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
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN LA VERSIÓN DE DESCARGA