Principios de análisis instrumental

72 Capítulo 4 Electrónica digital y computadoras «< Por lo regular, no es necesario contar con el.conocimiento deta– llado del diseño interno de cada uno de los componentes de un sistema instrumental. Además de facilitar el proceso de aprendí– zaje, el enfoque descendente ayuda a diagnosticar el mal funcio– namiento del sistema y la aplicación inteligente de los sistemas instrumentales para resolver problemas químicos. 4A SEÑALES ANALÓGICAS YDIGITALES Como se estableció en el capítulo 1, la información química se codifica en dominios digitales, analógicos o de tiempo. Un ejemplo de un fenómeno discreto en un dominio no eléctrico, que podría pasar con facilidad al dominio digital, es la energía radiante que se produce en la desintegración de las especies radiactivas. En este caso la información consta de una serie de pulsos o impulsos de energía que se produce con la desintegración de cada átomo. Estos impulsos se pueden convertir en un dominio eléctrico si se utiliza un transductor de entrada apropiado, primero como impulsos analógicos y luego como impulsos digitales que se puedan contar. Es posible interpretar y manipular la información resultante como un número entero de desintegraciones, lo cual es una forma de información no eléctrica. Es importante apreciar que si una señal resultante de un fenómeno químico es continua o discreta puede depender de su intensidad y de la manera en que es observada. Por ejemplo, la radiación de color amarillo que producen los iones de sodio al calentarse en una flama se mide con frecuencia con un fototrans – ductor, que transforma la energía radiante en una corriente analó– gica que varía en forma continua en un intervalo considerable. Sin embargo, con una intensidad de radiación baja, un transductor de diseño adecuado puede responder a cada fotón. Esto origina una señal consistente en una serie de impulsos analógicos que se con– vierten en impulsos digitales, que luego se cuentan. Con frecuencia, en los instrumentos modernos, una señal analógica como la que se muestra en la figura 4.la se transforma en una digital (figura 4.1 b) al tomar muestras y registrar la salida analógica a intervalos regulares de tiempo. En una sección poste– rior se analiza cómo se logra dicha transformación mediante un convertidor de señales analógicas en digitales (ADC, por sus siglas en inglés). Los circuitos digitales ofrecen importantes ventajas sobre sus contrapartes analógicas. Por ejemplo, los circuitos son menos sus– ceptibles al ruido ambiental, y las señales codificadas digitalmente pueden ser usualmente transmitidas con un mayor grado de inte– gridad de la señal. Segundo, las señales digitales se pueden trans– mitir directamente a las computadoras digitales, lo que significa que se puede utilizar software para extraer la información de las señales de salida de los instrumentos químicos. 2 2 Si desea mayor información consulte H. V. Malmstadt, C. G. Enke y S. R. Crouch, Microcomputers and Electronic Instrumentation: Making the Right Connections, Washington, OC: American Chemical Society, 1994; E. Lipiansk)', Electrica/, Elec– tronics, and Digital Hardware Essentials for Scientists and Engineers, Piscataway, N): IEEE Press, 2013. "' 'O o ¡¡ 2 '"' z a) Tiempo b) Ti empo FIGURA 4.1 Gráficas de la respuesta del detector contra tiempo para La misma señal en a) un dominio analógico y b) un dominio digital. 4B CONTEO YCÁLCULOS ARITMÉTICOS CON NÚMEROS BINARIOS En un proceso de medición digital común se utiliza un contador electrónico de alta velocidad para hacer un conteo de todos los hechos que ocurren dentro de un conjunto de condiciones limi– tantes. Entre los ejemplos de dichas señales están la cantidad de fotones o de partículas alfa producto de la desintegración que emite un analito por segundo, el número de gotas de titulante o el número de pasos que requiere un motor para añadir reactivo desde una jeringa. Entre las condiciones límite podría estar un intervalo de tiempo, por ejemplo 1 segundo, que proporciona la frecuencia de la señal en hertz; o bien, un cambio dado en una variable experimental, como el pH, la absorbancia, la corriente o el voltaje. El conteo de dichas señales en forma electrónica requiere pri– mero convertirlas en señales digitales para que proporcionen una serie de pulsos de igual voltaje, compatibles con los circuitos digi– tales del contador. Finalmente, el contador transforma los pulsos en un número binario para que los procese una computadora o en un número decimal para que puedan mostrarse en una pantalla. El conteo electrónico se ejecuta con números decimales codifica– dos en binario o con números binarios. En ambos esquemas de codificación se requieren solo dos dígitos, el Oy el 1, para repre– sentar cualquier número. En muchos contadores electrónicos, el Ose representa mediante una señal de alrededor de OV y el 1 casi siempre por un voltaje de S V. Es importante tener en cuenta que estos niveles de voltaje dependen de los adelantos técnicos actua– les y son diferentes para las distintas familias lógicas. Por ejemplo,