Los Sistemas de Adquisición de Datos

Ingeniería.

2. Los Sistemas de adquisición
   de Datos (S.A.D)
3. Ejemplos sencillos de
   acondicionamiento de la señal
4. Ejemplos sencillos de
   S.A.D
5. Bibliografía

1. Introducción.

En la actualidad el vertiginoso desarrollo de
la electrónica y la microelectrónica
han motivado que todas las esferas de la vida humana se
estén automatizando, por ejemplo: la industria, el
hogar, los comercios, la agricultura,
la ganadería,
el transporte,
las comunicaciones, etc. En todo ese proceso de
automatización el microprocesador y
el microcontrolador juegan un papel de suma importancia. Ellos
han permitido el desarrollo de sistemas
inteligentes que resuelven los mas diversos problemas, son
los llamados Sistemas de Adquisición de Datos.

El objetivo
básico de los "Sistemas de Adquisición de
Datos"(S.A.D) es la integración de los diferentes recursos que lo
integran : Tranductores de diferentes tipos y naturaleza,
multiplexores,
amplificadores, sample and hold, conversores A/D y D/A,
además el uso del microcontrolador 8051 como CPU del SAD
diseñado, utilizando de este microcontrolador todas sus
prestaciones:
interrupciones, temporizadores, comunicación serie así como hacer
uso de memorias y
puertos externos y creando con todo ello un sistema que se
encargue de una aplicación especifica como es chequear una
variables
(PH, humedad
relativa, temperatura,
iluminación, concentración, etc )
para una posterior utilización d ela misma ya sea con
fines docentes,
científicos, de almacenamiento o
control y
utilización de la misma.

Con este documento le daremos a conocer que son los
Sistemas de Adquisición de Datos, la importancia de los
mismo en el desarrollo de la electrónica y la
microelectrónica en la creación de sistemas
electrónicos que se encarguen de chequear cualquier tipo
de variable .También haremos hincapié en las partes
que componen los S.A.D así como algunos ejemplos de
acondicionamiento de la señal que se
chequeara. 

2.0 Los Sistemas de
adquisición de Datos (S.A.D).

Un Sistema de Adquisición de Datos no es mas que
un equipo electrónico cuya función es
el control o simplemente el registro de una o
varias variables de un proceso cualquiera, de forma general puede
estar compuesto por los siguientes elementos.

2. Sensores.
3. Amplificadores operacionales.
4. Amplificadores de instrumentación.
5. Aisladores.
6. Multiplexores analógicos.
7. Multiplexores digitales.
8. Circuitos Sample and Hold.
9. Conversores A-D.
10. Conversores D-A.
11. Microprocesadores.
12. Contadores.
13. Filtros.
14. Comparadores.
15. Fuentes de potencia.

Figura 2.1. Diagrama
General de un SAD.

El S.A.D debe tener una estructura y
organización muy equilibrada que le permita
su buen funcionamiento de ello depende de que el mismo rinda al
máximo y sin ningún defecto.

Sensores o Tranductores

Sensores o Tranductores: Los sensores tienen
un rol vital en todo SAD ellos tienen la función de
convertir la variable física que se desea
registrar en una magnitud eléctrica (voltaje, corriente,
resistencia,
capacidad, Inductancia, etc.). Entre las magnitudes
físicas más importantes a registrar tenemos:
temperatura, humedad, presión,
concentración, iluminación, flujo, posición,
nivel, peso, etc. Diversas pueden ser las variables ambientales,
industriales, biológicas, químicas, etc. que en un
momento determinado podemos necesitar controlar, esto provoca que
sean también numerosos los tipos de sensores así
como su principio de funcionamiento, lo cual determina
generalmente el costo de sensor
que será necesario utilizar.

Tipos de sensores

1- Sensor de corriente

Convierte una magnitud física en un nivel de
corriente directa equivalente, este tipo de sensor tiene como
ventaja principal que el nivel de corriente obtenido puede ser
transportado distancias grandes sin que se produzcan perdidas
significativas, su desventaja a la vez consiste que la corriente
siempre tiene que ser convertida a voltaje antes de
suministrársele aun conversor A-D.

Ejemplos de sensores de corriente

AD-590: Este es un circuito integrado, que funciona como
una fuente de corriente dependiente de la temperatura:

Isal=1µA*T(°C) + 273.2 µA

La gran mayoría de los sensores industriales de
corriente están normalizados para transmitir un rango de
corriente entre los 4 – 20 mili amperes, por ser considerado este
un rango óptimo para su transportación.

2- Sensor de Voltaje

Este tipo de sensor es el que entrega un nivel de
voltaje equivalente a la señal física que se mide,
normalmente los sensores industriales capaces de entregar un
nivel de voltaje tienen incorporado circuitos
acondicionadores, tales como Amplificadores de
instrumentación y operacionales, comparadores, etc. Este
tipo de sensores muchas veces incorpora resistores variables que
permiten ajustar el rango de voltaje que ellos entregan al rango
que nuestro conversor necesita, esta es su gran ventaja a su vez
su desventaja es que la señal por ellos generada no puede
ser transmitida mas haya de unos pocos metros porque sin que se
produzcan perdidas en la misma.

Ejemplo de sensor de voltaje

frecuentemente se ve que el sensor de voltaje son las
celdas foto voltaicas capaces de convertir un nivel de
iluminación en una señal de voltaje
equivalente.

3-Sensor Resistivo

Este es un tipo de sensor que convierte la
variación de una señal física en una
variación de resistencia, entre los más comunes
tenemos las termoresistencias. El inconveniente de este tipo de
sensor es que se debe utilizar un puente de Wheastone en algunas
de sus variantes para convertir la variación de
resistencia en una variación de voltaje.

Ejemplo de sensor de voltaje

Termoresitencia PT-100 Rt = 300ohms +
0.38ohms*T(°C)
Usualmente conectamos la termoresistencia en un puente de
Wheastone balanceado de la siguiente forma:

Figura 2.2.Conexión de una
Termoresistencia en un puente de Wheastone.

La anterior conexión del puente de Wheastone,
proporciona una variación muy pequeña del voltaje
para una variación de temperatura, aproximadamente 1.6
mVolts por cada grado centígrado, con un voltaje de
referencia de 10 volts (este valor es
aproximado porque la relación entre la variación de
temperatura y el voltaje no es lineal), con vistas a aumentar la
variación de voltaje para una misma variación de
temperatura se pueden escoger configuraciones de 2 ó 4
termoresistencia. (Figura 1.3.). Para la configuración de
2 termoresistencias se puede lograra una variación
aproximada de 6.2 mvolts por grado centígrado para un
voltaje de referencia de 10 volts y para la configuración
de 4 termoresistencias de aproximadamente 13 mvolts en las mismas
condiciones.

Figura 2.3. Puente de Wheastone con 2 y 4
termoresistencias.

Acondicionamiento de la señal

En todo SAD o sistema donde sea usado en conversor A/D
es muy importante el acondicionamiento previo de la señal
que es suministrada al conversor, la esencia del
acondicionamiento es hacer que el rango de variación real
que experimentará la variable a medir se convierta en el
rango máximo de voltaje de entrada que acepta el conversor
A/D que se utiliza, o sea que el valor mínimo de la
variable a medir imponga a la entrada del conversor el valor
mínimo del voltaje que el acepta y el valor máximo
de la variable a medir imponga el valor máximo de voltaje
que el conversor admite. Paralelamente el acondicionamiento de la
señal también implica la transformación de
la señal entregada por el sensor de forma que siempre la
magnitud final sea voltaje, además en el acondicionamiento
se puede garantizar el filtrado de valores de
ruido no
deseadas en la variable medida.

La etapa acondicionadora esta formada básicamente
por amplificadores operacionales, comparadores de nivel y
amplificadores de instrumentación.

Amplificadores operacionales

En sus configuraciones básicas (inversora, no
inversora, amplificadora, conversor de corriente a voltaje,
etc.), son usados para garantizar que al conversor A/D le sea
suministrado el rango máximo de voltaje y así el
mismo pueda dar el mayor número de combinaciones
posibles.

Amplificador de instrumentación

puede alternadamente sustituir al amplificador
operacional, siempre que la aplicación lo exija, pues los
mismos tienen prestaciones superiores a los amplificadores
operacionales normales, lo cual hace que sean más
costosos. Entre las características de los amplificadores
de instrumentación tenemos una impedancia de entrada
infinita y una ganancia ajustable en ocasiones mediante una red resistiva de
precisión externa o mediante resistores internos de
precisión por interruptores o por software.

Los aisladores

Son dispositivos de mucha importancia principalmente en
sistemas médicos donde se requiere aislar completamente al
paciente del equipo de medición con el fin de evitar que en caso
de desperfectos del equipo los pacientes estén expuestos
altos niveles de voltaje o corriente, también en equipos o
instrumentos que manejen altas tensiones es necesario garantizar
el aislamiento entre los instrumentos de
medición y las fuentes de
alta tensión. Entre los dispositivos más comunes
son los opto-acopladores.

Los Multiplexores

Los multiplexores ya sean analógicos o digitales
son dispositivos que nos permiten multiplexar varias entradas en
una única salida. Ellos nos permiten que para registrar
varias señales
diferentes podamos utilizar un único conversor A/D y con
ello disminuir de forma considerada el costo e un SAD.
Generalmente los multiplexores se pueden dividir por el tipo de
salida en simples y diferenciales o por el número de
entradas en de 2, 4, 8 ó 16 entradas. El hecho de existir
una gran variedad de multiplexores nos obliga a hacer una
correcta selección
según las exigencias de nuestro sistema, sobre la base de
disminuir los costos del mismo.
Los multiplexores diferenciales de mayor costo que los de salida
simple, son usados normalmente cuando son utilizadas para
multiplexar señales de naturaleza diferentes por ejemplo:
temperatura, presión, concentración, etc. Los
amplificadores de salida simple se recomiendan cuando se
multiplexan señales de naturaleza semejante: por ejemplo
cuando registramos la temperatura en diferentes puntos. En
esencia la diferencia entre los multiplexores de salida simple y
diferencial está en que para los últimos, la
señal de referencia (tierra ) es
también multiplexada lo cual no ocurre para los
multiplexores de salida simple. En la medida que aumenta el
número de entradas de un Multiplexor también
aumenta su costo y el número de terminales de control que
el mimo necesita, por lo cual es también muy necesario
utilizar en una aplicación un Multiplexor con el
número de entradas que se requiera.

Figura 2.4. Diagrama de diferentes tipos
de multiplexores.

Tabla 1.1. Multiplexores mas
utilizados

Sample and Hold

Sample and Hold: Dispositivo electrónico con dos
posibilidades de trabajo modo
Sample y modo Hold.

Modo Sample: La señal pasa a la salida del
dispositivo tal y como esta en la entrada del mismo.

Modo Hold: La salida se mantiene en el nivel de voltaje
que existía en la entrada en el momento que la
señal hold fue activada.

Cuando utilizar sample and hold: El sample and hold debe
ser utilizado cuando la señal de voltaje que entra a un
conversor A/D varia en un nivel suficiente como para que el
conversor cambie 1/2 bit menos significativo en un tiempo menor
que el que el conversor necesita para hacer la
conversión.

Figura 2.5. Sample and Hold.

Si se cumple la siguiente expresión entonces
tenemos que usar Sample & Hold:

Figura 2.6. Ecuacion del Sample and
Hold.

Conversor Analógico Digital A/D

Dispositivo electrónico que convierte una
señal eléctrica continua (generalmente voltaje) en
un código
digital equivalente.

Figura 2.7. Esquema general del
A/D.

Lógica de control: Los terminales de la lógica
de control de conversor A/D generalmente determinan e inician
el estado de
las operaciones que
el mismo realiza entre estos terminales tenemos: Inicio de
conversión, fin de conversión, chip select, chip
enable, wr, rd, señales para la selección de varios
canales, etc.

Lógica de funcionamiento: Mediante estos
terminales podemos establecer el tipo de codificación que el conversor realizara
(unipolar o bipolar), las referencias de voltaje que utiliza, el
rango de voltaje de entrada, ajuste de off set, etc.

Existen fundamentalmente dos métodos de
codificación bipolar y unipolar, estos métodos
establecen la relación existente entre el código de
salida y el voltaje e entrada al conversor.

Modo unipolar: Se utiliza para señales de una
sola polaridad + o -.

Figura 2.8. Ecuación para el modo
unipolar del A/D.

Tabla 2.2.Relación entre el
voltaje de entrada y el código de salida para un
A/D de 8 bits y un rango entre 0 y 10 Volts, en modo
unipolar.

En la Tabla 2. apreciamos que el voltaje de entrada es
constante pero el código de salida es un código
discreto que para este caso toma 256 valores (2 elevado al
número de bits).

Modo Bipolar: Este tipo de conversión se
recomienda cuando se estén monitorizando señales
bipolares o sea con polaridad + y -.

Figura 2.9. Ecuación para el modo
bipolar del A/D.

Tabla 2.3. Relación entre el
voltaje de entrada y el código de salida para un
A/D de 8 bits y un rango entre 0 y 10 Volts, en modo
bipolar.

Resolución: Nivel de voltaje que es capaz de
discriminar un conversor A/D. O sea el nivel de voltaje para el
cual el conversor cambia en un bits menos significativo. La
resolución (R) depende del voltaje a plena escala y del
número de bits del conversor.

R = FSR/n

Para 8 bits y un FSR de 10 Volts R = 38.5 mVolts
Para 12 bits y un FSR de 10 Volts R = 2.44 mVolts

Si aumenta el número de bits aumenta la
efectividad del conversor, la exactitud del sistema y por tanto
el precio del
conversor.

Conversor Digital Analógico D/A

Dispositivo que me convierte un código digital en
una señal eléctrica correspondiente (voltaje o
corriente). Su función dentro de un SAD o de control es
proporcional un nivel de voltaje o corriente deseada a un
elemento que me permitirá variar la variable que estoy
controlando hasta llevarla al valor deseado. Este tipo de
dispositivo también se puede utilizar como generador de
señales.

Figura 2.10. Estructura general de un
D/A.

Un conversor D/A puede tener normalmente 8, 10 ó
12 bits, salidas analógicas que pueden ser voltaje o
corriente y sus sales de control frecuentemente son: Vref, Wr,
CS, CE y Rfb.

En un conversor D/A al igual que en muchos dispositivos
digitales el tiempo de establecimiento de un 1 lógico es
mayor que el de un 0 lógico esto provoca que se produzca
un efecto no deseado conocido como GLITCH. o sea el la Un
conversor D/A puede tener normalmente 8, 10 ó 12 bits,
salidas analógicas que pueden ser voltaje o corriente y
sus sales de control frecuentemente son: Vref, Wr, CS, CE y
Rfb.

En un conversor D/A al igual que en muchos dispositivos
digitales el tiempo de establecimiento de un 1 lógico es
mayor que el de un 0 lógico esto provoca que se produzca
un efecto no deseado conocido como GLITCH.

Figura 2.11. Ejemplo de transición
donde ocurre el glitch.

Figura 2.12. Conexión de un
conversor D/A con más de 8 bits.

Pra muchos más conversores D/A para obtener una
nivel de voltaje ya sea bipolar o unipolar es necesario
implementar una configuración externa.

Utilizamos el D/A 7628 para tener una referencia pero es
valida la configuración para cualquier D/A.

Microprocesadores

Los microprocesadores
son los que se encargan de el almacenamiento y procesamiento de
los datos, son dispositivos que se encargan de todas las funciones de
procesamiento de la señal. Estos son de gran importancia
porque son como el corazón
del sistema de adquisición de datos.

3.0 Ejemplos sencillos
de acondicionamiento de la señal.

Ejemplo # 1

 Se tiene que controlar la temperatura de un local
en un rango que está entre 10 y 100 grados
centígrados. Se dispone de un sensor AD-590 y un conversor
A/D que admite a su entrada un nivel de voltaje entre 0 y 10
volts.

Figura 3.1 Esquema del acondicionamiento
para el ejercicio.

Isal = 1µA*T(°C) +
273.2µA
V1 = 1mVolt+T(°C) +273.2mVolts
Av = 10Volts/(V1(100°C) -283,2mVolts) = 111

El valor de la fuente de voltaje se calcula de forma que
cuando T tenga su valor mínimo el voltaje de salida del
conversor sea 0.

Ejercicio # 2

Diseñe la etapa amplificadora de un sistema que
controlará la iluminación de un invernadero. Se
dispone de una celda foto voltaica que varía Vsal = 10
µVolts * I(lux). El rango de iluminación está
entre 0 y 100 lux y se dispone de un conversor que admite a su
entrada un rango entre 0 y 5 Volts.

Figura 3.2. Esquema del acondicionamiento
para el ejercicio.

Av = 5V/(10µV*100lux) =
5000

Ejercicio # 3

Calcule la etapa amplificadora del mismo ejercicio
anterior pero si el rango de iluminación estuviese entre
50 y 100 lux.

Figura 3.3. Esquema del acondicionamiento
para el ejercicio.

Av = 5V/(10µV*100lux – 0.5mV) = 10
000

4. Ejemplos
   sencillos de S.A.D.

Ejercicio # 1

Diseñar la etapa de multiplexación y
acondicionamiento de un SAD que controlara la temperatura,
iluminación, humedad relativa y ph del suelo en un
invernadero. Se dispone de los siguientes sensores:

Tabla 4.1. Variables a medir.

Figura 4.1. Esquema del S.A.D.

Ahora mostraremos un ejemplo de S.A.D
completo incluyendo un microcontrolador 8051.

Ejemplo # 2

Implementar un SAD que me permita indicar y controlar la
temperatura existente en un alto horno de fundición. El
sistema debe chequear la misma en cuatro puntos diferentes del
interior del horno cada 1 seg. Se conoce que la misma puede
variar entre 0 y 1000 grados Celsius y se requiere una exactitud
de 1 grado. El sistema debe tener una alarma sonora de 5 kHz que
se activa siempre que la temperatura este por debajo de 100
grados o sobre los 900. Se dispone de un Transductor que varia
1mV por cada grado de temp. y no se necesita S/H.

Figura 4.2. Esquema del S.A.D.

Av=10v/ 1mv*1000= 10

Conversor 10bit unipolar ; Rango/exactitud= 1000grados/
1grado= 1000 ;

Con n= 10bit represento 1000 ; unipolar porque la señal tiene
una sola polaridad.

Uso multiplexor simple porque mido en cuatro puntos pero
una misma variable.

Ejemplo # 3

Implementare un SAD que me permita registrar la
temperatura y el volumen de un
reactor perfectamente agitado para la fermentación de penicilina. Se conoce que
la temperatura puede variar entre 20 y 40 grados
centígrados deseándose una precisión de 1
grado, el volumen varía entre 0 y 100 dm cúbicos y
se desea una precisión de 1 dm cúbico. El sistema
debe accionar sobre dos válvulas
que me permitirán manejar las variables a medir. Cada 1
seg se debe determinar el volumen y la temperatura del reactor y
almacenarlo en la dirección 30h y 40h respectivamente y
enviar a las válvulas de control los códigos de 8
bits almacenados en las direcciones 37h y 47h. Si la temperatura
es superior a 35 grados o el volumen a 80 dm cúbicos
activar una alarma sonora de 5 khz y hacer parpadear un led un
segundo encendido y un segundo apagado. Para diseñar el
sistema se dispone de un sensor de temperatura AD-590 y en sensor
ultrasónico de volumen que varia 1mV por dm
cúbico.

Figura 4.3. Esquema del S.A.D.

Bibliografía.

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  pags (1 – 15), (10 – 11,

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  educación, 281-290p, 1988.

Ing. Iremis Viera Chile

E-Mail: .

Profesión: Ingeniera en Telecomunicaciones y
Electrónica.

Ocupación: profesora en la Universidad
"Hermanos Saiz Montes de Oca" de la provincia de Pinar del
Rió, Cuba.