Principios de análisis instrumental

102 Capítulo 5 Señales y ruido {(( organismos biológicos que actúan como una antena. La instru– mentación electrocardiográfica aprovecha las ventajas de los amplificadores de instrumentación. Otra aplicación característica es un módulo de adquisición de datos de una computadora, como es el caso del amplificador de instrumentación de ganancia progra– mabl e (PGIA, por sus siglas en inglés) que se ilustra en la figura 4.12a. La ganancia del amplificador de instrumentación está bajo el control de una computadora, la cual cambia el resistor R 1 /a de la figura 5.3 por inter ruptores de estado sólido controlados de manera digital. Filtración analógica Uno de los métodos más comunes para mejorar la relación señal/ ruido de los instrumentos analíticos es la instalación de filtros analógicos de paso bajo como los que se ilustran en la figura 2.11 b. La razón de esta aplicación tan extendida es que muchas señales de instrumentos son de baja frecuencia con anchos de banda que se extienden en intervalos de unos pocos hertz. Por consiguiente, un filtro de paso bajo caracterizado por el diagrama de Bode de la figura 2.12b eliminará de manera efectiva muchos de los compo– nentes de alta frecuencia de la señal, sin olvidar el ruido térmico y el ruido de disparo. En la figura 5.4 se puede ver la aplicación de un filtro RC de paso bajo para reducir el ruido que proviene de una señal cd que varía con lentitud. Los filtros analógicos de paso alto, como los que se ilustran en la figura 2.11a también se usan mucho en los instrumentos analíticos en los que la señal del analito es de frecuencia relativa– mente alta. El filtro de paso alto reduce los efectos de deriva y otro ruido fluctuante de baja frecuencia. También hay filtros electrónicos de banda angosta para ate– nuar el ruido fuera de una banda esperada de frecuencias de la señal. Ya se señaló que la magnitud del ruido fundamental es directamente proporcional a la raíz cuadrada del ancho de banda de la frecuencia de una señal. Entonces, se puede lograr una reducción importante del ruido al restringir la señal de entrada a una banda angosta de frecuencias y usando un amplificador que se ajuste a esta banda. Es importante notar que el paso de banda del filtro debe ser lo suficientemente amplio para incluir todas las frecuencias de la señal. B V¡ Tiempo V¡ vo Tiempo FIGURA 5.4 Uso de un filtro paso bajo con una constante de tiempo grande para eliminar el ruido de un voltaje cd que cambia lentamente. Modulación La amplificación directa de una señal de baja frecuencia o cd es problemática, en particular cuando un instrumento manifiesta deriva del amplificador y ruido fluctuante. A menudo, este ruido 1/fes varias veces mayor que los tipos de ruido que predominan a más altas frecuencias. Por esta razón, las señales de baja frecuencia o cd provenientes de los transductores son transformados muchas veces a una frecuencia superior, en la que el ruido llf es menos problemático. A este proceso se le conoce como modulación. Des– pués de la amplificación, la señal modulada puede ser liberada del ruido 1/f del amplificador al pasar por un filtro de paso alto; la demodulación y la filtración con un filtro de paso bajo produce entonces una señal cd amplificada aceptable como salida. La figura 5.5 es un diagrama del flujo de la información por dicho sistema. La señal cd original que se muestra en el espec- A Señal original \ Señal amplificada más ruido Demodulación a cd después de la filtración ,g Modulación a 400 Hz segu ido ~ ª e Señal des modulada ~ de ampl ificación de 10 5 ~ \------ ..<;! +----->t---------~ ..<;! Frecuencia, Hz O) u 60Hz 400Hz Frecuenc ia, Hz O) u .~ u ¡:¡ o 0.. 0.010 Frecuencia, Hz FIGURA 5.5 Amplificación de una señal modulada. (Adaptada de T. Coor, J. Chem. Educ., 1968, 45, p. A583. Con autorización .)