Acondicionamiento de señal

01 · Punto de partida

Entre el sensor y el ADC hay un trabajo por hacer

En el tema 3 vimos las formas en que un sensor entrega su información. En las salidas analógicas, la señal debe atravesar una etapa antes de llegar al conversor. Esa etapa se llama acondicionamiento de señal (signal conditioning) y resuelve cinco problemas típicos:

• Magnitud: la señal es muy pequeña (milivolts de una galga) o muy grande (10 V de un transmisor industrial) para el rango del ADC.
• Naturaleza: el sensor cambia una resistencia o una corriente, no una tensión.
• Offset: la señal útil está montada sobre un nivel de continua que desperdicia rango.
• Ruido: hay componentes de frecuencia que no corresponden a la medida.
• Protección: la señal puede superar los límites de tensión de la entrada del microcontrolador.

Para un programador es la capa de adaptación de formato entre dos APIs que no coinciden: no cambia el significado del dato, pero lo transforma en algo que el siguiente módulo puede consumir bien. Un buen acondicionamiento ahorra mucho código de corrección; uno malo no se arregla por software.

02 · La etapa más usada

El divisor de tensión

Un sensor resistivo (termistor, LDR, FSR) se convierte en tensión conectándolo en serie con una resistencia fija. Con la resistencia fija Rf hacia Vcc y el sensor Rs hacia masa, el ADC mide el punto medio:

Dos decisiones de diseño: qué valor de R_f y de qué lado va el sensor. Si el sensor va a masa, la tensión sube cuando su resistencia sube; si va a Vcc, ocurre lo contrario. Con un NTC (la resistencia baja al calentarse), poner el NTC a masa hace que la tensión baje al subir la temperatura. Ambas formas sirven; lo importante es que el programa aplique la ecuación correcta.

Cómo elegir la resistencia fija

La sensibilidad del divisor (cuántos milivolts cambia por cada grado) es máxima cuando R_f es cercana al valor del sensor en el punto central del rango. Un NTC de 10 kΩ a 25 °C con R_f = 10 kΩ da 2,5 V a 25 °C y la mayor pendiente alrededor de esa temperatura. Una resistencia mucho menor o mucho mayor satura el divisor: la tensión casi no se mueve.

Con 10 kΩ se obtiene una pendiente tres veces mayor. Eso se traduce directamente en mejor resolución en grados con el mismo ADC. A cambio, el divisor no es lineal: la pendiente cambia con la temperatura, y la propia curva del NTC es exponencial. El programa debe linealizar (tema 9).

La impedancia de la fuente

La entrada del ADC del ATmega328P carga la señal con un pequeño capacitor que necesita cargarse durante el muestreo. Si la resistencia que ve el ADC (R_f en paralelo con R_s) es alta, el capacitor no llega a cargarse y la lectura queda sesgada. La hoja de datos recomienda una impedancia de fuente de alrededor de 10 kΩ o menor. Con R_f = 100 kΩ y un NTC de 10 kΩ, la impedancia vista es de unos 9 kΩ: está en el límite. Con valores mayores se agrega un capacitor en paralelo con la entrada o un seguidor de tensión (sección 04) que baje la impedancia.

03 · Medir cambios minúsculos

El puente de Wheatstone

Cuando la variación de resistencia es pequeña, como en una galga extensiométrica (tema 22), el divisor simple no sirve: un cambio de 0,1 % sobre 350 Ω produce una variación de milivolts montada sobre 2,5 V, imposible de leer con un ADC. El puente de Wheatstone usa dos divisores en paralelo y mide la diferencia entre sus puntos medios. Si las cuatro resistencias están equilibradas, la diferencia es cero, y solo aparece una salida cuando una de ellas cambia.

Para un cuarto de puente (una sola galga que varía y tres resistencias fijas del mismo valor), la salida es aproximadamente:

La galga se caracteriza por su factor de galga GF (alrededor de 2 en las metálicas): ΔR / R = GF × ε, donde ε es la deformación. Para ε = 1000 µε (0,1 % de deformación) y GF = 2, ΔR/R = 0,002. Con una excitación de 5 V, la salida es 5 × 0,002 / 4 = 2,5 mV. Un ADC de 10 bits con 5 V tiene pasos de 4,9 mV: ni siquiera ve el fenómeno. Hay que amplificar unas mil veces antes de convertir, y por eso se usan amplificadores de instrumentación o conversores dedicados como el HX711 (tema 22).

04 · Subir o igualar

Amplificadores

Un amplificador operacional (op-amp) con realimentación permite escalar la señal de forma precisa. Hay tres configuraciones que cubren la mayoría de los casos con sensores:

Un caso de aplicación directa: el LM35 entrega 10 mV/°C, así que para medir de 0 a 50 °C la salida va de 0 a 0,5 V. Con un ADC de 10 bits y referencia de 5 V se usa apenas el 10 % del rango: 102 cuentas para 50 °C, con una resolución de 0,49 °C. Si se amplifica por 10 (Rf = 9 kΩ y Rg = 1 kΩ), el rango completo ocupa de 0 a 5 V y la resolución mejora a 0,049 °C por cuenta. La ganancia aumenta la resolución, pero también el ruido y cualquier offset del amplificador, y limita el máximo medible: con G = 10 el ADC se satura a 50 °C.

Detalles que importan en un amplificador real

• Alimentación única. Los sistemas de 5 V o 3,3 V no tienen tensión negativa. Un op-amp común (LM358, por ejemplo) no puede llegar a masa ni a Vcc con su salida: pierde cerca de 1,5 V arriba. Para aprovechar todo el rango conviene un amplificador rail-to-rail.
• Offset de entrada. Cada op-amp tiene una pequeña tensión de desvío que se amplifica junto con la señal. En ganancias altas puede ser mayor que la señal útil.
• Ancho de banda. La ganancia tiene un límite de frecuencia; con ganancias grandes, un op-amp lento deforma señales rápidas.
• Estabilidad con cargas capacitivas. Una salida que alimenta un ADC con un capacitor grande puede oscilar. Se resuelve con una resistencia en serie pequeña.

05 · Un criterio de diseño

Aprovechar el rango del ADC

El objetivo de amplificar o desplazar la señal es que, entre el valor mínimo y el máximo esperado de la magnitud, la tensión recorra casi todo el rango del ADC, sin tocar los extremos. La ganancia ideal se calcula con la tensión máxima de salida del sensor:

Se deja un margen (5 a 10 %) para tolerancias. Cuando la señal tiene un offset útil, como un transmisor de 1 a 5 V que desperdicia el primer volt, se puede restar con una etapa de diferencia para que 1 V se convierta en 0 V. En el ejemplo, la señal ocupa el 80 % del rango; sin la resta se obtienen 818 cuentas de 1023, es decir, se pierde un 20 % de resolución.

La tabla refleja el compromiso de siempre: más ganancia, mejor resolución y menor rango. La elección correcta depende del intervalo que realmente necesitás medir.

06 · Eliminar lo que sobra

Filtros RC

Casi toda señal de sensor trae componentes que no interesan: ruido de la red eléctrica (50 o 60 Hz), interferencia de motores o conmutadores, ruido térmico. Un filtro pasa-bajos RC, formado por una resistencia en serie y un capacitor a masa, deja pasar las variaciones lentas y atenúa las rápidas. Su frecuencia de corte es:

A la frecuencia de corte la amplitud cae a 0,707 (−3 dB); por encima, cae aproximadamente 20 dB por década. A frecuencias mucho más bajas que f_c la señal pasa casi intacta. Con una señal de interferencia de frecuencia f, la proporción de amplitud que sobrevive es 1 / √(1 + (f / fc)²).

El costo: retardo

El filtro suma su propia dinámica a la del sensor: responde como un sistema de primer orden con constante de tiempo τ = RC, y su señal alcanza el 99 % en 4,6 τ (tema 2). Con 100 kΩ y 330 nF, τ = 33 ms y el 99 % llega a los 152 ms. Para medir una temperatura ambiente es irrelevante; para medir una vibración sería un desastre. La frecuencia de corte debe estar por encima de la señal útil y por debajo del ruido: esa ventana es el criterio de diseño.

Antialiasing: filtrar antes de muestrear

Cuando el ADC toma muestras a una frecuencia f_s, cualquier componente de la señal por encima de f_s/2 se pliega hacia las frecuencias bajas y aparece como una señal falsa que ya no se puede eliminar (efecto aliasing, tema 27 del curso de Microcontroladores). Un filtro pasa-bajos analógico antes del ADC, con corte por debajo de f_s/2, es la única defensa. El filtrado por software después de muestrear (tema 5) no repara una señal ya plegada.

07 · Seguridad de la entrada

Adaptación de niveles y protección

La señal final que llega al pin del ADC debe permanecer entre 0 V y la tensión de alimentación del microcontrolador. En un ATmega328P, el valor máximo absoluto de un pin es Vcc + 0,5 V; superarlo, aunque sea un instante, puede dañar la entrada. Hay tres situaciones comunes:

• Señal mayor que Vcc (por ejemplo, 0 a 10 V): se atenúa con un divisor. Con dos resistencias iguales de 10 kΩ, 10 V se convierten en 5 V. La impedancia de salida (5 kΩ) es aceptable para el ADC, y el divisor consume 0,5 mA de la señal.
• Señal que puede ser negativa (audio, señales alternas): se monta sobre un nivel de continua en la mitad de la alimentación, mediante un divisor de polarización y un capacitor de acoplamiento. El ADC ve entonces señales en torno a 2,5 V.
• Señal con picos peligrosos (cables largos, ambiente industrial, contacto humano): se protege con una resistencia en serie (1 kΩ a 10 kΩ) más diodos de sujeción (o un Zener) hacia Vcc y masa, que desvían la corriente cuando la tensión se pasa.

La protección es un requisito de fiabilidad, no del funcionamiento normal: un prototipo en el escritorio puede funcionar durante meses sin ella y fallar el primer día en el lugar de instalación.

08 · Lo que no está en el esquema

Alimentación, masa y cableado

Buena parte del ruido que se atribuye al sensor es en realidad un problema de implementación. Algunas prácticas básicas:

• Desacoplá la alimentación con un capacitor de 100 nF lo más cerca posible de cada integrado y del microcontrolador, y uno de mayor valor (10 µF) en la entrada de la placa.
• Separá las masas de potencia (motores, relés) de la masa analógica y unilas en un solo punto («masa en estrella»). La corriente de un motor no debe circular por el camino de masa del sensor.
• Mantené los cables analógicos cortos y alejados de líneas de conmutación. Si no se puede, usá cable trenzado o blindado, conectando la malla a masa en un solo extremo.
• Leé el ADC con calma. Evitá conmutar cargas grandes (pines de salida con corriente alta) durante la conversión. Los microcontroladores ofrecen un modo de baja actividad para medir con menos ruido digital.
• Usá una referencia estable. La alimentación de 5 V de una placa conectada por USB puede variar decenas de milivolts con la carga; para una medición exacta hay una referencia de tensión dedicada.

Un síntoma clásico: las lecturas del ADC varían sin motivo cuando se enciende un motor o un relé. La causa es casi siempre la masa compartida o la alimentación sin desacoplar, no el sensor.

09 · Analogía con programación

Modelar la etapa antes de armarla

En lugar de construir el circuito y probar, se puede simular la cadena en código con las ecuaciones del tema. Es como escribir una prueba de un componente: se verifica el diseño antes de gastar tiempo en el montaje. El ejemplo calcula la tensión de un divisor con NTC para tres resistencias fijas y, después, la resolución de un LM35 con distintas ganancias.

import math

R0, BETA, T0 = 10_000, 3950, 298.15           # NTC de 10 kΩ a 25 °C


def r_ntc(t_c):
    """Resistencia del NTC según el modelo beta."""
    return R0 * math.exp(BETA * (1 / (t_c + 273.15) - 1 / T0))


def divisor(t_c, r_fija, vcc=5.0):
    """Tensión en el punto medio, con el NTC conectado a masa."""
    r = r_ntc(t_c)
    return vcc * r / (r_fija + r)


print("R fija     V(20 °C)  V(25 °C)  V(30 °C)  pendiente")
for r_fija in (1_000, 10_000, 100_000):
    v20, v25, v30 = (divisor(t, r_fija) for t in (20, 25, 30))
    pendiente = (v30 - v20) / 10 * 1000        # mV por °C
    print(f"{r_fija:>7}  {v20:8.3f}  {v25:8.3f}  {v30:8.3f}  {pendiente:7.1f} mV/°C")

print()
print("LM35 con ADC de 10 bits y 5 V")
print("Ganancia   resolución     T máxima sin saturar")
for g in (1, 5, 10, 20):
    resolucion = 5 / 1023 / (g * 0.010)
    t_max = 5 / (g * 0.010)
    print(f"{g:>5}      {resolucion:.3f} °C/cuenta   {t_max:5.0f} °C")

Resultado: con 10 kΩ la pendiente es de −55,3 mV/°C, tres veces mayor que con 1 kΩ (−18,4) o con 100 kΩ (−18,5). Para el LM35, pasar de ganancia 1 a 10 mejora la resolución de 0,489 a 0,049 °C por cuenta, pero baja la temperatura máxima de 500 a 50 °C. Probá cambiar el valor de BETA o agregar una resistencia de 4,7 kΩ y predecí qué pendiente obtenés.

El modelo no incluye tolerancias, autocalentamiento, ruido ni la impedancia del ADC: da el mejor caso. Su utilidad es comparar alternativas con rapidez y descubrir problemas de rango antes de soldar.

10 · Exploración interactiva

Tres etapas de acondicionamiento

El laboratorio reúne tres instrumentos, cada uno con un problema del tema. Todos se actualizan al mover los controles. En el primero comprobás cómo la resistencia fija cambia la sensibilidad de un divisor con NTC; en el segundo, cómo la ganancia compra resolución a cambio de rango; en el tercero, cuánto atenúa un filtro RC una interferencia a cada frecuencia y a qué precio en tiempo.

Recorrido guiado

1. En el instrumento 1, con 10 kΩ y 25 °C, el NTC vale 10 kΩ, la tensión es 2,500 V y la sensibilidad es de unos −55 mV/°C. Cambiá a 1 kΩ y a 100 kΩ: la sensibilidad cae a un tercio.
2. Con 100 kΩ, mirá la impedancia vista por el ADC y el aviso. A 25 °C son 9,1 kΩ; subí a 10 °C y la impedancia pasa de los 10 kΩ recomendados.
3. Con 10 kΩ, llevá la temperatura a −10 °C y a 80 °C: la sensibilidad en mV/°C cae en los extremos (unos −36 mV/°C a −10 °C y −16 mV/°C a 80 °C), porque el divisor se aplana. Una sola resistencia fija no es óptima en todo el rango.
4. En el instrumento 2, con ganancia ×10 y 40 °C: 4,00 V y 818 cuentas. Subí la temperatura a 55 °C: el ADC se satura, y el LED se enciende.
5. Probá ganancias de ×1, ×5 y ×20 a la temperatura máxima que querés medir (por ejemplo 80 °C). La mayor ganancia que no satura es ×5: elegir la ganancia es elegir el rango.
6. En el instrumento 3, con 10 kΩ y 1 µF (15,9 Hz), una interferencia de 50 Hz pasa con el 30 % de su amplitud, apenas −10 dB. Cambiá a 100 kΩ y 330 nF: pasa solo el 10 % (−20 dB), pero el tiempo para llegar al 99 % sube a 152 ms.
7. Con un filtro de 10 kΩ y 100 nF (corte de 159 Hz), probá la interferencia de 5 kHz: se atenúa fuerte; la de 50 Hz casi no se toca. Ningún filtro sirve para todo: el corte se elige entre lo que se quiere conservar y lo que se quiere descartar.

11 · Método de trabajo

Cómo diseñar la etapa de acondicionamiento

1. Escribí el rango de la señal del sensor: mínimo y máximo de tensión (o de resistencia) para el intervalo de la magnitud que necesitás medir.
2. Convertí a tensión si hace falta: divisor para sensores resistivos, resistencia de medida para corriente, puente para variaciones pequeñas.
3. Calculá la ganancia y el offset para que el rango de salida ocupe de un 5 a un 95 % del rango del ADC.
4. Elegí el filtro con el corte entre la señal útil y el ruido, y verificá que el retardo sea aceptable.
5. Protegé la entrada: la tensión máxima posible en cualquier falla debe quedar dentro de los límites del pin.
6. Revisá la impedancia de fuente frente al ADC y agregá un buffer o un capacitor si es alta.
7. Armá el presupuesto de error (tema 2) con las nuevas fuentes: tolerancia de las resistencias, offset del amplificador y referencia.
8. Medí etapa por etapa con multímetro y osciloscopio, de izquierda a derecha, y compará con el cálculo.

Una regla práctica de depuración: si la lectura del ADC es incorrecta, medí la tensión en el pin con un multímetro. Si coincide con lo que calcula el programa, el problema está en la conversión; si no, está en el hardware.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Divisor con NTC

Un NTC (a masa) con una resistencia fija de 10 kΩ y Vcc = 5 V. A cierta temperatura el NTC vale 5 kΩ. ¿Qué tensión llega al ADC y cuántas cuentas lee un ADC de 10 bits?

2. Señal de una galga

Una galga (GF = 2) en un cuarto de puente se deforma 500 µε, con 5 V de excitación. ¿Qué tensión diferencial sale? ¿Qué ganancia se necesita para que ocupe 1 V a la entrada del ADC?

3. Ganancia máxima

Querés medir de 0 a 100 °C con un LM35 y un ADC de 5 V. ¿Cuál es la mayor ganancia admisible y qué resistencias de un amplificador no inversor la logran? ¿Qué resolución se obtiene?

4. ¿Filtra los 50 Hz?

Un filtro tiene R = 4,7 kΩ y C = 220 nF. Calculá su frecuencia de corte y qué amplitud sobrevive de una interferencia de 50 Hz. Proponé una alternativa.

5. Entrada de 0 a 10 V

Un sensor entrega de 0 a 10 V. Se la reduce con un divisor de dos resistencias de 10 kΩ. Si el ADC lee 600 cuentas (10 bits, 5 V), ¿qué tensión entrega el sensor? ¿Qué impedancia ve el ADC?

6. Aprovechar el rango

Un transmisor entrega de 1 V a 5 V para 0–100 %. Si se lo conecta directamente a un ADC de 10 bits con 5 V, ¿cuántas cuentas cubren el rango completo y qué porcentaje del alcance vale una cuenta? ¿Cómo se recupera el rango perdido?

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 5?

Antes de avanzar, calculá la tensión de un divisor con una resistencia de 10 kΩ y un NTC de 5 kΩ, decidí la ganancia máxima para un sensor de 0,2 V a fondo de escala con un ADC de 5 V y explicá por qué un filtro por software no reemplaza al filtro RC antes del ADC. Si podés justificar las tres respuestas, ya podés preparar una señal para convertirla.

En el próximo tema pasamos al software: calibración y filtrado por código, es decir, corregir offset y ganancia, y suavizar las lecturas con promedio móvil, mediana y filtro exponencial.