Universidad Veracruzana

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1 Universidad Veracruzana Facultad de Ingeniería en Electrónica y Comunicaciones Circuitos electrónicos para propósito de control y monitoreo de temperatura vía PC Tesis Que para aprobar la Experiencia Recepcional Presenta: Dzul May Yarely Sac Nic Teh Olmedo Garcia Mario PozaRica., Ver. 2007

2 INDICE CAPITULO 1 INTRODUCCION 1.1 Introducción Justificación Objetivo Alcance..2 CAPITULO 2 ADQUISICION DE DATOS 2.1 DATOS Datos Analógicos Datos Digitales Puerto serial Puerto paralelo Diferencia entre el puerto serial y el puerto paralelo La UART Detección del tipo de UART Comprobación de la UART Puerto USB Estándares del USB Topología Funcionamiento del USB Cables y conectores Modos de transmisión Transmisión asíncrona Transmisión síncrona Control de los datos...33

3 CAPITULO 3 CONVERTIDORES ADC Y DAC 3.1 La digitalización Ventajas de la señal digital Desventajas de la señal digital Convertidor analógico a digital Características básicas de un convertidor A/D Procesos que intervienen en la conversión analógico a digital Errores en los convertidores analógicos/digital Etapa de acondicionamiento de la señal Tipos de convertidores A/D Convertidor de aproximaciones sucesiva s Convertidor flash Convertidor A/D con comparadores Convertidor A/D con contadores Convertidor A/D con integrador ADC de doble pendiente ADC de voltaje a frecuencia El ADC Aplicaciones y características generales del ADC Configuración del ADC Diagrama a bloques del ADC Convertidor digital /analógico Clasificación de los convertidores digital/ analógico Convertidores seriales Convertidores paralelo Aplicaciones de un DAC Características de funcionamiento de un DAC Código de entrada BCD para el DAC Parámetros para los convertidores DAC Tipos de convertidores D/A...73

4 3.7 El DAC Estructura interna del DAC Características generales del DAC CAPITULO 4 SENSORES DE TEMPERATURA 4.1 Introducción Instrumentos usuales para medición de la temperatura Termómetro de vidrio Termómetros bimetalitos Termopares Termoresistencia Pirómetro de radiación Termocuplas Termistores LM Sensor de temperatura a resistencia de carbono.102 CAPITULO 5 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL DE TEMPERATURA 5.1 Objetivo del circuito sensor de temperatura Dispositivos electrónicos utilizados LM ADC PIC16f84A MAX Códigos fuente para el sensor de temperatura Código fuente en lenguaje ensamblador para programar el PIC 16F84A Código fuente en delphi para crear la interfase entre el sensor y la PC Diagrama eléctrico del sensor de temperatura monitoreado vía PC.115

5 CONCLUSIONES GLOSARIO BIBLIOGRAFIA 118

6 Capitulo 1 INTRODUCCION 1.1 INTRODUCCION En la actualidad la mayoría de los procesos utilizados en la industria están controlados y monitoreados por una computadora para una mayor eficacia y rapidez en la producción. Dicho control y monitoreo se realizan mediante varios circuitos integrados activos y pasivos que hacen de las señales analógicas y digitales un proceso complejo para un fin determinado. La señal controlada mediante estos circuitos pueden ser monitoreados mediante display s, pantallas LCD o PC s. En este caso especifico que es el control y monitoreo de la temperatura vía PC, se utilizaran circuitos convertidores analógico/digital para convertir el valor de la temperatura en un formato digital; también se utilizara el PIC16F84A que será el encargado de procesar la señal digital para su visualización en la PC; y el circuito integrado MAX232 que es el encargado de solucionar los problemas de niveles de voltaje cuando se envían señales digitales hacia el puerto serial. El MAX232 se usa en aquellas aplicaciones donde no se dispones de fuentes dobles de +12V. 1.2 JUSTIFICACIÓN Uno de los campos de la ingeniería que se ha visto beneficiado con la introducción de los microprocesadores y las PC s es el área de la instrumentación y control, donde el gran potencial de las computadoras y su relativa facilidad de programación permite diseñar circuitos y sistemas para el control de los procesos en la industria. La evolución de las PC s ha sido muy rápida, quizás se pueda considerar que su evolución ha sido exponencial

7 mas que lineal en los últimos años, el procesamiento de datos ha venido ha ser la integración por parte de varios sistemas, involucrando la transferencia de información en forma de datos hacia y desde las PC s vía dispositivos de entrada/salida. Hoy en día la tecnología y el procesamiento de señales es con frecuencia acompañado de la utilización de métodos de conversión digital, y la señal procesada es con frecuencia convertida nuevamente a la forma analógica. Por lo anterior, se hace necesario desarrollar un trabajo recepcional en donde se consideren ampliamente estos circuitos. 1.3 OBJETIVO Presentar el desarrollo completo de los circuitos necesarios para el control y monitoreo de la temperatura controlada a través de la PC. 1.4 ALCANCE Con este trabajo pretendemos demostrar la gran utilidad que tienen los circuitos electrónicos para propósitos de control y monitoreo de la temperatura, analizando el comportamiento de los componentes en función de la respuesta del circuito a implementar.

8 Capitulo 2 ADQUISICION DE DATOS 2.1 DATOS Un dato es una representación simbólica, ya sea numérica, alfabética, grafica, etc. de un atributo o característica de una entidad. El dato no tiene valor semántico en si mismo, pero convenientemente tratado se puede utilizar en la realización de cálculos o toma de decisiones para un fin determinado. El dato es utilizado comúnmente en el ámbito informático Datos Analógicos Un dato analógico es una onda producida por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica y que conforme transcurre el tiempo tiene un valor. Se refiere a la transmisión electrónica que se consigue añadiendo señales de frecuencia o amplitud variables a ondas transportadoras de corriente electromagnética alterna con una frecuencia dada. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricas y magnéticas. La radiación electromagnética se puede ordenar en un espectro que se extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas con longitudes de onda pequeña hasta frecuencias muy bajas con longitudes de onda altas. Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse; pueden atravesar el espacio desplazándose en el vació a una velocidad aproximada de Km. /s a la que se denomina con la letra c. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan la propiedades típicas del movimiento ondulatorio,

9 como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonesimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda λ la frecuencia f de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λ f = c, son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Figura 2.1 Señal analógica Un dato analógico se diferencia por ciertas características que a continuación se enlistan: Los datos analógicos toman valores continuos. Una señal analógica es una señal continua que se propaga por ciertos medios Los datos analógicos se pueden representar por una señal electromagnética con el mismo espectro que los datos. La transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas (que pueden contener datos analógicos o datos digitales).

10 2.1.2 Datos Digitales Se dice que una señal es digital cuando las magnitudes de la misma se representan mediante valores discretos en lugar de variables continuas como por ejemplo un interruptor de la luz ya que solo puede tomar valores o estados de abierto o cerrado, o la lámpara misma es un ejemplo claro de una señal digital ya que toma los valores de encendida o apagada. En una señal digital se puede transportar información por una representación de código en donde cada señal individual o pulso es llamado bit por lo tanto la unidad básica de un dato digital es llamado bit. En los sistemas digitales, como por ejemplo el computador, usan lógica de dos estados: la corriente pasa o no por los componentes electrónicos del sistema. Estos estados son en realidad dos niveles de tensión, uno alto H, y otro bajo L. Por abstracción dichos niveles se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa. Un dato digital se puede distinguir por ciertas características que continuación se enlistan: Los datos digitales toman valores discretos. Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión que representan los valores binarios de la señal.

11 La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona con la distancia, por lo que a cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal. Figura 2.2 Señal digital 2.2 PUERTO SERIAL Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre computadores y periféricos en donde la información es transmitida bit a bit enviando un solo bit a la vez en contraste con el puerto paralelo que envía varios bits a la vez. El puerto serie por excelencia es el RS-232 que utiliza cableado simple desde tres hilos hasta 25 y que conecta computadores o microcontroladores a todo tipo de periféricos, desde terminales a impresoras y módems pasando por ratones y otros hardware. El RS-232 original tenía un conector tipo D de 25 pines, sin embargo la mayoría de dichos pines no se utilizaban, por lo que IBM incorporo desde su PS/2 un conector mas pequeño de solamente 9 pines que es el que actualmente se utiliza. Uno de los defectos del puerto serie iniciales eran su lentitud en comparación con los puertos paralelos, sin embargo, con el paso del tiempo aparecieron multitud de puertos serie

12 de alta velocidad que los hacen muy interesantes ya que utilizan las ventajas de menor cableado y solucionan el problema de la velocidad y mas barato usando la técnica de par trenzado. Por ello, el puerto RS-232 e incluso multitud de puertos paralelos están siendo remplazados por nuevos puertos serie como USB, firewire o el serial ATA. Como ya se ha mencionado el puerto serie consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal encontrar la versión de 9 pines DB-9 como se muestra en la figura 2.3, mas barato e incluso mas extendido para cierto tipo de periféricos. Las señales con las que trabaja el puerto serie son digitales, de +12V (cero CONECTOR DB25 CONECTOR DB9 lógico) y -12V (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa en las señales de control. El estado de reposo en la entrada y la salida de datos es -12V. Dependiendo de la velocidad de transmisión empleada, es posible tener cables de hasta 15 metros. Figura 2.3 Conector de tipo DB25 y DB9

13 Cada pin puede ser de entrada o de salida, teniendo una función específica cada uno de ellos, de las cuales las más importantes son los que se muestran en la figura 2.4, con su respectiva función establecida en la tabla 2.1. DTR TXD RXD DCD CTS RTS DSR Figura 2.4 Conector tipo DB9 (serial) PIN FUNCION TXD TRANSMITIR DATOS RXD RECIBIR DATOS DTR TERMINAL DE DATOS LISTO DSR EQUIPO DE DATOS LISTO RTS SOLICITUD DE ENVIO CTS LIBRE PARA ENVIO DCD DETECCION DE PORTADORA Tabla 2.1 Función de cada pin del puerto serial Las señales TXD, DTR y RTS son de salida, mientras que RXD, DSR, CTS y DCD son de entrada. La masa de referencia para todas las señales es SG (tierra de señal), pero también existen otras señales como RI (indicador de llamada), y otras poco comunes como las que se anexan en la tabla 2.2. NUMERO DE PIN SEÑAL DESCRIPCION E/S DB-25 DB-9

14 1 1 - GND TXD TRANSMISION DE DATOS S 3 2 RXD RECEPCION DE DATOS E 4 7 RTS SOLICITUD DE ENVIO S 5 8 CTS AUTORIZACION DE ENVIO E 6 6 DSR DATOS LISTOS PARA ENVIAR E 7 5 SG TIERRA SEÑALADA CD/DCD (DATO)DETECTOR DE ACARREO E 15 - TXC(*) RELOJ DEL TRANSMISOR S 17 - RXC(*) RELOJ DEL RECEPTOR E 20 4 DTR DATOS LISTOS PARA ENVIAR S 22 9 RI INDICADOR DE TERMINADO E 24 - RTXC(*) RELOJ TRANSMISOR/RECEPTOR S Tabla 2.2 Descripción de conectores DB-25 y DB-9 (*) Normalmente no conectados en el DB 25 A continuación se describe la función de cada pin del puerto serial ya sea en el conector DB9 o el conector DB-25. Transmisión de datos (TD): esta línea es utilizada para trasmitir datos desde el DTE (equipo terminal de datos) al DCE (equipo transmisor de datos).es mantenida en estado de 1 lógico cuando nada se trasmite. La terminal comenzara a transmitir cuando un 1 lógico este presente en las siguientes líneas: *autorización de envió *terminal de datos lista *datos listos para enviar *detector de acarreo Recepción de datos (RXD): es utilizada para recibir datos desde la DCE al DTE. La terminal comenzara a trasmitir cuando un 1 lógico este presente en las siguientes líneas: *autorización de envió

15 *terminal de datos lista *datos listos para enviar *detector de acarreo El estándar especifica que los niveles de salida son -5 a -15 volts para el 1 lógico y +5 a +15 volt para el 0 lógico, mientras que los niveles de entrada son -3 a -15volt para un 1 lógico y +3 a +15 volt para un 0 lógico. Esto asegura que los bits puedan ser leídos correctamente aun con grandes distancias entre la DTE y la DCE, especificados como 16.5 metros o 50 pies, aun cuando estas señales soportan mayores distancias dependiendo de la calidad del cableado y el blindaje. Solicitud de envío (RTS): en esta línea el DTE envía una señal cuando esta listo para recibir datos del DCE. El DCE revisa esta línea para conocer el estado del DTE y saber si puede enviar datos. Autorización de envío (CTS): aquí el DCE envía una señal cuando esta listo para recibir datos del DTE. Datos listos para enviar (DSR): cuando se esta en un 1 lógico indica al DTE que el DCE esta listo para enviar datos. Tierra señalada: esta es la tierra lógica que es utilizada como punto de referencia por todas las señales recibidas y transmitidas. Esta señal es indispensable y debe de estar presente para todas las comunicaciones. Detector de acarreo (CD): en esta línea el DCE indica al DTE que ha establecido una línea portadora (una conexión) con un dispositivo remoto.

16 Datos listos para enviar (DTR): cuando esta línea esta en estado de 1 lógico se puede comenzar a enviar y recibir datos. Cuando esta línea esta en nivel de 0 lógico, el DCE terminara la comunicación. Indicador de terminado (RI): esta línea es utilizada, comúnmente, por el software de comunicaciones cuando el dispositivo no esta en modo de auto responder para indicarle que un dispositivo remoto esta llamando. Esta señal es optativa cuando no se utiliza software que contestara la llamada automáticamente. 2.3 PUERTO PARALELO El puerto paralelo envía datos a una tasa de n números de bits a través de n números de cables a un tiempo. Seria fácil pensar que un sistema en paralelo es n veces mas rápido que un sistema en serie, sin embargo esto no se cumple, básicamente el impedimento principal es el tipo de cable que se utiliza para interconectar los equipos. Si bien un sistema de comunicación en paralelo puede utilizar cualquier número de cables para transmitir datos, la mayoría de los sistemas en paralelo utilizan ocho líneas de datos para transmitir un byte a la vez. Un típico sistema de comunicación en paralelo puede ser de una dirección (unidireccional) o de dos direcciones (bidireccional). El más simple mecanismo utilizado en un puerto paralelo de una PC es de tipo unidireccional. El puerto paralelo de una típica PC utiliza un conector hembra de tipo D de 25 pines (DB-25), este es el caso mas común, sin embargo también es importante conocer los tres tipos de conectores definidos por el estándar IEEE 1284, el primero llamado 1284 tipo

17 A que es un conector hembra principio y el que se muestra en la figura 2.5. de 25 pines de tipo D como el que se menciono al Figura 2.5 Conector del puerto paralelo DB25 El segundo conector se llama 1284 tipo B que es un conector de 36 pines de tipo centronics que se encuentran en la mayoría de las impresoras; el tercero se denomina 1284 tipo C que se trata de un conector similar al 1284 tipo B pero más pequeño, además tiene mejores propiedades eléctricas y mecánicas, este conector es el recomendado para nuevos diseños. La función de cada pin del conector 1284 tipo A se describe en la tabla siguiente: PIN E/S POLARIDAD ACTIVA DESCRIPCION 1 SALIDA 0 STROBE 2-9 SALIDA - LINEAS DE DATOS (bit0/pin2,bit7/pin9) 10 ENTRADA 0 LINEA DE RECONOCIMIENTO (activa cuando el sistema remoto toma datos) 11 ENTRADA 0 LINEA OCUPADA (si esta activa, el sistema remoto no acepta datos) 12 ENTRADA 1 LINEA FALTA DE PAPEL (si esta activa, falta papel en la impresora)

18 13 ENTRADA 1 SELECCIÓN DE LINEA (si esta activa, la impresora se ha seleccionado) 14 SALIDA 0 LINEA AUTOFEED ( si esta activa, la impresora inserta una nueva línea por cada retorno de carro) 15 ENTRADA 0 LINEA DE ERROR (si esta activa, hay un error en la impresora ) 16 SALIDA 0 LINEA INIT (si esta activa al menos 50µ segundos esta señal auto inicializa la impresora) 17 SALIDA 0 SELECCION DE LINEA DE ENTRADA (cuando esta, inactiva obliga a la impresora a salir de línea) TIERRA ELECTRICA Tabla 2.3 Configuración del puerto paralelo estándar En la tabla 2.3 se puede observar que el puerto paralelo tiene 12 líneas de salida (8 líneas de datos, strobe, autofeed, init, y select input) y 5 de entrada (acknowledge, busy, falta de papel, select y error). El objetivo del estándar es diseñar nuevos dispositivos que sean totalmente compatibles con el puerto paralelo estándar (SSP) definido originalmente por la IBM. Hay tres direcciones de E/S asociadas con un puerto paralelo de la PC, estas direcciones pertenecen a registros de datos, el registro de estado, y el registro de control. El registro de datos es un puerto de lectura escritura de ocho bits. Leer el registro de datos retorna el último valor escrito en el registro de datos. Los registros de control y estado proveen la interfase a las otras líneas de E/S. La distribución de las diferentes señales para cada uno de los tres registros de un puerto paralelo esta dada en las siguientes tablas: DIRECCION NOMBRE LECTURA /ESCRITURA NO. DE BIT PROPIEDADES Bit 7 dato 7

19 Base+0 Puerto de datos Escritura Bit 6 dato 6 Bit 5 dato 5 Bit 4 dato 4 Bit 3 dato 3 Bit 2 dato 2 Bit 1 dato 1 Bit 0 dato 0 Tabla 2.4 Registro de datos DIRECCION NOMBRE LECTURA/ESCRITURA NO. DE BIT PROPIEDADES Bit7 Ocupado Bit6 Reconocimiento Bit5 Falta de papel Base +1 Puerto de estado Solo lectura Bit4 Selección de entrada Bit3 Error Bit2 IRQ (not) Bit1 Reservado Bit0 reservado Tabla 2.5 Registro de estado DIRECCION NOMBRE LECTURA/ESCRITURA NO.DE BIT Bit7 Bit6 Bit5 Bit4 Base+2 Puerto de Lectura/escritura control Bit3 Bit2 Bit1 Bit0 PROPIEDADES No usado No usado Permite puerto bidireccional Permite IRQ a través de la línea de reconocimiento Selecciona impresora Inicializa impresora Nueva línea automática strobe Tabla 2.6 Registro de control Una PC soporta hasta tres puertos paralelos separados, por tanto puede haber hasta tres juegos de registros en un sistema en un momento dado. Existen tres direcciones base para el puerto paralelo asociadas con tres posibles puertos paralelo: 0x3BCh, 0x378h y

20 0x278h, nos referimos a estas como las direcciones base para el puerto paralelo LPT1, LPT2 y LPT3, respectivamente. El registro de datos se localiza siempre en la dirección base de un puerto paralelo, el registro de estado aparece en la dirección base +1, y el registro de control aparece en la dirección base+2. Por ejemplo, para un puerto LPT2 localizado en 0x378h, esta es la dirección del registro de datos, al registro de estado le corresponde la dirección 0x379h y su respectivo registro de control esta en la dirección 0x37Ah. Cuando la PC se enciende, el BIOS ejecuta una rutina para determinar el número de puertos presentes en el sistema asignando la etiqueta LPT1 al primer puerto localizado, si existen mas puertos entonces se asignaran consecutivamente las etiquetas LPT2 y LPT3 de acuerdo a la tabla 2.7. Dirección inicial Función 0000:0408 Dirección base para LPT1 0000:040 A Dirección base para LPT2 0000:040C Dirección base para LPT3 0000:040E Dirección base para LPT4 Tabla 2.7 Direcciones base en el BIOS

21 Para trabajar con el puerto paralelo necesitamos en primer lugar conocer la dirección base asignada por el BIOS (hablando de una PC compatible con IBM), podemos utilizar un programa llamado Debug.exe que nos indique las direcciones asignadas. En la plataforma de Windows vamos al menú inicio, seleccionamos programas y luego MS-DOS y aquí podemos introducir los comandos indicados mas abajo. Si se trabaja en ambiente DOS basta con teclear en la línea de comandos la palabra debug, el programa responde colocando un signo de menos en donde tecleamos sin dejar espacios en blanco d040:08l8 y presionamos la tecla entrar, entonces el programa Debug.exe nos indica en una serie de números que significan las direcciones de los puertos paralelos disponibles en nuestro sistema, la siguiente imagen muestra el resultado obtenido en la maquina.

22 Figura 2.6 Ventana de direcciones para el puerto paralelo Se puede observar una serie de números de dos dígitos (ocho en total), se trata del estado de memoria que empieza en la dirección 40:0008h. Los primeros seis pares de numero representan las direcciones base para los puertos paralelos instalados, en la imagen de arriba se aprecia que el único puerto paralelo de la maquina esta en la dirección 0x378h (78 03). Los números están invertidos por que intel almacena tal información en un formato de byte de bajo orden byte de alto orden. Una ves que obtenemos la información deseada cerramos el programa debug.exe simplemente tecleando la letra q y presionando la tecla entrar.

23 2.4 DIFERENCIA ENTRE EL PUERTO SERIAL Y EL PUERTO PARALELO Los puertos seriales integrados usan conectores tipo D subminiatura de 9 patas en el panel posterior. Estos puertos son compatibles con dispositivos como módems externos impresoras, graficadores y los Mouse que requieren transmisión de datos en serie que hace referencia a la transmisión de la información de un bit en una línea. La mayoría del software utiliza el termino COM derivado del termino comunicaciones seguido de un numero para designar un puerto serie como por ejemplo COM1 o COM2. Por lo tanto las opciones predeterminadas para los puertos serie integrados del sistema son COM1 y COM2. El puerto paralelo integrado usa un conector tipo D subminiatura de 25 pines en el panel posterior del sistema. Este puerto de E/S envía datos en formato paralelo (ocho bits de datos) formando un byte, se envían simultáneamente sobre ochos líneas individuales en un solo cable. El puerto paralelo se utiliza principalmente para impresoras. La mayoría de los software usan el termino LPT derivado del termino impresor en línea. Por lo tanto la opción predeterminada del puerto paralelo integrado del sistema es LPT1. En la siguiente imagen se aprecian los diferentes puertos por los que se puede realizar una comunicación entre un componente externo y la CPU. Dichos componentes son los siguientes: *Conector de video *Conector de teclado *Conector del puerto serie *Conector del puerto paralelo *Conector para Mouse *Conector del puerto USB

24 Figura 2.7 Tipos de puertos 2.5 LA UART El corazón de un sistema de comunicaciones serie es la UART, acrónimo de Universal Asynchronous Receiver- Transmiter. Es un chip cuya misión principal es convertir los datos recibidos del bus del PC en formato paralelo, a un formato serie que será utilizado en la transmisión hacia el exterior. También realiza el proceso contrario: transformar los datos serie recibidos del exterior en un formato paralelo entendible por el bus.

25 La UART es un dispositivo programable en el que se pueden establecerse las condiciones que se utilizaran para la transmisión como son la velocidad, la paridad, longitud y bits de parada. Los UART más significativos son: 1. NS 8250: la UART de IBM PC original; este circuito tenia un pequeño bug que fue corregido mediante las oportunas modificaciones en las rutinas BIOS y fue sustituido por el 8250-B. 2. NS 8250A: este chip corregía los problemas de los predecesores, sin embargo no podía ser utilizado en algunos modelos precisamente por que el BIOS trataba de corregir un problema inexistente. En cualquier caso este chip no funcionaba más allá de los 9600bps. 3. NS 8250B: este chip fue el último de la saga de los 8250, y reinstalo el antiguo bug, de forma que pudiera funcionar correctamente con las BIOS de los TX. Todos los de esta serie tenían un acceso muy lento, lo que obligaba a incluir estados de espera en el procesador. Tampoco funcionaba por encima de 9600 bps. 4. NS 16450: fue el chip elegido para acompañar a los procesadores 286 de clase AT. Funcionaban bien a 9600 bps, e inauguro la época de módems de alta velocidad. Sin embargo no funcionaba bien en los sistemas XT, debiendo ser sustituido por el NS 16550: fue el primer chip de su clase dotado con búferes FIFO para su transmisión y recepción de 16 bytes, que le hacen especialmente indicado para comunicaciones rápidas. Era mas rápido que el 16450, operando encima de los 9600 bps, pero seguía adoleciendo de algunos problemas, especialmente en los búferes, por lo que también fue sustituido. 6. NS A: es la más rápida y fiable de las UARTs; adecuada para operar con módems de alta velocidad, puede operar a 115 Kbps. Su lógica es compatible pin a pin con el 16450, al que puede sustituir.

26 7. A partir de aquí existen versiones mejoradas de NS o compatibles con el A de otros fabricantes. El correcto funcionamiento y velocidad de la UART es fundamental para la comunicación serie; con independencia de la velocidad del MODEM o del adaptador RDSI que tengamos, la comunicación no será mas rápida que la que permita la UART Detección de Tipo de UART Los programas de diagnostico suelen informar el tipo de UART utilizada por los puertos serie. En MS DOS puede utilizarse el programa de diagnostico de Microsoft msd. Exe; este programa viene incluido en el directorio tools/old MSDOS del CD de distribución de Windows 98. En Windows 98 seleccionar menú de inicio/configuración/panel de control/módems y se selecciona la pestaña diagnostico, seguido del botón mas información. Si existe un MODEM instalado, después de una pausa se muestran las características del MODEM y la UART del puerto. En la figura 2.8 se muestra la información correspondiente a un puerto serie al que se le ha conectado un MODEM PC card de ejecución combinada (combo) junto con una tarjeta de red Ethernet 10/100.

27 Figura 2.8 Detección de la UART Comprobación de la UART Los programas de diagnostico que comprueban la UART utilizan un sistema de realimentación para verificar que los datos se envíen y se lean correctamente. La ejecución practica utiliza un conector con algunos pines puenteados para simular las señales de un interlocutor aunque este no este presente, y que las señales emitidas por la patilla TX se reciban por la patilla de recepción RX. Este conector se denomina circuito cerrado (loop back), y su utilización permite que la UART reciba los datos que ella misma envía, en una situación análoga a la que tendría dialogando con otro dispositivo, con lo que puede verificarse la corrección del proceso.

28 En la tabla 2.8 se muestran las conexiones necesarias para construir conectores de prueba para salidas DB9 y DB25. CONECTOR LOOPBACK PARA DB9 RECEPCION DE DATOS 2-3 TRANSMISION DE DATOS DATOS LISTOS PARA ENVIAR DATOS LISTOS PARA ENVIAR + DETECTOR DE ACARREO SOLICITUD DE ENVIO 7-8 AUTORIZACION DE ENVIO CONECTOR LOOPBACK PARA DB25 RECEPCION DE DATOS 3-2 TRASMISION DE DATOS DATOS LISTOS PARA ENVIAR DATOS LISTOS PARA ENVIAR + DETECTOR DE ACARREO SOLICITUD DE ENVIO 4-5 AUTORIZACION DE ENVIO Tabla 2.8 Conexiones de prueba para DB9 y DB PUERTO USB Anteriormente demasiados usuarios utilizaban los puertos paralelos y seriales: gruesos conectores con múltiples contactos que se sujetaban a la parte posterior de la computadora con tornillos o a presión. Impresoras, escáneres, ratones, módems y otros dispositivos usaban esos tipos de interfaz para enviar o recibir información de la computadora. Durante años fueron suficientes, pero las velocidades requeridas por elementos como las cámaras digitales, los discos duros externos, quemadores de DVD y CD s, así como la cantidad de estos aparatos que una sola computadora requiere soportar, obligaron al desarrollo de nuevas interfaces, más simples, más rápidas y más económicas, entre las que destacan USB y FireWire. USB (Bus en Serie Universal) comenzó a desarrollarse en 1994 a partir de diversos estudios que realizaron las empresas Compaq, Intel, Microsoft y NEC, partiendo de tres elementos clave:

29 La conexión de la computadora personal a los servicios de telefonía, que hasta ese año había sido una industria por separado, previniendo la expansión de las telecomunicaciones e Internet en todos los ámbitos. La facilidad de uso, en contraposición a las interfaces de esa época que implicaban el uso de diversos controladores, constantes configuraciones y un bajo rendimiento. La expansión de puertos, hasta entonces limitada a la inserción de tarjetas de circuitos en la propia computadora personal y, en consecuencia, una muy limitada flexibilidad de elementos, dispositivos y programas compatibles. La primera especificación comercial de USB (conocida como 1.1) fue liberada el 23 de septiembre de Un año después, USB era ya una interfaz común en la mayoría de los equipos de cómputo personal. El objetivo se cumplió: permitir que dispositivos de diversos fabricantes pudieran comunicarse entre sí en una arquitectura abierta. USB Universal Serial Bus es una interfase plug & play entre la PC y ciertos dispositivos tales como teclados, Mouse, scanner, impresoras, módems, placas de sonido, cámaras, etc. Una característica importante es que permite a los dispositivos trabajar a velocidades mayores, en promedio a unos 12 Mbps, esto es más o menos de 3 a 5 veces más rápido que un dispositivo de puerto paralelo y de 20 a 40 veces más rápido que un dispositivo de puerto serial Estándares del USB La tecnología USB ha sido promovida principalmente por intel, auque le han seguido todos los grandes fabricantes, de forma que se ha convertido en un estándar muy importante. En sus comienzos los interesados en esta tecnología se agruparon en un foro, el USB implementers forum inc. USB-IF, que agrupa a más de 450 compañías y ha publicado diversas revisiones de la norma:

30 USB 0.9: el primer borrador publicado en noviembre de USB 1.0: publicada en 1996 y establece dos tipos de conexión, la primera denominada velocidad baja (low speed), ofrece 1.5 Mbps, y esta pensada para periféricos que no requieren un gran ancho de banda, como ratones o joysticks. La segunda denominada velocidad completa (full speed), ofrece 12 Mbps, y esta destinada a los dispositivos más rápidos. USB 1.1: publicada en 1998, añade detalles y precisiones a la norma inicial; es el estándar mínimo que debe cumplir un dispositivo USB. USB 2.0: su versión final fue publicada en abril del 2000; es una extensión de la norma compatible con las anteriores. Permite velocidades de hasta 480 Mbps, denominada alta velocidad (high speed) Topología Los dispositivos USB adoptan una topología de estrella y se organizan por niveles apartir de un controlador host instalado en la placa base, que actúa de interfaz entre el bus de esta y el primer dispositivo USB, denominado concentrador raíz (root hub), instalado también en la placa. El controlador de host es único; suele ser un chip intel con una denominación como AB/EB; DB, etc. Dada la proliferación de este tipo de dispositivos, las placas modernas pueden disponer de varios concentradores raíz, cada uno con su propia salida. Cada uno de estos concentradores se consideran el origen de un bus (numerados sucesivamente a partir del 0), del que cuelgan los dispositivos en el orden de que son detectados por el sistema. El bus USB soporta intercambio simultáneo de datos entre un computador anfitrión y un amplio conjunto de periféricos. Todos los periféricos conectados comparten el ancho de banda del bus por medio de un protocolo de arbitraje basado en testigos (tokens). El bus permite conexión y desconexión dinámica, es decir, que los periféricos se conecten, configuren, manipulen y desconecten mientras el sistema anfitrión y otros periféricos permanecen en funcionamiento.

31 En un bus USB existen dos tipos de elementos: Anfitrión (host) y dispositivos; a su vez, los dispositivos pueden ser de dos tipos: concentradores y funciones. Los concentradores (hubs) son el centro de una estrella, y sirven para conectar con el sistema anfitrión, con otro hub o con una función. Cada hub puede conectar hasta 7 dispositivos, aunque lo normal es que sean de cuatro salidas, y proporcionar 500 ma de energía de alimentación (hasta 2.5 W) a cada uno de ellos, ya que el cable de conexión tiene hilos de señal (datos) y de alimentación (5VCC ± 0.25V). Una función es un dispositivo capaz de transmitir o recibir datos o información de control en un bus USB, suele conectarse como un dispositivo independiente enlazado por un cable de menos de 5 metros, a un puerto del hub o directamente al sistema anfitrión. De esta descripción se desprende que cada segmento del bus representa una conexión punto a punto de alguno de los tipos siguientes: Sistema anfitrión Sistema anfitrión Concentrador Concentrador Función Concentrador Concentrador Función Cuando se dice que un hub esta conectado a otro hub, significa que pueden conectarse dispositivos en cascada; el sistema soporta un total de 127 dispositivos. Una característica importante es que el concentrador (hub) proporciona la energía necesaria a la función por el cable de conexión lo que evita la necesidad de fuentes de alimentación independientes a las funciones.

32 2.6.3 Funcionamiento del USB El bus serie es síncrono, y utiliza el algoritmo de codificación NRZI (non return to zero inverted). En este sistema existen dos voltajes opuestos; una tensión de referencia corresponde a un 1 pero no hay retorno a cero entre bits, de forma que una serie de unos corresponde a un voltaje uniforme; en cambio los ceros se marcan como cambios de nivel de tensión, de modo que una sucesión de ceros produce sucesivos cambios de tensión entre los conductores de señal. A partir de las salidas proporcionadas por los concentradores raíz y utilizando concentradores adicionales, pueden conectarse mas dispositivos hasta el limite señalado. El protocolo de comunicación utilizado es de testigo, que guarda cierta similitud con el sistema token-ring de IBM. Puesto que todos los periféricos comparten el bus y pueden funcionar de forma simultánea, la información es enviada por paquetes; cada paquete contiene una cabecera que indica el periférico a que va dirigido. Existen cuatro tipos de paquetes distintos: token; datos; handshake, y especial; el máximo de datos por paquetes es de 8; 16; 32 y 64 bytes. Se utiliza un sistema de detección y corrección de errores bastante robusto tipo CRC (cyclical redundancy check). El funcionamiento esta concentrado en el host, todas las transacciones se originan en el. Es el controlador host el que decide todas las acciones, incluyendo el número asignado a cada dispositivo, su ancho de banda, etc. Cuando se detecta un nuevo dispositivo es el host el encargado de cargar los drivers oportunos sin necesidad de intervenir por el usuario. El sistema utiliza cuatro tipos de transacciones que resuelven todas las posibles situaciones de comunicación. Cada transacción utiliza un mínimo de tres paquetes, el primero es siempre un token que avisa al dispositivo que puede iniciar la transmisión.

33 Transferencia de control (control tranfer): ocurre cuando un dispositivo se conecta por primera vez. En este momento el controlador del host envía un paquete token al periférico notificándole el número que le ha asignado. Transferencia de pila de datos (bulk data transfer): este proceso se utiliza para enviar gran cantidad de datos de una sola vez. Es útil para dispositivos que tienen que enviar gran cantidad de datos a la vez, como escáneres o maquinas de fotografía digital. Transferencia por interrupción (interrupt data transfer): este proceso se utiliza cuando se solicita enviar información por el bus en una sola dirección (de la función al host). Transferencia de datos isócrona (isochronous data transfer): este proceso se utiliza cuando es necesario enviar datos en tiempo real. Los datos son enviados con una cadencia precisa ajustada a un reloj, de modo que la transmisión es a velocidad constante Cables y Conectores El cable del bus USB es de cuatro hilos y comprende líneas de señal (datos) y alimentación, con lo que las funciones pueden utilizar un único cable. Existen dos tipos de cable: apantallado y sin apantallar. En el primer caso el par de hilos de señal es trenzado; los de tierra y alimentación son rectos, y la cubierta de protección (pantalla) solo puede conectarse a tierra en el anfitrión. En el cable sin apantallar todos los hilos son rectos. Las conexiones a 15 Mbps y superiores exigen cable apantallado. Se utilizan diámetros estándar para los hilos de alimentación de bus. Para cada sección se autoriza una longitud máxima del segmento en donde el calibre de los conductores destinados a alimentación de los periféricos varía desde 20 a 26 AWG,

34 mientras que el de los conductores de señal es de 28 AWG. La longitud máxima de los cables es de 5 metros. En la tabla 2.9 (a) se muestran estas distancias; y en la tabla 2.9 (b) se muestran la disposición de pines y colores de identificación. AWG Mm. Ø Long. Max m m m m m a Pin Nombre Descripción Color 1 VBUS +5VCC rojo 2 D- Dato - Azul 3 D+ Dato + Amarillo 4 GND Tierra verde b Tabla 2.9 a) Características del cable; b) distribución de pines USB. Se usan dos tipos de conectores, A y B. ambos son polarizados (solo pueden insertarse en una posición) y utilizan sistemas de presión para sujetarse. Los de tipo A utilizan la hembra en el sistema anfitrión, y suelen usarse en los dispositivos en los que la conexión es permanente (ratones y teclados). Los de tipo B utilizan la hembra en el dispositivo USB (función) y se utilizan en sistemas móviles (cámaras fotográficas, altavoces). En general podemos afirmar que la hembra de los conectores A están en el lado del host (PC) o de los concentradores (hubs), mientras las de tipo B están del lado de los periféricos. Conector tipo A Conector tipo B

35 Figura 2.9 Tipos de conectores USB 2.7 MODOS DE TRANSMISION Transmisión Asíncrona La comunicación asíncrona consiste en introducir un bit de inicio que indica el comienzo de una transmisión de un dato. La posición de cada bit puede ser determinada cronometrando los bits a intervalos irregulares, tomemos en cuenta que los dos sistemas (transmisor y receptor) pueden no estar sincronizados por una señal de reloj, es decir que en este método las terminales de la comunicación no están sincronizadas por una línea de señal, por eso es importante que ambos sistemas estén configurados a la misma velocidad de transmisión. Cuando el dispositivo receptor de la comunicación recibe el bit de inicio, comienza un temporizador de corto tiempo, y ya que los datos son una pequeña cantidad de bits, es difícil que el reloj salga de sincronía. Comúnmente en las computadoras se usan datos de 7 a 8 bits que representan símbolos o letras (caracteres). Estos caracteres son interpretados como código ASCII (código estándar americano para el intercambio de información) para acomodar todas las letras mayúsculas y minúsculas del alfabeto, dando un total de 256 caracteres de 8 bits, aunque algunas computadoras aun usan el código ASCII con 127 caracteres de 7 bits utilizando el octavo como bit de paridad. Por convención el bit menos significativo de la palabra es enviado primero y el más significativo al final. Cuando se establece una comunicación, el dispositivo transmisor codifica cada dato trasmitido agregándole un bit de inicio al principio y 1 o 2 bits al final. En algunas ocasiones se agrega un bit de paridad entre el último bit de dato y el primer bit de paro, esto es utilizado como verificación de integridad de datos. Pueden ser utilizados 5 tipos diferentes de bits de paridad, los cuales son los siguientes: Bit marcador de paridad (siempre es un 1 lógico). Bit de paridad de espacio (siempre es un 0 lógico).

36 Bit de paridad par es puesto en 1 lógico, si cuando al contar el número de bits en la palabra el resultado es par. Bit de paridad non es puesto en 1 lógico, si cuando al contar el número de bits en la palabra, el resultado es non. Dato sin bit de paridad, o sin paridad, es cuando se elimina el bit de paridad del dato. Según se conforme el marco de datos, es la forma como se da referencia al marco mismo. Con marco nos referimos a un carácter transmitido, es decir el conjunto de bits que conforman a dicho carácter. Por ejemplo: un dato de 8 bits, con paridad non y un bit de paro es conocido como 8N1 y la trama será como se muestra en la figura Marco de datos de comunicación serial asíncrona Figura 2.10 Trama de un dato 8N1 Otro factor importante de toda señal serial asíncrono es la velocidad de comunicación, que es la velocidad a la que los datos son trasmitidos. Las velocidades a las que se envía la información comienzan en los 50bps y casi de manera estándar, se van duplicando hasta los bps.

37 2.7.2 Transmisión Síncrona La transmisión es síncrona cuando se efectúa sin atender a las unidades de comunicación básicas, normalmente caracteres. Los bits se envían a una cadencia constante sin discriminar los caracteres que componen. Emisor y receptor se encargan de la sincronización de modo que sean capaces de reconstruir la información original. Esto exige que los dos extremos de la comunicación sincronicen correctamente sus relojes con objeto de asegurar una duración del bit constante e igual en ambos extremos. En las transmisiones síncronas se suelen utilizar caracteres especiales para evitar los problemas de pérdidas de sincronía en los caracteres informativos transmitidos. El modo de transmisión síncrona permite velocidades de transmisión mayores que la asíncrona. En primer lugar, porque es menos sensible al ruido y, en segundo lugar, porque obtiene un mejor rendimiento de la línea de datos. En este modo de transmisión no son necesarios los bits de inicio y fin que acompañan a cada carácter en la transmisión asíncrona. En el caso de la transmisión síncrona no tendremos la sobreexplotación overhead que suponen los bits de inicio y fin. Esta sobreexplotación consiste en que se transmiten más bits que los estrictamente necesarios para transportar los datos; por ejemplo, en la transmisión asíncrona se transmiten los bits de inicio y fin acompañando a cada carácter de los datos de usuario. Efectivamente, habrá que poner algunos caracteres de sincronía pero en menor medida que en la transmisión asíncrona. Normalmente se utilizan tres tipos de sincronismo: Orientada a carácter:

38 El sincronismo de carácter se ocupa de determinar cuáles son los bits que componen cada palabra transmitida en el código elegido para efectuar la transmisión, es decir, debe establecer las fronteras entre caracteres, saber cuál es el primer y el último bit de cada carácter. En la transmisión asíncrona esta sincronía de carácter la realizan los bits de inicio y fin, mientras que en las transmisiones síncronas los caracteres especiales enviados, normalmente caracteres SYN, son los encargados de establecer las divisiones entre los distintos bloques informativos. A partir de estos bloques el receptor averigua las fronteras entre caracteres. Orientada a bit: El sincronismo de bit se encarga de determinar el momento preciso en que comienza o acaba la transmisión de un bit. Así, en las transmisiones asíncronas el sincronismo de bit se consigue arrancando el reloj del receptor en el mismo momento en que le llega el bit de inicio de cada carácter. Si la base de tiempos de los relojes del emisor y del receptor es aproximadamente la misma, cada bit quedará determinado por su duración temporal. Esta exigencia en la coincidencia de las bases de tiempos en el emisor y en el receptor obliga en muchos casos a predeterminar la velocidad de transferencia o a negociarla en la etapa inicial de la transmisión. En el caso de la transmisión síncrona es la propia señal de reloj, transmitida por la línea junto con los datos, la que se encarga de efectuar el sincronismo de bit. Sincronismo de bloque: El sincronismo de bloque es un proceso de sincronismo de carácter más avanzado. Para ello se define un conjunto de caracteres especiales, tomados usualmente entre los caracteres de control del código ASCII, que fragmentan el mensaje en bloques y que deben llevar una secuencia determinada. Las faltas de sincronía se detectan cuando se rompe esta secuencia previamente fijada por el protocolo de comunicaciones.

39 2.8 CONTROL DE LOS DATOS El RS-232 puede transmitir los datos en grupos de 5, 6,7 u 8 bits, a unas velocidades determinadas (normalmente 9600 bps o más). Después de la transmisión de los datos, le sigue un bit opcional de paridad (indica si el numero de paridad de bits transmitidos es par o impar, para detectar fallos), y después 1 o 2 bits de stop. Normalmente, el protocolo utilizado es 8N1 (que significa, 8 bits de datos, sin paridad y con un bit de stop). Una vez que se ha comenzado la transmisión de un dato, los bits tienen que llegar uno detrás de otro a una velocidad constante y en determinados instantes de tiempo. Por eso se dice que el RS-232 es asíncrono por carácter y síncrono por bit. Los pines que portan los datos son RXD y TXD. Las demás se encargan de otros trabajos: DTR indica que el computador esta encendido, DSR que el aparato conectado a dicho puerto esta encendido, RTS que el computador puede recibir datos ya que no se encuentra ocupado, CTS que el aparato conectado puede recibir datos, y DCD detecta que existe una comunicación, presencia de datos. Tanto el aparato a conectar como el computador(o el programa terminal) tienen que usar el mismo protocolo serie para comunicarse entre si. Puesto que el estándar RS-232 no permite indicar en que modo se esta trabajando, es el usuario quien tiene que decidirlo y configurar ambas partes. Como ya se ha visto, los parámetros que hay que configurar son: protocolo serie (8N1), velocidad del puerto serie, y protocolo de control de flujo. Este último puede ser por hardware o bien por software. La velocidad del puerto serie no tiene por que ser la misma que la de transmisión de los datos, de hecho debe ser superior. Por ejemplo, para transmisiones de 1200 baudios es recomendable usar 9600 baudios, y para 9600 se pueden usar o bien baudios.

40 La figura 2.11 muestra la transmisión de un dato con formato 8N1. El receptor indica al emisor que puede enviarle datos activando la salida RTS. El emisor envía un bit de START (nivel alto) antes de los datos, y un bit de stop (nivel bajo) al final de estos. Emisor ===== Receptor CTS <- <- RTS TXD -> > RXD START STOP Figura 2.11 Transmisión de un dato con formato 8N1

41 Capítulo 3 CONVERTIDORES ADC Y DAC 3.1 LA DIGITALIZACION La digitalización supone un cambio radical en el tratamiento de la información. Permite su almacenamiento en grandes cantidades en objetos de tamaño reducido o lo que es más revolucionario, liberarlas de los propios objetos y de sus características materiales y hacerla residir en espacios no topológicos, como las redes informáticas accesibles desde cualquier lugar del mundo en tiempo real. También podemos reproducirlas sin merma de calidad de modo indefinido, enviarla instantáneamente a cualquier lugar de la tierra y poder manipularla Ventajas de la Señal Digital 1) La señal digital es más resistente al ruido. La señal digital es menos sensible que la analógica a las interferencias. 2) Ante la perdida de cierta cantidad de información, la señal digital puede ser reconstruida gracias a los sistemas de regeneración de señales. También cuenta, con sistemas de detección y corrección de errores que por ejemplo permiten introducir el valor de una muestra dañada obteniendo el valor medio de las muestras adyacentes (interpolación). 3) Facilidad en el procesamiento de la señal.

42 4) La señal digital permite la multigeneración infinita sin perdidas de calidad. Esta ventaja solo es aplicable a los formatos de disco óptico, la cinta magnética digital, aunque en menor medida que la analógica (solo soporta como mucho 4 o 5 generaciones) Desventajas de la Señal Digital 1) La señal digital requiere mayor ancho de banda para ser transmitida que la analógica. 2) Se necesita una conversión analógica a digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción. 3) La transmisión de señales digitales requiere una sincronización precisa entre los tiempos de reloj de transmisor, con respecto a los del receptor. Un desfase, por mínimo que sea, cambia por completo la señal. 3.2 CONVERTIDOR ANALOGICO-DIGITAL Un convertidor analógico a digital es un dispositivo electrónico capaz de convertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, es el encargado de transformar señales análogas a digitales (0 s y 1 s) con el propósito de facilitar su procesamiento y hacer la señal resultante mas inmune al ruido y otras interferencias a las que son mas sensibles las señales analógicas Características Básicas de un Convertidor A/D Las características principales que se han de tener en cuenta a la hora de la conversión analógica a digital son: Numero de bits

43 Resolución Tiempo de conversión * Número de bits: es el número de bits que tiene la palabra de salida del convertidor, y por tanto es el número de pasos que admite el convertidor. Así un convertidor de 8 bits solo podrá dar a la salida 2 8 =256 valores posibles. * Resolución: es el mínimo valor que puede distinguir el convertidor en su entrada analógica, o dicho de otro modo, la mínima variación Vi, en el voltaje de entrada que se necesita para cambiar en un bit la salida digital. Resumiendo tendremos que: Vfe Vi (3.1) n ( 2 1) Donde n es el número de bits del convertidor, y Vfe la tensión de fondo de escala, es decir, aquella para la que salida digital es máxima. La tensión de fondo de escala depende del tipo de convertidor, pero normalmente se fija a nuestro gusto, en forma de una tensión de referencia externa. Por ejemplo un convertidor de 8 bits con una tensión de fondo de escala de 2V tendrá una resolución de: 2V ,84 mv paso (3.2) En cambio, para el mismo convertidor, si cambiamos la tensión de referencia, y por tanto la de fondo de escala, la resolución será de: 5V ,6 mv paso (3.3)

44 * Tiempo de conversión: es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y dependerá de la tecnología de medida empleada. Evidentemente nos da una cota máxima de la frecuencia de la señal a medir. Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una señal de inicio de conversión, hasta que en la salida aparece un dato valido. Para que tengamos constancia de un dato valido tenemos dos caminos: Esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja de características. Esperar a que el convertidor nos envié una señal de fin de conversión. Si no respetamos el tiempo de conversión, en la salida tendremos un valor, que dependiendo de la constitución del convertidor será: Un valor aleatorio, como consecuencia de la conversión en curso. El resultado de la última conversión Procesos que intervienen en la Conversión Analógico a Digital * Muestreo Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar un muestreo de esta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal. La tasa o frecuencia de muestreo es el número de muestras por unidad de tiempo que se toman de una señal continua para producir una señal discreta. Como todas las frecuencias generalmente se expresa en hercios o múltiplos suyos. En algunos casos como en el de una grabación digital de audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá la señal digital resultante.

45 Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensión o voltaje existente en diferentes puntos de la señal senoidal con la finalidad de realizar a continuación el proceso de cuantización. Señal Analógica Muestreo De La Señal Analógica Figura 3.1 Muestreo de la señal analógica Por la tanto, una señal cuyo muestreo se realiza a 24 khz tendrá menos calidad y fidelidad que otra realizada a 48 khz. Sin embargo, mientras mayor sea el número de muestras tomadas, mayor será también el ancho de banda necesario para transmitir una señal digital. * Teorema de Nyquist Según el teorema de muestreo de nyquist shannon, para poder replicar con exactitud la forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo sea como mínimo el doble de la máxima frecuencia a muestrear. El teorema de nyquist solo indica el valor mínimo necesario para que el muestreo resulte eficaz. Por encima de ese valor, cuanto mayor sea el número de niveles de comparación (muestras), mas fiel será la conversión

46 analógico a digital, lo que se traduce en una mayor calidad de la señal resultante. Cuantas mas muestras se tengan, será posible reconstruir mejor la señal: no obstante, a mayor frecuencia de muestreo, mayor será el ancho de banda necesario. En términos informáticos, una mayor frecuencia de muestreo requiere una mayor resolución (numero de bits). Un numero mayor de bits implica, en la practica que la señal se procese mas lentamente y por lo general un encarecimiento del equipo que requiere interfaces mas potentes, mas memoria etcétera. Además aunque se siga aumentando la frecuencia de muestreo, la calidad no continua incrementándose indefinidamente. Matemáticamente se ha demostrado que, llegado un determinado punto la calidad ya no aumenta debido al principio general de rendimientos marginales decrecientes. * Circuitos de Muestreo y Retención (S/H: Sample And Hold) Los circuitos de muestreo y retención se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y la posterior retención de dicho valor, generalmente es un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha. El esquema básico de un circuito de muestreo y retención, así como su representación simplificada se muestra en la figura 3.2.

47 a) b) Figura 3.2 Esquema básico (a) y representación simplificada (b) de un circuito de muestreo y retención (S&H). El convertidor A/D manda un impulso de anchura t w por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándose el condensador C, durante el tiempo t w. En el caso ideal, la tensión en el condensador sigue la tensión de entrada. Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquirida cuando se abre el interruptor.

48 En la figura 3.3 se muestran las formas de las señales de entrada, salida y control del interruptor. Figura 3.3 Señal de entrada, salida y control del interruptor. El grafico tiene un carácter ideal, puesto que tanto la carga como la descarga del condensador están relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias y capacidades parásitas asociadas al circuito. Se recalca el hecho de que el control de la señal C/M procede del convertidor A/D, que es el único que conoce el momento en que finaliza la conversión de la señal. * Cuantificación El proceso de cuantificación es uno de los pasos que se siguen para lograr la digitalización de una señal analógica. Básicamente la cuantificación lo que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores de amplitudes discretas, o lo que es lo mismo una señal digital aunque no binaria. Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo y se les atribuye a un valor finito de

49 amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado. Los valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior más próximo. En este momento, la señal analógica (que puede tomar cualquier valor) se convierte en una señal digital, ya que los valores que están preestablecidos, son finitos. No obstante, todavía no se traduce al sistema binario. La señal ha quedado representada por un valor finito que durante la codificación será cuando se transforme en una sucesión de unos y ceros. Así pues la señal digital que resulta tras la cuantificación es sensiblemente diferente a la señal eléctrica analógica que la origino, por lo que siempre va a existir una cierta diferencia entre ambas que es lo que se conoce como error de cuantificación que se produce cuando el valor real de la muestra no equivale a ninguno de los escalones disponibles para su aproximación y la distancia entre el valor real y el que se toma como aproximación es muy grande. Un error de cuantificación se convierte en un ruido cuando se reproduzca la señal tras el proceso de decodificación digital.

50 Figura 3.4 Cuantificación de la señal analógica * Tipos de Cuantificación Para minimizar los efectos negativos del error de cuantificación, se utilizan distintas técnicas de cuantificación: 1. Cuantificación uniforme o lineal: se utiliza un bit rate constante. A cada muestra se le asigna el valor inferior mas próximo independientemente de lo que ocurra con las muestras adyacentes. 2. Cuantificación no uniforme o no lineal: se estudia la propia entropía de la señal analógica y se asignan niveles de cuantificación de manera no uniforme (bit rate variable) de tal modo que, se asigne un mayor número de niveles para aquellos márgenes en que la amplitud del voltaje cambia más rápidamente.

51 3. Cuantificación logarítmica: se hace pasar la señal por un compresor logarítmico antes de la cuantificación. Como en la señal resultante la amplitud del voltaje sufre variaciones menos abruptas la posibilidad que se produzca un ruido de cuantificación grande disminuye. Antes de reproducir la señal digital, esta tendrá que pasar por un expansor. 4. Cuantificación vectorial: en lugar de cuantificar las muestras obtenidas individualmente, se cuantifica por bloques de muestras. Cada bloque de muestras será tratado como si se tratara de un vector, de ahí, el nombre de esta tipologia. * Codificación La codificación es el ultimo de los procesos que tiene lugar durante la conversión analógico a digital. Consiste en la traducción de los valores de tensión eléctrica analógicos que ya han sido cuantificados al sistema binario, mediante códigos preestablecidos. La señal analógica va a quedar transformada en un tren de impulsos digital que no es más que nada una sucesión de unos y ceros. La codificación que se realiza mediante el sistema binario esta basada en el álgebra de boole. En la figura 3.5 es posible observar como se ha obtenido una señal digital y el código binario correspondiente a los niveles de voltaje que posee la señal analógica.

52 Figura 3.5 Codificación de la señal En la tabla 3.1 se puede observar que utilizando solo tres bits por cada número en código binario, se pueden representar ocho niveles o estados de cuantización. Valor de la señal Equivalente analógica en sistema binario Tabla 3.1 Equivalencias Decimal Binario.

53 3.2.3 Errores en los Convertidores Analógicos/ Digital. Un convertidor no es un circuito perfecto, si no que presenta una serie de errores que se deben de tener en cuenta como son: * Error de offset: es la diferencia entre el punto nominal de offset (cero) y el punto real de offset. Concretamente, para un convertidor A/D este punto es el punto central de todos aquellos valores de la entrada que nos proporcionan un cero en la salida digital del convertidor. Este error afecta a todos los códigos de salida por igual, y puede ser compensado por un proceso de ajuste. Figura 3.6 Valor analógico de salida *Error de cuantificación: es el error debido a la división en escalones de la señal de entrada, de modo que para una serie de valores de entrada, la salida digital será siempre la misma. Este valor se corresponde con el escalonado de la función de transferencia real, frente a la ideal. * Error de linealidad (linealidad integral): este error es la manifestación de la desviación entre la curva de salida teórica y la real, de modo que para iguales incrementos en la entrada, la salida indica distintos incrementos.

54 * Error de apertura: es el error debido a la variación de la señal de entrada mientras se esta realizando la conversión. Este error es uno de los más importantes cuando se están muestreando señales alternas de una frecuencia algo elevada (por ejemplo muestra de voz) pero tiene poca importancia cuando medimos señales casi continuas, como temperatura presión, o nivel de líquidos. Para minimizar este tipo de error se usan los circuitos de muestreo y retención. Este error es importante, ya que si no lo tenemos en cuenta raramente podemos digitalizar adecuadamente señales alternas. Si consideramos un error que no afecte a la precisión total de la conversión, la frecuencia máxima de muestreo deberá ser: 1 F max Ta* * 2 n 1 (3.4) En esta formula Ta es el tiempo de apertura del circuito de muestreo y retención. El circuito de muestreo puede estar a veces integrado dentro de la misma cápsula del convertidor, lo que nos puede facilitar el diseño enormemente Etapa de Acondicionamiento de la Señal El acondicionamiento de la señal consta de las siguientes etapas: 1. Amplificación 4. Multiplexado 2. Excitación 5. Aislamiento 3. Filtrado 6. Linealización

55 1. Amplificación: es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada debe ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que el convertidor pueda leer. 2. Excitación: la etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos transductores, como por ejemplo las galgas extesometricas, termistores o RTD, que necesitan de la misma, bien por su constitución interna (como el termistor, que es una resistencia variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las galgas que se suelen montar en un puente de wheatstone). 3. Filtrado: el fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando. Por ejemplo, en las señales casi continuas (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de unos 4Hz, que eliminara interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica. 4. Multiplexado: es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que con un solo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el mismo convertidor esta midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que si no se eliminasen aparecerían superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error 5. Aislamiento: otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es garantizar que las lecturas del convertidor no sean afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo común.

56 Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas, apareciendo un bucle de masa que puede devolver resultados erróneos. 6. Linealización: muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealizacion puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una buena idea el hacer esta corrección mediante circuiteria externa. 3.3 TIPOS DE CONVERTIDORES A/D Una primera clasificación de los ADC es como se muestra a continuación: A D C REALIMENTADOS INTEGRADORES TENSION ESCALERA SEGUIMIENTO APROXIMACIONES SUCESIVAS UNA RAMPA DOBLE RAMPA FRECUENCIA PARALELO FLASH Convertidor de Aproximaciones Sucesivas Es el empleado comúnmente, apto para aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo costo se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo costo en único chip para numerosas aplicaciones de control.

57 Tiene una circuiteria mas compleja que el que el ADC de rampa digital, pero un tiempo de conversión mas pequeño. Además los convertidores de aproximaciones sucesivas (CAS) tienen un tiempo fijo de conversión que no depende del valor de la señal analógica. La configuración básica del ADC de aproximaciones sucesivas es mostrada en la figura 3.7, que a comparación al de rampa digital es que no utiliza un contador para generar la entrada al DAC si no que emplea un registro. La lógica de control modifica bit por bit el contenido del registro hasta que el contenido de este se convierte en el equivalente digital de la entrada analógica V A dentro de la resolución del convertidor. Figura 3.7 Diagrama a bloques del ADC de aproximaciones sucesivas

58 3.3.2 Convertidor Flash Este convertidor se destaca por su elevada velocidad de funcionamiento y esta formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es su elevado costo Convertidor A/D con Comparadores Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados. El primer paso se lleva acabo mediante comparadores que discriminan entre un numero finito de niveles de tensión. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada esta por encima o por debajo de cada uno de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación será necesario un codificador que nos entregue la salida digital. Figura 3.8 Convertidor A/D con comparadores

59 Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar de secuencial, reduciendo el tiempo de conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución, dado que para tener una salida de N bits son necesarios 2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivo en cuanto se desee obtener una resolución alta Convertidor A/D con Contadores Llamado también convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo de los convertidores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados en la figura 3.9. Figura 3.9 Comparador, reloj, circuito de muestreo y retención (s&h), contador, convertidor D/A y buffers de salida. Una vez que el circuito de muestreo y retención (S/H), ha muestreado la señal analógica, el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del reloj. El resultado de este conteo se transforma en una señal analógica mediante un convertidor D/A, proporcional al número de impulsos de reloj recibidos hasta este instante.

60 La señal analógica obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa una comparación entre la señal de entrada y la señal digital convertida en analógica. En el momento en que esta ultima alcanza el mismo valor que la señal de entrada, el comparador bascula su salida y se produce el paro del contador. El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida digital correspondiente a la señal de entrada. Pero este convertidor tiene dos inconvenientes: 1. Escasa velocidad 2. Tiempo de conversión variable Convertidor A/D con Integrador Este tipo de convertidores son mas sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores D/A. Se emplean en aquellos casos en los que no se requieren una gran velocidad, pero en los que es importante conseguir una buena linealidad. Son muy usados en los voltímetros digitales. Existen dos tipos: 1.-Una rampa 2.-Doble rampa ADC de Doble Pendiente El convertidor de doble pendiente es uno de los que tienen mayor tiempo de conversión (por lo general de 10 a 100ms), pero ofrece la ventaja de un costo relativamente bajo ya que no requiere de componentes de precisión tales como un DAC o un VCO. La operación básica de este convertidor se apoya en la carga y la descarga, ambas en forma lineal, de un capacitor del uso de corrientes de valor constante. El primer paso consiste en

61 cargar el capacitor durante un intervalo de tiempo fijo con una corriente que se obtiene del voltaje analógico de entrada V A. De este modo al final del intervalo de tiempo, el voltaje en el capacitor es proporcional a V A. En este momento el capacitor se descarga, también de manera lineal, con ayuda de una corriente que se obtiene de una fuente de voltaje de precisión que sirve como referencia V REF. El proceso de descarga lineal termina cuando el voltaje a través del capacitor es cero. Durante el intervalo de descarga, se envía una frecuencia digital de referencia hacia un contador. La duración del intervalo de descarga es proporcional al voltaje inicial del capacitor. Es así como al final del intervalo de descarga, el contador tiene en cuenta que es proporcional al voltaje inicial del capacitor que, como indicamos, es proporcional a V A. Además de su bajo costo, otra ventaja del ADC de doble pendiente es su baja sensibilidad al ruido y a las variaciones en los valores de sus componentes causados por los cambios de temperatura. Debido al tiempo de conversión tan grande, el ADC de doble pendiente no se emplea en ninguna aplicación de adquisición de datos. Sin embargo, esta característica no representa un problema en aplicaciones tales como los voltímetros o multímetros digitales, que es su campo más importante de aplicación ADC de Voltaje a Frecuencia El ADC de voltaje a frecuencia es más sencillo que los otros ADC, debido a que no hace uso de un DAC. En lugar de este, emplea un oscilador lineal controlado por voltaje (VCO) que produce como salida una frecuencia que es proporcional al voltaje aplicado a su entrada. En este caso, el voltaje analógico que se desea convertir se conecta a la entrada del VCO para generar una frecuencia de salida. Esta frecuencia se envía a un contador, que cuenta durante un intervalo de tiempo fijo. El conteo final es proporcional al valor del voltaje analógico.

62 Para ilustrar lo anterior, suponga que el VCO genera una frecuencia de 10kHz por cada volt de entrada (esto es, 1Vproduce 10kHz, 1.5V produce 15kHz, 2.73V producen 27.3 khz). Si el voltaje analógico de entrada es de 4.54 V, entonces la salida del VCO es de 45.4 khz; esta salida se envía a un contador durante 10ms, por ejemplo. Después de dicho lapso, el contador tendrá una cuenta de 454, que es la representación digital de 4.54V. Aunque este método de conversión es muy sencillo, resulta difícil alcanzar un alto grado de exactitud dada la dificultad de diseñar VCO s con una exactitud mayor que 0.1%. Una de las principales aplicaciones de este tipo de convertidor se encuentra en ambientes industriales con mucho ruido y donde se tienen que trasmitir señales analógicas de poca amplitud desde los circuitos transductores hasta la computadora de control. Estas señales se pueden ver afectadas de manera drástica por el ruido si son transmitidos de manera directa hacia la computadora. Un mejor enfoque es alimentar la señal analógica hacia un VCO, que genera una señal digital cuya frecuencia cambia de acuerdo con la entrada analógica. Esta señal digital es la que se trasmite hacia la computadora y los efectos que tiene el ruido sobre ella son mucho menores. La circuiteria de la computadora de control cuenta los pulsos (esto es, realiza una función de conteo de frecuencia) para producir un valor digital equivalente a la entrada analógica original. 3.4 EL ADC 0804 El ADC0804 es un dispositivo electrónico capaz de convertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este se encarga de transformar señales análogas a digitales. Poseen dos señales de entrada llamadas Vref+ y Vref- y determinan el rango en el cual se convertirá una señal de entrada. El dispositivo establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (Digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se puede saber, siempre y cuando conozcamos el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de

63 la salida en dígitos binarios. A manera de ejemplo, el convertidor análogo digital ADC0804 tiene la capacidad de convertir una muestra analógica de entre 0 y 5 voltios y su resolución es: Resolución = valor analógico / (2^8)-1 Resolución = 5 V / 255 Resolución = v o 19.6mv. Lo anterior quiere decir que por cada 19.6 milivoltios que aumente el nivel de tensión entre las entradas nomencladas como "Vref+" y "Vref-" que ofician de entrada al convertidor, éste aumentará en una unidad su salida (siempre sumando en forma binaria bit a bit). Por ejemplo: 0 V V V V V Aplicaciones y Características Generales del ADC0804 Algunas aplicaciones 1. Termómetro digital 2. Termostato digitalmente controlado. 3. Monitoreo y sistemas de control basados con un microprocesador 4. Es un interfaz entre un transductor y el microprocesador

64 Características generales 1. El ADC0804 es compatible con muchos microprocesadores 2. El ADC0804 tiene entradas diferenciales 3. Contiene 3 estados de salida 4. Niveles lógicos compatibles con TTL y MOS. 5. Puede ser usado con reloj interno o externo. 6. Necesita solamente 5V 7. Garantizado para trabajar con 1MHz de reloj Configuración del ADC0804

65 Figura 3.10 Esquema general del ADC Tiene dos entradas analógicas: VIN (+) y VIN (-) que permite tener entradas diferenciales. En otras palabras el voltaje real de entrada VIN es la diferencia entre los voltajes aplicados en dichas terminales [VIN analógico =VIN (+)-VIN (-)]. En mediciones echas en un solo punto, la entrada analógica se aplica en VIN (+) mientras que VIN (-) se conecta a la tierra analógica. Durante la operación normal, el convertidor utiliza VCC =+5V como voltaje de referencia y la entrada analógica puede variar desde 0 a 5V, que es el valor de escala completa. 2. Convierte el voltaje analógico de entrada en una salida digital de 8 bits. La salida es de tres estados, lo que permite conectar el convertidor con facilidad en canales de datos. Con 8 bits de resolución es de 5V/255=19.6mV. 3. Tiene un circuito de reloj interno que produce una frecuencia igual con f =1/(1.1RC), don de R y C son los valores de los componentes conectados al convertidor de manera externa. Una frecuencia típica de reloj es 606 khz y se obtiene con R = 10k y C=150pF. Si se desea también puede utilizarse un reloj externo; este se conecta a la terminal CLK IN del CI.

66 4. Tiene conexiones a tierra por separados para los voltajes analógicos y digitales. La terminal ocho corresponde a la tierra analógica y se conecta al punto común que sirve como referencia en el circuito analógico que genera el voltaje analógico. La terminal 10 es la tierra digital, que es la que utilizan todos los dispositivos digitales que integran el sistema. La tierra digital es inherentemente ruidosa como consecuencia de los rápidos cambios de corriente que tienen su origen cuando los dispositivos digitales cambian de estado. Aunque no es necesario utilizar una tierra analógica aparte, hacerlo asegura que el ruido de la tierra digital no sea la causa de un cambio prematuro en la salida del comparador analógico que se encuentra dentro del ADC. Este CI esta diseñado para ser conectado con facilidad al canal de datos de un microprocesador. Por esta razón, los nombres de algunas entradas y salidas del ADC0804 tienen su origen en las funciones que son comunes en los sistemas basados en un microprocesador. * Funciones de entradas y salidas a) CS habilitación del microcircuito (chip select).- esta entrada debe encontrarse en su estado activo BAJO para que las entradas (RD) o (WR) tengan efecto. b) RD habilitación de salida (output enable).- esta entrada se emplea para habilitar los buffers de las salidas digitales. c) WR inicio de conversión (Start conversión).- en esta entrada se aplica un pulso bajo para dar inicio a un nuevo proceso de conversión.

67 d) INTR fin de conversión (end of conversión).- esta señal cambia hacia el estado ALTO al inicio de la conversión cuando la conversión termina, regresa al estado BAJO. e) Salida de reloj (CLK OUT).-para utilizar el reloj interno, se conecta un resistor en esta terminal. La señal del reloj interno aparece en esta terminal. f) Entrada de reloj (CLK IN).- se utiliza como entrada de reloj externo o para conectar un capacitor cuando se hace uso del reloj interno Diagrama a Bloques del ADC0804

68 3.5 CONVERTIDOR DIGITAL-ANALOGICO

69 Cuando un circuito digital requiere procesar información debe estar dotado de dos interfaces o circuitos de entrada y salida: uno para convertir la señal analógica a digital (interfase de entrada) y otro para convertir la señal digital (interfase de salida), como podemos verlo en la figura Convertidor A/D Circuito Digital Convertidor D/A Figura 3.12 Diagrama de bloques del proceso de conversión digital-analógico A los circuitos que convierten las señales digitales a analógica se les llama convertidores digitales /analógicos o de manera abreviada, convertidores D/A o DAC (Digital to analog Converters) Clasificación de los Convertidores Digital- Analógico Los convertidores digital-analógicos se pueden clasificar según la forma en que se aplica la información digital a su entrada.

70 Serie Convertidores digital- analógico Paralelo Conversión simultanea o Directa Conversión secuencial o Indirecta Convertidores Seriales Son aquellos en los que la combinación a convertir se aplica a través de un único terminal en el que aparecen en secuencia los diferentes bits que lo constituyen. Su diagrama de bloques esta representado en la figura Figura 3.13 Diagrama general de un convertidor serie El circuito de conversión serie resulta mas complejo que el de conversión en paralelo. Ello unido a que la mayoría de los procesadores digitales, en particular los programables, proporcionan a su salida un cierto número de bits en paralelo, a hecho que los convertidores serie no sean muy utilizados.

71 3.5.3 Convertidores Paralelo entrada. Son aquellos en los que la combinación binaria a convertir se aplica en paralelo a su Figura 3.14 Diagrama general de un convertidor paralelo. Proporcionan a la salida una tensión o corriente cuyo valor es igual al número decimal equivalente al binario aplicado a su entrada. Los convertidores paralelos pueden a su vez clasificarse en dos clases de acuerdo con la forma en que se realiza la conversión: a) convertidores de conversión simultánea o directa. La información digital se convierte de manera directa analógica sin realizar ningún paso intermedio. b) convertidores digital-analógicos de conversión secuencial o indirecta. En estos convertidores la conversión digital se convierte en una secuencia de impulsos que, a su vez, se transforma en una señal analógica. Estos convertidores son más lentos, es decir, poseen un mayor tiempo de conversión. Por ello el progreso de la microelectrónica ha hecho que estos métodos se hayan dejado de utilizar en la práctica.

72 3.5.4 Aplicaciones de un DAC Los DAC se usan cuando la salida de un circuito digital debe proporcionar un voltaje o corriente analógica para excitar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones más comunes son los que se mencionan a continuación. * Control: la salida digital de una computadora se puede convertir a una señal analógica de control para ajustar la velocidad de un motor o la temperatura de un horno, o para controlar casi cualquier variable física. * Pruebas automáticas: las computadoras se pueden programar con el fin de generar las señales analógicas (mediante un DAC) necesarias para probar circuiteria analógica. La respuesta de salida analógica del circuito de prueba por lo general se convierte a un valor digital por medio de un ADC y se alimenta a la computadora para su almacenamiento, visualización y a veces análisis. * Reconstrucción de la señal: en muchas aplicaciones se digitaliza una señal analógica; es decir varios puntos en la señal se convierten a sus equivalentes digitales y se almacenan en memoria. Esta conversión se lleva a cabo mediante un convertidor analógico-digital (ADC). Luego se puede usar un DAC para convertir los datos digitalizados almacenados de regreso a analógico-un punto a la vez- y así se reconstruye la señal original. Esta combinación de digitalización y reconstrucción se usa en osciloscopios de almacenamiento digital, sistema de audio de discos compactos y grabación digital de audio y video Características de Funcionamiento de un DAC Las características reales de un convertidor difieren a las ideales debido a las imperfecciones de los componentes que lo constituyen. Las características de funcionamiento se definen como entre diferencias entre el comportamiento real y el ideal de un convertidor.

73 En la figura 3.15 se representa la característica ideal de un convertidor digitalanalógico unipolar en el que se supone que utiliza el código binario natural. El paso de una combinación binaria a la siguiente supone un incremento de la variable analógica de salida en un valor igual a la resolución. La relación entre los códigos de entrada y los valores de salida esta constituida por una escalera cuyos vértices superiores forman una línea que constituye la bisectriz del primer cuadrante. Figura 3.15 Característica ideal de un convertidor digital-analógico unipolar En la figura 3.16 se representa la característica de un convertidor digital analógico bipolar ideal, en el que el código utilizado es el binario natural con bit de signo y valor absoluto. La imperfección de los componentes utilizados en la construcción del convertidor da lugar a diferencias entre esta característica ideal y la real.

74 Figura 3.16 Característica ideal de un convertidor digital-analógico bipolar * Error de Asimetría (Offset) La imperfección de los amplificadores operacionales utilizados en la construcción del convertidor hace que, cuando en la entrada de este se aplique la combinación nula, el valor de la variable analógica de salida no sea nulo. Al valor de dicha variable en las citadas circunstancias se le suele denominar error de asimetría (offset) por que es debido a la tensión de asimetría de los amplificadores operacionales y representa un desplazamiento de la característica real con respecto a la ideal, tal como se representa en la figura 3.17.

75 Figura 3.17 Características de un convertidor digital-analógico con error de asimetría * Error de Ganancia Este error recibe también el nombre de error de escala y se representa de forma grafica en la figura La característica real corresponde a una recta que pasa por el origen pero no coincide con la bisectriz de primer cuadrante. Puede ser especialmente debido a errores en la tensión de referencia y se puede corregir mediante un ajuste de ganancia del amplificador operacional utilizado a la salida del convertidor.

76 Figura 3.18 Característica de un convertidor digital-analógico con error de ganancia * Error de linealidad Se produce este error cuando la característica que une a los extremos de la escalera que indica gráficamente la conversión no forma una línea recta. Se presenta en la figura Es debido a que los incrementos de la variable analógica de salida no son idénticos para todos los cambios entre combinaciones sucesivas del código de entrada. Se define también la no linealidad diferencial como la diferencia entre el valor de la resolución ΔV y la máxima variación entre dos combinaciones sucesivas. La no linealidad del convertidor puede incluir también la falta de monotonicidad. Se dice que el convertidor digital analógico es monótono cuando la aparición de su entrada de combinaciones binarias crecientes produce siempre incrementos positivos de la variable analógica de salida; en este caso la pendiente de la curva característica es siempre positiva.

77 En caso contrario cuando la curva característica presente zonas de pendiente negativa el convertidor no es monótono. Una de las principales causas de no linealidad es la diferencia entre el valor ideal y real, debido a la falta de precisión de las resistencias del sumador resistivo. Figura 3.19 Característica de un convertidor digital-analógico con error de linealidad Código de Entrada BCD para el DAC Los DAC s normalmente hacen uso de un código binario de entrada. Muchos DAC s utilizan un código de entrada BCD donde se emplean grupos de códigos de cuatro bits para cada digito decimal. La figura 3.20 muestra el diagrama de un convertidor de ocho bits (dos dígitos) de este tipo. Cada grupo de código de cuatro bits puede variar de 0000 a 1001, de manera que las entradas BCD representan cualquier número decimal de 00 a 99. Dentro de cada grupo de códigos los factores de ponderación de los diferentes bits se

78 proporcionan igual que el código binario (1,2, 4,8), pero los factores de ponderación relativos para cada grupo son diferentes por un factor de 10. Figura 3.20 DAC que emplea código de entrada BCD. Este convertidor acepta una entrada de dos dígitos y genera como salida 100 posibles valores analógicos. En esta figura se muestran los factores de ponderación relativos para cada uno de los diferentes bits. Obsérvese que los bits que forman el código BCD para el digito más significativo (MSB) tienen un factor de ponderación que es 10 veces mayor que el correspondiente a los bits del LSB Parámetros de los Convertidores DAC Un DAC tiene varios parámetros que deben considerarse en el momento de una selección para una aplicación determinada, cuatro son las más importantes y son: Resolución Tiempo de estabilización Exactitud Tiempo de conversión

79 * Resolución La resolución de un DAC esta dada por el número de niveles de voltaje análogo que es capaz de generar. Este parámetro esta relacionado directamente con el número de bits de entrada que conforman una palabra binaria, un convertidor D/A de cuatro bits tiene una resolución de 4. El numero de niveles de voltaje (análogo) que es capaz de generar es de N Lo anterior significa que la salida análoga debe de estar representada por 16 niveles de voltaje. Un DAC de 8 bits proporciona 256 niveles diferentes de voltaje. Un DAC de 12 bits puede entregar hasta 4096 niveles de voltaje análogo. En general, cuantos más bits tenga un convertidor D/A, mas exactitud se lograra en la salida análoga. El concepto de resolución se ilustra en la siguiente figura:

80 Figura 3.21 Resolución de un DAC * Tiempo de estabilización La velocidad de operación de un DAC por lo general se especifica dando su tiempo de establecimiento, el cual es el tiempo requerido para que la salida del DAC pase de cero a límite de escala cuando la entrada binaria se cambia de ceros a unos. En realidad el tiempo de establecimiento se mide como el tiempo que le toma al DAC estabilizarse dentro de ±1/2 del tamaño del escalón (resolución) de su valor final. Por ejemplo si un DAC tiene una resolución de 10mV, el tiempo de establecimiento se mide como el tiempo que le toma a la salida estabilizarse dentro de 5mV de su valor a plena escala. Los valores típicos para el tiempo de su establecimiento varían de 50ns a 10 µs. Hablando en términos generales los DAC con salida de corriente tendrán tiempos de establecimiento menores que los que tienen salida de voltaje. Por ejemplo el DAC 1280 puede operar como salida de corriente o salida de voltaje. En el modo de salida de corriente su tiempo de establecimiento es 300ns; en el modo de voltaje la salida su tiempo de

81 establecimiento es 2.5 µs. la razón principal de esta diferencia es el tiempo de respuesta del amplificador operacional que se usa como convertidor de corriente a voltaje. * Exactitud La exactitud se define como la variación positiva o negativa, desde la mitad (1/2) hasta 2 veces el valor de un LSB. Por ejemplo, para un DAC con una exactitud de 1 LSB, el voltaje de salida análogo puede variar tanto como el valor equivalente a un BIT. Si el DAC tiene una salida entre 0V y 5V y 12 bits de resolución, el valor del LSB es 5V/2 12 = 5V/4096, es decir V. Para cualquier entrada binaria, el voltaje de salida puede ser mayor o menor que el valor esperado en una cantidad igual a V. Si el mismo DAC tiene una exactitud de +/- ½ LSB. La salida se puede desviar en una cantidad igual a +/ V. Por lo tanto cuanto menor sea el valor de la exactitud, más fielmente la salida análoga corresponderá a la que se espera. * Tiempo de conversión Es el tiempo que transcurre desde que una combinación binaria aparece a la entrada del convertidor hasta que su variable analógica de salida adquiere el nivel que le corresponde, con una diferencia no superior a la resolución. Naturalmente, el tiempo de conversión depende del escalón de variación de la variable analógica que se produce al cambiar la combinación digital de entrada. Por ello el tiempo de conversión se define para el caso mas desfavorable en que la excursión de la variable analógica es máxima.

82 El inverso del tiempo de conversión expresa la frecuencia máxima de conversión definida como el máximo numero de conversiones por unidad de tiempo. 3.6 TIPOS DE CONVERTIDORES D/A *Convertidor D/A usando escala binaria de resistencias. La técnica de utilizar una escala binaria de resistencias es uno de los métodos más antiguos y simples para convertir métodos binarios o bits en una señal análoga. En la figura 3.22 podemos ver el circuito básico de un convertidor D/A de 4 bits, el cual consta de un sumador análogo con amplificador operacional, un registro de almacenamiento y un juego de interruptores.

83 Figura 3.22 Convertidor D/A de 4 bits El amplificador/sumador posee tantas entradas como bits tiene la palabra binaria que se quiere convertir (4, en este caso). El registro memoriza la señal digital de entrada y sus salidas comandan la apertura y cierre de los interruptores análogos. Un 0 aplicado a la entrada de control de cada interruptor lo abre y un 1 lo cierra. Cuando se almacena en el registro de entrada un 0000 binario, todos los interruptores análogos se abren. En estas condiciones, no hay voltaje aplicado a la entrada de las resistencias del amplificador/sumador. Por consiguiente, el voltaje de salida de este último es igual a 0V. Cuando se aplica un 0001, el interruptor S1 se cierra. Esto provoca que se apliquen - 10V a la resistencia R1 puesto que la entrada (-) del amplificador operacional es una tierra virtual, efectivamente hay -10 V sobre la resistencia de 8K. Como resultado, a través de la resistencia de realimentación (Rf= 800ohms) circula una corriente de 10V/8K ohms, es decir de 1.25 ma. Aplicando la Ley de Ohm, el voltaje de la resistencia Rf debe ser, por tanto, igual a 800X1.25mA, es decir 1V. Cuando la palabra binaria de entrada cambia a 0010, se abre el interruptor S1 y se cierra el interruptor S2. Esto causa una corriente de 2.5 ma (10V/4K ohms) que fluya por R2 y Rf. El voltaje a través de Rf es, ahora, 800 ohms X 2.5 ma=2v. De igual manera una palabra binaria igual a 0100 generara 4V en la salida y la palabra binaria 1000 causara 8 V de salida. Observe como los valores de las resistencias de entrada y salida se seleccionan cuidadosamente para generar una progresión binaria (16, 8, 4, 2,1). Los interruptores deben operarse en todas las combinaciones para lograr una salida análoga desde 0 hasta 15 y en incrementos de 1V (0000=0V, 0001=1V,,0111=7V, 1111=15V), como lo ilustra la figura 3.23.

84 Figura 3.23 Conversión D/A Aunque el tipo de convertidor digital-analógico es muy sencillo, no es práctico cuando se usan palabras binarias de más de 4 bits, ya que la cantidad de resistencias requeridas para obtener la progresión regresiva es muy grande. El DAC que usa una red de resistencias en escalera (ladder), utiliza únicamente dos valores normalizados de resistencias. *Convertidor D/A usando resistencias conectadas en escalera. Esta emplea una red de resistencias en escalera (ladder) conocida como red R-2R y se aprecia en la figura 3.24(a) donde podemos ver el principio de funcionamiento de esta red. La figura mencionada nos muestra dos resistencias de valor 2R conectadas en paralelo. Ya que ellas son iguales, cualquier corriente que entre por el nodos A, se dividirá en dos partes iguales. Además, como son iguales, pueden ser remplazadas por una sola resistencia de valor R.

85 Figura 3.24 a) Red R-2R Ahora al ver la figura 3.24 (b), veremos que las dos resistencias de valor 2R de la derecha tienen una resistencia equivalente de valor igual a R. Esta resistencia equivalente se encuentra en serie con otra resistencia de R+R=2R entre el punto B y tierra. Figura 3.24 b) Red R-2R equivalente Ahora el punto B, de esta figura presenta la misma situación del punto A de la figura 3.24 (a), esto es, dos resistencias a tierra, cada una de valor igual 2R. Por la razón anterior, cualquier corriente que entre por el nodo B se divide, en este nodo, en dos partes iguales y además, la resistencia que hay entre B y tierra es de valor R. En la figura 3.25 podemos ver un circuito de un DAC con red R-2R que hace uso del principio anterior. La fuente de referencia (Vref) observa una resistencia de valor R (equivalente a toda la red R-2R) conectada a tierra y por consiguiente emite una corriente de entrada Iin igual Vref/R.

86 Figura 3.25 DAC con red R-2R La corriente Iin se divide en dos partes iguales: una que circula por la primera resistencia de valor 2R y otra que se dirige hacia el interior de la red. En el siguiente nodo de la red sucede lo mismo, es decir la mitad de la corriente se encamina a tierra por la resistencia 2R y lo que resta se interna más en la red. Como resultado el conjunto de resistencias 2R tiene corrientes de valores iguales a ½ Iin, ¼ Iin, 1/8 Iin, 1/16 Iin, etc. Cada uno de los interruptores conectados a la entrada de la red R-2R simula un BIT en las entradas digitales al convertidor. Cuando el bit es 0 el interruptor correspondiente lleva la corriente que circula por la resistencia 2R a tierra. Cuando el bit es 1, la enruta a la entrada de suma del amplificador. Para un convertidor de este tipo (DAC R-2R) de 4 bits, la corriente que entra al punto de suma del amplificador operacional (Iin) puede evaluarse analíticamente mediante la siguiente expresión:

87 lin linx 1/ 2B3 1/ 4B2 1/ 8B1 1/16B0 (3.5) Las letras B3, B2, B1 y B0 representan los valores binarios (0 y 1) de la señal digital de entrada. La corriente que resulta, para cada palabra binaria se multiplica por la resistencia de realimentación Rf y se obtiene el voltaje de salida del convertidor. Figura 3.26 Estructura interna del DAC de 4 bits En la figura 3.26 podemos ver la estructura interna de un DAC de cuatro bits. El registro de almacenamiento se utiliza para memorizar la palabra digital que se desea convertir y además como excitación de los interruptores electrónicos de alta velocidad que conmutan las corrientes de la red R-2R. La palabra binaria 0000, por ejemplo, abre todos los interruptores y, por tanto, coloca 0V en la salida del convertidor. Del mismo modo 1000 cierra el interruptor S1 y produce 5V; 0100 cierra S2 y produce 2.5V; 0010 cierra S3 y produce 1.25V; 0001 cierra S4 y produce 0.625V; etc. Note que la salida corresponde a una

88 progresión binaria. Lo anterior permite a la salida variar entre 0 y 10V en incrementos de 0.625V; la gran ventaja de este tipo de DAC con dos valores de resistencias (R y 2R) es que organiza todo el proceso de conversión. La simplicidad del circuito permite construir DAC s integrados de buena exactitud y bajo costo. 3.7 EL DAC 0808 El DAC0808 es un convertidor de digital a análogo monolítico de 8bits, este ofrece una escala que coloca una corriente completa en la salida en 150ns, mientras que disipa solamente 33mW con las fuentes de ± 5V. DAC0808 Figura 3.27 DAC0808 Numero de Descripción PIN 1 NC: no conecta 2 GND: tierra 3 Vee: voltaje negativo

89 4 Iout: Corriente de salida 5 A1: entrada digital, Bit 1 6 A2: entrada digital, Bit 2. 7 A3: entrada digital, Bit 3. 8 A4: entrada digital, Bit 4. 9 A5: entrada digital, Bit A6: entrada digital, Bit A7: entrada digital, Bit A8: entrada digital, Bit Vcc: Voltaje positivo. 14 Vref+ :Voltaje de referencia + 15 Vref- : Voltaje de referencia - 16 COMP: compensación. Tabla 3.5 Descripción de Pines DAC0808. No se requiere ningún ajuste actual de la referencia (I REF ) para la mayoría de los usos, puesto que la corriente de salida a escala completa es típicamente ±1 LSB de 255(I REF /256).

90 Las exactitudes relativas son de ±0.19% y aseguran 8 bits y linealidades, mientras que la corriente de salida a un nivel cero es menos de 4μA, lo que a su vez proporciona la exactitud de 8bits para I REF 2mA. Esta es la corriente máxima, dictaminada por la fuente de voltaje de 10V a través del resistor de 5KΩ conectado al pin 14, como se ilustra en el diagrama de conexiones de la figura Las corrientes de la fuente de alimentación del DAC0808 son independientes de los bits y exhiben esencialmente características constantes del dispositivo sobre la escala entera del voltaje de la fuente. Figura 3.28 Diagrama de conexiones del DAC0808.

91 3.7.1 Estructura Interna del DAC0808 El DAC0808 se interconectara con los niveles de la lógica popular del TTL, del DTL o el CMOS, y es un reemplazo directo para MC1508/MC1408, si se requiere utilizar para rangos mas altos de la velocidad es convenirte verificar la hoja de datos del DAC800. Figura 3.29 Estructura interna DAC0808 El DAC 0808 esta compuesto de una red de resistencias R-2R, el voltaje aplicado a estas resistencias se puede alterar externamente por medio de los terminales Vref(+) pin14 y Vref(-)pin 15. El DAC entrega, por el pin14 una corriente Iin. Para convertir este componente a voltaje hay que colocar en la salida un sistema apropiado, por ejemplo de un amplificador operacional o una resistencia. Puede alimentarse con fuentes duales desde +/-5V hasta +/-18V.

92 3.7.2 Características Generales del DAC0808 Características eléctricas Vcc: +18Vdc Vee: -18Vdc Voltaje digital de entrada, V5-V12: -10Vdc a +18Vdc Voltaje de salida aplicado, Vo: -11Vdc a +18Vdc Corriente de referencia, I14: 5mA Entradas de amplificación de referencia, V14, V15 Vcc, Vee Poder de disipación: 1000mW Rango de temperatura: -65 ºC a +150 ºC

93 Capitulo 4 SENSORES DE TEMPERATURA 4.1 INTRODUCCION La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia. por otra parte, si, positivamente podemos definir los efectos que los cambios de temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminución de la velocidad de las moléculas de ella, con consecuencia palpable, tales como el aumento o disminución del volumen de esa porción de materia o posibles cambios de estado. Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son: Temperaturas absolutas Temperaturas relativas Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula. Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a los valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común. En sistema métrico decimal. Las escalas relativas y absolutas son: La escala Celsius o de grados centígrados (relativa) La escala kelvin(absoluta) La equivalencia entre las dos escalas es:

94 Grados kelvin = grados centígrados En el sistema de medida inglés, su equivalencia será: -la escala Fahrenheit (relativa) -la escala ranking (absoluta) La equivalencia entre estas dos escalas es: Grados rankine =grados Fahrenheit Por otra parte las escalas Celsius y Fahrenheit están referidas al mismo patrón, pero sus escalas son diferentes. El patrón de referencia usado para su definición fueron los cambios de estado del agua. Estos puntos son: CAMBIO DE ESTADO CELSIUS FAHRENHEIT SÓLIDO LIQUIDO 0 32 LIQUIDO-GAS Tabla 4.1 Equivalencias de cambios de estado Como se puede deducir de la tabla 4.1, por cada grado Celsius de cambio térmico tendremos 1,8 grados Fahrenheit de cambio equivalente. De todo esto, la equivalencia entre estas dos escalas será: Grados Fahrenheit= grados Celsius *1,8 + 32

95 4.2 INSTRUMENTOS USUALES PARA MEDICION DE TEMPERATURA Los tipos de instrumentos usuales que son usados para la medición de la temperatura son básicamente los siguientes: 1. Termómetro de vidrio 2. Termómetro bimetalico 3. Termopares 4. Termorresistencia (RTD) 5. Pirómetro de radiación 6. Termocuplas 7. Termistores 8. LM35 9. Sensor de temperatura a resistencia de carbono Esta clasificación de sensores de temperatura se diferencian por el material del cual están hechos, por la forma en que censan la temperatura, y por los rangos que pueden alcanzar a registrar.

96 4.2.1 Termómetro de Vidrio Este tipo de instrumento, es el mas conocido por nosotros; consta de un tubo de vidrio hueco, con un deposito lleno de fluido muy sensible volumétricamente a los cambios de temperatura. Dependiendo del fluido usado, tendremos diferentes rangos de temperatura para este tipo de instrumento, los cuales, vendrán limitados, por los puntos de solidificación y de ebullición de los antes citados fluidos. Algunos de estos son: Mercurio -35 a 280 ºC Mercurio (tubo de gas) -35 a 450 ºC Pentano -200 a 20 ºC Alcohol -110 a 50 ºC Tolueno -70 a 100 ºC Fig. 4.1 Termómetro de vidrio Estos son frágiles, requieren de una posición específica para funcionar, además de tener un rango muy limitado de la variable.

97 4.2.2 Termómetros Bimetalicos El bimetal termoestático se define como un material compuesto que consta de tiras de dos o mas metales unidos entre si, al ser estos materiales diferentes, tendrán necesariamente, que tener diferentes coeficientes de dilatación lineal. Debido a los diferentes índices de expansión de sus componentes, esta composición tiende a cambiar de curvatura cuando se somete a una variación de temperatura. Cuando se mantiene fijo un extremo de la franja recta, el otro sufre una deflexión proporcional al cambio de temperatura y el cuadrado de la longitud, y en sentido inverso al espesor, a lo largo de la porción lineal de la curva característica de deflexión. Si una cinta bimetálica se enrolla en forma helicoidal o como espiral y se fija uno de sus extremos, el otro girara al aplicársele calor. Para un termómetro con divisiones de escala uniformes, el elemento bimetalico se debe diseñar de tal manera que tenga una deflexión lineal a lo largo de la gama de temperatura deseada. Fig. 4.2 Termómetro bimetalico

98 * Tipos de Elementos en Termómetros Bimetalicos Los tres tipos de elementos más usados en termómetros bimetálicos son la espiral plana, la hélice simple y la hélice múltiple. Los termómetros bimetálicos se destinan a utilizarse a temperaturas que oscilan entre 1000 ºF hasta -300 ºF e incluso a niveles inferiores. Sin embargo, a temperaturas bajas, el índice de deflexión se reduce con suma rapidez. Los termómetros bimetálicos no tienen una estabilidad muy prolongada a temperaturas superiores a 800 ºF. Tanto las cintas como las espirales bimetálicas constituyen la base sensora para una gran variedad de conmutadores y controles termostáticos. La expansión diferencial entre dos metales, que no están totalmente unidos en toda su longitud, constituye la base de otro grupo de conmutadores de temperatura y controles termostáticos Termopares Un termopar es un circuito formado por dos metales distintos que produce un voltaje siempre y cuando los metales se encuentren a temperaturas diferentes. En electrónica, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son baratos, intercambiables, tiene conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperatura. Pero su principal limitación es la exactitud ya que los errores de los sistemas inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares y las termopilas son muy usadas en aplicaciones de calefacción de gas. El termopar se basa en el principio, del defecto que fuera descubierto en 1821 por Seebeck, que establece que cuando la unión de dos materiales diferentes se encuentra a una temperatura diferente que la del medio ambiente, a través de esos materiales circulara una corriente.

99 El uso de termopares en la industria se ha popularizado, ya que son altamente precisos y mucho más económicos que las termorresistencias. Existen muchos métodos para realizar mediciones prácticas de temperatura. De todos ellos, unos fueron desarrollados para aplicaciones particulares mientras que otros han ido cayendo en el desuso. * Funcionamiento del Termopar En 1882 el físico Estoniano Thomas Seebeck descubrió accidentalmente que la unión entre dos metales genera un voltaje que es función de la temperatura. Los termopares funcionan bajo el principio llamado efecto Seebeck si bien casi cualquier par de metales pueden ser usados para crear un termopar, se usa un cierto numero debido a que producen voltajes predecibles y amplios gradientes de temperatura. El la figura 4.3 se muestra un diagrama de un termopar del tipo K, que es el mas popular. Fig. 4.3 Diagrama de un termopar tipo K.

100 Este termopar de tipo K producirá 12,2 mv a 300 ºC. Desafortunadamente no es posible conectar un voltímetro al termopar para medir este voltaje por que la conexión a las guías del voltímetro hará una segunda unión no deseada. Para realizar mediciones precisa se debe compensar al usar una técnica conocida como compensación de unión fría (CUF). La ley de los metales intermedios dice que un tercer metal introducido entre dos metales distintos de una unión termopar no tendrá efecto siempre y cuando las dos uniones estén a la misma temperatura. Esta ley es importante en la construcción de uniones de termopares. Es posible hacer una unión termopar al estañar dos metales, ya que la estañadura no afectara la sensibilidad. Por lo general la temperatura de la unión fría es detectada por un termistor de precisión en buen contacto con los conectores de salida del instrumento de medición. Esta segunda lectura de temperatura, junto con la lectura del termopar es usada por el instrumento de medición para calcular la temperatura verdadera en el extremo del termopar. Para aplicaciones menos criticas, la CUF es usada por un sensor de temperatura semiconductor. Al combinar la señal de este conductor con la señal del termopar, la lectura correcta puede ser obtenida sin la necesidad o esfuerzo de registrar dos temperaturas. La comprensión de la compensación de unión fría es importante; cualquier error en la medición de la temperatura de la unión fría terminara en el error de la temperatura medida en el extremo del termopar. * Tipos de Termopares Tipo K: (cromo (níquel-cr)/aluminio (aleación de Ni-Al): con una amplia variedad de aplicaciones esta disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tiene un rango de temperatura de -200 ºC a ºC y una sensibilidad de 41μV/ºC aproximadamente.

101 Tipo E (cromo/constantán (aleación de Cu-Ni)): no son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tiene una sensibilidad de 68 μv/ºc. Tipo J (hierro /constantán): debido a su limitado rango el tipo J es menos popular que el K. son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibraciòn permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC. Tipo N (nicrosil (Ni-Cr-si/misil (ni-si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Tipo B (platino (Pt)-rodio (Rh)): son adecuado para la medición de altas temperaturas superiores a ºC. El tipo B por lo general presentan el mismo resultado a 0ºC y 42ºC debido a su curva de temperatura/voltaje. Tipo R (platino (Pt)-rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.600ºC, con una baja sensibilidad (10 μv/ºc). Tipo S (hierro/constantán): ideal para mediciones de altas temperaturas hasta los 1.600ºC pero su baja sensibilidad (10μV/ºC) y su elevado precio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad el tipo S es usada para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43ºC). Tipo T: es un termopar adecuado para mediciones en el rango de -200ºC a 0ºC. El conductor positivo esta hecho de cobre y el negativo de constantán.

102 4.2.4 Termoresistencia Se basa en el hecho de que la resistencia eléctrica de los metales aumenta al crecer la temperatura. El termómetro se compone de un alambre fino, generalmente de platino, arrollado sobre una armadura de mica y encerrado dentro de un tubo de plata de paredes delgadas que sirve de protección. Mediante hilos de cobre se une el termómetro a un dispositivo para medir resistencias, el cual pude estar colocado en un sitio conveniente. Puesto que la resistencia puede medirse con mucha precisión, el termómetro de resistencia es uno de los instrumentos más precisos para la medida de temperaturas, pudiendo alcanzarse una aproximación de 0,001 ºC. El intervalo de utilización de este termómetro de resistencia de platino abarca, aproximadamente, de -250 ºC hasta 1760 ºC, que es el punto de fusión del platino. TMR5 Fig. 4.4 Termoresistencia armada completa, con cabezal de conexión tipo Din vaina de protección y zócalo para conectar al cable. * Principio de Funcionamiento de la Termoresistencia Las termoresistencias trabajan según el principio de que en la medida que varia la temperatura, su resistencia se modifica, y la magnitud de esta modificación puede relacionarse con la variación de temperatura.

103 Las termoresistencias de uso más común se fabrican de alambres finos soportados por un material aislante y luego encapsulados. El elemento encapsulado se inserta luego dentro de un tubo metálico cerrado en un extremo que se llena con un polvo aislante y se sella con cemento para impedir que absorba humedad. La relación fundamental para el funcionamiento será la siguiente: Rt = Ro * (1 + * t) (4.1) Donde: Ro: resistencia en ohmios a 0 grados Celsius Rt: resistencia a la temperatura t grados Celsius : coeficiente de temperatura de la resistencia. Los materiales utilizados para los arrollamientos de termorresistencias son fundamentalmente platino, níquel, níquel-hierro, cobre y tungsteno. Como se puede observar, se esta suponiendo de antemano, que el material que será usado debe tener un comportamiento lineal, dentro del rango de trabajo asignado, de no ser así, la función debería tener más términos. El método de medición de la temperatura no es directo, ya que lo que se mide es una resistencia mediante un puente de Wheastone, luego se lee el valor de la temperatura correspondiente de tabla de comportamiento de la citada resistencia. Este proceso, en la actualidad, ya esta automatizado, gracias a los sistemas de control avanzados y la electrónica digital. El platino encuentra aplicación dentro de un amplio rango de temperaturas y es el material más estable y exacto. En efecto, la relación resistencia-temperatura

104 correspondiente al alambre de platino es tan reproducible que la termoresistencia de platino se utiliza como estándar internacional de temperatura desde ºC hasta 630 ºC. Desde 1871, año en que William Siemens utilizó por primera vez una termoresistencia, hasta hoy día han sido desarrolladas numerosas calibraciones resistencia - temperatura correspondientes al platino, y varias de ellas se han transformado en estándares nacionales en distintos países. Además del hecho de que la termoresistencia de platino está siendo utilizada como estándar internacional, el alambre de platino es el material elegido con más frecuencia para las termoresistencias de uso industrial. Las termoresistencias de platino pueden medir el rango más amplio de temperaturas, son las mas exactas y estables por no ser fácilmente contaminadas por el medio en que se encuentran, y su relación resistencia -temperatura es más lineal que la de cualquier otro material con la excepción del cobre. Este tipo de sensores tiene una ventaja fundamental; son sumamente precisos y producen medidas altamente reproducibles. METAL RANGO DE OPERACIÓN ºC PRESICION( GRADOS) PLATINO -200 A NIQUEL -150 A COBRE -200 A Tabla 4.2 Rangos de operación y precisión de diferentes metales Pirómetro de Radiación

105 Un pirómetro en un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos, elevadas temperaturas por encima del alcance de los termómetros de mercurio. Este término abarca a los pirómetros ópticos, de radiación, de resistencia y termoeléctricos. Los pirómetros de radiación se fundan en la ley de Stefan - Boltzman y se destinan a medir elevadas temperaturas, por encima de 1600 C. Las medidas pirométricas, exactas y cómodas, se amplían cada vez más, incluso para temperaturas relativamente bajas (del orden de 800 C). * Principio Físico Los pirómetros de radiación se fundamentan en la ley de Stefan - Boltzman que dice que la energía radiante emitida por la superficie de un cuerpo negro aumenta proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del cuerpo, es decir: Donde: W = σ T 4 (4.2) W: (potencia emitida): es el flujo radiante por unidad de área, σ: es la constante de Stefan - Boltzman (cuyo valor es W / m 2 K 4 ) y T: es la temperatura en Kelvin Si el cuerpo radiante de área A está dentro de un recinto cerrado que está a la temperatura To, su pérdida neta de energía por segundo, por radiación está dada por: U = σa (T 4 - To 4 ) (4.3)

106 La ley de Stefan fue establecida primeramente en forma experimental por Stefan en 1879; Boltzman proporcionó su demostración termodinámica en Desde el punto de vista de la medición de temperaturas industriales, las longitudes de onda térmicas abarcan desde las 0.1 micras para las radiaciones ultravioletas, hasta las 12 micras para las radiaciones infrarrojas. La radiación visible ocupa un intervalo entre la longitud de onda de 0.45 micras para el valor violeta, hasta las 0.70 micras para el rojo. * Estructura de los Pirómetros de Radiación Los pirómetros de radiación para uso industrial, fueron introducidos hacia 1902 y desde entonces se han construido de diversas formas. El medio de enfocar la radiación que le llega puede ser una lente o un espejo cóncavo; el instrumento suele ser de "foco fijo" o ajustable en el foco, y el elemento sensible puede ser un simple par termoeléctrico en aire o en bulbo de vacío o una pila termoeléctrica de unión múltiple en aire. La fuerza electromotriz se mide con un milivoltímetro o con un potenciómetro, con carácter indicador, indicador y registrador o indicador, registrador y regulador. El espejo cóncavo es a veces preferido como medio para enfocar por dos razones: a) la imagen de la fuente se enfoca igualmente bien en el receptor para todas las longitudes de onda, puesto que el espejo no produce aberración cromática, en tanto que la lente puede dar una imagen neta para una sola longitud de onda. b) los lentes de vidrio o de sílice vítrea absorben completamente una parte considerable de la radiación de largas longitudes de onda. La radiación reflejada por el espejo difiere poco en longitud de onda media de la que en él incide.

107 Fig. 4.5 Sensor de temperatura mediante pirómetro de radiación Termocuplas Si se presenta un gradiente de temperatura en un conductor eléctrico, el flujo de calor creara un movimiento de electrones y con ello se generara una fuerza electromotriz (FEM) en dicha región. La magnitud y dirección de la FEM será dependiente de la magnitud y dirección del gradiente de temperatura del material que conforma el conductor. Las termocuplas se basan para su funcionamiento en el efecto SEEBEK. Fig. 4.6 FEM creada por un gradiente de temperatura. Calentado la juntura de dos materiales distintos que componen un circuito cerrado, se establece una corriente. Las leyes principales que rigen su funcionamiento son: