Informe de Laboratorio de Amplificadores de Instrumentación Profesores: Pablo Aqueveque, Aqueveque, Esteban Pino Ayudantes: María Ignacia Aguilera, Javier Chávez, Soledad Muñoz Salvador Gallardo Riquelme, Nicolás Muñoz Arias Ingeniería Civil Biomédica, Departamento Departamento Ingeniería Eléctrica, Eléctrica, Universidad de Concepción, Concepción, Chile.
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Abstract- Este texto expone de forma descriptiva las experiencias realizadas en laboratorio referentes a amplificadores de instrumentación, actividades que fueron desarrolladas con el objetivo de comprender el funcionamiento de estos amplificadores, amplificadores, como implementarlos, y visualizar las diferentes formas de las señales que este procesa. Para lograr esto, primero, todo fue simulado en un software que permite observar las diferentes características del funcionamiento de los amplificadores amplificadores de instrumentación, para luego construir sobre un protoboard los circuitos pedidos, se implementó un amplificador de instrumentación simple, otro con filtro para luego dar lugar a uno con un offset en su salida.
En su elaboración fue necesario recurrir a un amplificador operacional TL084, resistencias, condensadores y potenciómetros, potenciómetros, que nos permitieron ajustar la ganancia según nuestros requerimientos. Luego de esto, a cada circuito se le ingreso una señal proveniente del simulador de señales biomédicas, con esto se pudo ver como resultado el óptimo funcionamiento de los amplificadores amplificadores respecto de incrementar la señal, señal, pero las salidas observadas en el osciloscopio contenían mucho ruido electrónico, por lo cual se añadió al circuito un filtro, para así ver una señal más limpia. Finalmente también se puede afirmar que los valores entregados por la simulación computacional varían en relación a los valores reales obtenidos de la experimentación experimentación práctica, lo cual se debe a que se simula con los valores exactos para las resistencias, mas no así cuando se implementa ya que en ese escenario se utilizan las resistencias que más se acerquen a los valores deseados las cuales en general son muy similares pero no exactamente iguales.
entrada y un alto rechazo al modo común, su funcionamiento es básicamente restar las dos entradas y multiplicarlas por un factor el cual se conoce como ganancia. Su principal o más común aplicación es en aparatos que trabajan con señales muy débiles, por lo que son fundamentales en el área de la ingeniería biomédica, y son usados en equipos médicos tales como el electrocardiograma. Estas características características fueron r evisadas en las diferentes actividades empíricas que se describen a continuación, en las cuales se explica detalladamente cada ejecución con sus respectivos resultados, resultados, en los que destaca la la obtención de los valores de ganancias, ganancias, la magnitud del del espectro de frecuencias para el cual el circuito amplifica de forma óptima, así como también el comportamiento de los diferentes amplificadores ante señales biomédicas provenientes de un emulador. Es así como en el presente p resente documento de carácter académico, podrá encontrar los resultados provenientes de las diferentes medicines realizadas, así como también una serie de observaciones respecto del comportamiento de las señales ingresadas, diversas inferencias, conclusiones y explicaciones a una serie de situaciones que en el estudio teórico no se divisan de forma for ma clara.
II. MATERIALES Y MÉTODOS A. Materiales: 1)
Equipos: Para poder ejecutar la implementación de los circuitos fue necesario contar con: •
I.
INTRODUCCIÓN •
Anteriormente se estudiaron los amplificadores operacionales, los cuales eran mecanismos capaces de amplificar señales con una alta ganancia llegando incluso al orden de los mega, estos aparatos son la piedra angular de los amplificadores de instrumentación, ya que estos cuentan con tres A.O más siete resistencias. resistencias. Los amplificadores de instrumentación están diseñados para tener una alta impedancia de
• • • •
•
Osciloscopio: Tektronix TDS 1002B Two channel,(60MHz, 1GS/s) Multímetro Digital: Meterman Modelo 37XR Generador de Funciones GW Instek GFG-8216A. Multiparameter Simulator MPS450, Fluke Biomedical Multiparameter Simulator PS420, Fluke Biomedical Fuente de Poder DC: GW Instek GPS-3030D (Imax=3 [A]; Vmax=30 [V]) Software de simulación: NI Multisim 12.0
2)
III.
Componentes: En esta categoría tenemos: • • • • • • • • • • • • •
B.
Protoboard. Cables de Conexión. 2 Resistencias de 22 k[ Ω] 1 Potenciómetro de 5 k[ Ω] 1 Resistencia de 150 k[ Ω] 1 Resistencia de 4,7 k[ Ω] 2 Resistencias de 3,3 M[ Ω] 8 Resistencias de 10 k[ Ω] 1 Potenciómetro de 50 k[ Ω] 2 Resistencias de 1 k[ Ω] 1 Condensador de Cerámica de 1 µF/50V 1 Condensador de Cerámica de 0,01 µF/50V 1 Amplificador Operacional TL084
En esta experiencia práctica, se pudo reconocer, implementar y verificar parámetros de funcionamiento de circuitos con amplificadores de instrumentación basados en A.O. La experiencia de laboratorio, se dividió en 3 experiencias, las cuales fueron:
Métodos
Los conceptos teóricos requeridos como conocimientos previos para la adecuada ejecución de las actividades prácticas próximamente descritas son los siguientes: •
•
•
B.1
Amplificador de instrumentación: Un amplificador de instrumentación es un dispositivo electrónico capaz de lograr amplificaciones importantes, con muy bajo ruido, baja deriva térmica, bajo consumo y variación de la salida hasta los límites de la alimentación, es decir sin caída en la salida. Este se usa para medir pequeños voltajes diferenciales superpuestos sobre un voltaje de modo común, más grande que el diferencial, se le llama también, amplificador transductor, amplificador de error y/o amplificador de puente. Se diseña para usarse con señales de corriente directa o de corriente alterna. Es uno de los amplificadores más útiles, precisos y versátiles de que se dispone en la actualidad. Como ejemplos de aplicaciones con amplificadores de instrumentación son; el medidor de intensidad de campo, el osciloscopio y el voltímetro realizado FET’s. [5] Amplificador Operacional: Es un dispositivo electrónico con una gran ganancia, cuyo circuito básico es un par diferencial. En cuanto a su modo de operación, está determinado por el lazo de retroalimentación (positiva, negativa), el tipo de elemento/os contenido en el mismo, así como su disposición en dicho lazo. Consiguiéndose de esta forma que el mismo A.O sea capaz de realizar distintas operaciones. [3] Filtro: Son circuitos caracterizados por una entrada y una salida de forma que en la salida solo aparecen parte de las componentes de frecuencia de la señal de entrada. Son por tanto circuitos que se pueden caracterizar por su función de transferencia.[4] Ecuaciones
= 2 − 11+ 21 32
DESARROLLO
1
En la experiencia 1, se trató sobre la implementación de un circuito amplificador de instrumentación, al cual se le tuvo que calcular y regular la ganancia de voltaje, mediante un potenciómetro, como el que se muestra en la Fig. 2, dicho potenciómetro, es el encargado de ajustar de alguna manera la ganancia de voltaje, en nu estro caso dicha ganancia debía ser de 25, pero en la práctica es muy difícil obtener dicho valor, en la sección de resultados, se puede observar que la ganancia obtenida experimentalmente fue de 24,9, lo que es una muy buena aproximación. La ganancia de voltaje viene dada según la ecuación (1), la que nos permitió obtener el valor requerido de R g, de manera teórica, y realizar el contraste con el R g practico. Además, para poder implementar este y los otros 2 circuitos posteriores se utilizó un amplificador TL084, el que contiene 4 Amplificadores Operacionales en su interior (Fig.1). De manera adjunta a esta experiencia, se tuvo que cambiar la fuente de alimentación que era un generador de funciones por un simulador de señales biomédicas, que cumplía la función d e alimentar al circuito con una señal de ECG. En la actividad 2, se basó en la implementación del mismo circuito amplificador de instrumentación anterior pero ahora se agregara un filtro de salida, el cual nos filtrara valga la redundancia, las frecuencias obteniendo un ancho de banda, el cual era el margen de operación del circuito, junto con ello, este filtro amplifica la señal tanto del generador de funciones como del simulador de señales biomédicas y le quita el offset a la señal de salida. La ganancia aproximada fue de 150, ya que el amplificador tenía una ganancia de 5 y el filtro de 30 aproximadamente. Una vez, realizada la implementación y obtenido la ganancia de voltaje ingresando con el generador de funciones un voltaje diferencial, se procedió a cambiar el suministro por un simulador de señales biomédicas, el cual nos entregó una señal d e ECG, y como el circuito estaba configurado para amplificar y eliminar el offset de la señal, se pudo realizar un contraste con la experiencia 1, con las señales de salida de dichos circuitos. Finalmente, en la actividad 3, se implementó un circuito basado en la experiencia 1, pero se le agrego un offset de salida, logrando con ello, subir la señal de salida, dicha función tiene gran relevancia, ya que existen equipos médicos que solo pueden recibir señales positivas, y eso se logra aplicando un d esplazamiento positivo a la señal. Dicha señal, como se pudo observar en el laboratorio fue obtenida a través de un generador de funciones, o a través de un simulador de señales biomédicas.
IV.
RESULTADOS
A continuación, se entregaran los datos obtenidos en cada una de las experiencias:
A. Experiencia N° 1: Implementación de un Amplificador de Instrumentación En esta actividad, se implementó un amplificador de instrumentación, al cual se le tuvo que calcular su ganancia teórica y luego verificarla con la experimental, dicho contraste se puede observar en la tabla I. Los amplificadores de instrumentación, se basan a partir d e A.O, y en este laboratorio se ocupó un amplificador como se muestra en la figura 1.
Fig. 3 Diseño de Amplificador de Instrumentación
Junto a ello, se tuvo que ingresar un voltaje diferencial, esto se logró, alimentando una entrada (V 2) y dejando la otra entrada conectada a tierra (V 1). El diseño del circuito implementado se puede visualizar en la fi gura 3, mientras que la ganancia del circuito se puede visualizar en la figura 2. Además, se determinó el ancho de banda del circuito, los datos se encuentran en la tabla II, y la visualización de las señales se encuentran entre las figuras 4 a 9. En la figura 19, se muestra la señal de ECG ingresada desde el simulador de señales biomédicas.
Fig. 4 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación de 10 Hz
Fig. 1 Diagrama de Conexiones de Amplificador Operacional TL084
Fig. 5 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación de 100 Hz
Fig. 6 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación de 1 kHz Fig. 2 Ganancia de Amplificador de Instrumentación
B. Experiencia N° 2: Implementación de un Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida Esta actividad, se basó en la experiencia anterior, ya q ue solo se tuvo que agregar un filtro de salida a la señal. Dicho filtro cumplió la función de amplificar la señal y eliminar el offset que se generaba, dejando la señal centrada en cero.
Fig. 7 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación de 10 kHz
De forma similar, se ingresó un voltaje diferencial en la entrada, y se determinó el ancho de banda del circuito. La figura 10, muestra el diseño del circuito implementado, mientras que la tabla III, muestra los datos obtenidos del ancho de banda y las figuras 11 a 18 registran la visualización de dichas señales. La figura 19, muestra la señal de salida proveniente del simulador de señales biomédicas, en dicha imagen se realizó un contraste entre la señal de la experiencia 1 y de la experiencia 2.
0,01µF
+
10 kΩ
10 kΩ
4,7 kΩ
-
150 kΩ 22 kΩ
12 V
3,3 MΩ
Fig. 8 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación de 100 kHz -
1µF
Vo
+
49 Ω
+ 3,3 MΩ
22 kΩ Vin 99,9 mV/ 100 Hz
12 V
+
10 kΩ
10 kΩ
Fig. 10 Diseño de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida
Fig. 9 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación de 1 MHz TABLA I Ganancia de Voltaje Teórica vs. Experimental Ganancia de Voltaje Teórica 25 Ganancia de Voltaje Practica 24,9 TABLA II Mediciones de Ancho de Banda para la Respuesta en Frecuencia de Amplificador de Instrumentación Ganancia VIN VOUT 99,9 m[V] 2,49 [V] 25 1 Hz 99,4 m[V] 2,49 [V] 25,1 10 Hz 99 m[V] 2,49 [V] 25,2 100 Hz Frecuencias 1 kHz 100 m[V] 2,49 [V] 24,9 104 m[V] 2,52 [V] 24,2 10 kHz 105 m[V] 1,95 [V] 18,6 100 kHz 108 m[V] 339 m[V] 3,14 1 MHz
Fig. 11 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 5 Hz
Fig. 12 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 10 Hz
Fig. 13 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 64 Hz
Fig. 14 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 100 Hz
Fig. 15 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 1 kHz
Fig. 16 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 10 kHz
Fig. 17 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 100 kHz
Fig. 18 Señal Entrada/Salida de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida a 1 MHz
Fig. 19 Señales Obtenidas desde Simulador de Señales Biomédicas, Señal 1 Corresponde a la Experiencia 2, Señal 2 Corresponde a la Experiencia 1
TABLA III Mediciones de Ancho de Banda para la Respuesta en Frecuencia de Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida Ganancia VIN VOUT 37 m[V] 6,57 [V] 177,6 1 Hz 37 m[V] 6,52 [V] 176,2 5 Hz 37,1 m[V] 6,42 [V] 173 10 Hz Frecuencias 36,6 m[V] 5,39 [V] 147,3 64 Hz 100 Hz 77,8 m[V] 8,12 [V] 104,4 1 kHz 77,8 m[V] 1,23 [V] 15,8 80,4 m[V] 1,02 [V] 12,7 10 kHz 80,3 m[V] 1,82 [V] 22,7 100 kHz 690 m[V] 82,3 m[V] 8,38 1 MHz
C. Experiencia N° 3: Implementación de un Amplificador de Instrumentación con Offset de Salida En esta actividad, se volvió a utilizar el diseño implementado en la experiencia 1, pero en esta oportunidad se le agrego otra etapa que consistió en agregarle un offset de salida a la señal. Para ello, se debió ajustar la ganancia, esto se logró utilizando potenciómetros, ya que el circuito era muy sensible a cambios de resistencias. Al igual que en las experiencias anteriores, se ingresó un voltaje diferencial, con la diferencia, que la entrada que había estado conectado a tierra, fue la que tenía conectado el generador de funciones en esta oportunidad, mientras que la otro quedo conectada a tierra. La figura 20 , muestra el diseño del circuito implementado.
1 kΩ
Vin
100 mV/ 100 Hz
10 kΩ
10 kΩ
+
20 kΩ P1
1 kΩ
10 kΩ
-
10 kΩ
15 V
22 kΩ +
P2
22 kΩ
10 kΩ
Vo
+
10 kΩ
15 V
+
10 kΩ
10 kΩ
Fig. 20 Diseño de Amplificador de Instrumentación con Offset de Salida
En la tabla IV, se presenta en el ancho de banda obtenido. Se hizo lo mismo, cuando se ingresó la señal de ECG, a través del simulador de señales biomédicas al circuito, y la señal se puede visualizar en la figura 21. Además, en las figuras 22 a la 24, se presentan los diagramas de Ganancia Vs. Frecuencia, obtenidos de cada experiencia realizada en el laboratorio.
Fig. 21 Señal Obtenida desde Simulador de Señales Biomédicas, con Offset en la Salida
TABLA IV Mediciones de Ancho de Banda para la Respuesta en Frecuencia de Amplificador de Instrumentación con Offset de Salida Ganancia VIN VOUT 70,7 m[V] 3,57 [V] 50,5 1 Hz 70,8 m[V] 3,57 [V] 50,4 10 Hz 70,8 m[V] 3,56 [V] 50,3 100 Hz Frecuencias 70,8 m[V] 3,50 [V] 49,4 1 kHz 70,9 m[V] 3,42 [V] 48,2 10 kHz 70,2 m[V] 1,92 [V] 27,4 100 kHz 70,9 m[V] 183 m[V] 2,58 1 MHz Fig. 22 Diagrama de Ganancia vs. Frecuencia par a Amplificador de Instrumentación
Por su parte, cuando a cada amplificador se le aplicó una entrada proveniente del simulador de señales biomédicas , que en este caso particular fue el latido de un corazón, se pudo observar claramente el funcionamiento de cada circuito, como se ve en la Fig.19 la señal de abajo es la proveniente del emulador de señales y la que está por encima de esta es la señal de salida del circuito de la actividad dos, ahí se puede contemplar como la señal de arriba esta amplificada y además ya no tiene el offset que se genera en la señal de la parte inferior, también podemos ver que en ciertas partes de la señal ya amplificada y filtrada se ve ruido, sin embargo este ruido electrónico puede considerarse "normal" debido a la cantidad de cables usados en la implementación , a la interferencia de la red eléctrica , etc. Debido a esto es que se puedo inferir que estos ruidos podrían minimizarse empleando resistencias externas pequeñas. Fig. 23 Diagrama de Ganancia vs. Frecuencia pa ra Amplificador de Instrumentación con Filtro de Salida
Finalmente logramos entender la importancia de estos dispositivos en el área de la ingeniería biomédica, debido a que estos amplificadores son utilizados en diversas aplicaciones biomédicas, como lo son la medición, y adquisición de datos provenientes de señales fisiológicas del cuerpo humano, las cuales tiene valores muy pequeños y necesitan ser amplificadas para los diversos usos que se les quiera dar.
VI.
BIBLIOGRAFÍA
[1] Pablo Aqueveque, (2014), Guía de Laboratorio N°6: “Amplificadores de Instrumentación”, Junio 2014. [2] Pablo Aqueveque, Apuntes “Amplificadores Operacionales”, Mayo 2014. [3]
Adoración Hermoso Fernández, Tema 4: “Amplificadores Operacionales”.[Online].Disponible: http://www.uhu.es/adoracion.hermoso/Documentos/Tema-4AmpliOperc.pdf
[4]
J.I. Escudero, M. Parada, F. Simón., Tema 4:”Filtros”. [Online].Disponible: http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Te ma%204. %20Filtros.pdf
[5]
“El Amplificador de Instrumentación”, Universidad de Antioquia, Instituto de física [Online].Disponible: http://fisica.udea.edu.co/~labgicm/Instrumentacion/2014_Amp%20de%20Instrumentaci%F3n.pdf
Fig. 24 Diagrama de Ganancia vs. Frecu encia para Amplificador de Instrumentación con Offset de Sa lida
V.
CONCLUSIÓN
De todo el ciclo de aprendizaje asociado a los amplificadores de instrumentación y en base a la experimentación real con estos dispositivos, podemos asegurar que son dispositivos en los cuales su ganancia se puede establecer de forma muy pr ecisa, casi exacta debido a que una de sus resistencias, Rg, permite ser variada según las necesidades del operador, y en el caso de la implementación realizada en laboratorio , Rg fue un potenciómetro, de esta forma pudimos obtener una ganancia en el circuito de la experiencia 1 de 24 ,92 versus lo esperado que era de 25, comprobando así la alta exactitud al diseñar respecto de una ganancia especifica requerida. Es por ello, que al variar Rg, variara la ganancia, ya que ambas tienen una relación, la cual es que si se aumenta Rg, disminuye la ganancia o viceversa. En relación a su comportamiento ante diferentes frecuencias, destaca la diferencia entre el ancho debanda de la actividad 1 respecto del de la actividad 2, donde ocurre lo esperado, es decir, el ancho de banda del amplificador operacional implementado es de 0 a 10kHz , en cambio el de la actividad 2 es de 0 a 64 Hz lo cual es consecuente al hecho de que en la segunda actividad se le agrega un filtro al circuito, el cual evita que pasen ciertas frecuencias , generando un ancho de banda inferior.
VII.
OBSERVACIONES Y CUADRO DE EVALUACIÓN
ÍTEM PRESENTACIÓN INVESTIGACIÓN LISTADO DE MATERIALES Y EQUIPOS DESCRIPCIÓN DE ACTIVIDADES, RESULTADOS Y COMENTARIOS SIMULACIÓN COMPUTACIONAL (MOSTRAR AL PROFESOR) DISEÑO Y CÁLCULO TOTAL
MÁXIMO 1.0 0.5 0.5 2.0 1.0 1.0
PUNTAJE
