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Sistemas de Adquisición de Datos
Sistema de adquisición de datos
Circuito de
muestreo y
retención
programable
Selección de
las señales
Sensores
MUX
AMP
Filtro
antialiasing
S&H
Amplificador
de ganancia
programable
ADC
Procesador
Convertidor
analógicodigital
La señal entregada por los sensores suele ser débil.
El amplificador puede ser diferencial, y con aislamiento galvánico.
Se puede añadir el camino opuesto formado por un DAC y un filtro de
reconstrucción para obtener un sistema bidireccional.
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Sistema de control
El procesador o controlador recibe información del estado del sistema, y
actúa en consecuencia.
Electroválvula
Convertidor
analógicodigital
Transductor de
presión
AMP
MUX
AMP
Convertidor
digitalanalógico
Termopar
S&H
ADC
Procesador
Calentador
DAC
Actuador
Actuador
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Red de
comunicación
Sistemas de Adquisición de Datos
Amplificador con aislamiento galvánico
El aislamiento galvánico protege al sistema de adquisición de las tensiones
elevadas que podría haber en los puntos de medida. También sirve para
reducir el ruido en modo común.
Aislamientog
alvánico
Amplificador
1
Amplificador
2
Métodos de acoplo empleados para obtener el paso de la señal sin conexión
eléctrica directa:
Acoplamiento inductivo (mediante transformador)
Acoplamiento capacitivo (mediante condensador)
Acoplamiento óptico (mediante IRLED y fotodiodo)
Cada amplificador (1 y 2) debe tener su propia masa y su alimentación (aisladas
entre sí)
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Ejemplo de aislamiento óptico
El IRED y los dos fotodiodos (FD1 y FD2)) forman parte de un único
encapsulado. El proceso de fabricación garantiza que la relación entre la
cantidad de luz que reciben FD1 y FD2 es prácticamente la misma para
cualquier corriente en el IRED dentro de un rango (diferencia < 0,1 %).
Sin embargo, la relación entre la corriente aplicada al IRED y la que se
genera en los fotodiodos es claramente alineal.
El circuito garantiza una
buena linealidad.
Ii = corriente inversa en FD1
If = corriente inversa en FD2
Vi = Ii * Ri.
Vo = If * RF
If / Ii = k (cte.)
Entonces, Vo / Vi = k*RF/Ri
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Interruptores analógicos
Los interruptores analógicos son dispositivos con dos estados que permiten cerrar y
abrir un circuito eléctrico, facilitando de esta forma el control de paso de una señal. El
estado se define mediante una tensión de control. Idealmente, la resistencia en el
estado de conducción debería ser 0, y en el estado de no conducción debería ser
infinita. Estos dispositivos son útiles para el diseño de circuitos de muestreo y
retención (S&H), convertidores DAC y ADC, y en otras aplicaciones.
Los relés (relevadores electromagnéticos) se pueden utilizar como interruptores
analógicos. El tipo de relé más utilizado para esta aplicación es el rele reed, por su
pequeño tamaño y su moderado consumo de corriente de control. Sin embargo, su
tiempo de conmutación (tc) es elevado (> 1 ms), y pueden presentar rebotes.
Ron < 0,1 Ω
Roff > 1 TΩ
El relé reed está formado por una ampolla de vidrio rodeada por una bobina.
En el interior hay dos contactos metálicos (magnéticos) que se unen cuando
existe un campo magnético suficientemente intenso.
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Puerta analógica CMOS
Los interruptores analógicos basados en semiconductores son los más utilizados. El
interruptor más común es la puerta analógica CMOS.
Ron=10 a 300 Ω. Roff=100 MΩ. tc= 200 ns.
M1 y M2 forman un inversor.
Con la señal de control Vc a nivel alto, el canal de M4
(MOS de canal N) presenta una resistencia baja (300
ohm typ).
Con Vc alto, la salida del inversor está a nivel bajo, el
nivel necesario para que conduzca M3 (MOS de canal
P).
Con Vc a nivel bajo, no conduce ninguno de los
transistores que forman el interruptor (M3, M4)
http://www.csee.wvu.edu/~digital/book/chapters/advcmos.pdf
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Multiplexor/demultiplexor (analógico)
El multiplexor analógico está
formado por un decodificador y un
conjunto de puertas analógicas.
Selección de
entrada (n bits)
El multiplexor analógico es
reversible, es decir, se pueden
usar las entradas como salidas, y
la salida como entrada.
2n entradas
analógicas
MDX
Salida
analógica
La entrada seleccionada queda
conectada eléctricamente a la salida
a través de una resistencia de bajo valor.
En las familias CMOS de circuitos integrados digitales (4000, 74HC, 74HCT) se
encuentran varios tipos de puertas y multiplexores analógicos, que incluyen
entradas auxiliares como la de inhibición (INH).
http://www.analog.com/en/switchesmultiplexers/multiplexers-muxes/ad8182/products/product.html
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Circuitos de muestreo y retención (S&H)
Los circuitos de muestreo y retención (Sample & Hold) se utilizan para
obtener muestras de señales analógicas (generalmente muestras de tensión).
Poseen dos estados de funcionamiento:
1) Estado de muestreo o seguimiento (sample). La salida sigue a la entrada.
2) Estado de retención (hold). La salida retiene el valor que tenía la entrada en el
momento del cambio a este estado.
Los circuitos de S&H utilizan un condensador para retener o memorizar las
muestras de tensión. El circuito básico se muestra en la figura.
Ri
vi
I
Ron
Roff
Coff
vo
C
RL
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Aplicaciones del circuito S&H:
Su principal aplicación se encuentra en los sistemas de adquisición de
datos, como circuito previo al convertidor analógico digital. Los convertidores
de aproximaciones sucesivas requieren el uso de un circuito de S&H para evitar
que el valor que se está determinando pueda cambiar antes de finalizar la
medida. Como excepción, los convertidores de aproximaciones sucesivas
basados en conmutación de condensadores (por ejemplo TLC1543 de Texas) no
requieren circuito de S&H, ya que los condensadores empleados para la
conversión realizan implícitamente la tarea de muestreo y retención.
Es importante advertir que otros tipos de convertidores no requieren el
empleo de un S&H. Los convertidores de tipo integrador (como el de doble
rampa) pueden operar sin S&H, en cuyo caso miden el valor medio de la señal
durante el ciclo de integración. Si utilizan un circuito de S&H, la medida se
realiza sobre el valor instantáneo retenido.
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Durante la fase de muestreo el interruptor I se mantiene cerrado. Durante la
fase de retención se mantiene abierto. El interruptor es electrónico y se puede
realizar mediante transistores bipolares, JFET o MOS. Su resistencia Ron
debería ser idealmente cero, pero suele ser de decenas o centenas de Ω. Su
resistencia Roff debería ser infinita y suele ser superior a 1 GΩ
Ω en la práctica.
Idealmente, Ri debería ser 0 y RL infinita. Además, la señal digital de control
empleada para abrir y cerrar el interruptor se transmite en cierta medida a la
salida, debido a la existencia de capacidades parásitas (crosstalk).
A continuación se definen algunos términos empleados con frecuencia en el estudio de los circuitos de S&H.
Tiempo de adquisición (acquisition time).- El tiempo necesario para que la salida del S&H actualice su valor al de una
nueva muestra, con un error determinado. Se especifica para un determinado salto de tensión (cambio con relación a la
muetra anterior), por ejemplo 5V. El error se especifica generalmente como un porcentaje del salto (por ejemplo 0,1 %). Se
puede interpretar como el tiempo que se debe mantener el interruptor cerrado para lograr la carga del condensador (Ri, Ron
distintas de cero). Otro efecto a tener en cuenta es la inductancia parásita del condensador, que no es despreciable si se
emplea un condensador electrolítico. Este tiempo se puede ver incrementado por el uso de un operacional lento (ver
apartado 2). Este tiempo es mayor si se utilizan condensadores con mayor capacidad.
Tiempo de apertura (aperture time).- El tiempo mínimo que debe transcurrir desde la orden de retención (hold) para que los
posteriores cambios en la entrada no afecten a la salida. Se puede interpretar como el tiempo que el interruptor tarda en
abrirse.
Error dinámico de muestreo (dynamic sampling error).- Error que aparece en la salida como resultado de que la entrada
esté variando en el momento de la orden de retención (hold). Se suele expresar en mV, para una determinada pendiente de
cambio (slew rate) de la entrada. Este error está presente aunque los tiempos de muestreo sean muy grandes, ya que se
debe al retardo introducido por la constante de tiempo (Ri+Ron)·C, despreciando RL.
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Sistemas de Adquisición de Datos
Error de ganancia (gain error).- Diferencia entre las tensiones de salida y entrada en el estado de seguimiento. Se suele
expresar porcentualmente. Se debe a la atenuación introducida por Ri+Ron y RL.
Atenuación en estado de retención (feedthrough attenuation).- En el estado de retención, con el interruptor abierto, la
salida debería ser independiente de la entrada. Como el interruptor no es ideal, la señal de entrada aparece en la salida,
aunque muy atenuada. Esta atenuación se suele especificar en % o en dB.
Tiempo de estabilización o asentamiento de la salida en estado de retención (hold settling time).- El tiempo que tarda
la tensión de salida en aproximarse a su valor final, desde que se entra en el estado de retención. Se especifica
generalmente para una distancia de 1 mV del valor final.
Salto de retención (hold step). Es el salto de tensión que se produce en la salida al pasar del estado de muestreo al de
retención, como consecuencia de la aplicación de la señal de control (la que gobierna el interruptor). Se suele especificar
con la entrada a un valor fijo (continua) y un salto en la señal de control de 5 V. Se debe a las capacidades parásitas entre
la entrada de control y los terminales del interruptor (crosstalk).
Pérdida de retención o caída de tensión.- Desde el momento en que el circuito entra en estado de retención, la tensión de
la salida sufre una deriva, no necesariamente hacia 0V, que se suele cuantificar mediante su pendiente (p. ej. en V/s). Esta
deriva es consecuencia de la circulación de corriente a través del condensador, ya tenga su origen en el circuito al que está
conectado (p. ej. entrada de un operacional) o se deba a fugas a través de su propio dieléctrico. Este efecto es más notable
si el condensador es de pequeña capacidad.
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Sistemas de Adquisición de Datos
Circuito de S&H en bucle abierto realizado con dos operacionales.
El circuito de la figura se deriva del esquema básico presentado
anteriormente. El interruptor se realiza
mediante un conmutador analógico CMOS. El
circuito en bucle abierto tiene una respuesta
rápida.
Vk es la señal de control.
Av= 1 (en seguimiento)
Circuito de S&H en bucle cerrado realizado con dos operacionales.
La conexión en bucle cerrado mejora la precisión del seguimiento de la señal
de entrada, pero su velocidad de respuesta es menor.
Si R1=R2 , Av= -1 (ganacia de tensión en el estado de seguimiento = -1).
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Formas de onda típicas de un circuito de S&H
La figura muestra las curvas que corresponden al muestreo síncrono de una
señal senoidal utilizando una señal de control cuadrada con la misma frecuencia
y un desfase de 45º.
Vi
2V
t adq
t
2V
Vk
-2V
5V
t
0V
Vo
2V
t
-2V
detalle de Vo
-2V
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Efecto de aliasing.
Cuando la velocidad de muestreo se encuentra por debajo de la frecuencia
de Nyquist (2*fi), el filtrado de la señal de salida produce una frecuencia falsa. La
figura muestra gráficamente el fenómeno de aliasing.
Vi
Vo
t
t
instantes del muestreo
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