INSTRUMENTOS DIGITALES

Transcripción

1 INSTRUMENTOS DIGITALES

2 Comparación entre características de instrumentos digitales y analógicos Característica Instrumento Analógico Instrumento Digital Técnica de Indicación Cuadro Móvil-Piezas en movimiento- Fragilidad Equipado con LED: consumo alto, respuesta rápida. Equipado con LCD: consumo bajo, respuesta lenta Exactitud 3% hasta 0.1% 1% hasta 0.01% o más Facilidad de lectura Errores de paralaje-estimación-poder separador del ojo No admite dudas en la lectura Resolución Baja Muy elevada Precio Bajo Elevado Duración de baterías en multímetros Polaridad Aprox Hs. Lectura función de la polaridad LED: decenas de horas. LCD: 200hs a 1 año Conmutación automática con indicación de polaridad Resistencia de entrada ohms/v Ze=alta (Mohms) Conmutación Escala Manual Automática

3 Comparación entre características de instrumentos digitales y analógicos Característica Instrumento Analógico Instrumento Digital Ventajas Desventajas Indica la tendencia de la magnitud a controlar Ajuste rápido de cero No entrega corriente al circuito No hay problemas en el tiempo de respuesta Mantenimiento nulo Baja Precisión Fragilidad suspensión cuadro Desajuste de cero Error en las lecturas: instrumento observador Problemas de sobrecarga Posibilidad de transmitir medición a distancia Salida para impresión y acople Alta resolución Alta Ze Fácil Lectura Dificultosa lectura en señales inestables Mantenimiento complejo Muy costoso Difícil Calibración

4 Elementos usados en Instrumentación Digital En la técnica digital las operaciones fundamentales son: 1) Suma OR 2) Multiplicación AND 3) Inversión NOT Suma OR Multiplicación AND Inversión NOT A A B A+B S B AxB S A A

5 FLIP-FLOPS J E K S Estudiaremos el F-F con conexión de reloj 1) Los cambios de estado de la salida S se producen sincronizadamente con el cambio de nivel de 1 a 0 de la señal de reloj aplicada a E. 2) Si las entradas J y K cambian en determinado momento sus niveles a valores distintos a los que tenían antes, el cambio en S se producirá cuando E pase de 1 a 0. Instante en que E cambia de 1 a 0 Se ve en el cuadro: a) Si J y K son diferentes S en el mismo valor que J Contrario a K b) Si J y K son ambos 1 S cambiará su estado cualquiera sea, en el instante en que E pase de 1 a 0.

6 FLIP-FLOP Usado en el contador binario. a) Se consideran J y K ambas en nivel 1. Se agrega una salida S Representación esquemática del contador En S aparece un pulso 1 Cada vez que S pase de 1 a 0 (provoca la descarga del C). Si S pasa de 0 a 1 El pulso de sentido contrario NO SALE POR S (Diodo en inversa) Si representamos el F-F- como en (A),: 1) Por cada pulso en E S cambia su estado 2) Al cambiar S de 1 a 0 S sale un pulso DOS PULSOS EN E UN PULSO EN S

7 Contador binario natural. D C B A Pulso Nro Código Binario El estado de A cambia con cada pulso. El estado de B cambia con cada 2 pulsos. El estado de C cambia con cada 4 pulsos. El estado de D cambia con cada 8 pulsos. Con 4 F.F. se cuentan los 15 pulsos.

8 Contador binario decimal. 1. Usaremos los 4 F.F. sólo para representar las 10 cifras de 0 a 9 correspondientes sólo a las unidades. 2. Al pasar este conjunto de 4 F.F. de 9 a 0, emitirán un pulso que entra a otro conjunto de F.F. que representará las 10 cifras correspondientes a las decenas. 3. Como cuarto F.F. (D) se usa otro tipo, tiene una tercer salida S por la que emite un pulso por cada pulso llegado a su entrada E, es decir, tanto al pasar del estado 1 al 0 como del 0 al 1.

9 Contador binario decimal. 1. El FF: D puede recibir un pulso a través de S de C o por S de A. 2. El dispositivo contador es idéntico al contador natural hasta el séptimo pulso inclusive. Se lo analiza desde el pulso 7 hasta el 10 inclusive. 3. Cuando transcurrió el pulso 7, los F.F. quedan en 0111 Nro natural El octavo pulso produce dos cambios: a. Los F.F. quedan a 1000 b. La salida S de D emite un pulso y el comando K hace cambiar el conmutador de M a N.

10 Contador binario decimal. 5. El Noveno pulso: sólo cambia el estado de A el visor queda El Décimo pulso: hace producir los siguientes cambios: a) A Pasa de 1 a 0. El pulso que emite S de A llega a D (a través del conmutador N) D Cambia de 1 a 0. D Emite un pulso por S que va a la decena siguiente D Emite un pulso por S que va al conmutador K y vuelve a la posición N.

11 Contador binario decimal. b) c) Los 4 F. F. del conjunto de las unidades queda en El conjunto de F. F. de las decenas incrementado en uno respecto al estado anterior. Nota: entre estos sistemas y el visor existe un decodificador, el cual permite visualizar la cifra decimal directamente.

12 Amplificadores Operacionales. Cuadripolo Activo Nota: Se estudiarán los usados en C.C. La tensión de salida Vs puede ser la de vacío, en este caso diremos que es la ganancia de circuito abierto. En general: Uno de los bornes de entrada y uno de salida son conectados entre sí a masa. Amplificador diferencial (amplifica la diferencia entre V1yV2).

13 Característica de un A.0. de CC (ideal). 1. Gran ganancia de tensión a circuito abierto 4 A Una gran Ze y Zs 0 3. Señal indicada con - Invierte la salida. El amplificador operacional usado como comparador de tensiones o detector de cero. Máximo Máximo 1) Si uno de los bornes está conectado a masa (tensión nula) el Ao se transforma en un detector de cero. Da una señal 0 cuando la tensión Ve pasa por cero. 2) Si uno de los bornes tiene una señal V1 fija, el dispositivo es apto para señalar instantáneamente el momento que las dos tensiones son iguales.

14 El amplificador operacional con realimentación negativa Como idealmente: Se dice que la entrada invertida del A0 tiene conexión de tierra virtual ya que su potencial es el mismo de B conectado a masa.

15 veamos de otra manera cual ha sido la función de AO 1) Se ve que E=I 1 R 2 de sentido tal que la compensa 2) E va a variar lo necesario para mantener el potencial A igual a B permanentemente 3) Todo sucede como si A0 tuviera un sensor entre A y B de modo tal que cuando su diferencia de potencial tiende a ser distinta de cero (pues varía la caída en R 2 ) regula el valor de E para igualar dicha caída y mantener V A = V B

16 El amplificador operacional usado como integrador

17 Resumen de circuitos con AO empleados en instrumentación

18 Resumen de circuitos con AO empleados en instrumentación

19 Esquema básico de un instrumento digital.

20 Esquemas comunes de convertidores

24 Tipos de conversores A/D de rampa o conversión Tensión-Tiempo

25 Tipos de conversores A/D de rampa o conversión Tensión-Tiempo

26 Voltímetro digital con conversor A/D de doble rampa

29 Voltímetro de modulación de pulsos delta La tensión incógnita es medida calculando el valor Vc que tiene un capacitor, a la que se iguala a Vx mediante un proceso de cargas y descargas. La Vc es así mantenida dentro de los valores por encima y por debajo de Vx que sólo difieren en una fracción. Llamaremos No= número de ciclos de carga y descarga que depende de Vx. Si Vc se mantiene aprox. constante a través de los ciclos de carga y descarga se debe a que: Qc entregada al capacitor a través de los Nc ciclos de carga es sensiblemente igual a Qd, que este devuelve en los Nd ciclos de descarga.

30 Voltímetro de modulación de pulsos delta Si Qc distinta de Qd capacitor gana o pierde carga modifica la tensión Vc. Cálculo de Q: Intensidad de carga (Vr conectado): Intensidad de descarga (Vr desconectado): I C I D V R VC R V R C R Ic = se mantiene constante en el tiempo. Tci = ya que Vc sólo varía fracciones de microv por eso la linealidad de una recta. Id= cte en el tiempo Tdi

31 Voltímetro de modulación de pulsos delta Luego: La tensión de referencia V R se elije: I C La Q C es: V R 2V I D Si To = tiempo total X Q I T T T... T... T I T I T C C C1 C 2 C3 C4 Ci C Ci C C i 1 T C V R V R C Luego Tensión de carga = V R -V C mucho mayor que Tensión de descarga = Vc = Vx Por eso distinta pendiente. El tiempo de carga es siempre de un período To del reloj D 0 Q C C T T T T y C T V d R V R C i 1 T VR VC V C C QC QD TC T0 TC TCV R T0V C R R T C i n T V V V (4) C X R 0

32 Voltímetro de modulación de pulsos delta Nota: se hace que De la (4) sale que T T T C D 0 N V V V (5) C C X R N0 Ejemplo: T 0 N N C f T f T 0 C

33 Voltímetro de modulación de pulsos delta

34 Instrumentos Digitales. Voltímetro de modulación de pulsos delta

35 Voltímetro de modulación de pulsos delta Funcionamiento. 1. Entra Vx Capacitor se carga (A)=Vc=Vx Comparador 0 al FF ( 1 0 ). El FF cambia de estado cuando llega el pulso Nro. 1 del Reloj. (B) salida FF= Con 0 de salida en el FF hace desactivar el comando K sale de servicio Vr. 3. El capacitor empieza a descargarse contra masa (B). Cuando: Salida comparador 0 1 En el pulso Nro 3 del reloj salida FF Comienza nueva carga.

36 Voltímetro de modulación de pulsos delta Notas: Flip_Flop= 1 Capacitor en carga = 0 Capacitor en descarga Tiempo de carga: Siempre T 0 Tiempo de descarga: variable Mayor cuanto menor es Vx. Temporizador (funciones): A. Pone al contador en condiciones de cero para que inicie el recuento de N 0 =4000 B. Al cumplirse N 0 detiene la marcha del contador C. En ese momento, en el visor se mostrará en cuantos de esos períodos el capacitor estuvo en carga. Por ejemplo: VR N 0 4V V N 0.001N 4000 x C C

37 Voltímetro conversión Tensión-Frecuencia.

38 Voltímetro conversión Tensión-Frecuencia. En el Integrador: Vs Para un cierto valor Vx=cte: 1 t RC El tiempo t 1 que tarda en ser Vs=Vr: Si T= tiempo que está abierta la compuerta: Para que N sea una medida de Vx se hace Luego: N 1000Vx 0 Vxdt Vx Vx Vs t V t RC RC RcVr t1 Vx T T N Vx t1 Rc* Vr T 1000 Rc* Vr 1 Cuando Vs=Vr R 1

39 Frecuencímetros Digitales Nota: adecuada elección de la base de tiempo permite obtener la mejor RESOLUCIÓN (LSD) por ejemplo: Frecuencímetro: 7 dígitos Fx= ciclos. Base de tiempo: 1Seg 1uSeg

40 Error de ± 1 cifra La medición de frecuencias bajas presenta dificultades que se deben a lo que se llama error de ± 1 cifra. Ejemplo: Frecuencia a medir: aprox. 6Hz Base de tiempo: la más favorable 1 segundo. Si la frecuencia real= 6.4Hz Según (b)= Según (C)= AB CD = 1 seg 6 pulsos por la compuerta = 1 seg 7 pulsos por la compuerta n general, decimos que el valor verdadero de la frecuencia es: f=6+n donde n<1 es la fracción aludida E= error cometido= 1 cifra. i sincronizamos la apertura (d) el error se escribe 0 E 1

41 Errores del frecuencímetro digital Todo instrumento digital agrega a los errores originados en otras fuentes, el error de una cifra, la LSD. Esa última componente de error depende del valor leído: Ejemplo: Si la f medida = 6Hz e% inadmisible Si la f medida = 1000 Hz e% ±0.1% Otra componente de error: La f oscilador. Cuarzo = f (T,envej) Si se encierra en cámaras termostatizadas Estabilidad de / C

42 Medición del Período: Instrumentos Digitales. Errores del frecuencímetro digital Si: f es pequeña conviene T I. La apertura de la compuerta está controlada por el período de la incógnita II. El circuito de entrada tiene un comparador de tensiones. Cuando la incógnita pasa por un nivel creciente manda un pulso Abre la compuerta. Ruido III. Cumplido el Nro. De ciclos que determina el divisor, un nuevo pulso cierra la compuerta Termina el recuento. IV. Ejemplo: si el oscilador es de 1MHz, y se mide sobre un solo período de la incógnita visor useg. V. Inconveniente: ruido de amplificadores.

43 I) Flexibilidad. Instrumentos Digitales. Especificaciones de los instrumentos digitales Instrumentos: Con unidades enchufables. Adición o cambio de circuitos impresos. Salida para procesamiento de datos. II) Número de dígitos y sobrerrango. a) Número de dígitos = Número máximo de nueves = número de dígitos completos b) Dígito de sobre rango= dígito que solamente puede tomar el valor uno =no es dígito completo. Ejemplos: dígitos 3 dígitos + 1 dígito de sobrerrango

44 Especificaciones de los instrumentos digitales El dígito de sobrerrango permite al usuario hacer lecturas arriba del valor de plena escala, sin alterar las características de sensibilidad y exactitud. Denominación del Instrumento en dígitos Máxima lectura 3 1/ / / / Ejemplo: Si una señal cambia de 9,99V 10.01V Con el instrumento (1) 1 sólo se puede medir hasta 9.99V. Si se cambia de rango, indica V. Se pierde información de 0.01V. Con el instrumento (1) 2 se puede medir 10.01V, sin cambiar el rango y sensibilidad.

45 Especificaciones de los instrumentos digitales III) Sensibilidad y Resolución. Sensibilidad: capacidad que tiene un instrumento para responder a cambios pequeños en la señal de entrada Resolución: es el número sin unidades Ejemplo: Instrumento de 5 dígitos (99999). Resolución: 1/ = =0.001% Sensibilidad: Resolución%*Valor máximo rango 100 Si el instrumento tiene un rango máximo de 100mV S 0.001%*100mV Definición: Sensibilidad de un instrumento digital es el producto de la resolución por el rango de máxima escala.

46 IV) Exactitud Instrumentos Digitales. Especificaciones de los instrumentos digitales Factor Linealidad del integrador Corrimiento en 24Hs. A plena escala Corrimiento de cero Corrimiento de atenuadores Corrimiento en 6 meses Exactitud publicada = ±0.0095% Error ± 0.002% ± % ± 0.001% ± % ± 0.003% Magnitud de Influencia Condición Observación Temperatura ambiente 5 C a 40 C Humediad relativa ambiente 20% a 80% Presión barométrica 70,0 a 10630kPa Tensión de alimentación Un ±10% Frecuencia de Un ±5% fn Fuente de alimentación C.A. beta=0,05% Vp<=12%Vpnorm

47 Especificaciones de los instrumentos digitales V) Estabilidad a corto plazo 26 C 25 C 24 C 24 Hs Exactitud Es la indicación del fabricante que dice qué tan constante permanece una medida generalmente especificada en un término de 24Hs con variaciones de ±1 C o ±5 C. Dá un concepto de repetibilidad. VI) Coeficiente de temperatura (TC) Es la cantidad de cambio en exactitud por grado de temperatura que sale fuera del rango de temperatura, para el cual se ha especificado la exactitud básica. Ejemplo: Exactitud básica: a 25 C ±5 C= ±(0.008% de la lectura % rango) Si TC= %/ C T= 10 C=0.004% Exactitud a 40 C= ±(0.012% de lectura % de rango)

48 Especificaciones de los instrumentos digitales VII) Rapidez Señal de entrada Rta del Instrumento VIII) Impedancia de entrada Z entr = muy alta Escalas bajas: aprox Ohm Escalas altas: aprox. 10-1MOhm IX) Bornes High-Low Estabil. Conv. A/D. Tiempo total de respuesta Función: resistencia High Com E=2V Low E=180mV Com