MINI CURSO Electrónica Especialización Mecatrónica

Mini Curso: Sensores y Acondicionamiento de Señales en Mecatrónica

Transductores Físicos, Instrumentación Analógica (INA128 / 4-20 mA), Conversión ADC/DSP, Lógica Digital y Calibración

Desarrolla de extremo a extremo la cadena de instrumentación mecatrónica moderna en 5 partes completas: física de sensores primarios, acondicionamiento analógico y protección galvánica, muestreo de Nyquist, convertidores DAC/ADC y filtrado digital FIR/IIR, lógica combinacional/secuencial y metrología con propagación de incertidumbre RSS.

Bloques del Programa Curricular

Parte 1 (Videos 01 y 02): Terminología, Posición, Velocidad, Fuerza, Presión, Flujo, Nivel, Temperatura y Luz
Parte 2 (Videos 03 y 04): Op-Amp, Instrumentación INA128 (CMRR), Protección, Filtros, Wheatstone y Lazo 4-20 mA
Parte 3 (Videos 05 y 06): Muestreo de Nyquist, Aliasing, DAC R-2R, ADC SAR/Sigma-Delta, MUX, S/H y DSP FIR/IIR
Partes 4 y 5 (Videos 07 a 10): Compuertas, Karnaugh, Flip-Flops, Registros, Displays y Calibración Metrológica RSS

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CLASE EN VIDEO RESUMEN EJECUTIVO

Introducción al Curso: Sensores y Acondicionamiento de Señales en Mecatrónica

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TEMARIO Y RECURSOS CLASE POR CLASE

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CLASE EN VIDEO Presentación General (<= 60 s)

Introducción al Curso: Sensores y Acondicionamiento de Señales en Mecatrónica

Recorrido por la cadena universal de medición mecatrónica estructurada en las 5 partes del programa: del transductor primario al dato digital calibrado.

Apuntes Clave de la Clase:

Cadena completa: Transductor -> Puente/INA128 -> Filtro Anti-Aliasing -> S/H -> ADC -> DSP.
Parte 1 y 2: Sensores físicos de todas las magnitudes y acondicionamiento analógico de precisión.
Parte 3 y 4: Conversión digital Nyquist/ADC, procesamiento FIR/IIR y lógica de seguridad.
Parte 5: Sistemas de visualización (LED/LCD/OLED/TFT), incertidumbre RSS y trazabilidad.

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CLASE EN VIDEO Parte 1 · Sensores y Transductores (Sección A)

Parte 1A: Terminología, Desplazamiento, Posición, Proximidad y Velocidad

Domina las características estáticas y dinámicas de todo instrumento y analiza potenciómetros, galgas extensiométricas, LVDT, sensores Hall, encoders ópticos y proximidad.

Apuntes Clave de la Clase:

Rango, alcance (Span), exactitud vs. precisión, histéresis, linealidad y constante de tiempo tau.
Galgas extensiométricas (Factor GF = (dR/R)/epsilon) y efecto de carga Rm en potenciómetros.
Transformador diferencial LVDT con demodulación sensible a la fase y sensores de efecto Hall.
Encoders incrementales en cuadratura A/B/Z (multiplicación x4) y absolutos con Código Gray.

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CLASE EN VIDEO Parte 1 · Sensores y Transductores (Sección B)

Parte 1B: Fuerza, Presión, Flujo, Nivel, Temperatura, Luz y Selección

Estudia celdas de carga, piezoeléctricos, diafragmas MEMS, tubos Venturi, nivel por ultrasonido, RTD Pt100, termopares con CJC, fotodiodos y circuitos antirebote (Debouncing).

Apuntes Clave de la Clase:

Celdas de carga de 4 galgas, transductores piezoeléctricos (q = d*F) y presión diferencial MEMS.
Caudal por presión diferencial (placa de orificio/Venturi Q prop. sqrt(dP)) y turbinas Hall.
Temperatura con RTD Pt100 (alpha = 0.00385), termistores NTC y termopares (Seebeck + CJC).
Eliminación de rebote mecánico (2-20 ms) con red RC (tau = 10 ms) + Schmitt Trigger 74HC14.

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CLASE EN VIDEO Parte 2 · Acondicionamiento Analógico (Sección A)

Parte 2A: Amplificador Operacional, Instrumentación (INA128) y Protección Galvánica

Diseña etapas frontales analógicas con amplificadores operacionales, amplificador de instrumentación de 3 Op-Amps (INA128/AD620) de alto CMRR y barreras de protección.

Apuntes Clave de la Clase:

Configuraciones con Op-Amp: inversor, no inversor, seguidor (Buffer), sumador de offset e integrador.
Amplificador de Instrumentación de 3 Op-Amps (INA128): Zin > 10 GOhm y ganancia G = 1 + 50k/Rg.
Rechazo en Modo Común CMRR = 20*log10(Ad/Acm) > 120 dB para anular interferencia de 50/60 Hz.
Protección contra sobretensión (PTC + diodos Schottky/Zener) y aislamiento galvánico óptico.

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CLASE EN VIDEO Parte 2 · Acondicionamiento Analógico (Sección B)

Parte 2B: Filtrado Activo, Puente de Wheatstone, Ruido y Lazo 4-20 mA

Calcula filtros activos Sallen-Key y Notch de 50/60 Hz, equilibra puentes de Wheatstone con compensación térmica (Pt100 3/4 hilos) y domina el bucle industrial de 4 a 20 mA.

Apuntes Clave de la Clase:

Filtros pasa-bajas activos Sallen-Key (-40 dB/dec) y rechaza-banda Notch Doble-T en 50/60 Hz.
Puente de Wheatstone en cuarto, medio y puente completo con galga pasiva compensadora (dummy).
Conexión de RTD Pt100 a 3 hilos (cancela R_cable) y medición Kelvin de precisión a 4 hilos.
Tierra en estrella (AGND/DGND/PGND), par trenzado y lazo 4-20 mA con cero vivo sobre R = 250 Ohm.

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CLASE EN VIDEO Parte 3 · Conversión Digital y DSP (Sección A)

Parte 3A: Señales Digitales, Muestreo de Nyquist y Convertidores DAC y ADC

Aplica el Teorema de Nyquist-Shannon, previene el solapamiento espectral (Aliasing) y compara arquitecturas DAC (Escalera R-2R) y ADC (SAR, Doble Pendiente, Flash y Sigma-Delta).

Apuntes Clave de la Clase:

Teorema de Nyquist (fs >= 2*f_max; diseño práctico fs >= 10*f_max) y filtro Anti-Aliasing previo.
Cuantización de n bits: resolución LSB = Vref / 2^n y relación SNR ideal = 6.02*n + 1.76 dB.
Convertidor DAC en Escalera R-2R simétrica (solo emplea dos valores resistivos R y 2R).
Comparativa de convertidores ADC: búsqueda binaria SAR, Dual-Slope, Flash y Sigma-Delta 24 bits.

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CLASE EN VIDEO Parte 3 · Conversión Digital y DSP (Sección B)

Parte 3B: Multiplexores, Sample-and-Hold, Adquisición de Datos (DAQ) y DSP

Analiza el barrido multicanal en sistemas DAQ (MUX + PGA + Sample-and-Hold + DMA) e implementa algoritmos de Procesamiento Digital de Señales (filtros FIR e IIR) en tiempo real.

Apuntes Clave de la Clase:

Circuito Sample-and-Hold (LF398): tiempo de adquisición, jitter de apertura y tasa de caída (Droop).
Multiplexación analógica (CD4051/ADG708) y prevención del crosstalk por impedancia entre canales.
Ecuaciones en diferencias en tiempo discreto y operador retardo unitario z^-1.
Implementación en C++ y Python de filtros digitales FIR (media móvil) e IIR exponenciales.

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CLASE EN VIDEO Parte 4 · Lógica Digital en Mecatrónica (Sección A)

Parte 4A: Compuertas Lógicas, Álgebra de Boole, Karnaugh y Enclavamientos

Diseña sistemas combinacionales de seguridad industrial mediante álgebra de Boole, teoremas de De Morgan, Mapas de Karnaugh y arquitecturas redundantes de votación 2 de 3 (2oo3).

Apuntes Clave de la Clase:

Familias lógicas TTL y CMOS (serie 74HC), márgenes de ruido alto/bajo y universalidad NAND/NOR.
Teoremas de De Morgan, formas canónicas SOP/POS y simplificación en Mapas de Karnaugh.
Diseño de enclavamiento bimanual seguro para prensa hidráulica con guarda óptica y paro.
Votador mayoritario redundante 2 de 3 (2oo3): Y = S1*S2 + S2*S3 + S1*S3 en hardware y Verilog.

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CLASE EN VIDEO Parte 4 · Lógica Digital en Mecatrónica (Sección B)

Parte 4B: Lógica Secuencial — Flip-Flops, Registros, Contadores y FSM

Domina los elementos de memoria secuencial disparados por flanco (Flip-Flops SR, JK, D y T), registros de expansión E/S (74HC595/74HC165), contadores síncronos y máquinas Moore/Mealy.

Apuntes Clave de la Clase:

Biestables Latch SR frente a Flip-Flops síncronos JK, D (74HC74) y T con tiempos Setup y Hold.
Expansión de puertos mediante registros de desplazamiento SIPO (74HC595) y PISO (74HC165).
Contadores síncronos libres de glitches y decodificador de cuadratura bidireccional en Verilog.
Síntesis de Máquinas de Estados Finitos (Moore y Mealy) y temporizador NE555 monostable/astable.

Archivos en el .ZIP: firmware_instrumentacion_video_08.inoanalisis_metrologico_y_dsp_video_08.pylogica_secuencial_y_combinacional_video_08.vplano_01_protoboard_tinkercad.pngplano_02_pcb_fr4_arquitectura.png

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CLASE EN VIDEO Parte 5 · Presentación y Calibración (Sección A)

Parte 5A: Presentación de Datos, Grabación Magnética/Óptica y Displays

Conoce el principio físico de los indicadores analógicos, el registro magnético/óptico y la programación de displays de 7 segmentos multiplexados, LCD HD44780, OLED SSD1306 y TFT SPI.

Apuntes Clave de la Clase:

Galvanómetro de bobina móvil D’Arsonval, grabación magnética (Manchester) y óptica láser.
Displays de 7 segmentos (ánodo/cátodo común) con multiplexación por división de tiempo > 60 Hz.
Controladores alfanuméricos LCD nemático trenzado (HD44780) y pantallas autoemisivas OLED I2C.
Pantallas gráficas TFT color por bus SPI de alta velocidad y criterios de ergonomía visual.

Archivos en el .ZIP: firmware_instrumentacion_video_09.inoanalisis_metrologico_y_dsp_video_09.pylogica_secuencial_y_combinacional_video_09.vplano_01_protoboard_tinkercad.pngplano_02_pcb_fr4_arquitectura.png

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CLASE EN VIDEO Parte 5 · Presentación y Calibración (Sección B)

Parte 5B: Sistemas de Adquisición, Propagación de Incertidumbre y Calibración

Integra dataloggers industriales con buses RS-485/SCPI, calcula el presupuesto de incertidumbre combinada por raíz de la suma de cuadrados (RSS) y ejecuta protocolos de calibración en 5 puntos.

Apuntes Clave de la Clase:

Buses de instrumentación RS-232, RS-485 diferencial, I2C, SPI y sintaxis estándar SCPI.
Errores sistemáticos vs. aleatorios y propagación RSS: uc = sqrt(sum(u_i^2)), U = k * uc.
Protocolo de calibración estática ascendente/descendente (0%, 25%, 50%, 75%, 100%) y ajuste Cero/Span.
Pirámide de trazabilidad al SI (relación TAR >= 4:1) y Banco Integrador Multivariable.

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CLASE EN VIDEO Síntesis Global (<= 60 s)

Resumen y Cierre del Curso: Sensores y Acondicionamiento de Señales

Síntesis ejecutiva de las 5 partes del curso integrando transducción física, acondicionamiento analógico, conversión ADC/DSP, lógica digital y calibración metrológica.

Apuntes Clave de la Clase:

Dominio completo de extremo a extremo desde la física del sensor hasta la indicación calibrada.
Reglas de diseño profesional: alto CMRR, filtrado anti-aliasing y masa analógica/digital en estrella.
24 planos de ingeniería en técnicos y 36 programas en C++, Python y Verilog incluidos.
Conexión directa con el curso de Sistemas de Actuación en Mecatrónica.

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