Runtime Systems

El objetivo de este bloque es generar una onda bipolar a altas frecuencias, ya sea cuadrada o sinusoidal.

En cuanto a los generadores de onda sinusoidal ninguno de los analizados reúne las características deseables, puesto que no garantizan directamente la estabilidad de la amplitud. Para lograr esta estabilidad se necesitan componentes adicionales en el circuito. De los generadores de onda cuadrada mostrados en el Capítulo 1 el generador Schmitt Trigger fue seleccionado para el sistema propuesto debido a que garantiza inherentemente la bipolaridad, y es el que presenta menor cantidad de componentes haciendo relativamente fácil su diseño e implementación. El empleo de una variante a amplificadores operacionales da la posibilidad de contar con otros OpAmps para otras funciones en el caso de usarse un circuito integrado con varios OpAmps en el mismo encapsulado. Entre las opciones que aparecen en ese caso está la posibilidad de generar la onda cuadrada y filtrarla con filtros activos para obtener una sinusoide. Esta última posibilidad trae como inconveniente que se hace necesario la utilización de una mayor cantidad de componentes externos, aunque en este capítulo se valora esta variante.

2.1.1

Variante de aplicar Voltaje constante

Esta variante consiste en la generación de una señal bipolar de voltaje con amplitud constante a altas frecuencias para ser aplicada al cuello del paciente. Luego de lograr esta señal y una vez aplicada al cuello del paciente, los electrodos se colocaron uno a la salida del oscilador y otro a una resistencia donde se puede medir el voltaje que se cae en ella que es proporcional a las variaciones de la corriente sensada por los electrodos. Otra función de la resistencia es limitar la corriente que pasa por el cuello del paciente. La siguiente figura, mostrada en el Capítulo 1 como Figura 1.9, se repite aquí con el objetivo de facilitar la comprensión de la explicación anterior.

Para el diseño de esta variante se utilizó un generador de onda cuadrada en configuración

Schmitt Trigger, donde se escogió un circuito integrado TL-084 compuesto por cuatro operacionales con una fuente de alimentación de -12Va12V y un slewrate de 16V/us[41]. Teniendo en cuenta que en la configuración Schmitt Trigger la frecuencia de las oscilaciones está dada por f=ln (1+R1/R2)/R4*C1 para lograr altas frecuencias se necesita

que la constante R4C1 en el circuito sea pequeña.

Para obtener una baja constante R4C1 no puede bajarse excesivamente el valor de R4, pues

esta puede hacerse comparable a la impedancia de salida del operacional, que idealmente debe de ser cero, pero en la realidad es de 50-400 ohmios[41].Con una resistencia de un valor pequeño y la resistencia de salida del operacional diferente de cero se crea una variación de voltaje no deseada en el instante de conmutación que produce una pendiente en el borde de subida de la señal. Por este motivo el valor de R4 debe ser considerablemente

superior a 400 Ω.

El valor del capacitor se ve limitado a no ser inferior a las capacidades parásitas entre los pines del operacional. Empíricamente se halló que dicha capacidad es de unos 10 pF. Por

este motivo se decidió que el valor de capacidad fuera superior a los 100 pF, para que la capacidad parásita no afectara el funcionamiento del circuito.

De esta forma se escogió un valor de resistencia pequeño pero mucho mayor que el valor de impedancia de salida del operacional y un valor de capacitor que permita que puedan ser despreciadas las capacitancias parásitas en el montaje real del sistema. Finalmente los valores elegidos fueron C1=150pF y R4=5kOhm, mientras que R1 y R2 se fijaron a

10kOhm. La forma de onda obtenida se muestra en la Figura 2.1.

Con estos valores se obtiene una frecuencia de ~250 KHz, que es la más baja posible dentro de los órdenes de la electroglotografía.

Figura 2.1 Forma de onda a la salida del oscilador.

Se puede observar que la forma de onda obtenida presenta oscilaciones de amplitud constante a una frecuencia de 243 kHz. La señal presenta una forma de onda casi triangular en lugar de una cuadrada y esto es debido a que los bordes de subida y bajada se encuentran limitados por el slewrate del amplificador. No obstante, el hecho de que llegue a la zona en que el OpAmp se satura (zona plana cercana a Vcc) garantiza la estabilidad de amplitud deseada.

A continuación se realiza la implementación de una onda sinusoidal a partir de una onda cuadrada.

Para este análisis se utilizó el generador de onda cuadrada diseñado anteriormente y luego se filtró pasabanda obteniendo una señal sinusoidal

Esta variante requiere una mayor cantidad de componentes pues se utilizó un Opamp para el generador de onda cuadrada y dos para el filtro pasabanda, casi una pastilla completa utilizada solo para el primer bloque del diagrama.

Primeramente se analizó para ver a qué frecuencia el amplificador puede trabajar cómodamente sin que se afecte su mayor pendiente de subida, teniendo en cuenta que el tl084 presenta un slewrate de , la ecuación de la onda sinusoidal es la derivada de esta ecuación que sería la pendiente en todos los puntos

es sustituyendo y colocando

el valor de frecuencia es y respectivamente. Con

la frecuencia es más alta que con el generador de onda cuadrada y esto se consigue sin explotar el funcionamiento del amplificador.

El filtro que se implementó fue diseñado en el Filter Pro [42] en configuración Sallen Key con aproximante de Butterwort centrado en la frecuencia de oscilación de 243kHz.

A continuación se puede observar en la Figura 2.2 el filtro implementado en Filter Pro.

Figura 2.2. Filtro diseñado en Filter Pro para obtener onda sinusoidal.

Figura 2.3. Forma de onda a la salida del filtro.

Esta forma de onda es adecuada para esta aplicación pero debido a que se utilizan una mayor cantidad de componentes que la variante de onda cuadrada se optó por mantener esta última

De esta manera el generador quedó conformado por el circuito de la Figura 1.13 que produce la señal de la Figura 2.1.

2.1.2

Variante de aplicar Corriente constante.

Como es sabido una variante para medir impedancia glotográfica es aplicando corriente de amplitud constante al cuello del paciente. Esta corriente se puede generar a partir del generador de onda cuadrada implementado en la Figura 2.1, empleando un convertidor de voltaje a corriente.

En la Figura 2.1 se pudo observar que el voltaje a la salida del Schmitt Trigger es aproximadamente Vcc, y teniendo en cuenta que la ganancia del convertidor es mayor que la unidad se colocó un atenuador para disminuir el voltaje a la entrada del convertidor impidiendo que se sature. Las resistencias del atenuador están en el orden de unas pocas decenas de kΩ.

Los electrodos se colocaron uno al terminal negativo del convertidor y otro a la salida, ellos a su vez están sujetos al cuello registrando las variaciones de voltaje producto de las variaciones de impedancia presentes en las cuerdas vocales.

En la Figura 2.4 se puede observar la configuración del generador de onda cuadrada, seguido el atenuador y luego el convertidor en configuración inversora así como la colocación de los electrodos en el circuito.

Figura 2.4.Configuración para la variante de aplicar corriente constante.

En el convertidor la corriente que pasa por el cuello del paciente está dada por el voltaje a la salida

del atenuador entre R3, el voltaje a la salida es VOUT=RC/R3 siendo RC la resistencia del cuello

y la impedancia de entrada al Opamp es R3.