Elaborado por: Francisco Montilla, José Luis Rodríguez y María Francia Flores.
CONTENIDO
Introducción:
El término
"ruido" se utiliza, generalmente, para señales no deseadas que se han
introducido en el sistema de medida e interfieren con la señal a medir y, por
tanto, incrementan los errores aleatorios. El ruido en los componentes electrónicos
es el resultado de una cantidad mayor o menor de señales eléctricas aleatorias
que se acoplan en circuitos en los que no deberían estar, por ejemplo, donde
pudieran interrumpir señales de transferencia de información. El ruido se
produce tanto en circuitos de señales como de alimentación, pero generalmente,
se convierte en un problema cuando se producen en circuitos que manejan señales
que representan algún tipo de información. Los circuitos de señales y
datos son particularmente vulnerables al ruido, dado que funcionan a altas
velocidades y con niveles de baja tensión. Cuanto menor sea la tensión de la
señal, menos amplitud de la tensión de ruido se puede tolerar. La relación
señal-ruido describe la cantidad de ruido que un circuito puede tolerar antes
de que la información sea inválida, es decir, la señal, se vea afectada. En la Fig. 1 se
muestra un ejemplo de cómo afecta el ruido a la señal transmitida.
Figura 1. Señal afectada
por el ruido.
Conceptos
básicos:
Relación señal/ruido: permite comparar el nivel de señal y el ruido que existe en un punto
del sistema. Se mide como razón expresada en decibelios (dB) entre la potencia
de la señal y la potencia de ruido, como se indica a continuación:
Factor de ruido: es una magnitud que mide la contribución a los niveles de ruido que
realiza un sistema de medida. Se define como la relación adimensional:
Donde:
Si/Ni: es la razón
entre la potencia de señal y potencia de ruido a la entrada del sistema de
medida.
So/No: es la razón
entre la potencia de señal y potencia de ruido a la salida del sistema de
medida.
Figura de ruido: es el factor de ruido expresado en decibelios (dB):
Potencia de ruido: es proporcional al producto de la temperatura por el ancho de banda
útil:
Donde:
N: potencia de ruido (W).
k: constante de Boltzmann,
1.38x10-23 (J/K)
T: temperatura absoluta
(K=ºC+273)
B: ancho de banda útil (Hz)
Tipos y fuentes del ruido:
El ruido en un sistema de
medición se puede clasificar de la siguiente manera:
1) Externo
o interferente:
perturbaciones provocadas por otras partes del circuito o por elementos
exteriores, como por ejemplo, origen eléctrico (capacidades parásitas),
magnético (inductancias mutuas), electromagnético (cada terminal, conexión o
pista puede actuar como una antena), sistemas naturales (tormentas, ruido
ambiental), entre otros. El ruido externo o por interferencias puede ser
periódico, intermitente o aleatorio.
2)
Interno
o inherente:
se genera en los componentes electrónicos como consecuencia de su naturaleza
física (ruido en amplificadores, ruido electrotérmico, ruido electroquímico,
ruido electromecánico, entre otros). El ruido inherente es de naturaleza
aleatoria.
En la Fig. 2 se indican de manera resumida los
diferentes tipos y fuentes de ruido existentes.
Figura 2. Tipos y fuentes
de ruido existentes.
Es importante conocer las características que
definen los diferentes tipos de ruido que afectan a los componentes
electrónicos, para poder aplicar los métodos adecuados para la minimización del
mismo. En la Tabla 1 se indican los métodos para minimizar o reducir el ruido
en un sistema.
Tabla 1. Métodos para
minimizar el ruido en un sistema.
Características
del ruido:
Con independencia de que
diseñe un blindaje apropiado o se optimice el diseño para reducir la fuente que
genera el ruido, siempre hay un cierto nivel de ruido intrínseco en el
circuito. Por ello, es importante disponer de técnicas de valoración del nivel
de ruido, así como métodos para determinar sus componentes, ya hayan sido
generadas en los elementos del sistema o hayan sido introducidas por el propio
sistema de medida.
Según sea la naturaleza del
ruido que exista, se deben utilizar diferentes criterios de medida. En la Fig. 3 y 4, se indican las características más resaltantes del ruido en el dominio
del tiempo y en el dominio de la frecuencia, respectivamente.
Figura 3. Características
más resaltantes del ruido en el dominio del tiempo.
Figura 4. Características
más resaltantes del ruido en el dominio de la frecuencia.
Modelación del
ruido:
El ruido se puede modelar
con un circuito similar al que se muestra en la Fig. 5, que se resume en
fuentes de corriente y tensión de ruido que se generan internamente en las
etapas amplificadoras basadas en operacionales.
Figura 5. Modelo de
ruido típico para los amplificadores operacionales: al amplificador operacional
ideal se le añaden un generador de ruido y dos generadores de corriente
equivalentes.
En el análisis del circuito hay
que tener en cuenta, que se trata de señales aleatorias y se supone que las
distintas fuentes de ruido son independientes entre sí. Ello conlleva a las
siguientes consideraciones:
- La suma de las tensiones se hace cuadráticamente, por cuanto no se trata de determinar el valor exacto de la tensión de ruido en un instante dado, cosa imposible por ser una señal aleatoria, sino que se procede al cálculo de la densidad espectral de potencia del ruido resultante de la adición de diversas fuentes independientes. Se tiene así lo siguiente:
- Por la razón anteriormente expuesta, si una fuente de ruido es tres veces inferior a las demás, puede eliminarse sin que influya en los resultados en forma apreciable.
- Apareando las resistencias de entrada no se reduce el efecto de las corrientes de ruido, sino que aumenta.
Interferencias
electromagnéticas:
El fenómeno de la interferencia
electromagnética (EMI) se origina por la presencia de voltajes o corrientes no deseados
que pueden aparecer en un equipo o en sus circuitos, como resultado de la
operación de otro aparato eléctrico, o por fenómenos naturales.
En la Fig. 6 se presenta el
esquema básico de los elementos que intervienen en un sistema con EMI. Hay que
resaltar que sólo se habla de interferencia siempre y cuando se provoque un mal
funcionamiento en el receptor.
Figura 6. Esquema
básico de los elementos que intervienen en un sistema con EMI.
El acoplamiento entre
sistemas consiste en que un dispositivo interacciona y perturba el
funcionamiento de otro. El camino de acoplo entre la fuente y el receptor,
permite a la fuente interferir con el receptor. Existen cuatro modos (caminos)
de acoplamiento:
- Conducción (corriente eléctrica): La interferencia va de la fuente de EMI al receptor a través de un camino eléctrico (fuente y receptor están eléctricamente conectados). Es provocado por variaciones de tensión, armónicos, entre otros (procedentes de grandes cargas como por ejemplo, motores eléctricos). En la Fig. 7 se muestra un ejemplo de interferencia conducida.
Figura 7. Ejemplo de
interferencia conducida.
- Acoplo inductivo (campo magnético): La corriente alterna que fluye por un conductor crea un campo magnético que se acoplará con un conductor cercano e inducirá tensión en él. En la Fig. 8 se muestra un ejemplo de interferencia magnética (acoplo inductivo).
Figura 8. Ejemplo de
interferencia magnética (acoplo inductivo).
- Acoplo capacitivo (campo eléctrico): Los cambios de tensión de un conductor crean un campo eléctrico que se puede acoplar con un conductor cercano. El efecto de capacitancia se presenta por la interacción de campos eléctricos entre conductores, separados por un dieléctrico. En la Fig. 9 se muestra un ejemplo de interferencia eléctrica (acoplo capacitivo).
Figura 9. Ejemplo de interferencia eléctrica
(acoplo capacitivo).
VsCM: Fuente de disturbio de tensión.
IvCM: corriente de disturbio en el circuito
víctima.
- Radiación (campo electromagnético): La perturbación va de la fuente de EMI al receptor a través de un camino no eléctrico (aire) (fuente y receptor no tienen por qué estar eléctricamente conectados). Puede ser provocado por redes eléctricas, transmisores de radio, chispas de relés, entre otros. En la Fig. 10 se muestra un ejemplo de interferencia radiada.
Figura 10. Ejemplo de
interferencia radiada.
PREGUNTAS
FRECUENTES
1) ¿Qué es el ruido?
Repuesta: señales no deseadas que se han introducido en el sistema de medida e interfieren con la señal a medir.
Repuesta: señales no deseadas que se han introducido en el sistema de medida e interfieren con la señal a medir.
2) ¿A qué se refiere la
relación señal/ruido?
Repuesta: compara el nivel de señal y el ruido que existe
en un punto del sistema.
3) ¿Qué relación existe entre
la potencia de ruido electrotérmico, ancho de banda y temperatura?
Repuesta: como el ruido
electrotérmico es el movimiento aleatorio de los electrones dentro de un
conductor causado por la agitación térmica, por lo tanto tiene relación directa
con la temperatura, y también tiene relación con el ancho de banda porque
ocurre en todas las frecuencias (ruido blanco).
4) ¿Qué es el ruido blanco?
Repuesta: se llama así, porque el
movimiento aleatorio de los electrones se produce en todas las frecuencias.
5) ¿Se puede eliminar
completamente el ruido de un sistema de medida o componente electrónico?
Repuesta: No, el ruido se puede minimizar o reducir, pero no se puede eliminar completamente de un sistema de medición o componente electrónico. El dispositivo o sistema siempre agregará a la forma de onda de la señal, un ruido generado internamente.
Repuesta: No, el ruido se puede minimizar o reducir, pero no se puede eliminar completamente de un sistema de medición o componente electrónico. El dispositivo o sistema siempre agregará a la forma de onda de la señal, un ruido generado internamente.
PRÁCTICA
Práctica #1:
Consiste en la implementación de filtros discretos
de segundo orden para la eliminación de ruido y recuperación de señales
deseadas.
Pre-laboratorio: se requiere para el diseño de esta práctica el siguiente marco
teórico:
- Defina filtros paso bajo, implementación y ecuaciones características.
- Diseñe un filtro paso bajo RC de segundo orden, cuya frecuencia de corte sea de 200Hz.
1) Objetivos
de la práctica
- Mediante el desarrollo de esta actividad se espera demostrar de forma práctica, cómo se comportan las señales de ruido y la marera como éstas contaminan o afectan otras señales importantes en un sistema de medición.
- Implementar con la ayuda de filtros discretos, un circuito capaz de eliminar la señal que perturba la medición (ruido) y así, recuperar la señal deseada.
- Adicionalmente, se pretende ejercitar los conocimientos teóricos básicos relacionados con el uso de software de simulación, para este caso Proteus.
2) Equipos
y componentes necesarios
- Generador de señales
- Osciloscopio
- Fuente de alimentación
- Protoboard
- Amplificadores operacionales LM324
- 5 Resistencias de 10KΩ
- 1 Resistencia de 1KΩ
- 2 Capacidores Ceramicos de 100nF
- Cables, pinzas y pelacables.
Una vez que se disponga de todos los equipos y
componentes necesarios para la puesta en marcha de la práctica, se deben tomar
en cuenta todas las medidas de seguridad pertinentes para evitar daños a los
equipos, componentes e incluso a la persona que esté desarrollando la práctica.
Paso 1: Monte en el
Protoboard el circuito que se muestra en la Fig. 11:
Paso 2: Configure las señales de ruido y
la señal deseada con las siguientes caracteristicas:
Observe cada señal en el osciloscopio y guarde las imágenes. Tome nota de sus observaciones.
- Señal de ruido: Frecuencia de 2KHz, amplitud 2V
- Señal deseada: Frecuencia 100Hz, amplitud 10V.
Observe cada señal en el osciloscopio y guarde las imágenes. Tome nota de sus observaciones.
Paso 3: Conecte la alimentacion del
circuito montado en el protoboard (12Vdc) y conecte a la entrada de las
resistencias R1 y R2, la señal deseada y la señal de ruido, respectivamente.
Paso 4: Conecte el osciloscopio en “PUNTO A” y observe la señal. Tome nota
de las caracteristicas de la señal resultante. Copie la imagen.
Paso 5: Conecte los canales CH1 y CH2 del
osciloscopio en los puntos A y B del circuito y luego en los puntos A y C. Tome notas de sus observaciones
para el posterior análisis con referencia de la señal presente en el punto A.
4) Post-laboratorio
Una vez finalizada la práctica responda las siguientes preguntas:
a) Explique la forma de onda en el punto A
b) Analice la señal de salida en el punto B, C y Salida
c) Presente las conclusiones y recomendaciones de la práctica
NOTA IMPORTANTE: Aunque se espera que esta práctica sea realizada en un laboratorio, con los instrumentos y componentes adecuados, también se puede implementar a través de un software de simulación, para ello el siguiente enlace permite descargar el circuito desarrollado en Proteus, el cual permite visualizar de forma sencilla y didáctica todos los parámetros estudiados en esta práctica.
*Circuito en Proteus para su simulación.
*Circuito en Proteus para su simulación.
Práctica #2 (Propuesta):
Se
pretende recuperar la señal presente en el punto A, pero haciendo uso de filtro
digitales butterworth,
pasabajo IIR (Digital Filter), para ello se hará uso del software Matlab para el
diseño del filtro y de un dispositivos DSP para su posterior implementación.
Compare los resultados obtenidos con los de la práctica 1. En la Fig. 12 se
muestra como ayuda el diagrama de bloques:
Figura 12. Diagrama de bloques del filtro digital.
Archivo para descargar:
RESULTADOS
Una
vez implementado el circuito de la Fig. 10 y posteriormente realizados los
pasos requeridos para el desarrollo de la práctica 1, se presentan los
siguientes resultados:
En
el paso 2 de la práctica 1, se obtuvieron las siguientes gráficas, mostradas en
la Fig. 13, siendo la de color amarilla la señal deseada (100Hz, 10V) y la de
color azul (2KHz, 3V) la señal de ruido.
Figura 13. Señal deseada (amarilla) y señal de
ruido (azul).
En el paso 4, se tiene se obtuvo la gráfica mostrada en
la Fig. 14:
Figura 14. Señal distorsionada presente en el punto
A.
Esta
forma de onda se debe a que la señal deseada, cuya frecuencia es de 100Hz, se
le suma otra señal (ruido) cuya frecuencia es 20 veces mayor, de manera que
distorsiona la señal. Generalmente, las señales de ruido externo no tienen una
amplitud significativa si la señal objeto de análisis tiene una magnitud mucho
mayor en voltaje. De manera que la señal resultante, aunque distorsionada,
mantiene la forma sinusoidal, lo que permite la posible recuperación.
En
el paso 5, se obtuvieron los siguientes resultados:
En la Fig. 15, la señal mostrada en color amarillo es
la obtenida en el punto A y la de color azul en el punto B.
Figura 15. Señal distorsionada (amarilla) y señal
en el punto B (azul).
En
el punto B, se observa una señal ligeramente distorsionada respecto a la señal
en el punto A. Esto se debe a que se
implementó un filtro RC paso bajo de primer orden, de manera que aunque mejoró
notablemente la señal deseada, aún persiste una componente de alta frecuencia
de la señal de ruido. Si se aumenta el valor de C1 se puede eliminar el ruido
en su totalidad, pero esto traería como consecuencia la presencia de retardo
significativo de la señal presente en el punto B respecto al punto A.
Para evitar este inconveniente, se incrementó el orden
del filtro de manera que permita eliminar la señal de ruido, sin sacrificar el
tiempo de respuesta de la señal de salida. En la Fig. 16 se muestra este evento.
Figura 16. Señal distorsionada (amarilla) y señal en el punto C (azul) libre
de ruido.
En
la gráfica anterior se puede observar que se recuperó en tu totalidad la señal
deseada de frecuencia 100Hz. Por supuesto se nota desfasada por el tiempo de
respuesta del filtro. Para muchas aplicaciones este comportamiento no
representa ningún inconveniente.
La
práctica permitió observar la influencia del ruido en los componentes electrónicos,
y como en consecuencia pueden afectar los diversos circuitos, por lo que deben
tomarse en cuenta los diversos métodos que permitan eliminar o en su defecto
minimizar sus efectos. Aquí se pudo comprobar las ventajas que ofrecen los
filtros implementados de forma discreta, que permiten recuperar ciertas señales
y por tanto, que tienen aplicaciones reales en una amplia gama de circuitos
electrónicos, sin embargo se notó la presencia de un desfase producto del uso
de filtros RC.
Se recomienda el estudio de otros filtros que mejor la
velocidad respuesta en la salida.
BIBLIOGRAFÍA
[1] M. D. Moyano. Tema IV: Ruidos e Interferencias,
Técnicas de Reducción. [En línea]. Disponible en:
[2] O. Montañez, J. A. Sánchez. Ruido en Sistemas de
Instrumentación. [En línea]. Disponible
en:
[3] E. Coimbra. Atenuación, Distorsión y Ruido en la Transmisión. [En línea]. Disponible en:
[4] J. Balcells, F. Daura, R. Esparza, R.
Pallás. Interferencias
Electromagnéticas en Sistemas Electrónicos. [En
línea]. Disponible en:
[5] P. Turmero. Mecanismos de Acoplamiento de Interferencias. [En línea]. Disponible en:
[6] C. Cassiolato. Acoplamientos Capacitivos e
Inductivos. [En línea]. Disponible en:
[7] F. J. Dongil. Introducción a las
Interferencias Electromagnéticas. [En línea]. Disponible
en:
[8] R. Pallás. Sensores y Acondicionadores de señal. [En línea]. Disponible en:
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