1 VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES Sustitución de
sistemas de procesamiento analógicos por digitales:
razones (Gp:) Programabilidad Estabilidad Repetibilidad Funciones
(Gp:) Algoritmos adaptativos Códigos correctores de
errores Funciones especiales exclusivas (Gp:) Desventajas (Gp:)
Velocidad Complejidad estructural
2 (Gp:) PROGRAMABILIDAD (Gp:) HARWARE ÚNICO ?
MÚLTIPLES TAREAS (Gp:) ACTUALIZACIÓN Y FLEXIBILIDAD
(Gp:) Digitales: actualización ? nuevo código
Analógicos: actualización ? nueva estructura
VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
3 ESTABILIDAD Y REPETIBILIDAD (Gp:) Sistemas analógicos
(Gp:) Temperatura Envejecimiento Tolerancia componentes (Gp:)
Sistemas digitales (Gp:) Prestaciones idénticas
Independencia con edad, temperatura o tolerancia Precisión
garantizada VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
4 PRESTACIONES Implementación más fácil de
algoritmos adaptativos Códigos correctores de errores:
inclusión de redundancia Compresión sin
pérdidas Filtros: (Gp:) Banda eliminada (Gp:) Fase lineal
VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
5 ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE
SEÑALES
6 MUESTREO Y CUANTIZACIÓN SECUENCIA DE OPERACIONES Cambio
de naturaleza: Señal analógica ??secuencia valores
numéricos [??señal analógica]
7 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 MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
8 MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
9 MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
10 MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL 2?m: f Nyquist
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
11 MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL Error de
reconstrucción de la señal muestreada MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
12 MUESTREO TREN DE IMPULSOS MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
13 ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS” MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
14 SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING
Condiciones de reconstrucción: Señal limitada en
banda fm < 2 fs (fs=10fm typ) Filtros antialiasing: MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
15 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) MUESTREO Y CUANTIZACIÓN SEÑALES DE
ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING
16 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) MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
17 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 MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
18 Error (ruido) de cuantización MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
19 Transferencia estática MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
20 Suma de un offset de ½ LSB MUESTREO Y
CUANTIZACIÓN
21 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) MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
22 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:
23 REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO Requisitos SNR
de entrada mínimos en función del número de
bits (entradas fondo escala):
24 REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO Efecto del
promediado sobre múltiples ciclos: RESOLUCIÓN Y
RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (SNR) (Gp:) Modelo lineal de
ruido de cuantización:
25 REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO SNR
intrínseco de la cuantización (SER): (Gp:)
(q=1/2n)
26 FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D SISTEMA DE
INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR
27 Configuraciones sistemas ADQ (1) A. Time skew B. Sin Time skew
FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
28 Configuraciones sistemas ADQ (2) C. Alta velocidad
(sigma-delta) D. Sensores similares Velocidad baja FUNCIONES
PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
29 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” FUNCIONES PREVIAS A LA
CONVERSIÓN A/D
30 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 FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
31 ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO FUNCIONES PREVIAS A LA
CONVERSIÓN A/D
32 MULTIPLEXADO ANALÓGICO Time Decimation MUX (TDM)
33 MULTIPLEXADO ANALÓGICO 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 TIPOS DE
INTERRUPTORES
34 MUESTREO RETENCIÓN Muestreo-retención frente a
seguimiento-retención
35 MUESTREO RETENCIÓN
36 MUESTREO RETENCIÓN Track-and-Hold Amplifier (THA)
37 MUESTREO RETENCIÓN Parámetros temporales
THA
38 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
39 Tiempos característicos convertidores D/A Valores typ.:
(100ns,8bits) (1.2?s,12bits) CONVERTIDORES D/A
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