional.
Vs Vo
I IZ Z'
IN = 0
+
−−
+
Figura 5.6
Amplificador operacional no inversor.
Vi
R'
RI
A
Vo
V
−
+
PARTE I HARDWARE66
De la ecuación anterior se puede hacer el siguiente análisis: ganancia negativa implica que hay
un desfase de 180 grados entre entrada y salida. También se deduce que la ganancia depende
de la relación de R′ y de R, y estas resistencias pueden tomar cualquier valor. Si R′< R, la
ganancia variará entre 0 y 1, y si R′> R, la ganancia variará entre 1 e infinito. Es decir, que
con esta configuración se pueden realizar amplificadores y atenuadores de señal.
Uno de los problemas que presenta el esquema anterior es que hay una conexión eléctrica
y, por lo tanto, la entrada no está lo suficientemente separada o aislada de la salida. Esta co-
nexión se da a través de las resistencias R y R′.
5.6.2 Amplificador operacional no inversor
En la figura 5.6 se observa el circuito de un amplificador operacional no inversor:
En el amplificador operacional de la figura 5.6 el voltaje a la salida Vo es:
Vo = A (Vi – V)
También se dijo que A es igual a infinito y además que el voltaje de salida no es infinito, sino
que tiene un valor finito y mensurable del orden de aproximadamente 10 Vdc.
Remplazando en la ecuación anterior, se tiene:
10 V = ∞(Vi – V)
Para que se cumpla lo anterior, entonces el término (Vi – V) tiene que tender a cero. Esto im-
plica que Vi = V, lo cual está indicando que para fines prácticos la entrada del amplificador
operacional no inversor está en un “cortocircuito virtual”.
Sobre la base de estas consideraciones se puede construir el circuito equivalente de la figu-
ra 5.7.
La ganancia de voltaje Av del circuito equivalente anterior
viene dada por:
vo
i
AV
V= (Ec. 3)
Por lo ya demostrado respecto de la corriente a la entrada del
amplificador operacional, se tiene:
Vo = I × (R + R′)
Vi = I × R
Remplazando estos valores en la ecuación 3:
=× + ′
×( )
vAI R R
I R
Simplificando, resulta:
vAR R
R=
+ ′ (Ec. 4)
Figura 5.7
Circuito equivalente amplificador operacional no inversor.
R'
R
I Vo
Vi
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 67
Que también se puede expresar como:
1R
R+
′ (Ec. 5)
Ésta es la ecuación general de la ganancia en el amplificador operacional no inversor reali-
mentado.
De la ecuación anterior se puede hacer el siguiente análisis:
La ganancia positiva implica que no hay desfase entre entrada y salida. Además se deduce
que la ganancia siempre será mayor que 1, ya que es igual a 1 + R′/R. Es decir, que con este
circuito se obtendrá siempre una amplificación de la señal original.
Una de las ventajas que presenta esta configuración es que hay un cierto aislamiento entre
la entrada y la salida, ya que lo único que comparten entrada y salida es la conexión a tie-
rra; pero no existe, como en la configuración anterior del amplificador operacional inversor,
ningún contacto eléctrico entre entrada y salida levantado de tierra o masa, lo cual en ciertos
circuitos puede ser un inconveniente.
5.7 Impedancias de salida y de entrada de etapas construidas con amplificadores operacionales
En esta sección se estudiarán las impedancias de etapas construidas con amplificadores
operacionales.
Las impedancias de entrada y de salida son fundamentales en los dispositivos de adquisición
de datos y en los acondicionadores de señal, ya que sus características van a influir y en cier-
tos casos van a limitar las prestaciones de los dispositivos DAQ.
5.7.1 Impedancia de salida del amplificador operacional inversor
Una característica muy útil del amplificador operacional es que la realimentación que se aña-
de para estabilizarlo sirve también para reducir su impedancia de salida. Esta característica
es muy provechosa cuando a la salida se van a excitar cargas de baja impedancia y especial-
mente cargas capacitivas.
En el punto 4.2.2 del capítulo anterior se demostró que la
constante de tiempo RC de carga y descarga de un capacitor
depende del producto de la resistencia R multiplicada por la
capacitancia del capacitor C. Es claro que una R grande pro-
ducirá grandes constantes de tiempo que se presentarán como
una desventaja en el caso de placas que trabajan con circuitos
de muestreo y almacenamiento, también llamados en inglés
sample and hold (S/H). En este tipo de circuitos, el valor de
la entrada analógica muestreada es guardado en una memo-
ria analógica, la cual consiste en un amplificador operacional
cuya salida carga un capacitor al valor de la señal analógi-
ca de salida del amplificador. Si la impedancia de salida del
amplificador operacional que carga el condensador es alta, la
constante de tiempo será grande y, por lo tanto, la tarjeta de
Figura 5.8
Circuito empleado para calcular la impedancia de salida.
Vo
Ro
+
−
+
+
+
−
− −+
−
IL
Rf
A Vi
RiVi
R
VS
PARTE I HARDWARE68
adquisición de datos en cuestión no podrá trabajar a altas velocidades de muestreo porque
el multiplexor, antes de pasar al siguiente canal, deberá esperar a que el capacitor del S/H se
cargue al valor de la señal analógica y entonces el multiplexor podrá conmutar.
Si, en cambio, la impedancia de salida es baja, la constante de tiempo de carga del conden-
sador es baja y la placa podrá trabajar sin inconvenientes a altas velocidades de muestreo.
La impedancia de salida se puede calcular como relación entre el voltaje de salida en circuito
abierto Vo y la corriente de carga IL cuando la carga está en cortocircuito.
Como se vio en el punto 5.6.1, para la configuración de amplificador operacional inversor rea-
limentado de la figura 5.8 se puede expresar la ganancia de voltaje según la ecuación:
vo
s
AV
V=
Y
vfAR
R=
− (Ec. 6)
De donde:
o
s
f
of s
V
V
R
R
VR V
R
=−
=− ×
(Ec. 7)
Y la corriente de cortocircuito es la suma de dos corrientes de distintos signos que producen
finalmente la IL. Entonces se puede expresar I
L como:
=+
⎛
⎝⎜⎜⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟⎟⎟+
− ×⎛
⎝⎜⎜⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟⎟⎟L
s
f
i
o
IV
R R
A V
R (Ec. 8)
Hay que distinguir Av, que es la ganancia de voltaje del amplificador operacional realimentado,
ya sea inversor o no inversor, de la expresión “A”, que es la ganancia del amplificador operacio-
nal no realimentado, es decir a lazo abierto. Esta última ganancia es muy grande, por ejemplo
del orden de 50 000 o más. Siguiendo con el desarrollo de las ecuaciones y sabiendo de la
condición de cortocircuito a la salida del amplificador, podemos escribir Vi como:
( )if s
f
VR V
R R=
×
+
Remplazando Vi en función de la expresión anterior en la ecuación 8 se obtiene:
( )
1
( )
Ls
f
f s
o f
L sf
f
o f
IV
R R
A R V
R R R
I VR R
A R
R R R
=+
−× ×
+
=+
−×
+
⎛
⎝⎜⎜⎜⎜
⎞
⎠⎟⎟⎟⎟
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 69
Ambos términos tienen la relación 1/(R + Rf). La única diferencia es que en un caso está
multiplicada por 1 y en el segundo término está multiplicada por A, del orden de 50 000,
y por Rf, que es mucho mayor que R0. Esto implica que el segundo término es mucho más
grande que el primero. Por esta razón, en la práctica se puede suprimir el primer término y
la ecuación anterior queda:
( )
( )Ls f
o f
IV A R
R R R=
− ×
+ (Ec. 9)
Por otro lado, la impedancia de salida Z0 se puede calcular como el cociente entre el voltaje
de salida en circuito abierto V0 y la corriente de carga IL cuando la carga es un cortocircuito,
entonces:
oo
L
ZV
I=
Remplazando la Vo en función de la ecuación 7 y la IL en función de la ecuación 9, se
obtiene
o
f s
sf
o f
Z
R V
R
VA R
R R R
( )( )
=
− ×
− ×
+
Y simplificando:
1
oo f
oo f
ZR R R
A R
ZR
A
R
R
( )( )
=− +
−
= +⎛⎝⎜⎜⎜
⎞⎠⎟⎟⎟
(Ec. 10)
Por la ecuación 6 se sabe que:
vfAR
R=
−
Remplazando la expresión de Av anterior en la ecuación 10:
1oo
vZR
AA( )= − (Ec. 11)
Si se considera un caso típico y se remplaza por valores reales
tales como:
Si Av = −9, Ro = 100 Ω, A = 50 000
Después de realizar las operaciones se llega a: Zo = 1/50 Ω
= 0.02 Ω. Ha resultado una Z0 de salida bastante baja que
hará que las constantes de tiempo de un circuito S/H sean lo
suficientemente pequeñas y no influyan sobre la velocidad de
muestreo de la tarjeta de adquisición de datos.
Figura 5.9
Montaje no inversor de un amplif icador operacional.
Vo
Ro
Rf
A Vi
RiVi IV1
R
+ +
−
− +
−
− +
+− −
+VS
PARTE I HARDWARE70
5.7.2 Impedancia de entrada del amplificador operacional no inversor
En la figura 5.9 se representa el circuito del amplificador operacional no inversor que se
vio en la sección 5.6.2.
Se determinará la ecuación de la impedancia de entrada al mismo.
La impedancia de entrada que ve la fuente Vs en la figura 5.9 se puede calcular como el co-
ciente entre Vs y la corriente I que pasa por Ri.
En secciones anteriores se demostró que la entrada de un amplificador operacional es prác-
ticamente un “cortocircuito virtual”, aunque no totalmente, entonces Vs = V1 y, en conse-
cuencia, I = 0. Según la ley de Ohm la impedancia de entrada es Z = Vs /I. Remplazando
por los valores expresados y ya que I = 0 resultará una impedancia de entrada igual a
infinito.
Se concluye que aunque la impedancia de entrada pueda ser muy grande nunca será infinita.
Para lograr determinar su valor y que el mismo no permanezca indefinido, es necesario calcu-
lar de manera más exacta V1, que no será igual a Vs. Esto permitirá encontrar el valor de I y,
en consecuencia, la impedancia real.
Se sabe que el voltaje Vo a la salida del amplificador es función de:
Vo = −A × Vi = −A(V1 – Vs) (Ec. 12)
Recordando de la sección 5.6.2, la ecuación 4 que describe el valor de la Av o ganancia de
voltaje del amplificador operacional no inversor es:
vo
s
fAV
V
R R
R= =
+
Si se supone que Vi = 0 es decir V1 = Vs, la ecuación anterior puede ser escrita como:
vo
1
fAV
V
R R
R= =
+
Despejando V1, se obtiene:
1o
f
VR V
R R=
×
+
Remplazando el valor de Vo en la ecuación anterior por el valor de Vo expresado en la ecua-
ción 12 se tiene:
11 s
f
VR A V V
R R
( )=
×− −
+
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 71
Realizando las operaciones, resulta:
( )
( )
( )
( )
=− × × + × ×
+
+ = − × × + × ×
× × + + = × ×
× + + = × ×
11 s
f
1 f 1 s
1 1 f s
1 f s
VR A V R A V
R R
V R R R A V R A V
R A V V R R R A V
V R A R R R A V
Despejando V1, queda:
1
1s
f
1s
f
1s
f
VR A V
R A R R
VR A V
R A R R
VR A V
A R R
( )
( )
( )
( )
=× ×
× + +
=× ×
× + +
=× ×
+ × + (Ec. 13)
Se sabe que la corriente que suministra la fuente Vs se llama I y es la misma que circula por
Ri. A partir de la ley de Ohm la corriente I se puede expresar según el siguiente cociente:
s 1
i
IV V
R
( )=
− (Ec. 14)
La impedancia que se ve a la entrada del amplificador operacional es, ni más ni menos, la
impedancia que ve la fuente Vs. Esta impedancia se expresa por la ley de Ohm como el co-
ciente del voltaje Vs dividido entre la corriente I que suministra la fuente Vs. Esta corriente es
la misma que circula por Ri y está expresada por la ecuación 14. Entonces se puede escribir:
isZ
V
I= (Ec. 15)
Remplazando la corriente I por la expresión dada por la ecuación 14, se obtiene:
is
s 1
i
ZV
V V
R
( )=
−
De donde:
ii s
s 1
ZR V
V V( )=
×
−
PARTE I HARDWARE72
Remplazando V1 por el valor dado en la ecuación 13, se obtiene:
1
1
1
1
1
ii s
ss
f
if i
f
if i
f
i if
f
ZR V
VR A V
A R R
ZA R R R
A R R R A
ZA R R R
R A R R R A
Z RR A R
R R
( )( )
( )( )
( )
( )
( )
( )
( )
( )
=×
× ×+ × +
=+ × + ×
+ × + − ×
=+ × + ×
+ × + − ×
= ×× + +
+
En la práctica, resulta que R(1 + A) >> Rf, por lo tanto, se puede despreciar Rf. También
resulta que A >> 1, en consecuencia, se puede despreciar el 1 que suma a A. De esta manera,
la ecuación anterior resulta:
i if
Z RR A
R R( )= ×
×+
Dividiendo entre R al numerador y al denominador:
1
ii
f
ZR A
R
R
=×
+⎛⎝⎜⎜⎜
⎞⎠⎟⎟⎟
(Ec. 16)
En la sección 5.6.2 se vio la configuración del amplificador operacional no inversor, en el
cual la ganancia de voltaje Av está dada por la ecuación 5. Se observa que la expresión es
idéntica a lo que está expresado como denominador en la ecuación 16.
Finalmente, Zi puede ser expresada como:
=×
ii
v
ZR A
A (Ec. 17)
Si se plantean valores para un caso práctico, por ejemplo: Ri = 50 000, A = 50 000 y Av = 10.
Remplazando valores resulta Zi = 250 MΩ.
Es de notar que al usar la configuración realimentada no inversora, la Ri o resistencia de en-
trada del operacional se ha visto multiplicada por 5000.
Este incremento de la impedancia de entrada es un ejemplo del efecto de autoelevación
(bootstrapping).
Este efecto de autoelevación o bootstrapping tiene la siguiente explicación: se observa que
cuando Vs cambia el voltaje en el lado (+) de Ri, este incremento se amplifica y este incremento
amplificado es aplicado en el borne (−) de Ri en el mismo sentido en que fue aplicado el incre-
mento de la terminal positiva. A raíz de esto, la diferencia de potencial entre los bornes de Ri
disminuye y, por lo tanto, la corriente I disminuye. Por la ley de Ohm se sabe que la impedancia
es inversamente proporcional a la corriente, por lo tanto, a menor corriente mayor impedancia.
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 73
Por la ecuación 15 se sabe que:
isZ
V
I=
Queda demostrado que un incremento de Vs produjo como consecuencia una disminución de
la corriente I, tal como se mencionó en el párrafo anterior. Esto genera que la impedancia
de entrada Zi se vea incrementada varias veces, resultando un efecto bastante deseable a la
hora de trabajar con sensores de bajos niveles de señales que intentan conectarse a tarjetas
de adquisición de datos. Este beneficio estriba en que toda la diferencia de potencial de bajo
nivel que genera el sensor cae o es aplicada totalmente a la entrada del amplificador opera-
cional realimentado en configuración no inversora.
Si, en cambio, la impedancia de entrada fuera pequeña, gran parte de la señal del sensor cae-
ría en la propia resistencia interna del sensor y poca en la resistencia Ri, con lo cual a la salida
del amplificador operacional se obtendría un bajo nivel de voltaje Vo.
Todo este análisis se puede hacer a partir de la figura 5.10, en la cual se plantea un sensor con
su circuito equivalente (encerrado con la línea punteada) y la etapa del amplificador opera-
cional realimentado no inversora.
Es importante notar que este tipo de montaje, además de aumen-
tar la impedancia de entrada, tiene la ventaja de no ser inversor.
Debido a esto, la señal de salida estará en fase con la señal de
entrada. Esto es bueno si lo que se intenta es adquirir varios
canales en una tarjeta de adquisición o toma de datos y hacer
un estudio comparativo con respecto al tiempo y con respecto
a otras entradas. Para que este tipo de análisis se lleve a cabo
en condiciones correctas es indispensable no invertir la fase
de la señal.
Si, por el contrario, se invirtiera la fase, habría que considerar-
lo al hacer el análisis. Esto complicaría más el desarrollo del
software de análisis y la interpretación por parte del operador.
5.7.2.1 Impedancia de salida del amplificador operacional no inversor
La impedancia de salida del amplificador operacional realimentado no inversor es aquella
vista desde la salida, cuando todos los voltajes de generador independientes están ajustados a
cero. Según esta definición, el cambio de ubicación del generador correspondiente a la figura
5.8, comparado con el de la figura 5.9, no tiene efecto sobre la impedancia de salida. Para
entender esto hay que tener en cuenta que la diferencia de potencial que produce Vs sobre el
divisor de voltaje formado por R y Ri es idéntica en ambos casos y se denomina Vi. Quiere
decir que no hay efecto en la impedancia que se ve desde la salida al cambiar el generador Vs
de ubicación, porque el voltaje Vi generado en el punto de realimentación donde se conecta
Rf es exactamente el mismo.
Como consecuencia de esto, la impedancia de salida puede ser calculada para el caso del
amplificador operacional realimentado no inversor con la misma ecuación con la que se
calculó la impedancia de salida en el caso del amplificador operacional realimentado in-
versor.
Figura 5.10
Sensor acoplado a una etapa con amplificador operacional.
Impedancia de entrada
+
+
−
−
Circuito sensor equivalente
Rf
RiZi
Rs
Vs Vo
R
PARTE I HARDWARE74
Esto se obtiene aplicando la ecuación 11:
1oo
vZR
AA( )= −
En la sección 5.7.1 se expresó que es deseable que la impedancia de salida fuera muy baja
para que al acoplar esta etapa con otra no hubiera caída de potencial de la señal Vo de salida
en la propia impedancia interna de salida de la etapa, y todo el potencial fuera aplicado a la
entrada de la etapa siguiente.
5.7.2.2 Montaje con amplificador operacional de ganancia unitaria
Si en la figura 5.9 se hace Rf = 0, entonces la resistencia
R no sirve a ningún efecto. Como consecuencia de esto, la
resistencia R puede ser suprimida porque el potencial del
(−) va a estar puesto al voltaje de salida Vo, sea cual fuera
el valor de R.
Se llega así a la configuración representada por la figura 5.11.
En el caso representado en la figura 5.11, V1 = Vo.
La expresión de la ganancia de la etapa igual al cociente
Vo /Vs se transforma en V1/Vs.
A partir de la ecuación 13:
11f
sVR A
A R RV
( )=
×+ × +
×
Si se hace Rf = 0:
1
1
1 s
1s
VR A
A RV
VA V
A
( )
( )
=×
+ ××
=×
+
Despejando:
1v1
s
AV
V
A
A( )= =
+
Como A >> 1, resulta entonces que Av = 1, con lo cual se ha demostrado que el amplificador
tiene una ganancia de voltaje igual a 1, como se había expresado en el título de esta sección.
Faltaría ahora determinar cuál es la impedancia de entrada del mismo.
De la ecuación 17:
i iv
Z RA
A= ×
Figura 5.11
Amplificador de ganancia unitaria.
V1
−
−
−
++
+
Vs
Vo
Capítulo 5 Conceptos básicos: Acondicionamiento de señal y tarjetas DAQ: amplificadores operacionales 75
Si en la expresión anterior se remplaza Av = 1, se obtiene el mayor valor de impedancia que la
ecuación 17 puede arrojar. Esto sucede cuando el denominador toma el menor valor posible,
que es justamente igual a 1.
Para que Av = (1 + Rf/R) sea lo menor posible, Rf/R deberá ser 0.
Av será siempre como mínimo igual a 1, y eso justamente hace que Zi adquiera su máximo
valor, que es Zi = Ri × A.
Si se retoman los valores del caso práctico ya visto: Ri = 50 000 y A = 50 000.
Resulta Zi = 2500 MΩ, que representa un valor muy grande de impedancia de entrada.
Conclusión: como se ha visto en toda esta sección, se tiene, para este caso particular, un
amplificador de ganancia 1 y una impedancia de entrada muy grande. La pregunta que cabe
hacerse, llegados a este punto, es: ¿Para qué puede servir todo esto? La respuesta es que, al
igual que en la configuración del transistor de seguidor de emisor o también llamada de co-
lector común, se consigue una etapa con ganancia 1 y con alta impedancia de entrada y baja
impedancia de salida. Estas condiciones son ideales para la adaptación de impedancias entre
dispositivos o entre etapas. Esto es, justamente, la aplicación de este montaje de amplificador
operacional con ganancia 1.
5.8 Relación de rechazo de modo común
En la figura 5.12 se observa que las señales de entrada del amplificador operacional son
V1 y V
2.
Si en lugar de expresarlas así se les define a partir de una señal de diferencia de entrada Vd
y de una señal de modo común o Vc, en función de V1 y V
2:
= −d 1 2V V V (Ec. 18)
( )= +1
2c 1 2V V V (Ec. 19)
Si V1 y V
2 son iguales y opuestas, entonces Vc = 0, es decir, no hay señal de modo común.
Si V1 = V
2, entonces Vd = 0 y, por lo tanto, no hay señal de diferencia que sea amplificada
entre las entradas (+) y (−) del amplificador operacional.
Todo esto coincide con lo que se ha expuesto hasta ahora so-
bre el amplificador operacional. Teniendo en cuenta esto y las
ecuaciones anteriores (ecuaciones 18 y 19), se puede expresar
V1 y V
2 en función de Vd y Vc:
(Ec. 20)
1
2
1
2
1 c d
2 c d
V V V
V V V
= +
= − (Ec. 21)
En un amplificador operacional ideal se sabe que la ganancia
con respecto a la terminal 1 se llama A1 y la ganancia con res-
pecto a la terminal 2 se llama A2. Estas ganancias son, además,
iguales y opuestas.
Figura 5.12
Símbolo representativo de un operacional indicando sus
entradas inversora (−) y no inversora (+).
V2
V1
1
2
+
−
+
− +
−
+
−
Vo
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La obra que usted tiene en sus manos tiene el propósito de explicar
los fundamentos de los sistemas de Adquisición o Toma de Datos y
está orientada tanto al ingeniero como al estudiante universitario de
cualquier unidad académica, centro de investigación o planta industrial.
El autor ha partido de lo básico, demostrando a través de fórmulas y
ecuaciones matemáticas y de conceptos de electricidad y electrónica,
los principios funcionales y la tecnología de los acondicionadores de
señal y de la adquisición de datos.
Simultáneamente, describe algunos productos de hardware y software
gráfico que distintos fabricantes ofrecen al mercado, cada uno según
su propia filosofía. También ha desarrollado algunos ejemplos prácticos
de aplicaciones reales de la adquisición o toma de datos. Y finalmente
ha incluido un curso de LabVIEW realizado totalmente con la última
versión del mencionado software, el cual considera que es el software
más difundido para adquisición de datos en los entornos mencionados
(académicos, de investigación e industriales), por lo que el curso puede
llevarse a cabo con las versiones de LabVIEW académicas para el
estudiante o la versión de uso en la industria.