Acondicionamiento de señales

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En electrónica y procesamiento de señales , el acondicionamiento de señales es la manipulación de una señal analógica de tal manera que cumpla con los requisitos de la siguiente etapa para su procesamiento posterior.

En una aplicación de conversión de analógico a digital (ADC), el acondicionamiento de la señal incluye limitación de voltaje o corriente y filtrado anti-aliasing .

En aplicaciones de ingeniería de control , es común tener una etapa de detección (que consiste en un sensor ), una etapa de acondicionamiento de señal (donde generalmente se realiza la amplificación de la señal) y una etapa de procesamiento (a menudo realizada por un ADC y un microcontrolador ). Los amplificadores operacionales (op-amps) se emplean comúnmente para llevar a cabo la amplificación de la señal en la etapa de acondicionamiento de señal. En algunos transductores , el acondicionamiento de señal está integrado con el sensor, por ejemplo en sensores de efecto Hall .

En electrónica de potencia , antes de procesar las señales de entrada detectadas por sensores como el sensor de voltaje y el sensor de corriente, el acondicionamiento de señales escala las señales a un nivel aceptable para el microprocesador.

Las entradas de señal aceptadas por los acondicionadores de señal incluyen voltaje y corriente de CC, voltaje y corriente de CA, frecuencia y carga eléctrica . Las entradas de sensor pueden ser acelerómetro , termopar , termistor , termómetro de resistencia , galga extensométrica o puente y LVDT o RVDT . Las entradas especializadas incluyen codificador, contador o tacómetro , temporizador o reloj, relé o interruptor y otras entradas especializadas. Las salidas para equipos de acondicionamiento de señal pueden ser voltaje, corriente, frecuencia, temporizador o contador, relé, resistencia o potenciómetro y otras salidas especializadas.

El acondicionamiento de señales puede incluir amplificación , filtrado , conversión, adaptación de rango, aislamiento y cualquier otro proceso necesario para que la salida del sensor sea adecuada para el procesamiento después del acondicionamiento.

Utilice el acoplamiento de CA cuando la señal contenga un componente de CC grande. Si habilita el acoplamiento de CA, eliminará la gran compensación de CC para el amplificador de entrada y amplificará solo el componente de CA. Esta configuración hace un uso eficaz del rango dinámico del ADC

El filtrado es la función de acondicionamiento de señales más común, ya que normalmente no todo el espectro de frecuencias de la señal contiene datos válidos. Por ejemplo, las líneas eléctricas de CA de 50 o 60 Hz, presentes en la mayoría de los entornos, inducen ruido en las señales que puede causar interferencias si se amplifican.

La amplificación de señal realiza dos funciones importantes: aumenta la resolución de la señal de entrada y aumenta su relación señal-ruido. ^{[ cita requerida ]} Por ejemplo, la salida de un sensor de temperatura electrónico , que probablemente está en el rango de milivoltios, es probablemente demasiado baja para que un convertidor analógico a digital (ADC) la procese directamente. ^{[ cita requerida ]} En este caso, es necesario llevar el nivel de voltaje al requerido por el ADC .

Los amplificadores comúnmente utilizados para el acondicionamiento de señales incluyen amplificadores de muestreo y retención , detectores de picos, amplificadores logarítmicos, amplificadores antilogarítmicos, amplificadores de instrumentación y amplificadores de ganancia programables. ^[1]

La atenuación, lo opuesto a la amplificación, es necesaria cuando los voltajes que se van a digitalizar están fuera del rango del ADC. Esta forma de acondicionamiento de señal disminuye la amplitud de la señal de entrada para que la señal acondicionada esté dentro del rango del ADC. La atenuación suele ser necesaria cuando se miden voltajes superiores a 10 V.

Algunos sensores requieren una fuente de excitación de corriente o voltaje externo. Estos sensores se denominan sensores activos (por ejemplo, un sensor de temperatura como un termistor y RTD, un sensor de presión (piezorresistivo y capacitivo), etc.). La estabilidad y precisión de la señal de excitación se relaciona directamente con la precisión y estabilidad del sensor.

La linealización es necesaria cuando los sensores producen señales de voltaje que no están relacionadas linealmente con la medición física. La linealización es el proceso de interpretación de la señal del sensor y se puede realizar con acondicionamiento de señal o mediante software.

El aislamiento de la señal se puede utilizar para pasar la señal desde la fuente hasta el dispositivo de medición sin una conexión física. A menudo se utiliza para aislar posibles fuentes de perturbaciones de la señal que, de otro modo, podrían seguir la ruta eléctrica desde el sensor hasta el circuito de procesamiento. En algunas situaciones, puede ser importante aislar el equipo potencialmente costoso que se utiliza para procesar la señal después del acondicionamiento del sensor.

Se puede utilizar aislamiento magnético u óptico. El aislamiento magnético transforma la señal de voltaje a campo magnético para que la señal pueda transmitirse sin conexión física (por ejemplo, mediante un transformador). El aislamiento óptico funciona utilizando una señal electrónica para modular una señal codificada por transmisión de luz (codificación óptica). La transmisión de luz decodificada se utiliza luego como entrada para la siguiente etapa de procesamiento.

Un protector contra sobretensiones absorbe los picos de voltaje para proteger la siguiente etapa contra daños.