Usted, intrépido lector, ya lo sabe: el aficionado no tiene una cámara anecoica ni fuentes de referencia calibradas cada seis meses. Tiene un Arduino, unos cables de protoboard, una fuente china que parpadea en azul y un sensor comprado en Aliexpress. Y luego, al mirar el monitor serie, los números bailan como si estuvieran poseídos.
El ruido no es un accidente. Es el contexto. La clave no es eliminarlo por completo (eso es imposible sin un laboratorio), sino acondicionar la señal y elegir el conversor adecuado para que los bits que le llegan al microcontrolador representen algo parecido a la realidad.
A continuación, le propongo un barrido práctico, organizado por familias de sensores, con sus amplificadores típicos, el filtrado que necesitan y los ADC que mejor se portan en cada caso.
¿Qué es un PGA? (porque lo vamos a nombrar mucho)
PGA son las siglas de Programmable Gain Amplifier (amplificador de ganancia programable). Es un bloque que muchos ADC modernos incluyen internamente.
- Sin PGA: usted pone un amplificador externo (p. ej. un LM358) y fija una ganancia con resistencias.
- Con PGA: desde el software usted elige ganancias como 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 o incluso 128. El chip ajusta internamente la realimentación.
Utilidad: le permite leer señales muy pequeñas (como las de una célula de carga o un termopar) sin necesidad de un amplificador de instrumentación externo. Pero ojo: el PGA amplifica también el ruido y, si la impedancia del sensor es alta, puede introducir errores de offset. No es magia, es compromiso.
Clasificación de sensores por tipo de salida y acondicionamiento
Para no perderse, agrupemos los sensores según qué tipo de señal eléctrica entregan. Cada grupo exige una estrategia distinta de amplificación y filtrado.
Grupo A: Sensores de baja impedancia y señal relativamente grande (≥ 10 mV)
Ejemplos: potenciómetros, sensores de efecto Hall digitales (salida analógica), puentes resistivos con salida ya amplificada, sensores de corriente tipo ACS712.
| Aspecto | Recomendación |
|---|---|
| Amplificador | No hace falta, o un seguidor (buffer) de voltaje si el ADC tiene baja impedancia de entrada. |
| Filtrado | Filtro RC pasivo (R=1kΩ, C=0.1µF a 10µF) – suficiente. |
| ADC típico | Integrado del micro (Arduino Uno: 10 bits, 5V → 4.9mV/LSB) o ADS1115 si se desea más resolución. |
Grupo B: Puentes resistivos pequeños (células de carga, sensores de presión)
Ejemplos: célula de carga de 20 kg, galgas extensionétricas, puente de Wheatley diferencial. Señal típica: 1 a 10 mV a plena escala.
| Aspecto | Recomendación |
|---|---|
| Amplificador | Amplificador de instrumentación (INA125, AD620) o PGA del propio ADC si el conversor es específico para puentes. |
| Filtrado | Pasa-bajos de segundo orden (frecuencia de corte: 10 Hz para básculas, 100 Hz para medición dinámica suave). |
| ADC específico | HX711 (24 bits, PGA de 128, diseñado para puentes) – barato y muy eficaz si se respetan las conexiones de tierra. También el ADS1232. |
| Observación | Aquí la alimentación del puente debe ser limpia. Use una referencia externa (p.ej., LM4040) y no tome la de 5V del Arduino. |
Grupo C: Sensores de alta impedancia y baja corriente (pH, electrodos de vidrio, sensores de humedad capacitivos)
Ejemplos: sonda de pH (salida de 0 a 60 mV, impedancia > 10 MΩ), electrodo de ion selectivo.
| Aspecto | Recomendación |
|---|---|
| Amplificador | Amplificador operacional con JFET o CMOS de entrada (TL081, LMC662, AD8235). La alta impedancia exige una corriente de polarización fA o pA. |
| Filtrado | Pasa-bajos activo con frecuencia muy baja (0.1 a 1 Hz) porque estas señales son casi DC. A veces se añade un filtro de 50/60 Hz (Notch) si hay interferencia de red. |
| ADC típico | ADS1115 (modo lento, 8 muestras/segundo) o un ADS1015 de 12 bits si el presupuesto ajusta. Los sigma-delta como el AD7705 también funcionan bien. |
| Advertencia | El cable desde el electrodo debe ser apantallado y el apantallamiento conectado a la referencia del amplificador (técnica de guard driving). |
Grupo D: Termopares (señales diferenciales muy pequeñas)
Ejemplos: termopar tipo K, J, T. Señal típica: 20 a 50 µV/°C.
| Aspecto | Recomendación |
|---|---|
| Amplificador | Amplificador de instrumentación con muy bajo offset (AD620, INA188) + compensación de junta fría (un LM35 o una resistencia de platino). |
| Filtrado | Pasa-bajos agresivo (< 1 Hz) porque la temperatura no cambia rápido. Un filtro RC diferencial a la entrada del INA. |
| ADC típico | AD7705 o ADS1115 con PGA interno (ganancia 16 o 32). El ADS1115 llega a ganancia 16, pero ojo con el ruido a altas ganancias. |
| Nota | El HX711 no es adecuado para termopares porque su rango de entrada diferencial es muy pequeño y su PGA fijo para puentes. |
Grupo E: Sensores de corriente continua lentos pero con offset grande
Ejemplos: termistores NTC, RTD (Pt100), sensores de gas (MQ series). Señal: decenas a cientos de mV.
| Aspecto | Recomendación |
|---|---|
| Amplificador | Generalmente no hace falta si se usa un ADC de 16 bits. Si se necesita amplificar, un operacional estándar (LM358, MCP6002) en configuración no inversora. |
| Filtrado | Pasa-bajos pasivo o un promedio digital masivo (ventana móvil de 100 muestras). |
| ADC típico | ADS1115 (16 bits, I2C, 4 canales) es la opción más versátil. Para muchos canales, un MCP3424 (18 bits, muy lento pero muy limpio). |
Barriendo los conversores A/D más usados en el mundo Arduino
A continuación, un repaso de los ADC, ordenados por filosofía de uso.
Integrado en el microcontrolador (ej. ATmega328P)
- Resolución: 10 bits (0-1023).
- Ruido típico: ±2 a ±3 LSB si no se filtra.
- Cuándo usarlo: lecturas de potenciómetros, LDR, o cualquier señal mayor a 50 mV con variación rápida que no requiera precisión.
- Limitación: ningún rechazo al modo común, referencia interna ruidosa.
ADS1115 (Texas Instruments)
- Tipo: Delta-Sigma, 16 bits (pero en la práctica 14 bits efectivos), I2C.
- PGA: sí (ganancias: 2/3, 1, 2, 4, 8, 16).
- Velocidad: de 8 a 860 muestras/segundo.
- Usos ideales: sensores de temperatura, pH (con acondicionamiento externo), puentes con señal ya amplificada.
- Punto débil: la entrada es diferencial, pero la impedancia de entrada es solo de unos pocos MΩ, no para electrodos de alta impedancia pura.
HX711 (Avia Semiconductor)
- Tipo: Sigma-Delta, 24 bits (efectivos 20-21 bits bien usado), comunicación serie de 2 hilos.
- PGA: sí, fijo en 32, 64 o 128 según configuración (normalmente 128 para células).
- Velocidad: 10 o 80 muestras/segundo seleccionables.
- Usos ideales: exclusivamente para puentes de resistencias (células de carga, galgas). No intente leer otra cosa.
- Observación: muy tolerante al ruido digital si se siguen las recomendaciones de la hoja de datos (no ponga condensadores grandes a la salida de la alimentación).
AD7705 (Analog Devices)
- Tipo: Sigma-Delta, 16 bits (efectivos 16 bits reales si se programa bien), interfaz SPI.
- PGA: sí (ganancias 1 a 128).
- Velocidad: 10 a 500 muestras/segundo, con filtro sinc programable.
- Usos ideales: termopares, RTDs, sensores de puente con alto rechazo al ruido de modo común. Es el «caballo de batalla» del aficionado exigente.
- Dificultad: requiere leer 3 veces la hoja de datos y manejar registros de configuración. No es plug-and-play.
ADS1232 / ADS1234 (Texas Instruments)
- Tipo: Sigma-Delta, 24 bits, SPI.
- PGA: sí (1, 2, 64, 128).
- Velocidad: 10 u 80 muestras/segundo.
- Usos ideales: básculas, instrumentación industrial de baja velocidad. Muy fácil de usar porque no tiene registros internos; se configura por pines.
- Ventaja: rechazo al modo común excelente para señales diferenciales pequeñas.
Consejos finales para el aficionado que lee este borrador
- No subestime el filtrado analógico. Un simple condensador de 10 µF entre las líneas de señal y referencia del ADC hace más que 100 líneas de promedio digital si el ruido ya saturó la entrada.
- Separe las tierras. Tierra analógica y tierra digital deben unirse en un solo punto (cerca del ADC). No las mezcle en toda la placa.
- La alimentación es el 50% del problema. Una fuente conmutada barata puede arruinar la lectura de un ADS1115. Pruebe con una batería de litio o un 7805 + filtro LC.
- Aprenda a mirar las hojas de datos. Busque la tabla «ENOB» (Effective Number of Bits) o «Noise-free resolution». Un ADC de 24 bits con 6 bits ruidosos es un ADC de 18 bits en la práctica.
- Cuando todo falle, reduzca la velocidad. Siempre. Bajar la tasa de muestreo es el filtro más barato que existe.
Epílogo
Usted, experimentado lector, ya lo sabe: el ruido no se elimina, se negocia. Y el buen aficionado no es el que tiene el osciloscopio más caro, sino el que entiende qué amplificador poner delante de qué sensor, y qué conversor usar para no pegarse un tiro en el pie.
Espero que este barrido le sirva para tener en la mesita (o en la carpeta de «Proyectos») una guía rápida. Si cualquier cosa ,,, en LADETEC brindamos servicios de asesoría y capacitación.
Deja una respuesta