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MEDIDORES DIGITALES

En la automatizacin e instrumentacin industrial, se producen seales analgicas que varan constantemente, con variaciones que pueden ser muy rpidas o lentas.Estas seales no son fciles de tratar, como sumar almacenar, comparar etc. Por lo que se recurre a estos dispositivos en circuito integrado.Realizan el paso de seales analgicas a digitales asignando a cada nivel de tensin un nmero digital para ser utilizado por el sistema de procesamiento. Las caractersticas fundamentales de un convertidor AD son la precisin y la velocidad. En el mbito industrial son bastante comunes los conversores de 4, 8, 10 y 12 bits aunque la tendencia es a convertidores de mayor precisin (14 16 bits). La velocidad de conversin depende de las necesidades de la aplicacin pero hay que tener en cuenta que est en contraposicin con la precisin. Por ltimo, un factor a tener en cuenta en la eleccin de un convertidor AD es la tecnologa utilizada (aproximacin sucesiva, Flash, Pipeline, Sigma-Delta) que depender de las necesidades de precisin y velocidad.

Convertidor Analgico DigitalLos convertidores de este tipo se representan en un grafico de, voltaje de entrada analgica Vs. Palabra en la salida digital, y esta palabra depender del nmero de bits del convertidor.Smbolo de un ADC 4 BitsV entrada Analgico D3 D2 D1 D0Conociendo el nmero de Bits, se puede encontrar el nmero mximo de palabras diferentes que puede proporciona la salida digital.La Resolucin es entonces = 2 Donde a = numero de bits. As que para un convertidor de 4 Bits en la salida a = 4: y sern 16 diferentes palabras incluyendo el cero.Nota: Es el nmero de bits que tiene la palabra de salida del convertidor, y por tanto es el nmero de pasos que admite el convertidor. As un convertidor de 8 bits slo podr dar a la salida 28 = 256 valores posibles.Existe otra resolucin que se define como la razn de cambio del valor en el voltaje de entrada, Vent. Que se requiere para cambiar en 1 LSB la salida digital. Esto es cuando se conoce el valor de Vin, a escala completa. El voltaje de entrada a escala completa Vin, es proporcionado por el fabricante en sus hojas de especificaciones. Entonces Vin es el valor mximo presente en la entrada anloga, para proporcionar unos lgicos en todas las salidas de Bit digitales.

VinResolucin = 2 - 1

Restando solo la manera de encontrar una ecuacin de entrada salida, para facilitar rpidamente la palabra digital, incluso en forma decimal, que entrega el convertidor. VentD = Vent = voltaje anlogo presente en el instante Resolucin D = Valor decimal de la salida digitalNota: La tensin de fondo de escala depende del tipo de convertidor, pero normalmente se fija a nuestro gusto, en forma de una tensin de referencia externa, (aunque en algunos casos, como el del convertidor ADC 0804 la tensin de fondo de escala es el doble de la tensin de referencia). Por ejemplo, un convertidor de 8 bits con una tensin de fondo de escala de 2V tendr una resolucin de:

En cambio, para el mismo convertidor, si cambiamos la tensin de referencia, y por tanto la de fondo de escala, la resolucin ser de:

Ejemplo:Un convertidor analgico a digital de 4 bits, genera solamente unos cuando Vi = 2.55 V. Encuentre la resolucin en sus dos formas, y su salida digital cuando Vi = 1.28V

a).- 2= 16 salidas diferentes incluyendo 0000.

b).- Resolucin =

c).- Ecuacin D = = = 128 LSB

Caractersticas bsicas:Impedancia de entrada Rango de entrada Nmero de bits Resolucin Tensin de fondo de escala Tiempo de conversin Error de conversin Tiempo de conversin: Es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y depender de la tecnologa de medida empleada. Evidentemente nos da una cota mxima de la frecuencia de la seal a medir.Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una seal de inicio de conversin (normalmente llamada SOC, Start of Conversin) hasta que en la salida aparece un dato vlido. Para que tengamos constancia de un dato vlido tenemos dos caminos: Esperar el tiempo de conversin mximo que aparece en la hoja de caractersticas. Esperar a que el convertidor nos enve una seal de fin de conversin. Si no respetamos el tiempo de conversin, en la salida tendremos un valor, que dependiendo de la constitucin del convertidor ser: Un valor aleatorio, como consecuencia de la conversin en curso El resultado de la ltima conversin

Otros mtodos de conversin A/D

Existen varios mtodos de conversin A/D cada uno con sus ventajas y sus desventajas, a continuacin se describen algunos de ellos. ADC de rampa digital ascendente / descendente (ADC de seguimiento) : El convertidor ADC de rampa digital es relativamente lento debido a que el contador tiene que volver a ponerse en cero al inicio de cada conversin. Utiliza un contador ascendente / descendente para reducir este tiempo desperdiciado, el contador reemplaza al contador ascendente que proporciona las entradas al DAC. ADC de voltaje a frecuencia: Es ms sencillo que los otros ADC, debido a que no hace uno de un DAC. En lugar de ste se emplea un oscilador lineal controlado por voltaje que produce como salida una frecuencia que es proporcional al voltaje aplicado en su entrada. Una de las principales aplicaciones de este tipo de convertidor se encuentra en ambientes industriales con mucho ruido y donde se tienen que transmitir seales analgicas de poca amplitud desde los circuitos transductores hacia la computadora de control. ADC de doble pendiente : Es uno de los que tienen mayor tiempo de conversin, pero ofrece la ventaja de un costo relativamente bajo ya que no requiere de componentes de precisin tales como un DAC o un VCO. La operacin bsica de este convertidor se apoya en la carga y descarga, ambas en forma lineal, de un capacitor mediante el uso de corrientes de valor constante. Otra ventaja es su baja sensibilidad al ruido y las variaciones en los valores de sus componentes causados por los cambios de temperatura. Convertidor analgico digital A/DLa conversin analgica a digital tiene su fundamento terico en el teorema del muestreo y en los conceptos de cuantificacin y codificacin.Una primera clasificacin de los convertidores A/D, es la siguiente:- a) Convertidores de transformacin directa.- b) Convertidores con transformacin D/A intermedia, auxiliar.Convertidor A/D de comparador en paraleloPertenece al grupo de convertidores de transformacin directa. Es probablemente, el de ms fcil compresin, pues consiste bsicamente en detectar cuando una determinada tensin de entrada pasa por unos controles comparadores previamente establecidos, su esquema puede verse en la este esquema..Cuando la seal analgica de entrada Vi exceda a la tensin de referencia de cualquier comparador, ste reflejar en su salida dicho cambio. Un convertidor A/D de dos bits puede ser el anterior circuito:Este circuito lgico responde a la tabla 1.NIVELC1C2C32120

0-1/4 V.00000

1/4-1/2 V.10001

1/2-3/4 V.11010

3/4-1 V.11111

El circuito lgico del convertidor A/D de dos bits de la figura anterior y que cumple la tabla 1, puede ser algn codificador con prioridad de mercado como, por ejemplo, el 9318, que puede verse en este otro circuito. Este tipo de convertidor es el ms rpido, alcanzando los tiempos de conversin el orden de nanosegundos. La comparacin la realiza de forma simultnea y no secuencial. Por el contrario el principal inconveniente de este convertidor es el gran nmero de comparadores que se requiere, cuando aumenta el nmero de bits en la salida digital.Convertidores A/D con integradorEste tipo de convertidores son ms sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores intermedios D/A. Se emplean en aquellos casos en los que no se requiere una gran velocidad, pero en los que es importante conseguir una buena linealidad. Son muy usados en los voltmetros digitales. Se les conoce tambin con el nombre de convertidores de rampa.En la figura, se representa el diagrama de bloques de un convertidor de rampa simple.

Inicialmente el contador est a cero y el circuito de control tiene inhibido el paso de impulsos al contador. Cuando se aplica una se aplica una seal de inicio (start), el circuito de control dar paso a la seal de reloj hacia el contador y al mismo tiempo ir generando la rampa que se comparar con la seal de entrada de tal forma que, cuando esta seal se iguale a la tensin de entrada Vi, bloquear el paso de la seal de reloj al contador, correspondindose la combinacin digital que aparece en la salida del contador con la tensin analgica de entrada.Un inconveniente del convertidor A/D de rampa simple como el de la figura, es su dependencia de la linealidad de la rampa, y en consecuencia, de los componentes que integran el circuito generador de rampa (circuito integrador formado, por condensador y resistencia). Este problema se resuelve con el convertidor de doble rampa que se indica en el siguiente esquema donde la precisin es muy notable.

En este tipo de convertidor hay dos fases: la primera, que consiste en determinar la rampa para Vi en la entrada, en un tiempo fijo; la segunda, el tiempo que tarda, con pendiente fija y tensin de referencia conocida, VREF, en pasar del valor mximo de la anterior fase a cero figura B).El ciclo de conversin se inicia con la rampa y contadores a cero y el conmutador electrnico en la entrada analgica Vi. La rampa se genera hasta un punto mximo Vx que vendr dado por el nivel de tensin de entrada Vi y siempre en un mismo tiempo t1Vx = -(Vi / RC).t1Cuando el detector de cuenta incorporado en el contador detecta que concurre el tiempo predeterminado t1, la unidad de control borra dicho contador y conmuta la entrada a la tensin de referencia VREF. Ahora el integrador generar un rampa desde - Vx a cero, durante un tiempo t2 que ser contabilizado por el contador.Vx = (Vref / RC).t2.La conversin termina cuando Vx es cero, ya que a travs del comparador, bloquear la puerta del reloj. La combinacin del contador se corresponder con el equivalente digital a la tensin analgica de entrada.

CONVERTIDOR DE APROXIMACIONES SUCESIVAS.Este tipo de convertidor es el ms utilizado cuando se requieren velocidades de conversin entre medias y altas del orden de algunos microsegundos a dcimas de microsegundos.

El diagrama de bloque puede verse en la anterior figura, es muy parecido al convertidor anterior, en el que se ha cambiado el contador y el circuito de control, por un sistema de conteo por aproximaciones sucesivas, que bsicamente, est formado por un registro de desplazamiento de n bits controlados por un circuito digital. Estos circuitos suelen suministrarlos los fabricantes de Circuitos Integrados.

El proceso de conversin para este tipo de convertidores se basa en la realizacin de comparaciones sucesivas de manera descendente o ascendente, hasta que se encuentra la combinacin que iguala la tensin entregada por el D/A y la de entrada.Como el arranque parte siempre de cero, el registro de aproximaciones sucesivas, comienza poniendo a 1 el bit de mas peso (MSB), quedando el resto a cero, o sea, forma el valor 100 (para este ejemplo se utilizarn slo tres bits), que corresponde a la mitad de la mxima excursin de la tensin de entrad. Este valor es transformado a seal analgica, que a su vez se introduce en el comparador. Si esta seal es mayor que Vi, el comparador bascula dando lugar a una seal que hace que el registro vare su contenido, sustituyendo el 1 del bit de ms peso por un 0 y colocando en el bit de peso inmediatamente inferior un 1, quedando inalterado el resto de los bits (010). Por el contrario si la seal fuese menor que Vi, el registro no modifica el bit de ms peso inmediatamente inferior a 1, dejado a 0 el resto de los bits (110).Tanto en un caso como en otro, se efecta una nueva conversin D/A y luego se modifica el registro con el mismo criterio. El proceso se repite hasta alcanzar el bit de menos peso (LSB). En el esquema siguiente, se muestra el diagrama de transiciones para 3 bits donde se indica el proceso de bsqueda de la combinacin digital. El proceso se repetir n veces, siendo n el nmero de bits del registro de aproximaciones sucesivas. Por lo tanto el tiempo empleado en la conversin es independiente del valor de la seal analgica de entrada. El tiempo de conversin de este tipo de convertidores es mucho menor que el anterior.

Convertidor por cuenta continuaTeniendo como base el convertidor por contador, bastara con evitar poner a cero el contador para cada conversin de analgico a digital, para acelerar el tiempo en dicha conversin. Bastara con aadir un contador reversible y un circuito lgico que detecte el sentido de conteo: descendente o ascendente (UP/DOWN). El contador en este caso comenzara la cuenta desde la ltima conversin. A este tipo de convertidor se le denomina por cuenta continua y su diagrama de bloque se representa en el esquema siguiente.

Este convertidor, cuando la seal analgica procedente de la entrada Vi es superior a la generada por el D/A, como consecuencia de la combinacin binaria a su entrada, hace que el comparador habilite la cuenta ascendente, hasta que ambas entradas en el comparador vuelvan a igualarse y para el conteo. Por el contrario, si Vi es inferior a la tensin suministrada por el D/A, el conteo ser de forma descendente, hasta igualar nuevamente la tensin de entrada Vi. En definitiva, el contador siempre seguir a cualquier variacin de la tensin analgica a convertir, a partir de la ltima conversin realizada. El clculo del tiempo de conversin depender de la distancia a recorrer por el contador.

http://proton.ucting.udg.mx/~cruval/convadc.htmlEstudiar este captulo para el ts

REGISTRADORES

La presentacin de datos puede ser realizado por registradores que muestran la seal de salida en un periodo de tiempo y dan un registro permanente. Los registradores pueden ser analgicos o digitales. Los dos tipos de registradores analgicos son el galvanomtrico y el potenciomtrico. En la representacin digital en el papel de registro, la salida se muestra en forma de impresos de dgitos. Otro mtodo de registro, tanto para seales analgicas como digitales, incluye la utilizacin de cintas y discos magnticos.

Registradores de lectura directa

El registrador tiene una pluma que se mueve sobre un grfico circular por la accin directa de la magnitud que se mide. Por ejemplo, el desplazamiento del final de un tubo de Bourdon o fuelle como resultado de un cambio en la presin, se utiliza par mover un puntero sobre el grfico. Tales registradores tienen grficos circulares que giran con una velocidad constante de 1 revolucin en 12 horas, 24 horas o 7 das. Debido que la pluma se mueve en lneas curvas radiales, la lectura y la interpolacin no son sencillas. Se puede realizar un registro de hasta cuatro variables distintas; la precisin es de 5% de la desviacin de la seal a fondo de escala.

Registrador grfico

Registradores galvanomtricos

El tipo galvanomtrico de registrador grfico trabaja segn el mismo principio que el medidor de bobina mvil. Consisten en una bobina suspendida en un campo magntico de imn permanente. Cuando una corriente circula por la bobina, sta queda sometida por un par de giro que se equilibra con el par antagonista producido por la torsin de la suspensin de la bobina. En su forma ms simple, un puntero con una pluma al final, se conecta con la bobina y gira con ella.

Registrador grfico de tipo galvanomtrico

Si R es la longitud del puntero y la deflexin de la bobina, el desplazamiento y de la pluma es

Como la deflexin es proporcional a la corriente i que circula por la bobina, se puede escribir

de las dos ltimas expresiones se deduce la corriente i como

si , , luego

Para tales ngulos el error debido a lo no linealidad es menor a 0.5%. Debido a que la pluma se mueve en arco, para realizar el grfico se tiene que utilizar papel curvilneo.

Papel grfico curvilneo

El registrador de filo de cuchilla, utiliza un estilete caldeado, y papel trmico que se mueve sobre un filo de cuchilla. El papel est impregnado con productos qumicos que muestran colores diferentes cuando estn en contacto con el estilete caliente. La utilizacin del filo de cuchilla evita el trazo curvo, pero la relacin no lineal entre y el desplazamiento todava existe. La longitud del trazo y producida en el papel por la desviacin es

El error de no linealidad para desviaciones menores de , es menor del 1%.Normalmente los registradores galvanomtricos presentan las siguientes prestaciones:

Sensibilidad1 cm/mV

Zent10 k

F0 50 Hz

Precisin2% dfe

Registrador galvanomtrico ultravioleta

Una de las formas de transformar el movimiento de la bobina en una traza en un grfico, es incluir un espejo sostenido por la suspensin. Un rayo estrecho de luz ultravioleta se dirige al espejo y cuando gira la bobina el rayo reflejado barre el grfico. El grafico se realiza en papel fotosensible y, as, se produce una traza cuando hay movimiento.

Registrador de filo de cuchilla

Registrador galvanomtrico ultravioleta

La utilizacin de punteros pticos permite mayor sensibilidad, como las siguientes:

Frecuencia

0 50 Hz0 5 kHz

Sensibilidad5 cm/mV0.0015 cm/mV

Rbobina80 40

Precisin2% dfe2% dfe

Como los punteros pticos se pueden cruzar con otros sin interferencias, es comn tener 6, 12 o 25 galvanmetros montados en el mismo circuito magntico y, as, se posibilita el registro de varias variables.

Comportamiento dinmico de los registradores galvanomtricos

Cuando la corriente que circula por la bobina del galvanmetro vara en un escaln de corriente I, entonces la bobina experimenta un par igual a

Circuito equivalente Thvenin

Bobina mvil

par debido a la corriente

Donde = densidad de flujo magnticoA = rea de la bobinaN = nmero de espiras de la bobina

a este par se opone el par de torsin de la suspensin de la bobina

para antagonista

el par neto esta dado por

par neto = par debido a la corriente - par antagonista

tambin

par neto = momento de inercia J x aceleracin angular

par neto

El circuito en el que la corriente circula por el registrador puede expresarse en trminos del circuito Thvenin, por lo que la corriente es

donde Rr es la resistencia efectiva del circuito registrador.

La corriente que circula por la bobina sometida a un campo magntico, la hace girar. En un conductor de longitud L que se mueve perpendicularmente a un campo magntico de induccin con una velocidad v, se induce una f.e.m. e igual a

como

= velocidad angular del conductorr= radio de rotacin

, donde b es el ancho de la bobina

una espira tiene dos conductores, por tanto, la tensin en una espira es

donde A es el rea de la bobina

Si consideramos que la bobina tiene N espiras, la f.e.m. E en la bobina esta dada por

Por tanto la tensin en el circuito durante el movimiento de la bobina es

luego

de donde

Esta es una ecuacin de segundo grado y describe el movimiento de la bobina del galvanmetro.

La frecuencia natural de oscilacin del sistema esta dada por

y se amortigua con un factor de amortiguacin de

factor de amortiguacin

Respuesta del galvanmetro a un escaln de corriente de entrada

El factor de amortiguacin expresa la amortiguacin como una fraccin de la considerada amortiguacin crtica, es decir, la amortiguacin crtica tiene un factor de amortiguacin de 1.0. La tabla siguiente muestra el porcentaje en sobrepasa el valor esperado para distintos valores de amortiguacin.

Factor de amortiguacinPorcentaje de rebasamiento

1.000.910.820.720.620.500.400.00.11.24.08.416.525.0

La respuesta del galvanmetro a diferentes frecuencias de entrada depende del valor de la frecuencia natural y de la amortiguacin.

Respuesta en frecuencia de un registrador galvanomtrico

Cuando el registrador del galvanmetro se detiene totalmente y proporciona la lectura, tanto y son cero, as

Por tanto, la sensibilidad en estado estacionario es

Registradores potenciomtricos

El registrador potenciomtrico, tambin denominado, registrador de bucle cerrado o servo registrador de bucle cerrado, es un potencimetro autoequilibrado. La posicin de la pluma se controla por el deslizamiento del cursor en el potencimetro lineal. La posicin del cursor determina el potencial aplicado a un amplificador operacional. El amplificador resta la seal de medida de la seal del transductor. La salida del amplificador e, por tanto, una seal relacionada con la diferencia entre la seal de la pluma y del transductor. Esta seal se utiliza para hacer trabajar un servomotor que controla el movimiento de la pluma a lo largo del grfico. Por tanto, la pluma termina movindose a una posicin en la que no existe diferencia entre la seal de la pluma y la del transductor.

Registrador potenciomtrico

Los registradores potenciomtricos tienen tpicamente las siguientes prestacionesPrecisin0.1% dfe

Tiempo de respuesta1 2 s

Ancho de banda1 2 Hz

Debido al rozamiento, se requiere una mnima corriente para conseguir mover el sistema. Por tanto, hay errores debidos a la no respuesta del registrador a pequeas seales del transductor. Estos errores son conocidos como banda muerta.

Registradores X-Y

Los registradores X-Y son una clase de registradores potenciomtricos con una pluma conducida por dos motores, uno controla en la direccin X y el otro en la direccin Y. Esto significa que una variable puede aplicarse a la entrada X y la otra a la entrada de Y y el registrador dibujar el grfico mostrando cmo una de las variables cambia con respecto a la otra.

Registrador X-Y

La mayora de registradores X-Y tienen una seal de temporizacin aplicada a la entrada X y posibilita un grfico de variacin temporal respecto a la variable aplicada a la entrada Y. Tpicamente tienen las siguientes prestaciones

Mrgenes de entrada0.25 mV/cm 10 V/cm

Precisin0.1% dfe

Temporizador interno0.25 50 s/cm

Banda muerta0.1% dfe

Frecuencia5 10 Hz

El trmino rapidez de respuesta (slew rate) se utiliza para especificar la mxima velocidad con que la pluma puede ser movida despus que su aceleracin haya pasado. Es, tpicamente, de alrededor de 10 cm/s.

Registradores de cintas magnticas

Se pueden usar para registrar seales tanto analgicas como digitales.El cabezal de registro consiste de un ncleo ferromagntico que tiene un entrehierro no magntico. La proximidad de la cinta magntica al entrehierro no magntico permite que el flujo magntico que fluye por el ncleo ingrese a la cinta magntica en la zona prxima al entrehierro. Las seales elctricas son alimentadas a una bobina que esta devanada en un ncleo y da como resultado la produccin de un flujo magntico en el circuito magntico. La cinta magntica es una base de plstico flexible recubierta con una capa de polvo magntico. Cuando el flujo magntico atraviesa la cinta, sta se magnetiza permanentemente y, as, se produce un registro magntico a partir de una seal elctrica.

El cabezal de registro y el cabezal de reproduccin tienen una forma similar de fabricacin. Por tanto, cuando una pieza de cinta magnetizada puentea el entrehierro no magntico del cabezal de reproduccin, se induce un flujo magntico en el ncleo. El cambio de flujo induce una f.e.m. en la bobina devanada en el ncleo magntico. Por tanto, la salida de dicha bobina es una seal elctrica que est relacionada con la grabacin magntica de la cinta.

Los registradores, tienen ms de un cabezal de registro repartidos a lo ancho de la cinta. Por tanto, pueden registrarse varias seales diferentes simultneamente.

Fundamentos de un cabezal de grabacin magntica

Almacenamientos en discos magnticos

Los datos digitales pueden ser almacenados en discos magnticos, de forma similar a los registradores de cinta magntica. Los datos digitales se almacenan en la superficie del disco a lo largo de crculos concntricos llamados pistas. Los discos giran mientras que los cabezales de lectura/escritura leen o escriben los datos en las pistas.