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• Leo Quiñones Pitty

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INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA

CONTENIDO

4. Elemento procesador de señales 4.1 Métodos de conversión de analógico a digital. 4.2 Métodos de conversión de digital a analógico.

Instrumentación Industrial.

FIV. DISCA-UPV 2005

Sistemas de adquisición de datos.

Sensor

Computador (PC) Acondicionamiento

Tarjeta de adquisición de Datos ADC DAC

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Canal 1

Sensor 1

Acondicinador 1

Canal 1

Sensor 2

Acondicinador 2

Canal n

Sensor n

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MULTIPLEXOR ANALÓGICO

Canales multiplexados

ADC

Procesador

Salida DAC

Acondicinador n

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Canal 1

Sensor 1

Acondicinador 1

ADC 1

Canal 1

Sensor 2

Acondicinador 2

ADC 2

Canal n

Sensor n

Instrumentación Industrial.

Acondicinador n

PROCESADOR

Canales en paralelo

DAC

Salida

ADC n

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Acondicionamiento de la señal: Amplificador de instrumentación

Instrumentación Industrial.

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Conversión A/D

Función de transferencia ideal: Error de cuantización. Errores de : no linealidad, de ganancia, de offset, etc… Instrumentación Industrial.

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Errores Error absoluto: Valor medido  Valor exacto

Error relativo:

Valor medido  Valor exacto Valor exacto

Propagación de errores (k: error relativo): Operación

Resultado

Error resultante

a  b  k1a 2  k 2 b2

Suma

a  b  k1a  k 2 b

a  k1a   b  k 2 b

Diferencia

a  k1a   b  k 2 b

a  b  k1a  k 2 b a  b  k1a 2  k 2 b2

Producto*

a  k1a   b  k 2 b

ab  abk1  k 2 

Cociente*

a  k1a b  k2b

a a  k1  k 2  b b

Instrumentación Industrial.

ab  ab k12  k 22

a a  b b

k12  k 22

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Ruido en la señal 3σ 2σ 1σ

VALOR MEDIO

rms

 1σ 2σ

RUIDO

3σ

99,7% de probabilidad de que la señal sea menor que el valor rms

Media(μ), desviación estándar(σ) y varianza(σ2):

FUNCIÓN DE DENSIDAD GAUSSIANA

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Formas de onda más usuales Relaciones entre el valor de pico a pico de una señal y su desviación típica

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Métodos de Conversión de Analógico a Digital. El proceso de conversión de una señal de análogo a digital está constituido por tres etapas fundamentales. 1- Muestreo 2- Cuantificación. 3- Codificación

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MUESTREO Bajo ciertas condiciones una señal continua en el tiempo puede especificarse completamente y recuperarse a partir del conocimiento de sus valores instantáneos o muestras tomadas a intervalos de tiempo uniformes. Análogamente una señal eléctrica bajo ciertas condicionantes igualmente puede ser reconstruida a partir de partes extraídas en forma periódica. Una aproximación simple del muestreo, se consigue por medio de la operación de Conmutación mecánica.

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Instrumentación Industrial.

Muestreo Natural

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Muestreo y retención (sample & hold) Interruptor de estado sólido

Circuito elemental de muestreo y retención

Frecuencia máxima de entrada:

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Muestreo ideal de la señal

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Error por Aliasing Muestreamos una sinusoidal con dos frecuencias. La primera (verde) es más grande que el doble de la frecuencia de la sinusoidal (T es menor que mitad período). La segunda (roja) es más pequeña, con un T que es igual a tres cuartas partes del período.

Correcta Incorrecta

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Aliasing ó solape en frecuencia

a) Señal original b) Señal correctamente muestreada c) Señal con aliasing (solapamiento de espectros) Instrumentación Industrial.

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Aliasing de la señal muestreada. (Efectos visuales)

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El método para evitar problemas de aliasing es el siguiente: Elegir una frecuencia de muestreo que sea más grande que la mínima indispensable; Añadir siempre un filtro antialiasing antes del muestreador:

El filtro anti-aliasing es una componente fundamental de cada sistema ADC serio. Nota: El filtrado hay que hacerlo antes del muestreo. Una vez muestreada la señal, si hay aliasing este será irrecuperable. El filtro anti-aliasing es un filtro paso bajo que elimina todas las frecuencias por encima de la frecuencia de folding.

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CUANTIFICACION Básicamente, la cuantificación lo que hace es convertir o asignar a cada valor muestra del proceso de muestreo un valor discreto preestablecido (valor cuántico) según el código utilizado.

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CODIFICACIÓN Es este bloque encargado de convertir los valores discretos digitales a códigos binarios preestablecidos que permitirán su transmisión recepción y procesamiento.

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Canales simples o diferenciales 1

S1

2

1

S2

S1

Salida

Entradas 3 simples

S3

. . .

. . .

. . .

Entradas diferenciales

. . .

. . .

Salida

.. .. ..

N

N

SN

SN

CONTROL DE INTERRUPTORES

1 2

. ..

n

CONTROL DE INTERRUPTORES

E

1 2

(a)

. ..

n

E

(b) CH0+

CH1

Multiplexor

Canales de entrada analógicos

CHn

+ CH0CH1-

+ Vo

GND

CHn+

Vo

CHn-

GND

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Multiplexor

Canales de entrada analógicos

CH0

Multiplexor

CH1+

-

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Tipos de convertidores A/D

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Convertidor flash • Es el más rápido. • Supone 2N resistencias y 2N-1 comparadores. • La complejidad del circuito crece demasiado para valores de N superiores a 7 ú 8. • De utilidad para muestreo de señales rápidas, de vídeo, etc… Instrumentación Industrial.

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Convertidor semi-flash.

•Realiza la conversión en 2 etapas: •Primero se convierten los 4 bits de más peso, luego se obtiene la diferencia y se vuelven a convertir los 4 bits de menos peso.

•Permite reducir la complejidad del flash directo sin perder mucho en velocidad de conversión. •Es una buena opción para convertidores rápidos. Instrumentación Industrial.

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Convertidor de aproximaciones sucesivas

•Usa un algoritmo de prueba y error: se comienza con el MSB=“1”, si la salida está todavía por debajo de la entrada, queda confirmado el bit, si es superior, es MSB=“0” y se ensaya el siguiente. •Cada ciclo, se obtiene un bit, por lo que tardará N ciclos de reloj la conversión. •Se obtienen velocidades de conversión medias-altas por lo que es un buen candidato para ser empleado en tarjetas A/D. Instrumentación Industrial.

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Convertidor de doble rampa

•Es el más preciso, pero también el más lento. •Se emplea en instrumentos de precisión y de laboratorio.

•Cuesta 2N+1 ciclos hacer una conversión. •Si la señal es contínua y tiene ruido de alterna, el convertidor lo elimina casi por completo. Instrumentación Industrial.

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Convertidor Delta-Sigma(-Σ)

•Se trata de un convertidor de 1 solo bit que muestrea a gran velocidad. La secuencia binaria es filtrada digitalmente para obtener el valor medio con mayor precisión.

•A mayor precisión, mayor tiempo de conversión. Se puede variar dinámicamente, por lo que es un convertidor intermedio entre los de doble rampa y los flash. Instrumentación Industrial.

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Métodos de Conversión Digital Analógica

El empleo de técnicas digitales para accionar elementos analógicos requiere la utilización de un elemento “traductor” de un sistema a otro, este es el Conversor Digital Analógico (DAC) Existen muchos diseños para realizar un circuito de Conversión Analógica Digital y viceversa. En general se utilizan IC´S que realizan estas funciones en forma directa o con un mínimo de componentes extras. Sin embargo existen casos en que debemos, por costo, practicidad, disponibilidad o por lo específico de nuestra aplicación, aplicar otros sistemas. Los primeros parámetros de elección serán “Precisión” y “Velocidad” aunque también pesan sobre la elección la simplicidad de uso, consumo, Etc.

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INSTRUMENTACIÓN

Conversión digital analógica Un DAC (Digital to Analog Converter) es un dispositivo que generará una corriente o una tensión proporcional a una palabra binaria presente en sus entradas. El DAC más sencillo que se puede concebir consta simplemente de una tensión de referencia y de un grupo de resistencias que se conectan o no de acuerdo al estado de un interruptor asociado

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INSTRUMENTACIÓN Una configuración “ingeniosa” permite confeccionar DAC de muy buena resolución con solo 2 valores de resistencias de valor “R” y “2R”, como todas son iguales es más sencilla la confección del convertidor. Para esto se emplea un esquema derivado del anterior con una red de resistencias R-2R a la entrada del operacional..

La gran mayoría de los DAC trabajan con este sistema. Existen limitaciones como: La precisión de las resistencias. Estabilidad con la temperatura. Estas limitaciones impiden lograr DAC de más de 16 Bites con este método. Instrumentación Industrial.

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INSTRUMENTACIÓN

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