Luxometro CIA

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Circuitos Integrados Analgicos

24-11-08

ITSON

Circuitos Integrados Analgicos

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MEDIDOR DE DENSIDAD LUMINOZA (LUXOMETRO)INTRODUCCIN Los amplificadores operacionales se utilizan por lo general para la amplificacin y medida de las seales elctricas de los detectores. En las seales, que muchas veces dependen de la concentracin en instrumentos analticos, son de intensidad, potencial y carga. Este apartado incluye aplicaciones sencillas de los amplificadores operacionales para la medida de cada tipo de seal. La medida exacta de pequeas intensidades es importante en distintos mtodos analticos como la voltamperometra, la culombimetra, la fotometra y los detectores de ionizacin muy utilizados en cromatografa de gases. Una preocupacin importante que se plantea en todas las medidas fsicas, incluyendo la de la intensidad, es si el proceso de medida alterar significativamente, por s mismo, la seal que se mide, produciendo de esta forma un error de carga. Es inevitable que cualquier proceso de medida perturbe el sistema en estudio, de modo que la cantidad realmente medida difiera del valor inicial antes de la medida. Se debe intentar asegurar que la perturbacin sea pequea. Para una medida de intensidad, esta consideracin requiere que la resistencia interna del dispositivo de medida se minimice, de forma que no altere significativamente la intensidad.

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RESUMENEn el presente proyecto se pretende realizar el diseo de un instrumento de medicin analgico con despliegue digital capaz de medir la densidad luminosa comprendida entre los (0X10 a 450X10) Lux. El proyecto consta de 4 etapas, la primera es la etapa de transduccin compuesta por un sensor del tipo fotodiodo modelo BPW34 el cual fue caracterizado para escoger el rango de trabajo anteriormente mencionado basado en la funcin de transferencia de dicho sensor con ayuda de en un patrn de referencia el cual fue un luxmetro.

La segunda etapa consta de un convertidor de corriente a voltaje el cual fue diseado para transformar nuestra salida de corriente generada por nuestro sensor a un voltaje proporcional a dicha corriente para posteriormente procesar nuestra seal en una tercera etapa.

La tercera etapa consta de un amplificador instrumentacin el cual nos proporciona un CMRR muy alto para eliminar cualquier ruido presente, un control de ganancia para adecuar nuestra seal y una inversin de fase para as poder introducirla a la ltima etapa de nuestro instrumento y desplegar nuestro valor esperado indicado por nuestro patrn.

Por ltimo la cuarta etapa consta de un convertidor analgico a digital (ADC) de doble integracin con despliegue a 7 segmentos en un encapsulado de 40 pines de la marca microchip modelo TC7107 el cual hace dicha conversin y despliegue con una resolucin de 1mV.

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ANTECEDENTES TEORICOS.Densidad Luminosa La densidad de radiacin afectada por el coeficiente de iluminacin relativa es la densidad luminosa. Su unidad es el Lux (lx), definido como 1 lmen/m2, o lo que es lo mismo: 1 candela sr / m2. Esta magnitud recibe otros nombres: iluminacin (densidad luminosa incidente), iluminancia y radiancia (densidad luminosa emitida). Es la proporcionada por los instrumentos de medicin de luz utilizados en fotografa (fotmetros). La densidad luminosa es la que conocemos vulgarmente como "iluminacin". En este sentido decimos que un sitio est bien o mal iluminado segn sea su densidad luminosa. La tabla#1 muestra algunos valores tpicos de densidad luminosa:Fuente de iluminacin densidad luminosa lx Mximo de luz solar Da nublado Luz de plenilunio Luz de las estrellas 100.000 10.000 0,2 0,0003

TABLA#1 Valores de densidad luminosa tpicos

Convertidor de Corriente a Voltaje. Se puede obtener fcilmente un dispositivo de baja resistencia para la medida de la intensidad eliminando la resistencia Rt en la Figura 3-4 y usando como seal de entrada la corriente que hay que medir. En la Figura 3-8 se muestra una disposicin de este tipo, en la que una pequea corriente continua Ix, se genera en un fototubo y un detector que convierte energa radiante como la luz en una corriente elctrica. Cuando el ctodo del fototubo se mantiene a un potencial cercano a -90 V, la absorcin de radiacin por su superficie da lugar a la emisin de electrones que son acelerados hacia el nodo que es el filamento, originndose una corriente que es directamente proporcional a la potencia del haz radiante. Si las conclusiones obtenidas en el tratamiento de la re alimentacin se aplican a este circuito, se puede escribir:Ix = I f +Is I f

Adems, el punto S est en una Toma de tierra virtual, de modo que la tensin Vo corresponde a la diferencia de potencial en bornes de la resistencia Rf. Por tanto, mediante la ley de Ohm:

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Circuitos Integrados AnalgicosVo = f R f = x R f I I

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YIx = Vo = KV o Rf

As pues, la medida del potencial Va da la intensidad, siempre que se conozca Rf. Aumentando razonablemente el valor de Rf es posible medir con exactitud intensidades pequeas. Por ejemplo, si Rf es 100 kohm, una intensidad de 1uA produce un potencial de salida de 0,1 V, una cantidad que se mide fcilmente con un elevado grado de exactitud y de precisin. Como se muestra en el siguiente ejemplo, una propiedad importante del circuito de la Figura 3-8 es su baja resistencia en relacin a la corriente del detector. Por lamo, el medidor no es gobernado por el detector sino por la corriente amplificada de la fuente de alimentacin externa del amplificador operacional. El resultado es un error de medida mnimo.

INSTRUMENTACIN

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Se trata de un amplificador operacional cuyas caractersticas son extremadamente ms buenas y muchsimo ms preciso que el amplificador operacional digamos normal se utiliza para procesar seales de pequea magnitud pero que debido a su gran importancia deben ser convenientemente tratadas. El amplificador de instrumentacin es un amplificador diferencial tensin-tensin cuya ganancia puede establecerse de forma muy precisa y que ha sido optimizado para que opere de acuerdo a su propia especificacin an en un entorno hostil. Es un elemento esencial de los sistemas de medida, en los que se ensambla como un bloque funcional que ofrece caractersticas funcionales propias e independientes de los restantes elementos con los que interacciona. Para ello, se le requiere: a) Tengan unas caractersticas funcionales que sean precisas y estables. b) Sus caractersticas no se modifiquen cuando se ensambla con otros elementos. A los amplificadores de instrumentacin se les requieren las siguientes caractersticas: 1) Son amplificadores diferenciales con una ganancia diferencial precisa y estable, generalmente en el rango de 1 a 1000. 2) Su ganancia diferencial se controlada mediante un nico elemento analgicos (potencimetro resistivo) o digital (conmutadores) lo que facilita su ajuste. 3) Su ganancia en modo comn debe ser muy baja respecto de la ganancia diferencial, esto es, debe ofrecer un CMRR muy alto en todo el rango de frecuencia en que opera. 4) Una impedancia muy alta para que su ganancia no se vea afectada por la impedancia 5) Una impedancia de salida muy baja para que su ganancia no se vea afectada por la carga que se conecta a su salida. 6) Bajo nivel de la tensin de offset del amplificador y baja deriva en el tiempo y con la temperatura, a fin de poder trabajar con seales de continua muy pequeas. 7) Una anchura de banda ajustada a la que se necesita en el diseo. 8) Un factor de ruido muy prximo a la unidad, Esto es, que no incremente el ruido. 9) Una razn de rechazo al rizado a la fuente de alimentacin muy alto.

CONVERTIDOR ANALGICO A DIGITAL (ADC) DE DOBLE INTEGRACIN.ITSON

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El circuito es el de la figura siguiente:

El sistema funciona en dos partes en el tiempo proporcionando dos rampas distintas. 1. La entrada es la seal analgica VA que se desea digitalizar. Dura un tiempo fijo tF. 2. Tiene como entrada -VREF y el tiempo es variable. Se supone VA>0. Durante el primer perodo de tiempo la salida ser: VI = VA t RC

Ya que el condensador est descargado al comenzar la conversin mediante el interruptor que tiene en paralelo. En el segundo tramo, al conmutar la entrada sta se hace negativa lo que implica una pendiente positiva. Sin considerar las condiciones inciales la salida sera: VI = ( VREF ) V t = REF t RC RC

Y teniendo en cuenta las condiciones inciales: V V VI = A t F REF t RC RC La condicin de final de segunda rampa se tendr cuando la salida sea nula. V V V 0 = A t F REF t t = A t F = t x RC RC VREF Se puede encontrar una expresin de esta ecuacin en la que, eliminando el tiempo, se introduzcan los pulsos de reloj. Si f es la frecuencia de reloj, su perodo ser la inversa de la frecuencia y se puede escribir:t x = n xT y t F = nF T

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Siendo nx, nF el nmero de pulsos en el contador transcurridos en un tiempo tx, tF respectivamente. Por tanto, en valores del contador la expresin ser: V n x = A nF VREF nx depende de VREF externa y de nF que es el nmero fijo de pulsos de reloj que se puede fijar sin problema. La nica condicin a pedir al sistema es que el reloj debe tener una frecuencia constante durante el tiempo de conversin. Los convertidores de este tipo son lentos: unas 30-40 conversiones por segundo, es decir de 30-40 mseg lo cual permite que el oscilador se muy sencillo del tipo RC. Este convertidor es til ya que adems de tener una dependencia baja de la salida con la entrada, permite conseguir alta resolucin (24 bits o algo ms). Sin embargo esta alta resolucin puede presentar problemas de