Los dispositivos para conversión de datos son los
componentes de interfaz entre las señales continuas en el
tiempo que representan los parámetros de los
fenómenos físicos y su equivalente digital discreto
en el tiempo.
Un sistema de adquisición de datos típicamente
está conformado por un multiplexor (MUX), un amplificador
o esquema de acondicionamiento de señal, un dispositivo de
muestreo y retención (S/H) y un conversor
análogo-digital (ADC). No todos los bloques son necesarios
y el orden en la cadena puede cambiar dependiendo de los
requerimientos específicos.
El objetivo del sistema de adquisición es entregar a un
sistema de procesamiento digital (DSP) información
codificada que represente el valor de la magnitud o las
magnitudes análogas objeto de medición.
Así por ejemplo, en el caso de que solo se requiera medir
una variable, el MUX no sería necesario. Si se usa un ADC
tipo integrador, no sería deseable tener un dispositivo
S/H. Si las señales de entrada son de muy bajo nivel y/o
diferente naturaleza, el esquema de acondicionamiento de
señal estaría en las entradas del MUX.
Un sistema de distribución de datos está conformado
por un conversor digital-análogo (DAC), un filtro y por
dispositivos de muestreo y retención. Al igual que en el
de adquisición, no todos los componentes son
indispensables y el orden en la cadena puede variar.
Es una práctica común el compartir los componentes
de los sistemas de adquisición de datos entre
múltiples canales por cuestión de eficiencia. Un
multiplexor análogo (AMUX) es un circuito utilizado
principalmente para compartir en el tiempo un sistema de
adquisición de datos para entrada a un computador, entre
múltiples señales de entrada.
Este dispositivo selecciona una de las entradas disponibles de
acuerdo con un código digital, y la coloca en su
única salida.
Un AMUX consiste de un arreglo de switches unidos por su salida.
Estos dispositivos son bidireccionales y permiten el paso de una
señal en cualquier dirección. La lógica de
control es normalmente diseñada para abrir los switches
mas rápido de lo que los cierra, para evitar conexiones
entre los canales de entrada; siempre habrá solo un switch
cerrado a la vez.
Históricamente se han usado AMUX construidos con
dispositivos mecánicos (Reed Relays), los cuales
introducen errores muy pequeños en la medición,
pero con la desventaja de que su velocidad de conmutación
es muy baja (200 Hz).
La técnica del capacitor conmutado permite la
transferencia de voltajes diferenciales entre los circuitos de
entrada y salida logrando también el aislamiento entre
ellos y un alto rechazo de modo común.
La velocidad y los requerimientos funcionales de los sistemas de
adquisición de datos actuales han desplazado completamente
los dispositivos mecánicos, reemplazándolos por
switches de estado sólido. Pueden conseguirse switches de
estado sólido con capacitor conmutado, pero con mucha
menor capacidad de aislamiento.
Colocando un dispositivo de alta impedancia de entrada en la
salida del AMUX se elimina cualquier error debido a divisores de
tensión consecuencia de la resistencia ON del
switch.
Los dispositivos de muestreo y retención (S/H) proveen una
función de memoria de señales análogas para
uso en sistemas de muestreo de datos. El dispositivo mostrado
presenta una impedancia de entrada elevada. La
realimentación de la salida a la entrada minimiza el error
de transferencia de la señal cuando el dispositivo
está en modo seguimiento (muestreo o tracking).
Los diodos aseguran que el circuito permanece estable durante el
modo retención, cuando el switch se abre. Los diodos
mantienen la realimentación del buffer de entrada, no
dejando que su salida se sature por la pérdida de la
realimentación.
La adquisición simultánea de datos es requerida en
muchas aplicaciones en las que múltiples canales de
sensores deben ser capturados en el mismo instante de tiempo.
Para lograr un sistema confiable es necesario aparear los
dispositivos de muestreo y retención en ancho de banda y
tiempo de apertura.
Las relaciones de tiempo se conservan a pesar de que la
conversión de los datos es realizada en forma secuencial
por el conversor A/D.
Una de las aplicaciones típicas de esta topología
es el muestreo de señales de voltaje y corriente en
sistemas mono o polifásicos; se requiere el muestreo
simultáneo para evitar errores en el cálculo de los
ángulos de fase entre voltajes y corrientes y en todos los
cálculos que de ello se derivan (potencias activa y
reactiva, factor de potencia, etc).
CONVERTIDORES Los conversores D/A permiten que a partir de
señales digitales discretas en tiempo se puedan
reconstruir señales análogas continuas en tiempo.
Se usan como interfaces de sistemas digitales para el manejo de
displays, actuadores y síntesis de señales.
CONVERTIDORES Un conversor A/D puede ser entendido como un
potenciómetro controlado digitalmente, que suministra un
voltaje o una corriente normalizada a un valor de referencia de
escala plena. Una forma descriptiva de indicar la relación
entre las cantidades análogas y digitales es la
representación gráfica.
El DAC de resistencias ponderadas presenta simplicidad para el
análisis y un bajo número de componentes. Se trata
de un diseño temprano, muy usado cuando el DAC era montado
con componentes discretos.
La principal limitación radica en los diferentes valores
de resistencia requeridos. Por ejemplo, para un conversor de 12
bits, la relación entre la resistencia más grande y
la más pequeña es de 4096 a 1 (4M a 1k).
Los DAC con salida de corriente ofrecen velocidades mayores, dado
que ahorran el tiempo de establecimiento del conversor
corriente-voltaje implementado con amplificador operacional. Esto
hace posible conversores ultrarápidos, con tiempos de
establecimiento dinámicos de 5 ns al 2% FS y frecuencias
de actualización de 125 MHz.
Los microcontroladores recientes, como el procesador Intel 8096
incluyen salidas digital – analógica serial en forma de
modulación de ancho de pulso (PWM). Es un método
eficiente para control de motores en aplicaciones de
automatización. Además, una señal PWM puede
ser interpolada para formar una señal análoga
continua mediante la utilización de filtros paso
bajo.
Una forma de onda PWM consiste de una secuencia de pulsos cuyo
ancho es proporcional a la amplitud de la señal en los
instantes de muestreo. Esta onda con ciclo de trabajo variable es
lograda conmutando un flip-flop S-R cuando un contador que se
incrementa con los pulsos del reloj, iguala su contenido con el
registro de los datos.
ADC La conversión de señales análogas
continuas en el tiempo a señales digitales discretas en el
tiempo, es fundamental para obtener un conjunto representativo de
números que puedan ser usados por un sistema digital de
procesamiento. Las tres funciones involucradas en el proceso
(muestreo, cuantización y codificación) son
implementadas por todos los conversores A/D.
En la práctica una conversión es desarrollada cada
período T, que es el inverso de la frecuencia de muestreo
fs. En este período, un valor numérico derivado de
los niveles de cuantización del conversor es trasladado a
un código de salida apropiado. La relación entrada
– salida de un conversor ideal y su error de cuantización
se muestran en la figura.
Cualquier conversor A/D se encarga de discretizar una
señal continua tanto en amplitud como en tiempo. Al
proceso de discretización de la amplitud se conoce como
cuantización, mientras que al proceso de
discretización en el tiempo se le llama muestreo.
Se muestra una señal análoga x(t) y su contenido
frecuencia X(jw). La señal P(t) representa el proceso de
captura y mantenimiento de valores de x(t) para propósitos
de conversión. El resultado del muestreo de la
señal x(t) a intervalos fijos de tiempo (Ts) es
representado por x*(t). Son estos los valores que recibe el
sistema digital después de ser convertidos en
códigos digitales.
El espectro de frecuencias de x*(t) es X*(jw). Puede observarse
que el espectro de la señal original es replicado en los
múltiplos enteros de la frecuencia Ws. Para realizar la
recuperación de la señal original, el sistema
digital debe filtrar solo una de las múltiples
réplicas del espectro y realizar la transformada inversa
de Fourier.
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