2.2 Acondicionamiento de señales

La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación a estas modificaciones se les designa en general con el término acondicionamiento de señal.

Interconectándose con un microprocesador
Los dispositivos de entrada y de salida están conectados con un sistema de microprocesador mediante puertos. El término interfaz se refiere a un elemento que se usa para interconectar diversos dispositivos y un puerto. Existen así entradas de sensores, interruptores y teclados, y salidas para indicadores y actuadores.
Los microprocesadores requieren entradas de tipo digital; por ello, cuando un sensor produce una salida analógica, es necesaria una conversión de señal analógica a digital.
Hay también que considerar la salida del microprocesador, quizás para operar un actuador. Aquí también es necesaria una interfaz adecuada.

Procesos del acondicionamiento de señales
Los siguientes son algunos de los procesos que se pueden presentar en el acondicionamiento de una señal:
1.    Protección
2.    Convertir una señal en un tipo de señal adecuado
3.    Obtención del nivel adecuado de la señal.
4.    Eliminación o reducción del ruido
5.    Manipulación de la señal

El amplificador operacional
El fundamento de numerosos módulos para acondicionamiento de señal es el amplificador operacional. Este es un amplificador de alta ganancia de cd, en general de 100 000 o más, y está disponible como circuito integrado en chips de silicio. Tiene dos entradas: entrada inversora (—) y entrada no inversora (+). La salida depende de cómo se hagan las conexiones de estas entradas. Además de las anteriores, el amplificador operacional tiene otras entradas: una alimentación de voltaje negativo, una alimentación de voltaje positivo y dos entradas conocidas como nulo del voltaje de desvío, cuyo propósito es activar las correcciones que se deben hacer por el comportamiento no ideal del amplificador.

Amplificador inversor

Amplificador no inversor

Amplificador sumador

Amplificador diferencial

Comparador
Un comparador indica cuál de dos voltajes es mayor, y con ese fin se puede utilizar un amplificador operacional sin retroalimentación u otras componentes. Uno de los voltajes se aplica a la entrada inversora y el otro a la entrada no inversora. Cuando las dos entradas son iguales no hay salida. Sin embargo, cuando la entrada no inversora es mayor que la inversora por una cantidad mayor a una pequeña fracción de volt, la salida salta a un voltaje de saturación positivo estable, en general de +10 V. Cuando la entrada inversora es mayor que la no inversora  la salida salta a un voltaje de saturación negativo estable, casi siempre de-10 V. Este tipo de circuito puede determinar en qué momento un voltaje rebasa cierto nivel, y la salida quizá se utilicen  para iniciar una acción.

Protección
Existen diversas situaciones en las que la conexión de un sensor con la unidad siguiente, por ejemplo un microprocesador. Para protegerse contra corrientes grandes en la línea de entrada se incorpora una serie de resistencias que limiten la corriente a un nivel aceptable y un fusible que se funda cuando la corriente excede un nivel seguro. Contra altos voltajes y polaridades equivocadas se utiliza un circuito con diodo Zener.
 Los diodos Zener se comportan como diodos comunes hasta que se pre­senta un voltaje de ruptura, a partir del cual se convierten en conductores.
En algunas situaciones es deseable aislar del todo los circuitos y eliminar todas las conexiones eléctricas entre ellos. Para ello se utiliza un optoaislador.

Filtrado
El término filtrado se refiere al proceso de eliminación de cierta banda de frecuencias de una señal y permite que otras se transmitan. El rango de frecuencias que pasa un filtro se conoce como banda de paso, y el que no pasa como banda de supresión; la frontera entre lo que se suprime y lo que se pasa se conoce como frecuencia de corte. Los filtros se clasifican de acuerdo con los rangos de frecuencia que transmiten o rechazan.
El término pasivo describe un filtro en el cual sólo hay resistencias  capacitores e inductores. El término activo se refiere a un filtro en el que también hay un amplificador operacional. Los filtros pasivos tienen la desventaja de que la corriente que absorbe el siguiente elemento puede modificar la característica de frecuencia del filtro. Estos problemas no se presentan en los filtros activos.acción.

Señales digitales
La salida que produce la mayoría de los sensores en general es de tipo analógico. Cuando un microprocesador forma parte del sistema de medición o de control, es necesario convertir la salida analógica del sensor a una forma digital antes de alimentarla al microprocesador  Por otra parte, la mayoría de los actuadores funcionan con entradas analógicas, por lo que la salida digital de un microprocesador debe convertirse a su forma analógica antes de utilizarla como entrada del actuador.
El sistema binario se basa sólo en dos símbolos o estados: 0 y 1. A éstos se les conoce como dígitos fonarios o bits.

Multiplexores
Un multiplexor es un circuito que puede recibir datos provenientes de diversas fuentes para después al seleccionar un canal de entrada, producir una salida correspondiente a sólo uno de ellos. En las aplicaciones en que se necesita hacer mediciones en diversas ubicaciones  en vez de utilizar un CAD y un microprocesador para cada medición que se realiza, se usa un multiplexor para seleccionar cada entrada en tumo y conmutarlas a través de un solo CAD y un micro-procesador. El multiplexor es, en esencia, un dispositivo de conmutación electrónica con el que las entradas se muestrean por turno.Existen multiplexores analógicos, digitales y por división de tiempo.

Adquisición de datos
El término adquisición de datos, o AD, describe el proceso que consiste en tomar datos de los sensores e introducirlos en una computadora para procesarlos. Los sensores están conectados, por lo general después de someterlos a un acondicionamiento de señal, a una tablilla de adquisición de datos conectada en la parte posterior de una computadora. Se trata de una tablilla de circuito impreso que, para entradas analógicas, cuenta con circuitos para realizar funciones de multiplexión, amplificación, conversión analógica a digital, registro y control, a fin de alimentar las señales digitales muestreadas en el sistema de computación. El software de la computadora controla los datos de adquisición a través de la tablilla de AD

Procesamiento de  señales digitales                               
El término procesamiento de señales digitales o procesamiento de señales de tiempo discreto se refiere al procesamiento que realiza el microprocesador de una señal. Las señales digitales son señales de tiempo discreto, es decir, no son continuas en función del tiempo, sino que existen sólo en momentos discontinuos o discretos. En el acondicionamiento de señales analógicas se necesitan componentes como amplificadores y circuitos filtro, en cambio, el acondicionamiento de una señal digital se puede llevar a cabo mediante un programa en un microprocesador, es decir, se procesa la señal. Para modificar las características de un filtro usado para señales analógicas es necesario cambiar las componentes de hardware; mientras que, para modificar las características de un filtro digital basta cambiar el software, es decir, el programa de instrucciones del microprocesador.
En la entrada de un sistema de procesamiento de señales digitales se recibe una palabra que representa la magnitud de un impulso y se produce la salida de una palabra distinta. Con base en el impulso de salida de un determinado instante, el sistema hace un cálculo que es el resultado del procesamiento de la entrada del presente impulso así como el producto de entradas de impulsos anteriores y, quizás, de salidas anteriores del sistema.

Modulación por pulsos
Un problema frecuente en la transmisión de señales de cd de bajo nivel generadas por sensores es que la ganancia del amplificador operacional usado para amplificar estas señales puede experimentar un desplazamiento o deriva, al igual que la salida. Este problema se puede corregir con una señal que sea una secuencia de impulsos en vez de una señal continua en el tiempo.