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Sistema de adquisición de datos PDF

14 Pages·2012·0.15 MB·Spanish
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Sistemas de Adquisición de Datos Sistema de adquisición de datos Circuito de Selección de muestreo y las señales retención programable Sensores Filtro Proce- MUX AMP anti- S&H ADC sador aliasing Amplificador Convertidor de ganancia analógico- programable digital 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. 1 Sistemas de Adquisición de Datos Sistema de control El procesador o controlador recibe información del estado del sistema, y actúa en consecuencia. Convertidor Transductor de analógico- presión Electroválvula digital AMP MUX S&H ADC AMP Proce- sador Convertidor Termopar digital- analógico Calentador Actuador DAC Red de Actuador comunicación 2 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 Amplificador 1 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) 3 Sistemas de Adquisición de Datos 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 4 Sistemas de Adquisición de Datos 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. Ω Ω Ron < 0,1 Roff > 1 T 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. 5 Sistemas de Adquisición de Datos Puerta analógica CMOS Los interruptores analógicos basados en semiconductores son los más utilizados. El interruptor más común es la puerta analógica CMOS. Ω Ω Ron=10 a 300 . Roff=100 M . 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 6 Sistemas de Adquisición de Datos Multiplexor/demultiplexor (analógico) El multiplexor analógico está Selección de MDX entrada (n bits) formado por un decodificador y un conjunto de puertas analógicas. El multiplexor analógico es Salida reversible, es decir, se pueden analógica n 2 entradas usar las entradas como salidas, y analógicas la salida como entrada. 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 7 Sistemas de Adquisición de Datos 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 v v i o I Ron C RL Roff Coff 8 Sistemas de Adquisición de Datos 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. 9 Sistemas de Adquisición de Datos 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 ΩΩΩΩ debería ser idealmente cero, pero suele ser de decenas o centenas de . Su ΩΩΩΩ resistencia Roff debería ser infinita y suele ser superior a 1 G 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. 10

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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
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