Simulación circuito electrónico acondicionador para un resonador piezoeléctrico

Javier Toledo Serrano, Universidad de Castilla-La Mancha

"Multisim nos ha permitido desarrollar un circuito electrónico acondicionador para un resonador piezoeléctrico tipo Tuning Fork o similar, con el cual se han podido simular lar curvas de modulo y fase en la resonancia. "

- Javier Toledo Serrano, Universidad de Castilla-La Mancha

El Reto:

Obtener un circuito electrónico para acondicionar la señal de un sensor tipo MEMS (Microelectromechanical Systems) basado en un resonador piezoeléctrico.

La Solución:

Emplear Multisim para simular y diseñar un circuito electrónico acondicionador para un microsensor resonante operando en medio líquido. Para ello se realizan simulaciones en el dominio del tiempo y de la frecuencia, que permitan comprender el resultado obtenido experimentalmente. Con este diseño lo que se busca es eliminar la capacidad paralela del resonador piezoeléctrico y por consiguiente su perjudicial corriente dieléctrica, ya que esta es mayor en magnitud que la corriente de interés, la corriente piezoeléctrica, que es la que produce la resonancia que interesa monitorizar. La ventaja fundamental de usar el simulador es la simplificación del circuito y la posibilidad de estudiar las diferencias entre frecuencia de resonancia del dispositivo y frecuencia de oscilación del circuito final. Con multisim es posible comprobar el efecto de la no idealidad de los AO, así como la repercusión de una cancelación parcial de la capacidad paralelo en las curvas de fase de las ramas resonantes.

Autor(es):

Javier Toledo Serrano - Universidad de Castilla-La Mancha
José Luis Sánchez de Rojas Aldavero - Universidad de Castilla-La Mancha

 

I. Introducción

El objetivo de este trabajo es desarrollar un circuito analógico, capaz de medir propiedades físicas de líquidos, como la densidad y la viscosidad, utilizando para ello un resonador piezoeléctrico. Debido a que la corriente piezoeléctrica se reduce fuertemente tras la inmersión del resonador en un medio líquido, es esencial cancelar la corriente dieléctrica, ya que ésta es mucho mayor que la corriente piezoeléctrica de interés en líquidos. Debido a este problema se ha optado por utilizar Multisim para conseguir el correcto diseño del circuito. Ésta es una práctica desarrollada en las asignaturas Sistemas Electrónicos, de 4º curso de Ingeniería Industrial y Electrónica Analógica de 3º curso del Grado de Ingeniería Electrónica Industrial y Automática. (En la Figura 1 se puede observar la capacidad paralela que se quiere eliminar.)

 

Tras realizar las simulaciones con varios circuitos, finalmente el diseño se basa en un amplificador de instrumentación que nos permite el acondicionamiento de la señal, proporcionando los mejores resultados en términos de estabilidad de la frecuencia y del ruido.

 

Una vez obtenido el circuito acondicionador de la señal es necesario cerrar el lazo de realimentación, para obtener un oscilador. Para ello se ha utilizado un sistema de lazo de enganche de fase (PLL), el cual nos permite seguir los cambios que se producen en la frecuencia de resonancia del resonador (figura 2).

 

II. Descripción de la simulación

El circuito acondicionador para el resonador piezoeléctrico es el que se muestra en la figura 3. Con este circuito lo que se persigue, es cancelar la capacidad paralela del resonador y por tanto la corriente dieléctrica, como se comentó anteriormente.

 

Este circuito electrónico consta de tres partes principales: un convertidor corriente-tensión, una etapa para el acoplo de alta impedancia y a la salida un amplificador diferencial, que es el que permite eliminar la parte proporcional de la corriente dieléctrica.

 

Tras realizar una simulación en AC para el circuito anterior, se han podido obtener varias curvas (ver figura 4), en las que se puede apreciar el cambio tanto en modulo como en fase justo a la frecuencia de resonancia del resonador (32.76 KHz), en función del grado de la cancelación de la capacidad.

 

Como se comento en la introducción se ha utilizado un PLL (phase loop locked), para conseguir un circuito oscilador que nos permita seguir los cambios que se producen en la frecuencia de resonancia. Como se ha podido observar en la simulación se ha obtenido un valor en el frecuencímetro que coincide justo con la frecuencia de resonancia del resonador (32.76 KHz).

 

Este bloque PLL se ha implementado de dos formas diferentes:

En la primera de ellas se ha utilizado el bloque del PLL virtual que contiene Multisim en sus librerías, en el que posteriormente se han modificado los parámetros para ajustarlo a nuestro circuito oscilador (figura 5.a).

 

Mientras que en la segunda opción se ha optado por descomponer el PLL en sus tres bloques principales: el comparador de fase a la entrada, seguido de un filtro paso bajo y a su salida el oscilador controlado por tensión (figura 5.b).

 

Conclusión:

Multisim nos ha permitido desarrollar un circuito electrónico acondicionador para un resonador piezoeléctrico tipo Tuning Fork o similar, con el cual se han podido simular lar curvas de modulo y fase en la resonancia. También nos ha permitido seleccionar los componentes más adecuados para el correcto diseño del circuito de una forma sencilla y práctica, suponiéndonos un ahorro de tiempo en la realización del diseño.

 

Como complemento adicional, hay que decir que todas las simulaciones realizadas han aportado una buena base para la futura aplicación de resonadores en medio líquido, con el cual se podrían medir sus principales propiedades físicas, como la densidad y la viscosidad.

 

Información del Autor:

Javier Toledo Serrano
Universidad de Castilla-La Mancha