UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA VICE RECTORADO ACADEMICO DECANATO DE DOCENCIA

DEPARTAMENTO:

INGENIERIA ELECTRONICA

NUCLEO:

INSTRUMENTACION, CONTROL Y SEÑALES

ASIGNATURA:

INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

CODIGO: 0232

HORAS/SEMANA:

3

TEORIA:

2

LABORATORIO:

3

PRACTICA:

1

U.C.:

PRE-REQUISITO:

CO-REQUISITO:

03

CODIGO:

NOMBRE:

MICROPROCESADORES

Componente Curricular: Formación Profesional

SEMESTRE:

X

ESPECIALIDAD:

INGENIERIA ELECTRONICA

VIGENCIA:

Febrero 2005

OBJETIVOS GENERALES:

Al finalizar el curso el estudiante será capaz de:

1. Diseñar y construir sistemas de instrumentación electrónica digital.

2. Seleccionar sensores de acuerdo a las características de las señales físicas a medir.

3. Determinar las características estáticas y dinámicas de los sensores.

4. Diseñar y construir circuitos de acondicionamiento de señal para sensores.

5. Diseñar y construir hardware de adquisición de datos para adquirir y procesar las señales físicas.

6. Identificar las principales fuentes de ruido y los métodos de reducirlas.

UNIDAD I: Elementos de un sistema de instrumentación electrónica
Objetivos específicos	Contenidos
1. Identificar y definir cada uno de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. 2. Describir las características estáticas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. 3. Describir las características dinámicas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica. 4. Obtener las características estáticas y dinámicas de los elementos de un sistema de instrumentación electrónica a partir de datos del fabricante, experimentales u otros.	– Elementos de un sistema de instrumentación electrónica: sensor y transductor, acondicionador de señal, línea de transmisión de señal, procesador de señal, presentador de datos. – Características estáticas: alcance, exactitud, intervalo, linealidad, sensibilidad, histéresis, resolución, repetibilidad. – Características dinámicas: sistemas de orden cero, primero y segundo orden, función de transferencia, error dinámico.

UNIDAD II: Acondicionamiento de señal
Objetivos específicos	Contenidos
1. Analizar el circuito divisor de voltaje con sensor resistivo. 2. Analizar el circuito potenciómetro 3. Determinar los circuitos equivalentes Thévenin de circuitos divisor de voltaje y potenciómetro. 4. Analizar la linealidad y la sensibilidad en circuitos divisor de voltaje y potenciómetro. 5. Analizar el circuito puente de Wheastone con uno, dos o cuatro sensores resistivos en el puente. 6. Deducir las expresiones del voltaje de salida para distintas configuraciones de circuitos puente. 7. Deducir las expresiones de sensibilidad y linealidad para distintas configuraciones de circuitos puente. 8. Analizar la compensación de señales de influencia al sensor en los circuitos puente. 9. Analizar los medios de eliminar el efecto de los conductores de alimentación en los circuitos puente. 10.Dado un circuito puente de corriente continua, determinar parámetros tales como impedancia de entrada y salida, voltaje de salida, sensibilidad, linealidad etc. a partir de los parámetros del circuito. 11.Dado un circuito puente de corriente alterna, determinar parámetros tales como impedancia de entrada y salida, voltaje de salida, respuesta en frecuencia etc. a partir de los parámetros del circuito. 12.Describir las características generales de los amplificadores operacionales. 13.Identificar los tipos de configuraciones y características de circuitos amplificadores desarrolladas con amplificadores operacionales realimentados. 14.Analizar los efectos de las corrientes de polarización, desviación de voltaje y ruido en la medición en circuitos con amplificadores operacionales. 15.Dado un circuito con amplificadores operacionales calcular parámetros tales como impedancia de entrada, impedancia de salida, ganancia, voltaje de salida, etc. a partir de los parámetros del circuito. 16.Identificar las características, circuito, relación de rechazo de modo común de un amplificador de instrumentación. 17.Dado un circuito amplificador de instrumentación determinar parámetros tales como impedancia de entrada, salida, voltaje de salida etc. a partir de los parámetros del circuito. 18.Describir las características de un filtro. 19.Analizar circuitos de filtros pasivos y activos. 20.Utilizando Matlab o LabVIEW determinar la respuesta en frecuencia en magnitud y fase para distintas configuraciones de filtros. 21.Desarrollar simulaciones de circuitos de acondicionamiento de señal en la computadora utilizando el software Matlab o LabVIEW. 22.Diseñar y construir circuitos de acondicionamiento de señal con puentes de Wheastone y amplificadores operacionales que cumplan con determinadas condiciones de entrada y salida.	– Circuito divisor de voltaje, circuito potenciómetro puente con resistencias: impedancia de salida, voltaje Thévenin, linealidad, sensibilidad, compensación de señales de influencia y efecto de los conductores de alimentación. – Circuitos puente inductivos y capacitivos de corriente alterna. – Características generales de los amplificadores operacionales: impedancia de entrada, impedancia de salida, ganancia y respuesta en frecuencia. – Circuitos con amplificadores operacionales realimentados: amplificador inversor, no inversor, diferencial, seguidor de voltaje, sumador, integrador, derivador. – Amplificador de instrumentación: características, circuito con tres amplificadores operacionales, relación de rechazo de modo común. – Características de los filtros: banda de paso, banda de rechazo, zona de transición. – Filtros pasivos y activos: pasa bajas, pasa altas, rechaza banda, pasa banda, repuesta en frecuencia en amplitud y fase. – Simulación con la computadora de problemas relacionados con circuitos de acondicionamiento de señal.

UNIDAD III: Sensores resistivos
Objetivos específicos	Contenidos
1. Clasificar los sensores por principio físico. 2. Describir el principio físico de un potenciómetro. 3. Analizar el efecto de la carga, la temperatura y de los conductores de alimentación en circuitos con potenciómetro. 4. Dado un circuito con potenciómetro, determinar parámetros tales como impedancia de entrada y salida, voltaje de salida, sensibilidad, linealidad etc. a partir de los parámetros del circuito. 5. Deducir las expresiones del voltaje de salida, impedancia de entrada y salida, sensibilidad, linealidad, desplazamiento entre otras para circuitos con potenciómetros. 6. Conocer valores de los parámetros típicos de un potenciómetro. 7. Describir el principio físico de un detector de temperatura de resistencia metálica (RTD). 8. Describir los circuitos de alimentación utilizados con RTD. 9. Analizar el efecto de autocalentamiento en la medición de temperatura con RTD. 10.Analizar el efecto de los conductores de alimentación en la medición de temperatura con RTD. 11.Dado un circuito con RTD, determinar parámetros tales como impedancia de entrada y salida, voltaje de salida, sensibilidad, linealidad, temperatura etc. a partir de los parámetros del circuito. 12.Deducir las expresiones del voltaje de salida, impedancia de entrada y salida, sensibilidad, linealidad, temperatura entre otras para circuitos con RTDs. 13.Conocer valores de parámetros típicos de un RTD. 14.Enunciar las ventajas y desventajas de los RTDs. 15.Describir el principio físico de un termistor. 16.Describir los circuitos de alimentación utilizados con termistores. 17.Analizar el efecto de autocalentamiento y de los conductores de alimentación en la medición con termistores. 18.Dado un circuito con termistor, determinar parámetros tales como impedancia de entrada y salida, voltaje de salida, sensibilidad, linealidad, temperatura etc. a partir de los parámetros del circuito. 19.Deducir las expresiones del voltaje de salida, impedancia de entrada y salida, sensibilidad, linealidad, temperatura entre otras para circuitos con termistores. 20.Conocer los tipos de termistores. 21.Conocer valores de los parámetros típicos de un termistor. 22.Enunciar las ventajas y desventajas de los termistores. 23.Describir el principio físico de una galga extensiométrica. 24.Definir factor de galga, módulo de Young, deformación, coeficiente de Poisson. 25.Conocer los distintos tipos de galgas. 26.Conocer valores de los parámetros típicos de galgas. 27.Analizar las distintas aplicaciones de galgas para medir fuerza, par y presión. 28.Analizar los circuitos puente con una, dos y cuatro galgas. 29.Analizar la compensación de temperatura y de los conductores de alimentación en un circuito puente con una, dos y cuatro galgas. 30.Dado un circuito con galgas extensiométricas, determinar parámetros tales como impedancia de entrada y salida, voltaje de salida, sensibilidad, linealidad, deformación etc. a partir de los parámetros del circuito. 31.Deducir las expresiones del voltaje de salida, impedancia de entrada y salida, sensibilidad, linealidad, deformación entre otras para circuitos con galgas extensiométricas. 32.Desarrollar simulaciones en la computadora usando el software LabVIEW o Matlab relacionadas con las características estáticas y dinámicas de sensores resistivos. 33.Desarrollar simulaciones en la computadora de circuitos de acondicionamiento de señal para sensores resistivos usando el software LabVIEW o Matlab. 34.Diseñar y construir circuitos de acondicionamiento de señal para sensores resistivos que cumplan con determinadas condiciones de entrada y salida.	– Sensores: resistivos, autogeneradores, reactancia variable, electromagnéticos, digitales. – Circuitos con potenciómetros: linealidad y compensación de temperatura, efecto de carga, efecto de los conductores de alimentación. – Potenciómetro: principio físico, valores de sus parámetros típicos. – Detectores de temperatura de resistencia metálica (RTD): principio de funcionamiento, circuitos de alimentación, compensación de temperatura, compensación de la caída de voltaje de los conductores, parámetros típicos, ventajas y desventajas. – Termistores: principio físico, circuitos de alimentación, compensación de temperatura, compensación de la caída de voltaje de los conductores, parámetros típicos, ventajas y desventajas. – Galgas extensiométricas: principio físico, factor de galga, módulo de Young, deformación, coeficiente de Poisson, circuitos puente con galgas: compensación de temperatura y caída de voltaje de los conductores, tipos y aplicaciones de las galgas para medir fuerza, par y presión. – Simulación con la computadora de problemas relacionados con el uso de sensores resistivos.

UNIDAD IV: Sensores autogeneradores, de corriente alterna y digitales.
Objetivos específicos	Contenidos
1. Identificar los sensores autogeneradores. 2. Describir el principio físico de funcionamiento de una termocupla. 3. Identificar las características de los diferentes tipos de termocuplas. 4. Analizar los métodos de compensación de temperatura de la unión de referencia. 5. Enunciar las ventajas y desventajas de las termocuplas. 6. Determinar a partir de datos experimentales, del fabricante u otros las curvas de calibración, sensibilidad, linealidad para los distintos tipos de termocuplas. 7. Determinar en la computadora usando el software LabVIEW o Matlab a partir de datos experimentales, del fabricante u otros, las curvas de calibración, sensibilidad, linealidad para los distintos tipos de termocuplas. 8. Analizar los medios de eliminar la desviación inicial de voltaje, lazos de tierra y señales de modo común en los circuitos de amplificación para termocuplas. 9. Resolver problemas de medición de temperaturas con termocuplas. 10. Diseñar y construir circuitos de medición de temperatura usando termocuplas. 11. Describir el principio de funcionamiento de un sensor piezoeléctrico. 10. 12. Identificar la función de transferencia de un sensor piezoeléctrico. 13. Analizar el circuito amplificador de carga para sensores piezoeléctricos. 14. Resolver problemas de medición con sensores piezoeléctricos. 15. Describir el principio de funcionamiento y características de los sensores de reactancia variable y electromagnética. 16. Revisar diferentes aplicaciones de los sensores de reactancia variable y electromagnética. 17. Analizar los circuitos de acondicionamiento de señal utilizados con sensores de corriente alterna. 16. Resolver problemas de medición con sensores de corriente alterna. 17. Diseñar y construir circuitos de medición usando sensores de corriente alterna. 18. Analizar los distintos principios de funcionamiento de sensores digitales. 18. Identificar los tipos de sensores digitales. 19. Resolver problemas de medición usando sensores digitales. 20. Diseñar y construir circuitos de medición usando sensores digitales.	– Sensores autogeneradores: termocuplas, sensores piezoeléctricos. – Termocuplas: principio de funcionamiento, tipos de termocuplas, ventajas y desventajas, métodos de compensación de temperatura. – Sensores piezoeléctricos: principio de funcionamiento, características estáticas y dinámicas. – Sensores de corriente alterna: reactancia variable: capacitivos e inductivos, transformador diferencial lineal de voltaje (TDLV); sensores electromagnéticos: tacogenerador. – Sensores digitales: codificadores (encoders), principios de funcionamiento, tipos.

UNIDAD V: Adquisición digital de datos
Objetivos específicos	Contenidos
1. Identificar los elementos de un sistema de adquisición de datos digital. 2. Describir las características de un circuito multiplexor. 3. Describir las características de un circuito muestreador-retentor. 4. Describir las características y tipos de convertidor digital-analógico (D/A). 5. Obtener a partir de datos experimentales, del fabricante u otros, las características de un convertidor D/A. 6. Identificar los tipos de convertidores digital-analógico (A/D). 7. Describir las características de un convertidor A/D. 8. Identificar los tipos de convertidores A/D. 9. Definir el teorema de muestreo de Nyquist de una señal analógica. 10.Identificar los efectos del alias en una señal muestreada. 11.Identificar la frecuencia mínima de muestreo de una señal en un sistema de adquisición de datos. 12.Determinar las características de un filtro antialias a partir de los datos de las señales a muestrear. 13.Identificar los protocolos de comunicación serial, paralelo, TCP-IP para comunicar microprocesadores y computadoras en un sistema de adquisición de datos. 14.Describir los elementos de un hardware de adquisición de datos para PC. 15.Diseñar y construir el hardware y software de un sistema de adquisición de datos para señales provenientes de sensores.	– Elementos de un sistema de adquisición de datos digital: multiplexor, muestreador-retentor, filtro antialias, convertidor analógico digital, canal de transmisión, microprocesador y/o computadora. – Multiplexor: cracterísticas – Mustreador-retentor: características. – Convertidor D/A: tipos y características. – Convertidor A/D: tipos y características. – Teorema Nyquist de muestreo de una señal analógica, efecto alias de una señal muesteada, frecuencia de muestreo, filtros antialias. – Protocolos de comunicación: serial, paralelo, TCP-IP. – Hardware de adquisición de datos para PC: canales de entrada y salida analógicos, canales de entrada y salida digitales, contadores y temporizadores.
UNIDAD VI: Ruido e Interferencia.
Objetivos específicos	Contenidos
1. Identificar las fuentes de ruido e interferencia para circuitos de instrumentación. 2. Analizar los métodos de reducción del ruido y la interferencia.	– Fuentes de ruido e interferencia. – Métodos de reducción del ruido y la interferencia

ESTRATEGIAS METODOLOGICAS:

1. Preparación de las actividades a realizar en clase por parte de los estudiantes, utilizando la información disponible en el sitio Web de la materia.

2. Respuesta por parte de los estudiantes a las preguntas y problemas formulados en el sitio Web de la materia.

3. Aclaratoria de dudas con el profesor sobre las actividades, preguntas y problemas programados en la semana a través del correo electrónico.

4. Discusión en clase de las preguntas y problemas formulados en el sitio Web de la materia.

5. Desarrollo de simulaciones en la computadora sobre problemas de instrumentación electrónica.

6. Desarrollo de un proyecto instrumentación electrónica en grupos de dos estudiantes, de acuerdo a la metodología establecida.

EVALUACION:

1. Evaluación parcial No. 1:........................... Peso: 25%

Contenido:........... Unidades I y II.

Instrumentos:...... Examen parcial escrito (80%)

Tareas y actividades (20%)

2. Evaluación parcial No. 2:........................... Peso: 25%

Contenido:........... Unidades III y IV.

Instrumentos:...... Examen parcial escrito (80%)

Tareas y actividades (20%)

3. Evaluación parcial No. 3:........................... Peso: 20%

Contenido:........... Unidades V y VI.

Instrumentos:...... Examen parcial escrito (80%)

Tareas y actividades (20%)

4. Evaluación parcial No. 4: ........................... Peso 30%

Contenido: .........Todas las unidades

Instrumentos:....Proyecto, diseño y construcción del hardware y el software para la medición de una señal en la PC.

BIBLIOGRAFIA:

Sistemas de Medición: Principios y Aplicaciones. John Bentley. Editorial CECSA, 1993.

Instrumentación Aplicada a la Ingeniería: Transductores y Medidas Mecánicas. Jesús Fraile Mora y Pedro García Gutiérrez. Servicio de Publicaciones Ciudad Universitaria Madrid.

Sensores y Acondicionamiento de Señal. Ramón Pallás Areny. Editorial Marcombo, 2003.

Interfacing. A Laboratory Using the Microcomputer for Instrumentation, Data Analysis, and Control. Stephen E. Derenzo. Editorial Prentice Hall, 1990.

Interfacing Sensors to the IBM PC. Willis Tompkins y John Webster. Editorial Prentice Hall, 1988.

Application Notes and Tutorials. National Instruments. http://www.ni.com/devzone/libraries/

Free Literature and Handbooks. Omega. http://www.omega.com/literature/

Application Notes. Texas Instruments. http://www.ti.com

CONOCIMIENTOS MINIMOS PARA CURSAR LA ASIGNATURA:

1. Circuitos en corriente continua: Leyes de Kirchhoff, puente de Wheastone, divisores de voltaje y corriente, teorema de Thevenin, teorema de superposición, potenciómetro.

2. Circuitos en corriente alterna: Fasores de corriente y voltaje, impedancia, puentes de corriente alterna, filtros pasivos.

3. Circuitos con amplificadores operacionales: Comparador, amplificador inversor, no inversor, diferencial, sumador, integrador, derivativo, filtros activos.

4. Osciladores: con realimentación, de relajación, con circuitos integrados.

5. Modulación de señales analógicas y digitales.

6. Microprocesadores: Memorias, registros, contadores, comunicación paralelo y serial, programación.