Fundamentos básicos de la cadena de señal
En el segundo blog de esta serie sobre la ingeniería analógica, explicaremos cuál es la función de la cadena de señal analógica y repasaremos las especificaciones más importantes de sus componentes.
Imagen 1: esquema de la cadena de señal analógica.
Varios de los dispositivos electrónicos que usamos y necesitamos a diario no funcionarían sin el uso de señales de entrada del mundo real diseñadas por ingenieros electrónicos.
¿Qué es la cadena de señal analógica?
La cadena de señal analógica (imagen 1) está compuesta por cuatro elementos principales: sensores, amplificadores, filtros y convertidores de datos (CAD). Estos elementos se utilizan para detectar y preparar las señales analógicas, así como para convertirlas a un formato digital adecuado, de modo que un microcontrolador u otro sistema de control digital puedan procesarlas.
Sensores
El primer elemento en la cadena de señal analógica es el sensor (a menudo llamado transductor), que detecta la señal de entrada y la convierte en energía eléctrica, normalmente en forma de tensión o corriente analógica. Los sensores funcionan según diversos principios físicos. Estos son algunos ejemplos:
- Temperatura: termopares y detectores de temperatura resistivos (RTD).
- Presión: galga extensométrica o membranas capacitivas.
- Frecuencia cardiaca: electrodos ECG.
- Luz: fotorresistencias.
- Sonido: micrófonos.
En los sensores con salida de tensión, el rango suele oscilar entre unos pocos microvoltios (uV) y varios milivoltios (mV), lo que significa que la señal es muy sensible a interferencias de fuentes de ruido eléctrico no deseadas. El ruido puede provenir de muchas direcciones; sin embargo, en términos generales, se clasifica como interferencia electromagnética (EMI, por sus siglas en inglés) o interferencia por radiofrecuencia (RFI). Para evitar este fenómeno, la salida del sensor se suele sacar de la diferencia entre dos terminales (el valor diferencial); de este modo, las señales de ruido comunes en ambos terminales se descartan.
Amplificadores
El segundo componente en la cadena de señal es el amplificador (diferencial), un circuito electrónico que aumenta la magnitud de la salida del sensor con un factor de escala (A) según la siguiente fórmula, donde A se denomina ganancia.
Necesitamos un amplificador porque la señal del sensor suele ser demasiado pequeña como para que el convertidor analógico-digital (CAD) la pueda convertir en digital al final de la cadena. El amplificador aumenta la amplitud de la señal hasta un nivel que el CAD pueda leer eficazmente. La tensión de salida máxima que puede generar un amplificador está muy cerca del nivel de su tensión de alimentación.
Otro factor importante que influye en el diseño y la selección de componentes es la relación señal/ruido (SNR). La SNR se mide en decibelios y representa la relación entre la fuerza de la señal y el ruido no deseado. Si el valor de SNR (en decibelios) es alto, la señal es potente y puede soportar los efectos del ruido.
En muchas aplicaciones, se utiliza un amplificador de ganancia programable (AGP) junto con un circuito de control automático de ganancia (CAG), que aumenta o disminuye dinámicamente la ganancia del amplificador si la magnitud de la señal del sensor no está dentro del rango esperado (por razones ambientales o de otro tipo). Si la señal del sensor es demasiado alta, el amplificador podría saturarse, e intentaría generar una señal de salida más alta de lo que es físicamente posible.
Filtros
Tras la amplificación, la señal del sensor debe pasar por un circuito de filtrado analógico para eliminar los componentes de frecuencia no deseados. Las tres categorías principales de circuitos de filtrado analógico son las siguientes:
- Filtro de paso bajo (elimina las señales de alta frecuencia).
- Filtro de paso alto (elimina las señales de baja frecuencia).
- Filtro de paso de banda (solo permite el paso de señales que estén en un rango de frecuencia determinado).
Los circuitos de filtro se diseñan usando una combinación de condensadores, resistencias y amplificadores operacionales (imagen 2).
Imagen 2: circuito de filtro de paso bajo con un amplificador operacional.
Algunas de las especificaciones de rendimiento más importantes en los filtros son las siguientes:
- Ancho de banda del filtro: el rango de frecuencias que un circuito deja pasar sin reducir la amplitud (atenuación); la frecuencia (o frecuencias) de corte de 3dB es el nivel en el que la señal de salida cae hasta la mitad del nivel de la señal de entrada.
- Desplazamiento (roll-off): la tasa de atenuación o la rapidez con la que el filtro discrimina los elementos de frecuencia no deseados en la entrada; se mide en decibelios por década. Los filtros con un desplazamiento más rápido requieren más componentes, lo que aumenta la complejidad y el coste.
- Fase: el retardo relativo entre las señales de entrada y salida; es un factor importante si se utiliza un bucle de realimentación en la cadena de señal, ya que puede afectar a la estabilidad del bucle.
Convertidor analógico-digital (CAD)
El último componente entre la señal analógica y la digital es el convertidor analógico-digital (CAD). Para que un CAD produzca una representación digital precisa de la señal analógica, debe tomar muestras a un ritmo equivalente al doble de la frecuencia más alta de la señal (llamada frecuencia de Nyquist). Para lograr esto, se utiliza un circuito de «muestreo y retención» que mide periódicamente la tensión de entrada analógica y la mantiene a un nivel constante el tiempo necesario para que el CAD haga la conversión, hasta pasar a la siguiente muestra.
El siguiente paso en el proceso de conversión es la cuantificación: la tensión usada para el muestreo se compara con un número fijo de valores discretos, cada uno representado por un código digital único. Por ejemplo, un CAD de cuatro bits tiene dieciséis (16) niveles discretos disponibles para representar una muestra. Los CAD con más bits tienen una mejor resolución (precisión), ya que utilizan más valores discretos (la resolución se duplica por cada bit añadido). Las arquitecturas más comunes en los CAD son las siguientes:
- Registro de aproximación sucesiva (SAR).
- Sigma Delta.
- Flash.
- Pipeline.
Conclusión
La cadena de señal analógica es el conjunto de circuitos necesarios para detectar y preparar las señales analógicas, así como para convertirlas a un formato digital. La industria electrónica depende de ingenieros con los conocimientos y la experiencia necesarias en el campo de los circuitos analógicos, a fin de diseñar productos que ofrezcan un rendimiento fiable y eficaz.
No se pierda el próximo blog: Recursos y herramientas para el diseño analógico.
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