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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria ACONDICIONADORES DE SEÑAL PARA TRANSDUCTORES DE REACTANCIA VARIABLE Juan A. Montiel-Nelson

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Acondiocionamiento

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  • Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de TelecomunicacinUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria

    ACONDICIONADORES DE SEAL PARA TRANSDUCTORES DE REACTANCIA VARIABLE

    Juan A. Montiel-Nelson

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 2

    Indice

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 3

    Introduccin

    Objetivo Disponer de una seal til.

    Guarda un paralelismo con el tema de Acondicionadores de seal para transductores resistivos

    Osciladores variables Tambin se pueden aplicar a los transductores resistivos

    Problemas y alternativas Situaciones ms generales

    Presentacin analgica inmediata Conversin digital Conversin a una seal de frecuencia variable Telemedida por tensin Telemedida por corriente

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 4

    Introduccin

    Problemas y alternativas Seal alterna de excitacin

    Tipos de transductores Transductores capacitivos o inductivos simples: C0 C L0 L Detectores de proximidad por corrientes de Foucault: L0 L, L0 Diferenciales: C0 + C, C0 C L0 + L, L0 L Tensin alterna modulada en amplitud: LVDT, sincros o resolver

    Transductores capacitivos < 100pf Alimentacin a frecuencias altas [10kHz, 100MHz] a fin de tener

    impedancias manejables Impedancia de salida alta conviene que los cables estn apantallados

    Esto significa aadir una capacidad en paralelo con el conductor, con la consiguiente prdida de sensibilidad y deterioro de la linealidad

    La soluin consiste en pone la electrnica cerca, con cables cortos, incluso rgidos, y emplear guardas activas o bien transformadores de impedancia

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 5

    Introduccin

    Problemas y alternativas Magnitudes continuas

    Deteccin de valor de pico, medir valor eficaz u obtener el valor medio Cuando la cadena de medida est diseada de forma que hay que

    convertir todas las magnitudes medidas en tensiones continuas Soluciones

    Aplicacin de la ley de Ohm. Un cambio de impedancia se puede detectar viendo el cambio de

    la corriente a travs de ella cuando se alimenta a tensin alterna constante, o bien a partir de la variacin de la cada de tensin en la impedancia cuando se la laimenta a corriente alterna constante

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 6

    Introduccin

    Problemas y alternativas Soluciones

    Aplicacin de la ley de Ohm Si el factor de calidad (Q) del transductor no es elevado, estos

    mtodos implican la medida de dos componentes de la seal de salida: la que est en fase y la que est en cuadratura con la seal de alimentacin, si bien slo la primera tiene informacintil de la variable de medida

    Excepcin La aplicacin del mtodo de correinte constante a un

    transductor capacitivo de desplazamiento, basado en la variacin de la distancia entre placas de un condensador plano

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 7

    Introduccin

    Problemas y alternativas Soluciones

    Aplicacin de la ley de Ohm Inters del circuito

    En la relacin lineal que se obtiene entre la tensin de salida y la distancia medida, a pesar de que la capacidad no vara linealmente con sta

    ( );1;

    11

    00

    0

    xCCv

    ZZvv

    xCC

    x

    x

    +==+=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 8

    Introduccin

    Problemas y alternativas Soluciones

    Utilizacin de un divisor de tensin Para otros transductores de reactancia variable, la utilizacin de

    un divisor de tensin ofrece una alternativa a la ley de Ohm Cuando se aplica a un transductor lineal que vara de la forma

    Z0(1+x), la tensin de salida es no lineal

    )1()1(

    0

    0

    xZZxZ

    vvs

    +++=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 9

    Introduccin

    Problemas y alternativas Soluciones

    Utilizacin de un divisor de tensin diferencial

    ;2)1( x

    vvs +=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 10

    Puentes de alterna

    Sensibilidad y linealidad Funcin

    Eliminacin de la tensin fija que aparece a la salida de un divisor de tensin, la solucin clsica es emplear una configuracin de medida en puente

    Puente de alterna en general

    ;)2(2 x

    xvvs +=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 11

    Puentes de alterna

    Sensibilidad y linealidad Puente de alterna con brazos resistivos lineal

    ;2xvvs =

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 12

    Puentes de alterna

    Sensibilidad y linealidad Puente de alterna con brazos resistivos no lineal

    ( )( )

    ( )( ) ;11

    11

    0

    0

    0

    0

    +

    +++=

    xsLRxsL

    xsLRxsLvvs

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 13

    Puentes de alterna

    Sensibilidad y linealidad Puente de Blumlein

    Errores por impedancia parsitas En transductores capacitivos diferenciales, o simples so la no

    linealidad es aceptable, dado que su capacidad es muy pequa, si se emplea un puente con brazos resistivos los errores debidosa las impedancias parsitas a tierra son muy importante. Loe efectos de stas se reducen.

    Los efectos de stas se reducen mucho empleando un puente con dos brazos inductivos acoplados segn una relacin exacta y con una toma media de tierra.

    ( )( )

    ( )( ) ;11

    11

    0

    0

    0

    0

    +

    +++=

    xsLRxsL

    xsLRxsLvvs

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 14

    Puentes de alterna

    Sensibilidad y linealidad Puente de Blumlein

    Circuito equivalente de los puentes de Blumlein Para un transformador de tensin con N3=N4=N

    ;2

    212

    ;21

    2;;

    ;22

    21

    211

    12

    21

    1

    2

    1

    2

    11

    12

    21

    12

    1122

    12

    +=

    +=

    =====

    +=

    ++=+=

    ZZZZU

    ZZZUv

    NNr

    NNr

    UUNN

    ZZZZ

    Nv

    ZZZZZ

    NvZ

    ZZNv

    Nvv

    S

    tt

    s

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 15

    Puentes de alterna

    Sensibilidad y linealidad Puente de Blumlein

    Circuito equivalente de los puentes de Blumlein Medicin con un detector de alta impedancia de entrada

    Si las variaciones de impedancia son lineales, transductor capacitivo diferencial Z1 = Z0(1-x), Z2=Z0(1+x)

    Medicin con un detector de baja impedancia de entrada Si las variaciones de impedancia son lineales, transductor

    capacitivo diferencial Z1 = Z0/(1-x), Z2=Z0/(1+x)

    ;2

    ;2 012

    12 xVvvZZZZvv ss ==+

    =

    ;0

    0 ZvI x=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 16

    Puentes de alterna

    Linealizacin analgica de puentes capacitivos Creciente inters por los transductores capacitivos

    Desarrollo de circuitos que tuvieran las propiedades de los puentes en lo que se refiere a cancelacin de interferenciaso, si se prefiere, a medidas por relacin

    Pero no tuvieran en cambio los incovenientes de la no linealidad de algunos de ellos,

    Ni fueran tan laboriosos como los puentes con transformador

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 17

    Puentes de alterna

    Linealizacin analgica de puentes capacitivos Pseudopuentes capacitivos

    Para puentes capacitivos simples Para puentes capacitivos diferenciales

    ;1

    4

    3

    1

    2

    4

    3

    ZZ

    ZZ

    ZZvvs +

    = ;4

    3

    1

    2

    =

    ZZ

    ZZvvs

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 18

    Puentes de alterna

    Amplificadores de alterna. Desacoplamiento. Amplificadores operacionales disponibles

    Permiten amplificar seales de hasta 10 MHz con ganancias de hasta 10, en una sola etapa.

    Descripcin Si como detector en el puente de Blumlein se emplea un amplificador

    en configuracin inversora, se tiene la ventaja de que la salida es independiente de las impedancias parsitas que quedan en paralelo con los terminales de salida del puente Zp

    En cambio la tensin amplificada tiene una dependencia no linealrespecto a la variable a medir

    ;s

    so ZZvv =

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 19

    Puentes de alterna

    Amplificadores de alterna. Desacoplamiento. Configuracin no inversora

    Las impedancias parsitas influyen en la seal amplificada

    ;11

    2

    ++= Z

    ZZZ

    Zvv

    ps

    pso

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 20

    Puentes de alterna

    Amplificadores de alterna. Desacoplamiento. Configuracin no inversora

    Si las impedancias parsitas son altas, v0 no depende de Z, y, por lo tanto, si vs es lineal con x tambin lo ser v0

    Las impedancias se pueden elegir de modo que el ancho de banda de trabajo sea limitado, conforme a las caractersticas de la seal a amplificar, evitando as ruido innecesario en las etapas siguientes

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 21

    Puentes de alterna

    Parmetros que limitan las prestaciones de los amplificadores operacionales Impedancia de entrada

    Se aleja mucho de los valores obtenidos en continua Capacidades parsitas en los componentes pasivos

    En particular en los resistores No se deben emplear resistencias de valor elevado y hay que reducir

    las capacidades parsitas Slew Rate Deascoplar alimentaciones

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 22

    Puentes de alterna

    Blindajes electrostticos. Guardas activas El objetivo al blindar un transductor capacitivo es mantener

    constante la capacidad del elemento, con independencia de los cambios en el entorno

    Blindaje simple para un transductor capacitivo

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 23

    Puentes de alterna

    Blindajes electrostticos. Guardas activas Caractersticas

    Capacidad final del elemento, permanece constante Ce = C + C2 Capacidad e tierra CT variar de acuerdo con la posicin relativa de

    los conductores Si el terminal de tierra forma parte del circuito de medida, habr que

    conectar a tierra uno de los terminales del transductor.

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 24

    Puentes de alterna

    Blindajes electrostticos. Guardas activas Blindaje doble

    Cuando no esposible conectar uno de los terminales del condensador transductor

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 25

    Puentes de alterna

    Blindajes electrostticos. Guardas activas Guardas activas

    Con el apantallamiento se logra que la capacidad arsita permanezca constante, pero no su reduccin. El blindaje aumenta la capacidad parsita, ms si se prolonga a lo largo del cable de conexin del amplificador (cable coaxial), este aumento supone, una prdida de sensibilidad

    Para lograr una reduccin de la capacidad parsita hay que conectar el blindaje no a tierra, sino a un potencial prximo al de los conductores del interior

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 26

    Puentes de alterna

    Blindajes electrostticos. Guardas activas Guarda o blindaje ellectrosttico convencional

    Si la malla del cable coaxial se conecta a tierra, la capacidad del cable queda en paralelo con el transductor y con la impedancia de entrada del amplificador

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 27

    Puentes de alterna

    Blindajes electrostticos. Guardas activas Guarda o blindaje ellectrosttico convencional

    La impedancia del condensador queda multiplicada por A+1. La capacidad efectiva del cable queda reducida en un factordprcticamente igual a la ganancia en lazo abierto del amplificador. Cuanto mayor sea A a las frecuencias de inters, tanto mayor ser la reduccin del capacidad parsita

    ( ) ( )( )

    ( )( )( ) CS

    SdC

    CC

    ss

    Ce

    ZZAIV

    CZZZIIV

    ZIZZIZIVZIZZIVVZIAVvAV

    //1

    ;1//;

    ;20;

    ;

    1

    230

    321

    021

    0200

    +=

    ==++=

    ++=== La ganancia de un amplificador

    decrece desde valores superiores a 106en continua hasta un valor de entre 1 y 10 a la frecuencia de 1 MHz.

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 28

    Amplificadores de portadora

    Introduccin Su necesidad y estructura

    Todos los transductores cuya salida sea una seal alterna modulada en amplitud y que incluya el cero dentro de su margen de valoresrequieren un amplificador de portadora. (LVDT, todos los trnasductores montados en un divisor de tensin o en un puente en alterna).

    Un amplificador de portadora es un circuito que realiza las funciones de amplificacin de alterna, demodulacin y filtro de pasao bajo, incluyendo el oscilador

    Cuando la seal del oscilador de referencia se emplea no para alimentar el transductor sino para excitar la respuesta en el sistema donde se mide, se habla de amplificador coherente

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 29

    Amplificadores de portadora

    Modulacin de amplitud de los transductores de alterna Puente que incorpore un nico transductor (lineal) en uno de

    sus brazos Suposiciones:

    Resistencia nominal de los cuatro brazos del puente es la misma x

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 30

    Amplificadores de portadora

    Modulacin de amplitud con y sin supresin de portadora Formas de onda y espectros

    correspondientes al caso de una moduladora y una portadora que sean senoides puras V0 debe ser muy estable Ancho de banda de x < cinco veces

    inferior a w0 En otro caso los filtros paso

    bajo son de orden muy elevado

    Ancho de banda del amplificador de alterna al menos 0,2 w0

    ( )( )[ ] ( )[ ]{ };coscos

    8

    ;cos)(;cos

    000

    00

    +++=+==

    ttAVv

    tAtxtVv

    SSS

    St

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 31

    Amplificadores de portadora

    Demodulacin sncrona o coherente En otro caso

    Si se realiza una mera deteccin de envolvente (rectificacin y filtrado de paso bajo), se perdera informacin sobre el signo de x.

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 32

    Amplificadores de portadora

    Demodulacin sncrona o coherente Descripcin

    Multiplicar la seal modulada vs(t) por una tensin alterna de referencia Vrcosw0t, en fase con v(t)

    El filtro paso bajo elimina la componente de alta frecuencia, de forma que a su salida

    ( )[ ] ( )[ ]{ }[ ] [ ] ( )[ ]{ }

    +++=

    =+++===

    tttAVV

    tttAVVtVvv

    SSSr

    SSr

    rSm

    00

    0000

    0

    2coscoscos16

    coscoscos8

    cos

    ( ) ;8

    cos8

    00 xVVtAVVv rsrd =+=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 33

    Amplificadores de portadora

    Detectores de fase Descripcin

    El demodulador es el elemento fundamental en un amplificador de portadora, por ser sensible a la fase, se denomina demodulador de fase o detector de fase.

    Una demodulacin de fase (o sncrona) la constituye lo anteriormente presentado, cuya realizacin fue el producto de la seal modulada por una de referencia sncrona con la portadora, y luego filtrando paso bajo.

    Una solucin ms simple consiste en emplear los llamados detectores de fase conmutados, en los que se toma como referencia no una seal senoidal sini una cuadrada en fase con la portadora, es decir

    ;0,1]sgn[;0,1]sgn[

    ];sgn[cos)( 0

    =

    =

    xxxx

    tVtvr

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 34

    Amplificadores de portadora

    Detectores de fase Descripcin

    Desarrollando en series de Fourier

    Si la seal se filtar paso bajo, y se eliminan los trminos de frecuencia 2w0 y superiores

    ( ) ( )[ ]( )[ ] ( )[ ]( )[ ] ( )[ ] }4cos

    614cos

    61

    2cos612cos

    21

    2cos21{cos

    2)()(

    ;55cos

    33coscos)(

    00

    00

    00

    000

    L

    L

    +++

    +++

    +++++=

    ++=

    tt

    tt

    ttAVVtvtv

    ttttv

    ss

    ss

    ssrs

    r

    ( ) ;2

    cos2

    )( 00 xVVtAVVtv sd =+=

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 35

    Amplificadores de portadora

    Detectores de fase Ventajas

    Es ms fcil que la seal de referencia, V, sea constante, que no en el caso de una senoide

    El producto se puede hacer con un simple interruptor de polaridad (ganancia +1 -1) mucho ms barato que un multiplicador analgico.

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 36

    Amplificadores de portadora

    Detectores de fase Esquemas empleados

    Demodulador de fase basado en dos diodos apareados

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 37

    Amplificadores de portadora

    Detectores de fase Esquemas empleados

    Demodulador de fase en anillo (double balanced mixer)

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 38

    Amplificadores de portadora

    Detectores de fase Esquemas empleados

    Amplificador conmutado con ganancia +1 1 seleccionable

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 39

    Amplificadores de portadora

    Aplicacin al LVDT Descripcin

    Para detectar el sentido de la posicin del vstago respecto a la posicin central, hace faltra una demodulacinsncrona

    Inconvenientes El dispositivo de salida o

    presentacin debe ser diferencial

    Los diodos deben trabajar por encima de su tensin umbral, cosa que no se puede garantizar en los extremos del margen de algunos dispositivos

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 40

    Amplificadores de portadora

    Aplicacin al LVDT Inconveniente

    Desfases propios entre primario y secundarios

    Solucin Alimentar el trafo a su

    frecuencia natural Compensar el desfase

    previsible a la frecuencia a que se vaya a alimentar, mediante una red de adelanto de fase o retardo de fase

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 41

    Amplificadores de portadora

    Aplicacin al LVDT Inconveniente

    Desfases propios entre primario y secundarios

    Solucin Alimentar el trafo a su

    frecuencia natural Compensar el desfase

    previsible a la frecuencia a que se vaya a alimentar, mediante una red de adelanto de fase o retardo de fase

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 42

    Convertidores resolver a digital y digital a resolver

    Convertidores sincro-resolver Ecuaciones

    Transformador de Scott Adems de permitir pasar de

    uno a otro formato (permite la adaptacin de niveles de tensin), el transformador puede obtener un aislamiento elevado entr los circuitos del primario y del secundario

    ( )( );240cos

    ;120cos;cos

    21

    32

    13

    +=+=

    =

    tVsenketVsenketVsenke

    s

    s

    s

    ;coscos;cos

    24

    13

    tkVetkVsene

    R

    R

    ==

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 43

    Convertidores resolver a digital y digital a resolver

    Convertidores digital a resolver Descripcin

    Se basan en los llamados multiplicadores de seno y coseno Se tratan de circuitos que

    aceptan una seal analgica de referencia y una seal digital, dando a su salida, en forma analgica, el producto de la primera por el seno o coseno del ngulo repersentado por la segunda

    Selector de cuadrante Salida

    Seal de salida en alta tensin y de baja impedancia, por lo que se puede transmitir en una lnea larga. Los transformadores de salida se incluyen para evitar daos al circuito en caso de cortocircuito.

  • 17/10/2004 Transductores Resistivos 44

    Convertidores resolver a digital y digital a resolver

    Convertidores resolver a digital Descripcin