Control Digital Convertidores A/D y D/A y Sistema de adquisición de datos

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA

Tarea1

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

Nombre de la Asignatura:Control Digital

Profesora:Febe Barbosa Xochicale

Integrantes del Equipo:Chávez González Jorge Ulises

Báez García JoséTeliz Ortiz Sergio

Molina García GonzaloReyes Guzman Alejandra

29/04/2014

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Control Digital Convertidores A/D y D/A y Sistema de adquisición de datos

CONVERTIDORES DIGITAL – ANALÓGICO Y ANALÓGICO - DIGITAL

 

CONVERTIDORES DIGITAL – ANALÓGICO 

Las dos operaciones E/S relativas al proceso de mayor importancia son la conversión de digital a analógico D/A y la conversión de analógico a digital A/D.

Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analógica, ya que puede tomar diferentes valores de cierto intervalo.

Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 24 = 16 diferentes números binarios representados por estos 4 bits se enlistan en la tabla siguiente. Por cada número de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida analógico Vout es igual en voltios al número binario (no es así en todos los casos). También podría tener dos veces el número binario o algún otro factor de proporcionalidad. La misma idea sería aplicable si la salida del D/A fuese la corriente Iout. 

Entrada digital Salida analógicaD C B A Vout en voltios0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 0 0 0 81 0 0 1 91 0 1 0 101 0 1 1 111 1 0 0 121 1 0 1 131 1 1 0 141 1 1 1 15

RESOLUCIÓN DE UN DAC Se define como la mínima variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital. En el caso anterior, se observa que la resolución es de 1V. Aunque la resolución puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente por etapa, resulta más útil expresarla como un porcentaje de la salida de escala completa. El DAC descrito en la tabla tiene una escala de 15 - 0 = 15V, el tamaño de la etapa es de 1V (la etapa es el cambio de la señal de salida ante un cambio de la señal de entrada de un valor a otro consecutivo.

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La expresión que define a la resolución de un DAC es la siguiente:  

DAC construido con un amplificador operacional 

Existen varios métodos y circuitos para producir la operación D/A que se ha descrito. Uno de ellos es el que se muestra en la figura anterior. Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se suponen tienen valores 0V o 5V. El amplificador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma con valor asignado de estos voltajes de entrada.

La expresión que describe la operación de este DAC es la siguiente:Vout = -( Rf/R1 Vd + Rf/R2 Vc + Rf/R3 Vb + Rf/R4 Va ) ESPECIFICACIONES DAC

  Se dispone de una amplia variedad de DAC como circuitos integrados o bien como paquetes encapsulados autocontenidos. Uno debe estar familiarizado con las especificaciones más importantes de los fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada aplicación.- Resolución Como se mencionó antes, la resolución porcentual de un DAC depende únicamente del número de bits. Por esta razón, los fabricantes por lo general especifican una resolución de DAC como el número de bits. Un DAC de 10 bits tiene una resolución más sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits.

 - Precisión Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de especificar la precisión o exactitud. Las dos más comunes se las llama Error de Escala Completa y Error de Linealidad, que normalmente se expresan como un porcentaje de la salida de escala completa del convertidor (%FS).

 El error de escala completa es la máxima desviación de la salida del DAC de su valor estimado (teórico).

E1 error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de etapa del teórico. Algunos de los DAC más costosos tienen errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%.

- Tiempo de respuesta La velocidad de operación de un DAC se especifica como tiempo de respuesta, que es el tiempo que se requiere para que la salida pase de cero a escala completa cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variarán de 50ns a 10s. En general, los DAC con salida de corriente tendrán tiempos de respuesta más breves que aquellos con una salida de voltaje. Por ejemplo, el DAC 1280 puede operar como salida de corriente o bien de voltaje. Su tiempo de respuesta a su salida es 300ns cuando se utiliza salida de corriente 2.5s cuando se emplea salida de voltaje. El DAC 1280 es un convertidor D/A construido con un amplificador sumador.

- Voltaje de balance En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando la entrada binaria es todos los ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida pequeño producido por el error de desbalance del amplificador del DAC. Este desplazamiento es comúnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrán una capacidad de ajuste de balance externo que permite eliminar el error de desbalance.

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ZOH Zero Order Hold

El mantenedor de orde cero, es un dispositivo que mantiene el valor de una muestra hasta que llega la siguiente. Después sólo debemos pasar la salida del mantenedor por un filtro paso bajos que suavice el dentado para obtener una reconstrucción más fiel de la señal analógica original.

muestras muestras mantenidas salida filtro pasobajo 

APLICACIONES DE LOS DAC’s

Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente analógico para impulsar o activar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones más comunes se describen a continuaciones.

- Control: la salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para controlar casi cualquier variable física.

- Análisis automático: las computadoras pueden ser programadas para generar las señales analógicas (a través de un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida analógica del circuito de prueba normalmente se convertirá en valor digital por un ADC y se alimentará a la computadora para ser almacenada, exhibida y algunas veces analizada.

- Control de amplitud digital: un DAC multiplicativo se puede utilizar para ajustar digitalmente la amplitud de una señal analógica. Recordemos que un DAC multiplicativo produce una salida que es el producto de un voltaje de referencia y la entrada binaria. Si el voltaje de referencia es una señal que varía con el tiempo, la salida del DAC seguirá esta señal, pero con una amplitud determinada por el código de entrada binario. Una aplicación normal de esto es el “control de volumen” digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede ajustar la amplitud de una señal de audio.- Convertidores A/D: varios tipos de convertidores A/D utilizan DAC’s que son parte de sus circuitos.

 CONVERTIDORES ANALÓGICO – DIGITAL

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Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica. El proceso de conversión A/D es generalmente más complejo y largo que el proceso D/A, y se han creado y utilizado muchos métodos.

Muestreo de la señal

El proceso de muestreo consiste en tomar muestras del valor de la señal original de forma periódica. Al periodo de tiempo que existe entre dos muestras consecutivas se le conoce con el nombre de periodo de muestreo (Ts). A partir del periodo de muestreo se calcula la frecuencia de muestreo (fs = 1/Ts).Evidentemente al muestrear una señal nos podemos encontrar con dos casos:

a. Una frecuencia de muestreo (fs) alta (o un periodo de muestreo pequeño), lo que implica una gran cantidad de muestras por unidad de tiempo.

Una frecuencia de muestreo (fs) baja (o un periodo de muestreo grande), lo que implica una menor cantidad de muestras por unidad de tiempo

Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como parte de sus circuitos. En la figura siguiente se muestra un diagrama de bloque general para esta clase de ADC. La oportunidad para realizar la operación es ofrecida por la señal del cronómetro de entrada. La unidad de control contiene los circuitos lógicos para generar la secuencia de operaciones adecuada en respuesta al comando “START”, el cual inicia el proceso de conversión. El comparador tiene dos entradas analógicas y una salida digital que intercambia estados, según qué entrada analógica sea mayor.

Diagrama en bloques de un ADCLa operación básica de los convertidores A/D de este tipo consta de los siguientes pasos:

-         El comando START pasa a alto dando inicio a la operación-         A una razón determinada por el cronómetro, la unidad de control modifica continuamente el número binario que está almacenado en el registro.-         El número binario del registro es convertido en un voltaje analógico, Va’, por el convertido D/A.-         El comparador compara Va’ con la entrada analógica Va. En tanto que Va’ < Va, la salida del comparador permanece en alto. Cuando Va’ excede a Va por lo menos en una cantidad Vt (voltaje umbral), la salida del comparador pasa a bajo y suspende el proceso de modificación del número del registro. En este punto, Va’ es un valor muy aproximado de Va y el número digital del registro, que es el equivalente digital de Va’ es asimismo el equivalente digital de Va, en los límites de la resolución y exactitud del sistema. 

Las diversas variaciones de este esquema de conversión D/A difieren principalmente en la forma en que la sección de control modifica continuamente los números contenidos en el registro. De lo contrario, la idea básica es la misma, con el registro que contiene la salida digital requerida cuando se completa el proceso de conversión.  

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CONVERTIDOR A/D CON RAMPA DIGITAL 

Una de las versiones más simples del convertidor A/D de la figura anterior hace uso de un contador binario como registro y permite que el cronómetro incremente al un paso a la vez hasta que Va’ ≥ Va. A este se lo llama convertidor A/D con rampa digital ya que la forma de onda en Va’ es una rampa que funciona paso por paso (en realidad es escalón por escalón) como la que se muestra en la figura siguiente.  ADQUISICIÓN DE DATOS CON UN ADC CON RAMPA DIGITAL 

En la figura se muestra la forma en que una microcomputadora se conecta a un ADC con rampa digital con el fin de adquirir datos. La computadora genera las pulsaciones START que inician cada nueva conversión A/D. La señal EOC (fin de conversión) del ADC se alimenta a la computadora. La computadora examina esta señal EOC para indagar cuándo se completa la conversión de corriente A/D; después transfiere los datos digitales de la salida del ADC a su memoria.

 Sistema de adquisición de datos por computador común.  

Las formas de onda de la figura siguiente ilustran la forma en que la computadora adquiere una versión digital de la señal analógica, Va. La onda de escalinata Va’ que se genera internamente en el ADC se muestra superpuesta en la onda Va con fines ilustrativos. El proceso comienza en t0 cuando la computadora genera un pulso de START para dar inicio a un ciclo de conversión A/D. El contador se ponen en cero, la conversión se completa al tiempo t1 cuando la escalinata excede de Va, y EOC se pone en bajo para indicar a la computadora que el ADC tiene una salida digital que ahora representa el valor de Va en el punto a, y la computadora cargará estos datos en su memoria. La computadora genera un nuevo pulso de START poco tiempo después de t1 para dar inicio a un segundo ciclo de conversión. Formas de onda que muestran cómo la computadora inicia cada nuevo ciclo de conversión y luego carga los datos digitales en la memoria al término de la conversión. 

A parte del ADC con rampa digital, existen otras dos variedades: -         ADC de aproximaciones sucesivas: es el más usado, tiene circuitos más complejos que el ADC con rampa digital y su tiempo de conversión es mucho más corto que es fijo y no depende del valor de la entrada analógica. En vez de utilizar un contador como el ADC con rampa digital, utiliza un registro que alimenta al DAC y que a su vez manejado por una lógica de control. -         ADC de ráfaga: es el más rápido pero requiere de una circuitería mucho más compleja, por ejemplo, un ADC de ráfaga de 6bits requiere de 63 comparadores mientras que, otro de 10bits requiere 1023 comparadores, es decir, que para N bits de salida se requieren (2N - 1) comparadores. Los comparadores son amplificadores operacionales cuyas entrada inversora es común a la señal analógica de entrada y las entradas no inversoras están dispuestas ordenadamente en un divisor de tensión; sus salidas alimentan a un codificador cuya salida es el equivalente digital de la entrada.  

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TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS Para realizar cualquier tipo de adquisición de datos usando una computadora personal (PC), es necesario de una tarjeta de adquisición de datos (TAD) que realice la conversión de la señal y un programa que lea los valores de la señal en la PC. LabVIEW es un software que permite hacer esta adquisición utilizando funciones de alto nivel de interface con el usuario, mientras que a nivel de hardware la adquisición ocurre al más bajo nivel de la TAD. El software intermedio que controla la comunicación entre LabVIEW (alto nivel) y el hardware (bajo nivel) es el software manejador (driver). Sobre PC’s el driver emplea librerías de enlace dinámico (DLL’s) para realizar esta comunicación con LabVIEW.  La expresión de “adquisición de datos” ha sido empleada para referirse a distintos tipos de tareas, tales como medición de señales analógicas, generación de señales analógicas, adquisición y generación de señales digitales y operaciones con contadores. Medición de señales analógicas se refiere a aplicaciones donde se realiza mediciones de señales físicas, tales como temperatura, voltaje, presión etc., en términos de voltajes o corrientes. Generación de señales es lo opuesto a medición y tiene que ver con la generación de señales analógicas CA o CD. Si se están generando o adquiriendo señales de niveles TTL, se estaría hablando de generación y medición de señales digitales, las cuales se implementan frecuentemente en la comunicación entre dispositivos digitales tales como escáneres, impresoras y computadoras. Aplicaciones con contadores involucran medición de frecuencia, medición de la duración de un pulso, medición de período, conteo de pulsos digitales. Colocar una interface o una tarjeta de ampliación en un ordenador no suele ser tan sencillo como limitarse a instalar dichos elementos en la ranura correspondiente, sobre todo si ya hay instaladas varias tarjetas en el sistema. Como sabemos, todas las tarjetas se comunican con el ordenador a través de una determinada dirección de comunicaciones que define un canal de entrada salida.Lo primero que hay que tener en cuenta es que no puede haber dos tarjetas que tengan la misma dirección de comunicaciones instaladas en el mismo ordenador, ya que en ese caso las direcciones de ambas tarjetas colisionarán provocando que ni el ordenador ni los elementos asociados a las tarjetas funcionen de forma correcta. Todas las tarjetas suelen tener una serie de puentes o micro interruptores que permiten modificar algunos parámetros de funcionamiento de las mismas, entre los que se encuentran las direcciones de acceso y las interrupciones que utiliza para comunicarse con el sistema en el que se encuentra instalada. Antes de instalar la tarjeta en el ordenador habrá que comprobar las direcciones utilizadas por las otras tarjetas ya instaladas y seleccionar en la tarjeta a utilizar una dirección de las que existan libres. Por este motivo es conveniente apuntar y guardar en un lugar seguro la información relativa a la configuración e instalación de las tarjetas, por si en alguna ocasión hay que hacer alguna modificación o consulta. Con el fin de variar las especificaciones adaptadas inicialmente. La digitalización de señales es realizada por las tarjetas de adquisición de datos. La digitalización de sonidos, por su parte, es un proceso realizado por algunas tarjetas especializadas como pueden ser las de sonido, las de correo vocal o incluso las que incluyen los sistemas MIDI. 

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Normalmente, la digitalización de señales se realiza mediante un convertidor analógico/digital que muestra la señal que se introduce a través de un censor o transductor. Al digitalizar una señal de determinada frecuencia, la frecuencia de muestreo deberá elegirse de acuerdo con la frecuencia de la señal a muestrear, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea la frecuencia de muestreo, mejor será la calidad de la señal digitalizada. BIBLIOGRAFIA

Katsuhiko Ogata, Sistemas de control en tiempo discreto,Wikipedia, http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_anal%C3%B3gica-digital, revisada 24/05/2014.Wikipedia, http://es.wikipedia.org/wiki/Conversor_de_se%C3%B1al_anal%C3%B3gica_a_digital, revisada 24/05/2014.

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