Sistema de adquisición de datos

Transcripción

1 Sistema de adquisición de datos Sensores Procesador Circuito de Selección de muestreo y las señales retención programable Filtro MUX AMP antialiasing S&H ADC Amplificador de ganancia programable 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. 1

2 Sistema de control El procesador o controlador recibe información del estado del sistema, y actúa en consecuencia. Electroválvula Transductor de presión Convertidor analógicodigital AMP MUX S&H ADC AMP Termopar Calentador Convertidor digitalanalógico Procesador Actuador DAC Actuador Red de comunicación 2

3 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) 3

4 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

5 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. 5

6 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) 6

7 Multiplexor/demultiplexor (analógico) El multiplexor analógico está formado por un decodificador y un conjunto de puertas analógicas. El multiplexor analógico es reversible, es decir, se pueden usar las entradas como salidas, y la salida como entrada. La entrada seleccionada queda conectada eléctricamente a la salida a través de una resistencia de bajo valor. Selección de entrada (n bits) 2 n entradas analógicas MDX 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). Salida analógica 7

8 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 i I Ron Roff Coff C v o RL 8

9 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

10 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 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

11 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. 11

12 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). 12

13 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 2V t adq Vk -2V 5V 0V t Vo 2V t -2V detalle de Vo -2V 13

14 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 instantes del muestreo t 14