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Sistemas de adquisición de datos convertidores D/A y A/D




Enviado por Pablo Turmero



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    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

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    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

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    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

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    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

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    5 ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE
    SEÑALES

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    6 MUESTREO Y CUANTIZACIÓN SECUENCIA DE OPERACIONES Cambio
    de naturaleza: Señal analógica ??secuencia valores
    numéricos [??señal analógica]

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    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

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    8 MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO MUESTREO Y
    CUANTIZACIÓN

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    9 MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL MUESTREO Y
    CUANTIZACIÓN

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    10 MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL 2?m: f Nyquist
    MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

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

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    12 MUESTREO TREN DE IMPULSOS MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

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    13 ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS” MUESTREO Y
    CUANTIZACIÓN

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    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

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    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

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    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

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    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

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    18 Error (ruido) de cuantización MUESTREO Y
    CUANTIZACIÓN

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    19 Transferencia estática MUESTREO Y
    CUANTIZACIÓN

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    20 Suma de un offset de ½ LSB MUESTREO Y
    CUANTIZACIÓN

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    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

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    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:

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

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

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

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

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

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

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    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

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    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

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    31 ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO FUNCIONES PREVIAS A LA
    CONVERSIÓN A/D

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    32 MULTIPLEXADO ANALÓGICO Time Decimation MUX (TDM)

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

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    34 MUESTREO RETENCIÓN Muestreo-retención frente a
    seguimiento-retención

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    35 MUESTREO RETENCIÓN

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    36 MUESTREO RETENCIÓN Track-and-Hold Amplifier (THA)

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    37 MUESTREO RETENCIÓN Parámetros temporales
    THA

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    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

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

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