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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D. Ramón Ruiz Merino. ÍNDICE. Ventajas de las técnicas digitales Esquema general de un sistema de procesamiento de señales Muestreo y cuantización de señales Funciones previas a la conversión A/D Estructuras de conversión D/A y A/D

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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D

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  1. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOSCONVERTIDORES D/A Y A/D Ramón Ruiz Merino

  2. ÍNDICE • Ventajas de las técnicas digitales • Esquema general de un sistema de procesamiento de señales • Muestreo y cuantización de señales • Funciones previas a la conversión A/D • Estructuras de conversión D/A y A/D • Soluciones comerciales y criterios de selección

  3. Programabilidad • Estabilidad • Repetibilidad • Funciones • Algoritmos adaptativos • Códigos correctores de errores • Funciones especiales exclusivas • Velocidad • Complejidad estructural Desventajas VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES Sustitución de sistemas de procesamiento analógicos por digitales: razones

  4. PROGRAMABILIDAD HARWARE ÚNICO  MÚLTIPLES TAREAS ACTUALIZACIÓN Y FLEXIBILIDAD • Digitales: actualización  nuevo código • Analógicos: actualización  nueva estructura VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

  5. Temperatura • Envejecimiento • Tolerancia componentes • Sistemas analógicos • Prestaciones idénticas • Independencia con edad, temperatura o tolerancia • Precisión garantizada • Sistemas digitales VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES ESTABILIDAD Y REPETIBILIDAD

  6. Banda eliminada • Fase lineal VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES PRESTACIONES • Implementación más fácil de algoritmos adaptativos • Códigos correctores de errores: inclusión de redundancia • Compresión sin pérdidas • Filtros:

  7. ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES

  8. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Cambio de naturaleza: Señal analógica secuencia valores numéricos [señal analógica] SECUENCIA DE OPERACIONES

  9. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO Transformación de una señal analógica en una secuencia de muestras  valores en instantes discretos Tipos de muestreo: • Muestreo en tiempo real (ideal uniforme) • Muestreo en tiempo equivalente: • Señales periódicas o de características repetitivas • Las muestras se forman sobre sucesivos ciclos en diferentes instancias de la señal • Anchos de banda superiores a la frecuencia de muestreo

  10. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO

  11. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

  12. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL 2m: f Nyquist

  13. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL Error de reconstrucción de la señal muestreada

  14. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE IMPULSOS

  15. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS”

  16. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING Condiciones de reconstrucción: • Señal limitada en banda • fm < 2 fs (fs=10fm typ) Filtros antialiasing:

  17. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING EJEMPLO: Señal: DC - 100 Hz (-3dB) -12 dB/octava fmax=200 Hz ADC: 10 bits (60 dB) fs=800Hz (4 fmax) Atenuación: 600Hz Butterworth de 4º orden, fc=200Hz (-38dB@600Hz)

  18. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN CUANTIZACIÓN Asignación a cada muestra de un código binario • Discretización del valor de las muestras: definición de bandas • Convertidor A/D • Necesidad de mantener la muestra (S&H)

  19. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN CUANTIZACIÓN • Margen de entrada (M): diferencia entre el mayor y menor valor de la entrada analógica • Intervalo de cuantización (q): diferencia entre mayor y menor valor asignados a un mismo código digital de salida • Resolución (N): número de códigos del cuantizador Suele ser una potencia de dos: N = 2n (n bits) Cuantización uniforme: q =M/2n

  20. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Error (ruido) de cuantización

  21. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Transferencia estática

  22. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Suma de un offsetde ½ LSB

  23. MUESTREO Y CUANTIZACIÓN CUANTIZACIÓN NO UNIFORME • Error relativo grande para pequeñas entradas en esquemas uniformes • Mantenimiento de la relación señal-ruido • Variación de la cuantificación proporcional al nivel de entrada (Pre-énfasis)

  24. REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO • Calidad de los datos sistema adquisición de datos: • Relación señal-ruido (SNR) de entrada analógica • Resolución de la cuantización • SNR compatible con cuantización de n bits: • Ruido menor que mínima señal discernible (0.5/2n) • Entrada sinusoidal escala completa:

  25. REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO Requisitos SNR de entrada mínimos en función del número de bits (entradas fondo escala):

  26. Modelo lineal de ruido de cuantización: REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO Efecto del promediado sobre múltiples ciclos: RESOLUCIÓN Y RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (SNR)

  27. (q=1/2n) REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO SNR intrínseco de la cuantización (SER):

  28. FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR

  29. FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D Configuraciones sistemas ADQ (1) A. Time skew B. Sin Time skew

  30. FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D Configuraciones sistemas ADQ (2) C. Alta velocidad (sigma-delta) D. Sensores similares Velocidad baja

  31. FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO TAREAS DEL SUBSISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO: • Escalado: para ajustar la salida de los transductores al rango de entrada del conversor A/D • Minimización del ruido • Adaptación del espectro de frecuencias de la salida de los sensores para seleccionar bandas de información y facilitar la obtención de muestras digitales “válidas”

  32. FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO: FUNCIONES • Amplificación: señales procedentes de transductores de bajo nivel (termopar: 7 a 40 V)  ajuste rango de señal al de entrada de ADC para incrementar resolución y sensibilidad • Aislamiento (óptico, capacitivo, transformador): diferencias en tierras (lazos de tierra), espigas alta tensión o señales modo común  evita ruidos y daños a equipos • Filtrado: eliminación de ruidos HF, ruido de red y“aliasing” • Excitación: para transductores resistivos  aplicación de corrientes o tensiones en estructuras de medida (puentes) • Linealización: dado que ciertos transductores (p.e. termopares) tienen una respuesta no lineal

  33. FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO

  34. MULTIPLEXADO ANALÓGICO Time DecimationMUX (TDM)

  35. MULTIPLEXADO ANALÓGICO TIPOS DE INTERRUPTORES RELÉS • Resistencia pequeña en ON y muy grande en OFF • Tensiones de margen amplio (>15V) • Aislamiento galvánico control-acción • Baja dependencia con T ESTADO SÓLIDO • Durabilidad y robustez • Bajo consumo y coste • Tamaño reducido y sin rebotes • Rápidos

  36. MUESTREO RETENCIÓN Muestreo-retención frente a seguimiento-retención

  37. MUESTREO RETENCIÓN

  38. MUESTREO RETENCIÓN Track-and-Hold Amplifier (THA)

  39. MUESTREO RETENCIÓN Parámetros temporales THA

  40. CONVERTIDORES D/A CARACTERÍSTICAS • Resolución: número de bits de entrada • Conversión unipolar o bipolar • Codificación de la información digital • Tiempo de conversión • Tensión de referencia interna o externa (multiplicador) TIPOS • Estructura multiplicadora (fuentes corriente o resistencias ponderadas) • Redes de resistencias R-2R • Generación de impulsos

  41. CONVERTIDORES D/A Tiempos característicos convertidores D/A Valores typ.: (100ns,8bits) (1.2s,12bits)

  42. CONVERTIDORES D/A FUENTES DE CORRIENTE PONDERADAS (Código binario natural)

  43. CONVERTIDORES D/A RESISTENCIAS PONDERADAS (Binario natural) Sumador Multiplicador (Vref) VENTAJA • Rapidez: tiempos conversión (100ns,8bits) INCONVENIENTE • Precisión en resistencias de valores muy distintos (<8 bits)

  44. CONVERTIDORES D/A RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R)

  45. CONVERTIDORES D/A GENERACIÓN DE IMPULSOS • Método indirecto • Disminución del número de resistencias calibradas • Sobremuestreo: incremento de resolución a costa del muestreo

  46. Modulación densidad pulsos (PDM) • Modulación anchura pulsos (PWM) Representación en 1 bit: CONVERTIDORES D/A GENERACIÓN DE IMPULSOS

  47. CONVERTIDORES D/A GENERACIÓN DE IMPULSOS Reconstrucción PWM

  48. CONVERTIDORES D/A GENERADOR DE PATRONES PWM (Integrador) N ciclos  1 muestra Condición no rizado:  filtro >> periodo conv.  Limitación dinámica severa

  49. CONVERTIDORES D/A GENERADOR DE PATRONES PDM (1 bit DAC) (Pseudoaleatorio)

  50. CONVERTIDORES D/A DENSIDAD DE PULSOS (PDM) • Conteo “desordenado” • Probabilidad aparición pulsos: X/N • Mejora tiempo respuesta

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