MEDICIONES ELECTRÓNICAS

Adquisición digital de señales Analógicas

TECNOLOGÍA EN ELECTRÓNICA

INTRODUCCIÓN

Los conversores AD y DA están generalmente relacionados con la últimaetapa del proceso de medición. Sin embargo, en ciertos casos se utilizaun ADC justo después de la primera etapa, y la adecuación de la señal sehace de manera completamente digital.

Transductor Adecuación Despliegue

ADCADC

Señales analógicas y digitales:

INTRODUCCIÓN

Digital: un código definido

para un rango de valores.Análogas: pueden tomar

cualquier valor dentro del

rango definido para la señal

Señales analógicas y digitales:

INTRODUCCIÓN

Digital: un código definido

para un rango de valores.Análogas: pueden tomar

cualquier valor dentro del

rango definido para la señal

Sistemas Analógicos y Digitales:

Ejemplo:

Transmisión de una señal de un proceso de nivel de manera analógica.

INTRODUCCIÓN

RUIDO

Ventajas:

En algunos casos, a pesar de existir ruido, la señal es discernible.

Información instantánea.

Desventajas:

Susceptible al ruido de transmisión.

Sistemas Analógicos y Digitales:

Ejemplo:

Transmisión de una señal de un proceso de nivel de manera digital.

INTRODUCCIÓN

RUIDO

Codificación

Ventajas:

De acuerdo a la codificación, puede ser inmune al ruido presente.

Desventajas:

Mayor ancho de banda (requiere más tiempo para la transmisión).

Sistemas numéricos

• Un sistema numérico es una colección de símbolospara representar cantidades pequeñas, y de reglaspara representar cantidades mayores.

• Cualquier sistema numérico posicional en unabase b puede representarse como una sumaponderada de potencias de b:

• Las cantidades an, an-1, ..., a0 son los dígitos delsistema.

INTRODUCCIÓN

Sistemas numéricosEn el sistemabinario la base b es2. A un dígito binariose le conoce comobit, contracción deltérmino en inglés:binary digit.

INTRODUCCIÓN

Sistemas numéricos

La ventaja del sistema binario,en cuanto a su uso en laelectrónica, radica en que cadabit puede representar uno dedos estados de un elemento odispositivo:

– Abierto / cerrado.

– Encendido / apagado.

– Activo / inactivo.

– Voltaje grande / voltaje pequeño.

– Cargado / descargado.

INTRODUCCIÓN

Un proceso de conversión de datos involucra dispositivos que permitenconvertir señales continuas en señales discretas para ser utilizadas porsistemas de control digitales, como PLCs (Programmable Logic Controller)y MCUs (MicroController Unit).

Adquisición de Datos:

Sistema TÍPICO de adquisición y distribución de datos

Sistema

Real

Transductor

(sensores)

Mux

Análogo

Acond. de señal

Circuito de Muestreo y Retención

Conv

A/D

MCU

DSP

D/A

Conv

Temp

Presión

Actuador

INTRODUCCIÓN

CONVERSIÓN A/D

Adquisición digital de señales Analógicas

Conversores A/D (ADC):

Un convertidor A/D o ADC toma una tensión de entrada analógica ydespués de cierto tiempo, denominado tiempo de conversión,produce un código de salida digital que representa la entradaanalógica. Los conversores A/D y D/A se definen como dispositivos deseñal mixta.

CONVERSIÓN A-D

Qué es un ADC?

• Básicamente un ADC muestra mediante un código digital desalida, a qué fracción del voltaje (o corriente) de referenciacorresponde el nivel de voltaje (o corriente) de entrada, una vezse han comparado entre sí.

• La función de transferencia de un ADC puede escribirse de lasiguiente manera:

donde:

n = No. de bits de salida = Resolución;

AIN = voltaje a convertir; VREF = voltaje de Referencia.

G = ganancia del ADC (usualmente=1);

salida decimal 2n IN

REF

A( )= G

V

CONVERSIÓN A-D

AINn

bitsADC

VRef

Etapas de conversión A-D:

En la conversión A/D una señal analógica es procesada pararepresentarla en forma discreta o digital.

CONVERSIÓN A-D

Señal Análoga Señal

DigitalMUESTREO Y

RETENCIÓN

(S/H)

CUANTIFICACIÓN

Y CODIFICACIÓN

Etapas de conversión A-D:

CONVERSIÓN A-D

Las etapas por lo general se agrupan de la manera mostradaanteriormente. En la actualidad, lo común es que las 4 etapas seintegren en un único C.I.; sin embargo, se pueden conseguirdispositivos que realicen las primeras etapas, conocidos comodispositivos S/H (Sample & Hold).

CONVERSIÓN A-D

Muestreo y retención (S/H):

Muestreo: valores de la

señal válidos exclusivamente

en el instante de muestreo

Retención: Se mantiene el

valor de la señal hasta que

se realiza un nuevo muestreo.

Señal Análoga Señal

Digital

CONVERSIÓN A-D

Muestreo y retención (S/H):

Circuito real de

un Sample & Hold

Circuito simplificado

de un Sample & Hold

MUESTREO Y

RETENCIÓN

(S/H)

CUANTIFICACIÓN

Y CODIFICACIÓN

Muestreo:

• Para que las muestras de la señal seanrepresentativas (contengan teóricamente toda lainformación necesaria de la señal) ha de cumplirseel teorema de Nyquist:

• En señales complejas (múltiples componentes defrecuencia) el teorema se aplica con respecto a lamáxima componente de frecuencia de la señalanalógica.

CONVERSIÓN A-D

2muestreo señalf f=

Muestreo: lo que ocurre en el

dominio de la frecuencia.

CONVERSIÓN A-D

( )X f

Espectro de magnitud en frecuencia

de una señal original x(t)

( )*X f

Sf−Sf

2

Sf−

2

Sf

Espectro de magnitud

en frecuencia de la

señal original

muestreada en el

tiempo: x*(t)

Frecuencia

de Nyquist

Prof. Ing. Alejandro Pustowka

CONVERSIÓN A-D

Determinando la rata de muestreo:

La tasa de muestreoqueda definida por lafrecuencia máxima deinterés de la señal(teorema de Nyquist) ypor la cantidad deseñales multiplexadas.

CONVERSIÓN A-D

El efecto de aliasing

El aliasing es elfenómeno que ocurrecon el muestreo de unacomponente sinusoidalcuando la velocidad demuestreo no cumplecon el teorema deNyquist, lo que generauna componente digitalde frecuencia menora la de la componentemuestreada.

Aliasing: lo que ocurre en el

dominio de la frecuencia.

CONVERSIÓN A-D

Espectro de magnitud en frecuencia de la señal original

muestreada en el tiempo: x*(t), de manera incorrecta!

CONVERSIÓN A-D

Filtro Anti-aliasing

Un filtro anti-aliasing es un filtropasa-bajos cuyo objetivo es el deatenuar considerablemente cualquiercomponente de frecuencia porencima de la frecuencia de Nyquist.

Cuantización o

cuantificación

CONVERSIÓN A-D

Margen de entrada

Có

dig

os d

e s

alid

a:

N =

2^

n b

its

(8 =

2^

3 b

its)

Voltaje de cuantización =𝑽𝒓𝒆𝒇

𝟐𝒏

Error de Cuantización

• El error de cuantización serefiere al rango máximoposible de incertidumbreentre el valor de voltajerepresentado por el códigodigital de salida y el valorreal actual del voltaje deentrada.

• El error de cuantización de los ADC comerciales es de± ½ LSB.

CONVERSIÓN A-D

Errores: Offset

Instrumentación Electrónica

Es el valor analógico de la diferenciaentre la función de transferencia realy la ideal, en ausencia de otroserrores (salvo el de cuantificación).

Su presencia implica que la primeratransición no se produce exactamenteen ½ LSB, de modo que la curva detransferencia está desplazadahorizontalmente.

CONVERSIÓN A-D

Errores: Ganancia

Instrumentación Electrónica

Es la diferencia entre los puntos de mitad de escalón de la curva de transferencia real y la ideal correspondiente a la salida digital de todo 1, en ausencia de otros errores (salvo el de cuantificación).

CONVERSIÓN A-D

Errores: No linealidad Integral (INL)

Es la máxima diferencia entre la función de transferencia real y la ideal cuando los errores de cero y de ganancia son nulos. Es un error que no se puede corregir.

Instrumentación Electrónica

Se denomina “integral” porque es el error que se tiene en una determinada palabra (código) de salida con independencia de las demás.

CONVERSIÓN A-D

Errores: No linealidad diferencial

Instrumentación Electrónica

Es la diferencia entre el ancho de un escalón real y el de uno ideal, que es 1 LSB. Si el DNL excede 1 LSB el convertidor se puede hacer no monótono (la salida se hace más pequeña para un incremento en la entrada) y el convertidor puede perder códigos.

CONVERSIÓN A-D

Tipos de Conversores A/D:

Procedimiento

de conversión

Conversión

directa

(Comparación)

Conversión

indirecta

(Integración)

paralelo o flash

rastreador

aproximaciones sucesivas

integradores o

de rampas

sobre-muestreo

tensión – tiempo(V/T)

tensión – frecuencia (V/f)

Los diferentes tipos de conversores A/D pueden ser clasificados en dosgrupos según el método con el que realizan la conversión: por integracióno por comparación.

CONVERSORES A-D

Paralelo (Flash o simultáneo)

Su principal inconveniente es quenecesita 2n –1 comparadores:

Si n es 8 bits se necesitarían 255comparadores, lo cual suponeocupar un importante área desilicio, elevado consumo y costoalto.

Es el método de conversión más rápido. Compara de forma simultánea laentrada analógica con 2n-1 tensiones de referencia.

Ejercicio: Salida del conversor para:

Vin = 4V, Vr = 5V, n = 3

CONVERSORES A-D

Aproximaciones sucesivas

Opera comparando el voltaje de salida del DAC interno con la señal deentrada. La salida del comparador es aplicada a un bloque lógico (registrode aproximaciones sucesivas o SAR) que se encarga de colocar los valoresa la entrada del DAC.

Para minimizar el tiempo deconversión, cada bit delcódigo digital de salida esprobado secuencialmente,comenzando por el mássignificativo.

CONVERSORES A-D

Aproximaciones sucesivas

▪El periodo de conversión tendrá unvalor aproximado a n x Tclk donde nes el número de bits del registro deaproximaciones sucesivas y Tclk esel periodo de reloj.

▪En un conversor de este tipo eldispositivo S/H es imprescindible paraevitar grandes errores en laconversión.

CONVERSORES A-D

Aproximaciones sucesivas

Ejercicio:

Conversor con:

n = 3

Vin = 2V

Vref = 5V

CONVERSORES A-D

Doble rampa analógica

El voltaje de entrada es integrado durante un tiempo constante T1,medido a partir del cruce por cero de la salida del integrador.Posteriormente se aplica al integrador un voltaje de referencia depolaridad contraria al voltaje Vin, a fin de descargar el condensadorpreviamente cargado.

Vomax = Vin.T1/RC

Vomax = Vref.T2/RC

Igualando las expresiones:

T2 = (Vin/Vref).T1

CONVERSORES A-D

Selección de Conversores A/D: La selección está condicionada por cinco parámetros: resolución,velocidad, costo, alimentación y tamaño.

Los CAD de mayores resoluciones son más lentos, mientras que los másrápidos consumen más. Los CAD sigma-delta son los que tienenresoluciones más altas y el consumo más bajo, salvo los CAD de doblerampa cuyo consumo es aún menor.

CONVERSORES A-D

CONVERSIÓN D/A

Adquisición digital de señales Analógicas

Definición:

Los conversores D/A permiten que a partir de señales digitales discretas en tiempo se puedan reconstruir señales análogas continuas en tiempo.

Se usan como interfaces de sistemas digitales para el manejo de displays, actuadores y síntesis de señales.

CONVERSIÓN D-A

−−

−−−

nnn

nnnREFA

b+

b+

b++

b+

b+

bkV=V

222...

222

0

1

1

2

2

3

3

2

21

VAn

bits DAC

bn

(msb)

b0 (lsb)

CONVERSIÓN D-A

Conversión D-A: función de transferencia

Ejercicio:

Según ese modelo cual sería la

salida para el código 11011010,

sabiendo que Vref = 5V.

Conversores D/A:

▪Cada código digital de entradaproduce un valor único y discreto desalida.

▪Sobre el rango de salida delconversor se distinguen 2n valoresdistintos incluído el cero;

▪La salida tiene una correspondenciauno a uno con la entrada.

La misión de un DAC es la de proporcionar una señal analógica de salida que guarde una relación determinada con el código digital de entrada.

CONVERSIÓN D-A

Conversores D/A:

Tamaño de 1 LSB

Conversores Unipolares y Bipolares

CONVERSIÓN D-A

Tipos de Conversores D/A:

◼ Estructura multiplicadora

➢ fuentes corriente

➢ resistencias ponderadas

◼ Redes de resistencias R-2R (Escalera)

◼ Generación de impulsos (PWM)

CONVERSIÓN D-A

Conversor D/A Red R-2R (voltaje):

✓Facilidad relativa para lograr resistencias con relaciones precisas con tecnologías monolíticas.

✓Los DAC con salida de corriente ofrecen velocidades mayores, dado que ahorran el tiempo de establecimiento del conversor corriente-voltaje implementado con amplificador operacional.

−

−

−

1

0 2Vref

3RVo

n

=iin

iF bR= MSb: bn-1

2.3 CONVERSIÓN D-A

PWM (Pulse Width Modulation)

Consiste de una secuencia de pulsos cuyo ancho es proporcional a laamplitud de la señal en los instantes de muestreo.

CONVERSIÓN D-A

Una señal PWM puede ser interpolada para formar una señal análogacontinua mediante la utilización de filtros paso bajo.

CONVERSIÓN D-A

PWM (Pulse Width Modulation)

2.2 CONVERSIÓN A-D

Ejercicio: