Diagrama en bloques elemental de un Instrumento Electrónico Analógico. Diagrama en bloques elemental de un Instrumento Digital

Transcripción

1 Diagrama en bloques elemental de un Instrumento Electrónico Analógico Diagrama en bloques elemental de un Instrumento Digital

2 Diagrama en bloques elemental de un Multímetro Digital

3 Amplificadores elementales Primera etapa de un aparato digital Bloque amplificador (generalmente un amplificador de tensión, que idealmente, debe entregar a su salida una versión magnificada de la tensión de entrada, independientemente del valor de las resistencias de carga y fuente) Amplificador elemental: A = u u u s e Ganancia de lazo abierto

4 Algunos inconvenientes de la Amplificación de Lazo Abierto La ganancia cambia con el dispositivo y puede no ser estable (alinealidad). La ganancia depende fuertemente de magnitudes de influencia como la temperatura. Dispositivos de un mismo tipo pueden presentar diferencias de ganancia. Solución propuesta Realimentar

5 Amplificadores Realimentados En un circuito realimentado, se vincula la salida con la entrada: e s Lazo abierto (elemental) lím A A f = 1 β Lazo cerrado (elemental)

6 Amplificadores Operacionales Simbología Eléctrica Básica Representación Típica Mínima

7 Amplificadores Operacionales K2-W - Basado en Válvulas de Vacío (1952) LMV321 - Utilizado en una gran variedad de aplicaciones de teléfono y juegos. LMC transistores Análisis de Circuitos en Ingeniería", Hayt, Kemmerly, Durbin, 8va. Edición, 2012, Mc Graw Hill.

8 Amplificadores Operacionales - + Representación típica A (ganancia en CC): Z de entrada: Ω Valores característicos Z de salida: Ω

9 Amplificador Operacional Ideal R i R 0 0 A u = A. u sal d Amplifica la diferencia (En un amplificador real, existen apartamientos de lo anterior, aunque no suelen ser de gran importancia) (Se utiliza tanto en CC como en CA)

10 Amplificador Operacional Realimentado Negativamente (Inversor) I f R f Se desprecia el efecto de la corriente que se deriva por R i U i + R + R i + AU i R s U S ( ε 0 ) A R i ; R s 0 La entrada (-) del A.O. está al potencial de tierra, sin estar vinculada galvánicamente a ella. Es una tierra virtual. Por ella no se deriva corriente a tierra.

11 Aplicación de un Amplificador Operacional como Inversor U I = s U i R = I f = I R f f U i R + I I f + R i R f + AU i R s U s = U U U s R i R f = R R f = Af i Ganancia de lazo cerrado (Inversor) U i I R - + R f I f U s

12 Sumador Algunas operaciones típicas con Amplificadores Operacionales n s U (Suma ponderada) s = R U R U R U R n n

13 Integrador f U s 1 = I f dt C 1 s U I 1 f = R 1 Us = U1 RC dt

14 Comparador (se obtiene una salida digital a partir de una entrada analógica)

15 Esquema en bloques del proceso de Conversión Analógico Digital (CAD) Los dos primeros bloques generalmente se encuentran en un único circuito conocido como circuito sample and hold (S/H). Son necesarios cuando se deben digitalizar señales que varían con el tiempo. El cuantizador y el codificador generalmente están incluidos en un solo circuito denominado Conversor Analógico - Digital.

16 Muestreo Señales analógicas: en general tienen variaciones continuas. No existen valores prohibidos. Entre un valor y otro, existe una cantidad infinita de valores posibles. En el caso muy general dibujado, la señal puede tomar cualquiera de los valores comprendidos entre M(t 1 ) y M(t 2 )

17 La mayoría de las señales que aparecen en los circuitos comunes de medición son de naturaleza analógica (como también lo son las que interpretan nuestros sentidos, como el oído por ejemplo). Transformarlas en digitales, facilita su manejo (procesamiento mucho más sencillo) y su almacenamiento, y reduce, entre otras cosas, su sensibilidad a los ruidos. La base de la digitalización de señales radica en el teorema del muestreo ( ) : f m > 2 f má x.

18 Proceso idealizado: luego del filtro pasabajos de banda estrecha, se vuelve a tener la señal analógica original. La señal muestreada, si bien es discontinua, es todavía analógica pues no existen restricciones a los valores que puede tomar.

19 Muestreo y Retención Sample and Hold (S/H) Esquema elemental de un circuito de muestreo y retención

20 Proceso básico de Muestreo y Retención Señal analógica a muestrear Señal de salida de un circuito S/H (también analógica)

21 Cuantificación: Proceso por el cual las infinitas amplitudes posibles de la señal analógica de entrada se subdividen en un número predeterminado de valores. Se realiza en un bloque cuya transferencia es la siguiente: A la entrada continua u e, le corresponde la s salida discontinua u s Curva característica de transferencia de un bloque cuantificador de 8 niveles igualmente espaciados e

22 u s a A A: Rango dinámico (Rango de valores de la señal de entrada dentro del cual el error máximo entre la señal de entrada y la salida u e Cuantificación cuantificada es menor o igual que a/2) a: Paso de cuantificación s e M: Nº total de niveles de cuantificación a = A M 1 Proceso de cuantificación de una señal analógica t

23 Error de Cuantificación Aparece como consecuencia de que la señal de salida, cuantificada (discontinua), es una aproximación de la entrada, continua. El error de cuantificación será entonces sistemático e indeterminado, con valor límite: E c = ± a 2

24 Error de Cuantificación E c = ± a 2 La señal cuantificada en el nivel U i podría deberse a cualquier valor de amplitud comprendido entre U i -a/2 y U i +a/2. El error de cuantificación será tanto menor cuanto mayor sea el número de niveles posibles (para un mismo rango dinámico). Conviene utilizar el conversor a fondo de escala, a fin de minimizar el error relativo.

25 Codificación Codificar la señal cuantificada es darle una representación que sea de fácil manejo e interpretación, desde el punto de vista de los circuitos empleados (digitales). Codificación Decimal n n = dn* 10 + dn 1* d0 * 10 N + N 10 = dn dn 1... d0 Es la codificación más empleada en la vida cotidiana, pero cada uno de los los n coeficientes debe poder tomar 10 valores diferentes para lograr la representación.

26 Codificación Binaria Natural n n 1 0 N 2 = bn * 2 + bn 1* b0 * 2 N 2 = bn bn 1... b0 Es un sistema de codificación ideal: cada coeficiente sólo puede valer 0 o 1. A cada uno de los dígitos binarios b i se le da el nombre de bit (binary digit) Ejemplo: Decimal: 14 Binario: 1110 (1* * * * 2 0 )

27 La Codificación Binaria puede caracterizarse fácilmente: presencia o ausencia de tensión, nivel alto o bajo, señal positiva o negativa, etc. (dos estados netamente distinguibles) bit más significativo MSB 1110 bit menos significativo LSB binary digit Notar que la cantidad de niveles de discretización dependen del número de bits: M = n 2

28 Ejemplos: 3 cifras decimales 10 3 =1000 valores posibles (niveles) Resolución = 1/1000 (0,1 %) 3 bits 2 3 = 8 valores posibles (niveles) Resolución = 1/8 (12,5 %) Así, para tener una resolución adecuada en aparatos de medida, aún no demasiado exactos, se necesitan 8 bits o más. Nº de Bits Cantidad de niveles Resolución [%] , , , , ,002

29 Resumiendo: Conversión Analógico Digital (CAD) Los dos primeros bloques generalmente se encuentran en un único circuito conocido como circuito sample and hold (S/H). Son necesarios cuando se deben digitalizar señales que varían con el tiempo. El cuantificador y el codificador generalmente están incluídos en un solo circuito denominado Conversor Analógico - Digital. Luego, la señal es transcodificada a una forma más simple de entender por un operador humano, como por ejemplo un formato numérico decimal (3½, 3¾, 4½ dígitos) o un formato de "barras".

30 Errores de Digitalización Además del error de cuantificación ya mencionado, los sistemas de digitalización reales exhiben apartamientos de la característica ideal de transferencia que se traducen en nuevas fuentes de errores (citaremos sólo algunos de los más importantes) F.E. Falso Cero Error de Ganancia

31 Errores de Digitalización Error de Linealidad Error de Conmutación

32 Conversión Digital - Analógica (D/A) Una vez digitalizada la señal de entrada, muchas veces es necesario volver a convertirla en analógica para su uso posterior El último bloque (D/A) es un conversor Digital - Analógico: su entrada es una señal digital y su salida una analógica.

33 Conversores D/A ref s Convierte una señal Digital de n bits, en una Analógica a partir de una dada Tensión de Referencia. La señal u s será una tensión cuyo valor dependerá de una cierta relación entre u ref y la información contenida en la señal digital de n bits.

34 El Contador Binario pulso de reset

35 Ejemplo de un Contador Binario Natural de 3 bits