Aspectos básicos de electrónica digital

La velocidad a la que ha crecido la electrónica, la instrumentación y la tecnología de los microordenadores se ha convertido en algo casi inexplicable. En la mayoría de los instrumentos de laboratorio se pueden encontrar microordenadores o microprocesadores, incluso en balanzas y medidores de pH.

Medidas digitales a partir de señales analógicas Se utiliza un contador electrónico de alta velocidad para contar el número de sucesos que se estudian. Ejemplos: - # de fotones emitidos - # de partículas desintegradas - # de gotas de disolución valorada - # de pasos de un motor de pasos para inyectar un reactivo

Sistema decimal Sistema binario

Fig. 3-2. Contador para determinar pulsos de voltaje por segundo.

Fig. 3-3. Configurador de señal: (a) circuito; (b) señal de entrada; (c) señal de salida

Fig. 3-4. Contador binario para números del 0 al 15 Fig. 3-4. Contador binario para números del 0 al 15. El cálculo indicado es el binario 1011 o el decimal 12.

Fig. 3-5. Forma de las ondas de las señales en varios puntos del contador de la figura 3-4. En este caso el cálculo durante el período t es el binario 1011 o el decimal 12.

Fig. 3-6. Contador decimal codificado en binario que utiliza unidades de cómputo en décadas (DCU).

Fig. 3-6. Contador decimal codificado en binario que utiliza unidades de cómputo en décadas (DCU).

Convertidores analógico-digital (ADC)

Para dicho propósito se emplean convertidores analógico digital (ADC).

Amplificadores operacionales

Los Amplificadores Operacionales (AO) son dispositivos electrónicos que se utilizan para tratar las diferentes señales.

La mayoría de señales analíticas son señales analógicas: Carga Corriente Voltaje Potencia

Un amplificador operacional (AO ó op-amp) es un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor G llamado ganancia. Originalmente se empleaban para realizar operaciones matemáticas en calculadoras.

Características generales de los amplificadores operacionales Dispositivo analógico consistente de unos 30 transistores, resistencias, condensadores y diodos incorporados en un chip. Compactos (1 cm sin incluir la fuente de alimentación), fiables y baratos. Colocado en una caja cerámica o epoxi de 8 polos.

Algunas propiedades electrónicas de los AO Amplias ganancias ( = 104 a 106) Esencialmente una salida cero para una entrada cero (idealmente < 0.1 mV) La salida de un AO queda determinada por la naturaleza del circuito o red al que este conectado y es independiente del propio AO

Los transductores de los instrumentos convierten las señales analógicas químicas en señales analógicas eléctricas que luego se tratan haciendo uso de AO. Los AO amplifican, filtran, cambian de frecuencia, integran, suman, dividen, etc.

Las señales tratadas se visualizan en un formato analógico o digital.

Servosistema: sistema que detecta una diferencia o error entre los estados actual y deseado de una cantidad controlable. Servomecanismo o servosistema electromecánico: si la cantidad a controlar es la posición de un objeto, un motor eléctrico o hidráulico puede utilizarse para que las posiciones coincidan.

Operaciones matemáticas con AO Vi puede multiplicarse por una constante Rf/Ri. La división se da cuando Rf/Ri<1

Operaciones matemáticas con AO Suma y resta: vo = -Rf(i1 + i2 + i3 + i4)

Los AO se usan para la amplificación y medición de las señales eléctricas de los transductores (intensidad, potencial, carga) que dependen de la concentración de un analito.

Medición de la intensidad Ix: corriente DC que se genera en el transductor (fototubo que convierte luz en corriente)

La medida de potencial da la intensidad. Si Rf = 100k V = IR = (0.000001amp)(100,000)ohms = 0.1 Voltios Es decir, una intensidad de1μA producirá un potencial de 0.1 V, cantidad facilmente medible con elevada precisión

Leyes de la electricidad Ley de Ohm: V = IR V: diferencia de potencial en voltios entre dos puntos de un circuito R: resistencia en ohms entre los dos puntos I: intensidad de corriente en amperios

Leyes de Kirchhoff: Ley de la intensidad de corriente: la suma algebraica de las intensidades de corriente en cualquier nudo de un circuito es igual a cero. Ley del voltaje: la suma algebraica de los voltajes de un circuito cerrado es igual a cero.

Circuito en serie

Circuito en paralelo

Ley de la potencia: P = IV P: potencia en watios disipada en un resistor I: corriente en amperios V: caída de potencial en voltios

Señales y Ruido

Cada medida analítica lleva dos componentes: El que lleva la información acerca del analito que interesa al químico La compuesta por información ajena, no deseada: el ruido

El efecto del ruido en el error relativo de una medida aumenta cada vez más a medida que disminuye el valor de la cantidad medida.

La relación señal/ruido S/N se define como La relación señal/ruido es un parámetro de calidad mucho mejor que el ruido solo Nótese que x/s es el inverso de la desviación estándar relativa RSD, por lo tanto S/N = 1/RS

Norma general: La detección cierta de una señal mediante un sistema visual resulta imposible cuando la relación señal/ruido < 2 o 3

Consultar en libro de texto páginas 104 a 111, es decir: - Sección 5B - Sección 5C y 5C1

Fuentes de ruido Ruido químico Fluctuaciones en la humedad de la muestra Estratificaciones en un sólido o polvo Cambios en la intensidad de la luz que afectan sustancias fotosensibles Cambios de presión o temperatura que afectan el equilibrio Humos

Ruido instrumental Se asocia a cada componente del instrumento: fuente, transductor de entrada o transductor de salida Puede ser de distinto tipo y provenir de distintas fuentes Es una mezcla compleja que no se puede caracterizar por completo

Ciertos tipos de ruido instrumental se pueden reconocer: Ruido térmico (o Johnson) Ruido de disparo Ruido de parpadeo (o 1/f) Ruido ambiental

Ruido térmico, o ruido Johnson: Se debe a la agitación térmica de los electrones u otros portadores de carga Dicha agitación o movimiento origina periódicamente heterogeneidades de carga que a su vez crean variaciones de voltaje

Ruido de disparo: Se origina siempre que exista una corriente que produzca un movimiento de electrones o de otras partículas cargadas a través de una unión 8p y n o el vacío para un tubo de vacío. Puede minimizarse reduciendo el ancho de banda de las frecuencias.

Ruido de parpadeo: Sus causas no se comprenden bien. Su valor es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal que se observa. Ruido 1/f Es significativo para frecuencias < 100 Hz

Ruido ambiental: Proviene del entorno; cada conductor de un instrumento es una antena potencial que capta radiación electromagnética y la convierte en señal eléctrica.

Aumento de la relación S/N Puede mejorarse por hardware o software Hardware: incorpora al diseño del instrumento filtros, cortadores, escudos, moduladores, detectores sincrónicos Software: se basan en distintos algoritmos digitales de ordenador que permiten extraer las señales de entornos ruidosos