PARÁMEROS CARACERÍSOS (VIII/IX) CONVERSOR A/D () (I/II). El El será un un elemeno ideal (a (a excepción del iempo de de conversión ( ( C )) )) y sólo como disposiivo cuanificador no no muesreador. El El comienza a cuanificar con. Cuando finaliza lo lo noifica con FC. Alimenación pare analógica -VCC +VCC Alimenación pare digial - + Salida Digial n bis Fin de conversión (FC) Enrada Analógica Inicio Conversión () Reloj Oras señales de conrol 6 CONVERSOR A/D (I/II) En la lección previa a ésa denro del ema 6 de la programación propuesa de Subsisemas Analógicos, se explican en dealle el funcionamieno de los conversores A/D, esrucuras y diferenes modelos. Por ello aquí no se va a referenciar al funcionamieno de un ipo deerminado de conversor. Simplemene se modela el como un disposiivo de conversión A/D que iene una enrada analógica y genera una palabra digial de n bis de salida proporcional a esa señal de enrada. Para ello denro del amplio abanico de señales que pueden ener los s (muchas de ellas propias del modelo o configuración escogido) simplemene vamos a ener en cuena dos señales: : Señal de inicio de conversión. Cuando ésa se aciva se inicia el proceso de conversión de la señal de enrada. El por lo ano empieza a funcionar. FC: Señal de fin de conversión. Cuando el ha finalizado de ransformar el valor analógico en uno digial, genera un pulso noificando que se ha finalizado el proceso. Juso después de ese pulso el enra en un proceso inacivo. Con respeco a los parámeros caracerísicos de un, denro del gran conjuno de parámeros que hacen desviar el funcionamieno ideal del, sólo nos vamos a quedar con el iempo de conversión (C). Ése será el que necesie el desde que se da la orden de inicio de conversión hasa que el dao esá disponible a la salida. Ese iempo es propio de cada ipo de no exisiendo un valor ípico. Exisen oros errores propios de conversores (linealidad, ganancia,...) que se esudian en una lección poserior (Lección 20 del ema 6 del programa de SA). Una de las premisas sobre las que se pare en ese circuio, es que sólo funcione como elemeno cuanificador no como cuanificador y muesreador. Su jusificación se realizó previamene.
PARÁMEROS CARACERÍSOS (IX/IX) CONVERSOR A/D () (II/II). FC C DAO LISO INACIVO ACIVO INACIVO 7 CONVERSOR A/D (II/II) En la figura se refleja el cronograma básico de funcionamieno de un conversor A/D. En la pare superior se represena la señal de inicio de conversión (). En un insane deerminado se genera la condición de acivación y auomáicamene el comienza el proceso de conversión. Para ello uilizará un iempo (iempo de conversión ( C )) en que el ransformará su valor analógico en una palabra digial. Una vez finalizado ese iempo, es decir una vez que la palabra digial esé lisa, se genera un pulso en la señal FC (fin de conversión) que informará sobre el fin del proceso de conversión. Será a parir de ese momeno cuando se pueda dar de nuevo la orden de inicio de conversión. Así se denominará frecuencia de conversión a la cadencia de acivaciones de. Se puede deducir de una manera clara, que en el anerior (sin ningún ipo de elemeno exerno) esa frecuencia sólo se ve condicionada por el iempo de conversión.
MONOCANAL El sisema BÁSO de conversión A/D es el formado por un único conversor. Los parámeros a ener en cuena en ese sisema serán el c (iempo de conversión) y s (período de muesreo) Ve() FC s Sisema de conrol n bis 9 A coninuación se desarrollan diversos sisemas de conversión y preprocesado A/D, comenzando siempre por los más sencillos y poseriormene recorriendo diversas configuraciones. Cada una de ellas es ópima para unas deerminadas aplicaciones, exisiendo en odas ellas unas venajas e inconvenienes que poco a poco se irán desglosando. El análisis de los sisemas se realizará en base a dos de los parámeros más imporanes a la hora de elegir un sisema u oro: frecuencia de muesreo y frecuencia máxima de enrada en el conversor. El sisema más sencillo para realizar el proceso de conversión analógica digial, es el formado por un cuyas señales de conrol y esado son gesionadas adecuadamene por un sisema de conrol ideal. Se definirá el iempo de conversión (c) como el iempo que necesia el conversor para realizar una conversión. Ese iempo es variable en función del ipo de conversor uilizado (rampa, aproximaciones sucesivas, Flash,...). Se definirá como frecuencia de muesro () a la cadencia con que se aciva la señal de Inicio de Conversión () en el. Si el sisema conversor únicamene esá formado por un esa frecuencia no podrá ser superior al iempo de conversión que consuma el conversor. c
MONOCANAL Un parámero fundamenal es la fe. Esudio deallado de la señal de enrada. Ve() C c Ve() Durane el iempo de conversión la señal de enrada no es esable Qué valor se digializa? SOLUCIÓN: s Limiar la variación de la señal de enrada en c a un error máximo. Normalmene ±q/2 20 Según se observa en la figura cuando se da la orden de, el conversor necesia un iempo c para converir ese valor analógico. En qué insane de iempo se capura el dao para digializar? Qué valor se coge de los comprendidos en el inervalo de c? En principio no se puede asegurar ningún valor, sin embargo sí sabemos que si c fuera nulo conoceríamos con exaciud el valor analógico. Sin embargo esa hipóesis no es válida en ese circuio ya que en la realidad no exise un con c0. Si la señal de enrada no se maniene consane durane el c, el dao de salida que ofrece el circuio queda indeerminado en cuano al insane de iempo al que represena. Esa siuación origina un flujo de daos que no iene porqué corresponder a valores de la señal equiespaciados en el iempo, luego no se puede asegurar un muesreo periódico. Oro principio que nos podría valer para conocer el valor del dao analógico, o al menos un valor muy cercano a él, sería limiar la variación máxima de la señal de enrada. Si se acoa la variación máxima de la señal de enrada, al fin y al cabo lo que se esá haciendo es asumir un error de conversión y acoar ese error. El error que se va a asumir será como máximo q/2, valor ípico de un error inrínseco de conversores.
Vec ± q 2 c dve ± d fe Ejemplo: SISEMA DE ADQUISIÓN DE DAOS MONOCANAL q 2 c 2 (n+) π () dve d Si la señal de enrada es senoidal wvp 2πVpfe + N8 bis; c0µs 00Ks/s De (2): fe<50khz FE FE 2Vp q n n 2 2 De (): fe<62hz La La velocidad de de la la señal de de enrada esá muy limiada Uso de de Ora condición. A parir del eorema de Nyquis. fe < c 2 (2) 2 Por lo ano pariendo de la idea que el conversor necesia ener esable su señal analógica de enrada durane el iempo de conversión, y observando que en el circuio básico, esa condición es imposible de ener, se acoará las oscilaciones máximas de la señal de enrada a ±q/2 volios. Eso quiere decir que la variación de la señal de enrada máxima durane el iempo de conversión debe ser inferior al valor ±q/2. Pariendo de la condición anerior, se calcula a coninuación la frecuencia máxima de la señal de enrada para asegurar un error inferior a ±q/2. Para ello se pare de una onda seno a la enrada que cubre odo el rango del conversor Ve()Vp sen (w+φ) y SPAN2Vp y de un conversor genérico de n bis. Así desarrollando esas condiciones, se obiene una frecuencia de enrada máxima (Ec.()). Desde oro puno de visa y sabiendo que la velocidad máxima a la que el sisema puede ofrecer daos de salida viene marcada por el iempo de conversión del, se podría obener la frecuencia de enrada máxima a parir del eorema de Nyquis (Ec. (2)). En ese puno nos enconramos con dos condiciones que deerminan la máxima frecuencia de enrada, eniendo que elegir aquella que sea más resriciva. Claramene se puede comprobar que la frecuencia obenida por la Ec. () es mucho más resriciva que la (2). De odas formas paricularizando para un conversor de 8 bis y iempo de conversión de 0µs, resula que la frecuencia de muesreo puede ser de 00 ks/s pero la señal de enrada no puede presenar frecuencias superiores a 62 Hz. Se refleja de esa forma el mediocre funcionamieno del SAD básico gracias a la baja frecuencia de muesreo limiada por la baja frecuencia permiida de la señal de enrada. Por ello la aplicación de ese ipo de circuio se limia para señales de enrada de baja frecuencia.
MONOCANAL Sisema formado por un y un Ve() Ve () n bis V FC Sisema de conrol 22 SISEMA FORMADO POR UN Y UN. Las variaciones del nivel de la señal de enrada al en la oma de muesras limia drásicamene la frecuencia máxima de la señal de enrada al sisema, si bien el conversor es capaz de proporcionar un flujo muy alo de daos a su salida. Para disminuir la inceridumbre emporal resula de gran uilidad inroducir un circuio a la enrada del que sea capaz de muesrear la señal y manener el valor correspondiene a un insane bien deerminado durane el iempo que el conversor inviere en asignarle el código correspondiene. El elemeno que realiza la función comenada es el conocido como circuio de muesreo y reención. El esquema se represena en la figura superior reflejándose los erminales básicos de conrol (inicio de conversión del ) y (conrol de las acciones de muesreo y reención). El esudio de esa nueva configuración se pare desde dos punos de visa. Ello ayudará a la compresión del funcionamieno de ese sisema: como circuio ideal: Es un circuio que maniene la señal de enrada desde el momeno en que se acciona V. como elemeno real: El no es un circuio que acúa de manera inmediaa sino que necesia de unos iempos de respuesa propios de su configuración inerna y que aneriormene se explicaron.
MONOCANAL Esudio desde dos punos de visa:.. Sample & Hold: IDEAL. La La frecuencia de de muesreo sólo sólo viene limiada por por el el C C del del. S / H c c 0 La La frecuencia de de enrada viene limiada por por el el eorema de de Nyquis. > 2 fe fe 2 23 SAMPLE & HOLD IDEAL (I/II) Supueso el ideal, la frecuencia máxima de conversión del sisema es la inversa del iempo de conversión del ya que ahora exise un elemeno que maniene consane la señal de enrada a la hora de converir muesras. Con respeco a la frecuencia máxima de la enrada viene limiada por el eorema de Nyquis a la miad de la frecuencia de conversión, pues no exise inceridumbre emporal.
MONOCANAL Ve() Hold, Hold, Ahora la señal es consane durane el iempo de conversión del Ve () C Sample Ejemplo: N8 bis; c0µs fe 50 KHz 00Ks/s 24 SAMPLE & HOLD IDEAL (II/II) Se observa con los daos del ejemplo del sisema básico de conversión, que la frecuencia máxima de muesreo sigue siendo la misma, mienras que la máxima frecuencia de la señal de enrada ahora con el empleo de un ha aumenado considerablemene. Ese valor es oalmene ideal sin ener presene en ningún momeno parámeros inernos del que modificarán noablemene ese valor obenido.
MONOCANAL 2. Sample & Hold: REAL. Exisen una serie de parámeros que modifican el el resulado anerior: ) ) DROOP RAE. Debe limiarse su su valor para que no no supere ±q/2. Parámero dependiene de C H! 2) 2) ADQ ADQ AP ESH., AP, ESH. La frecuencia de conversión disminuye. Circuio de conrol más complejo. dvo DROOPRAE d ADQ ES S / H q ± c HOLD + c 2 25 SAMPLE & HOLD REAL (I/VI) En un real exisen unos parámeros que pueden modificar el resulado anerior. A coninuación se analizan sus efecos:.- Durane el modo reención en el cambia paulainamene la ensión de salida a un rimo caracerizado por el parámero velocidad de caída (DROOP RAE) en modo hold. Debe limiarse esa variación de ensión para que durane el inervalo de iempo que el inviere en la cuanificación no supere el valor ±/2LSB. Luego el uilizado no debe superar esa relación para no superar el error previso. Como aneriormene se explicó el valor de ese parámero viene condicionado por la elección de C H. 2.- Si se considera que el necesia un iempo para adquirir la señal desde que recibe la orden de muesreo ( ADQ ), y que ras la orden de reención debe ranscurrir el iempo de asenamieno de su señal de salida anes de comenzar la conversión, para lo cual inviere un iempo " AS " (incluye el de aperura AP ), la frecuencia de muesreo máxima, que es la inversa del iempo necesario para converir cada muesra, vale la expresión mosrada en la pare superior, donde ano el iempo de adquisición, como el de asenamieno (ambién conocido como de esablecimieno), dependerán enre oros parámeros de la C H. Se comprueba que la frecuencia de conversión disminuye sobre el esquema básico esudiado inicialmene. Además, es necesario un circuio de conrol que sea capaz de asegurar la ejecución de cada una de las acciones en el momeno correco.
De la expresión obenida en la ransparencia, se observa como la será máxima cuando enre oros aspecos ADQ fuera mínimo. Para ello C H debe ser baja, sin embargo nos enconramos ane el compromiso de aumenar el DROOPRAE a cosa de disminuir el SISEMA DE ADQUISIÓN DE DAOS MONOCANAL Ve () Ve ADQ ES fe 2 HOLD + c V Sample Hold Sample Ejemplo. c0µs; n8 bis, ADQ 2µs, ESHOLD 0.5 µs ADQ ap 80 Ks/s fe 40 KHz ES HOLD () c (2) Con el se aumena la fe pero los parámeros caracerísicos de ése, hacen disminuir noablemene los resulados ideales. 26 SAMPLE & HOLD REAL (II/VI) En esa ransparencia se presena el cronograma de funcionamieno del sisema formado por un y un eniendo presene los iempos caracerísicos de ése. El cálculo de la expresión de la frecuencia de enrada máxima se realiza en base al eorema de Nyquis. Pero cuál es la frecuencia de conversión máxima? Ahora el cálculo no es an rivial como ocurría anes cuando el era ideal. Ahora enemos que ener presenes los iempos de aperura, adquisición y esablecimieno en modo HOLD. Para ello es imprescindible analizar la obención del cronograma superior. Dicho cronograma esá dividido en 3 gráficas (de arriba abajo): Señal de enrada al (Ve()) y al (Ve ()), Señal de conrol del (V ) y señal de inicio de conversión del (). El sisema comienza con una orden de muesreo. Esa orden debe esar como mínimo el iempo de adquisición propio del. Una vez finalizado ese iempo se emie la orden de inicio del modo de reención. Hasa que la señal de salida del no esé esabilizada, es decir hasa que no finaliza el ransiorio (caracerizado por ESH ), no se puede emiir la orden de inicio de conversión del. Juso cuando finaliza ese iempo se comienza a converir. La señal de enrada ahora es consane (a excepción del efeco provocado por el DROOPRAE) eviando la inceridumbre de conversión que se enía en el circuio básico. El necesia un iempo para la generación del dao digial (iempo de conversión) y una vez que finaliza ese iempo se puede acivar de nuevo la orden de muesreo y comenzar oro período de adquisición y conversión. odo ese iempo de muesreo dependerá del iempo de adquisición, el iempo de esablecimieno en modo HOLD (el iempo de aperura esá incluido en él) y de nuevo por el c.
MONOCANAL 3) 3) INCERIDUMBRES EN EL EL MUESREO PERIÓDO: ((JIER). Variación en en la la periodicidad de de oma de de muesras. res fuenes: Jiers a considerar No se considerará por suponer ideal el elemeno de conrol Inceridumbre en en el el iempo de de aperura: iempo que que ranscurre desde que que se se da da la la orden de de Hold Hold hasa que que la la ejecua (J (J AP ). AP ). Ruido asociado a la la señal de de conrol del del (J (J Vs/h ). Vs/h ). Inceridumbre asociada al al iempo ranscurrido enre flancos de de la la señal de de conrol. Se Se acoará el el error a un un valor inferior a ±q/2. 27 SAMPLE & HOLD IDEAL (III/VI) Un inviere un iempo en ejecuar la orden de paso a modo reención conocido como iempo de aperura. Ese reraso, ya conemplado aneriormene al calcular la frecuencia de conversión, en principio no iene ninguna imporancia, salvo en aplicaciones donde es fundamenal que las muesras represenen a insanes de iempo concreos, como pueden ser aplicaciones con conrol digial. El problema surge al evaluar la consancia del iempo de aperura, así como la periodicidad de la señal que genera la orden de paso a modo reención. Esos parámeros siempre presenan una inceridumbre denominada Jier del iempo de aperura y de la señal, que se expresa en ns rms ó ps rms.
MONOCANAL Inceridumbre en en el el iempo de de aperura (J (J AP ). ). Señal muesreada ) ) 2 2 (J AP ). Desde que se da la orden de modo HOLD, hasa que el la ejecua ranscurre un iempo (ap) Insanes de muesreo 3 4 3 ) 3 3 ) 4 4 Problemáica analóga al circuio de conversión básico (variación en la señal de enrada) 28 SAMPLE & HOLD IDEAL (IV/VI) Para modelar el efeco del Jier del iempo de aperura se recurre a la figura superior. En ésa se observa que las ampliudes finalmene cuanificadas no corresponden a períodos de iempo equiespaciados, exisiendo una diferencia enre las ampliudes reales e ideales de la señal muesreada. Esa diferencia aumena al hacerlo ano el incremeno en el insane de muesreo, como la velocidad de variación de la señal muesreada. Como ambos no son consanes para cada muesra, los errores producidos en cada proceso son diferenes, dando lugar a diferenes méodos para imponer límies al Jier de la señal de muesreo: Limiar la ampliud del error máximo en cada muesra. Si el Jier es periódico, el análisis resula en un valor de pico del Jier. Por el conrario, si es una señal aleaoria se obiene su valor eficaz y una probabilidad asociada. Limiar la poencia oal de ruido inroducida en la señal digializada y no en cada muesra. Si el Jier es periódico, el análisis proporciona su valor de pico o eficaz y si es aleaorio el valor eficaz. Limiar la poencia máxima de las diferenes componenes de ruido que aparecen en el especro de la señal digializada o la densidad especral máxima de poencia de ruido, caracerizándose el Jier igual que en el supueso anerior.
MONOCANAL Ruido asociado a la la señal de de conrol del (J (J Vs/h ) Señal de muesreo (J Vs/h ) Señal de muesreo Inicio de muesreo a. b. Si el flanco de la orden de conrol es abrupo, la influencia del ruido es nula. ) ideal Las señales reales no ienen flancos an abrupos, presenan unos iempos de subida y bajada Las órdenes de muesreo son variables en cada flanco 29 SAMPLE & HOLD IDEAL (V/VI) Esa úlima aporación es debida a que el sisema de muesreo inerprea la orden cuando la señal digial que le comanda supere un umbral de ampliud deerminado. Dicha señal digial siempre esá conaminada con un ciero nivel de ruido, que si el diseño no es mediocre, presena un valor muy inferior al de la señal digial. Si el flanco acivo de dicha señal es compleamene abrupo la influencia del ruido es nula, al y como se comprueba en la figura (a). Por el conrario, las señales de conrol reales presenan unos iempos de subida y bajada no nulos, por lo que el ruido origina que las órdenes de muesreo se produzcan en un insane de iempo diferene del ideal y variable en cada flanco, al y como se muesra en la figura(b). Análogamene, el umbral de ampliud que debe ser aravesado para inerprear la orden de muesreo no es consane, sino que esá afecado por ruidos procedenes de la alimenación del circuio de muesreo y ora circuiería inegrada en el mismo disposiivo. El Jier exraído de las hojas de caracerísicas de los fabricanes de subsisemas de muesreo y de generación de la señal de muesreo presuponen un ruido en las alimenaciones despreciable, incluyendo el dao proporcionado el reso de fenómenos inernos. Por consiguiene, la enumeración de fuenes de Jier realizada aneriormene se puede maizar, resulando: Jier proporcionado por el fabricane del subsisema de muesreo y de generación de la señal de muesreo. Jier producido sobre los subsisemas aneriores por el ruido en sus alimenaciones. Jier producido por el ruido que se acopla en la ransmisión de la señal de muesreo desde el subsisema generador hasa el de muesreo. Las caracerísicas de las diferenes fuenes de Jier dependen del proceso que las origina. En las siuaciones prácicas el Jier puede ser una variable aleaoria o una función periódica.
MONOCANAL Cálculo de Jiers en el SAD propueso. J ( ap+ / H ) V S Vs dve d S / H S / H ( ap + VS / H ) dve ( Jap + JV S ) ± / H d q 2 fe (n ) 2 + π (J ap + J V ) Conclusión. Aparece una nueva limiación en la frecuencia máxima de la señal de enrada. Suele ser la más resriciva. Para una señal senoidal Ejemplo. J ap +J Vs/h 20ps; n2 bis; fe 40 KHz 30 SAMPLE & HOLD IDEAL (VI/VI) En las expresiones aneriores el cálculo del Jier máximo depende de las caracerísicas de las dos aporaciones que lo forman. Normalmene, la aporación debida al se puede caracerizar como una variable aleaoria con función de densidad gaussiana, mienras que la aporación producida por la señal de conrol puede esar formada por diferenes aporaciones, unas aleaorias y oras deerminísicas. El esudio en rigor del Jier se sale de las preensiones de ese exo. En la prácica, más que un análisis del peor caso, se realiza una evaluación de las poencias de ruido producidas por el Jier, limiándolas por ejemplo al valor del ruido de cuanificación.
MULANAL Ahora el el objeivo es digializar varios canales de enrada. Supondremos muesreo secuencial, se va conmuando los disinos canales de enrada de manera secuencial. Los efecos de Jiers son los mismos que anes marcados por el el. Dos posibles soluciones. Usar ( ( + ) por cada canal de de enrada. Usar muliplexor + +. Empleo de amplificadores en SAD mulicanal. 32 INRODUCCIÓN SAD MULANAL. A coninuación el objeivo es analizar diversas configuraciones que permian la conversión de varios canales. Esa conversión será periódica y cíclica, es decir el iempo que debe ranscurrir enre canal y canal será el mismo y cuando haya finalizado de muesrear el úlimo canal se comenzará de nuevo por el primero. Se presenarán diversas configuraciones, presenando en cada caso las venajas e inconvenienes que presenan cada una. Primeramene se comenzará por la configuración más sencilla que podría ser la formada por un y un por cada canal de enrada con un sisema de conrol encargado de ir conmuando adecuadamene cada uno de los canales. Como mejora a esa configuración se presenará la configuración formada por un muliplexor analógico (cuyo funcionamieno y caracerísicas se presenó al principio de ese ema), un y un. Esa configuración requerirá de nuevo un análisis exhausivo de las diferenes areas de esos elemenos para opimizar su funcionamieno. Sobre ese sisema se desarrollará una modificación para sisemas con muesreo simuláneo. Por úlimo en ese aparado se describirá la influencia de Amplificadores en esas úlimas configuraciones.
ª ª SOLUCIÓN. + por canal. SISEMA DE ADQUISIÓN DE DAOS MULANAL Ve () Ve 2 () V Ve () FC Ve () n bis n2 bis V 2 Ve m ()... Ve m () FC 2 2 nm bis V m FC m m FC FC 2 FC m... Sisema de conrol... V 2... V 33 2 m PRIMERA SOLUCIÓN: + POR CANAL. (I/II) Sin duda alguna esa puede ser la solución más sencilla que uno se puede planear a la hora de desarrollar un sisema que se encargue de digializar múliples canales de enrada. Cada subsisema de conversión ( + ) endrá 3 señales de conrol o esado: V, y FC. odas ellas son llevadas al sisema de conrol que se encargará de ir conmuando paulainamene cada subsisema cuando el anerior haya finalizado.
MULANAL Secuencia de conversión de un canal V Sample ADQ ap ES HOLD () Hold Sample (2) VENAJAS: Conrol fácil por pare del Sisema de Conrol Elevada INCONVENIENES: Cososo. Elevado número de señales de conrol. Muchos buses de daos. El subsisema más leno impondrá SOLUCIÓN ( ADQ c ES HOLD + c ) SOLAPAR LAS AREAS PARA SÓLO USAR! ESO IMPLARÁ UN ESUDIO DEALLADO DEL ANÁLISIS EMPORAL fe fe f (Jiers) 2 34 PRIMERA SOLUCIÓN: + POR CANAL (II/II) Desde luego ese ipo de sisema posee un número mayor de inconvenienes que de venajas. Enre ellos se puede enconrar el excesivo número de circuios a uilizar con el incremeno de precio que lleva asociado (ano por el uso de componenes como el espacio que ocuparía en una placa PCB). A mayor número de canales de enrada, mayor número de señales disponibles de enrada/salida, así como buses de daos (obviamene se necesiará un bus de daos por cada conversor) deberá ener el Sisema de conrol, por lo que para un sisema de muchos canales de enrada, resula inviable el uso de un Sisema de Conrol muy poene (ya que el aumeno del número de erminales suele esar asociado a la poencia del Sisema, hágase una comparaiva con un microprocesador o un microconrolador). Como aspecos posiivos únicamene se puede desacar, el funcionamieno del Sisema de Conrol, ya que ése sólo deberá acivar V, así como la frecuencia de conversión. Ésa posee un valor idénico al que se desarrolló aneriormene para un sisema basado en un +. Sin embargo ese valor sólo es el referene a canal, por lo que la expresión final dependerá de los N canales de enrada. Si se desea un sisema mulicanal periódico, el valor de la frecuencia de muesreo vendrá limiado por el valor del subsisema + más leno. Cómo alernaiva a ese sisema se propone el esudio de un sisema que posea sólo un para digializar N canales de enrada seleccionados a ravés de un muliplexor analógico de enrada, realizando solapamieno de areas.
MULANAL 2ª SOLUCIÓN. MUX++ Ve () Ve 2 () Ve N ()... MULIPLEXOR Ve() Cambio Canal V Ve () FC Cuándo es el momeno adecuado para cambiar de canal? n bis Sisema de conrol 35 SEGUNDA SOLUCIÓN: SISEMA FORMADO POR UN MULIPLEXOR, UN Y UN (I/III) A coninuación se propone un nuevo sisema que opimiza los coses así como el amaño ocupado por el sisema anerior. Evidenemene el sisema endría la misma velocidad de muesreo que el sisema anerior si el muliplexor de enrada fuera ideal, en cuano a que auomáicamene, nada más acivar el cambio de canal de enrada, la señal de enrada de ése (Vei()) se reflejará en su salida (Ve()). De la figura se puede observar como el Sisema de Conrol reduce noablemene su complejidad, desde el puno de visa de señales de conrol y daos, con respeco al circuio anerior. Ahora sólo se debe encargar de gesionar y acivar correca y coherenemene las señales de cambio de canal del muliplexor, V, y FC del. Sin embargo, ahora surge la siguiene cuesión: Cuándo es el momeno más adecuado para cambiar de canal de enrada? Para conesar la preguna se proponen dos posibles secuencias que se desarrollan en la siguiene ransparencia.
MULANAL Secuencia.. Selección del canal analógico en en el el muliplexor, muesreo del, conversión del, selección canal analógico 2, 2,...... Se Se desperdician iempos ya ya que que no no se se opimiza la la.. N*( ES MUX ADQ ES + HOLD c ) Secuencia 2. 2. Selección canal analógico,, muesreo del, conversión y selección canal próximo,...... Solape de de areas.. Problemas de de acoplo enre E/S E/S en en modo Hold Hold en en el el.. CANAL CANAL 2 CANAL 2 CANAL 3 CANAL 4 36 SEGUNDA SOLUCIÓN: SISEMA FORMADO POR UN MULIPLEXOR, UN Y UN (II/III) Dos son las posible secuencias de conrol de funcionamieno del sisema anerior: Secuencia. La primera secuencia de acuación que uno puede razonar sería la siguiene: Acivo un canal de enrada, muesreo y reengo en el y cuando haya finalizado el iempo de esablecimieno del acivo la conversión del. Cuando ése haya finalizado se esá en condiciones de realizar el proceso de adquisición y conversión del siguiene canal analógico de enrada, ec. Ese ipo de secuencia, oalmene válida, no es del odo efeciva, ya que aunque su funcionamieno es muy sencillo no opimiza el iempo oal de muesreo. Secuencia 2. La segunda opción que se planea se basa en el solapamieno de areas. Eso lleva implício una mayor complejidad para el Sisema de Conrol, que el caso anerior, pero genera un valor mayor de la frecuencia de muesreo. Sin embargo aparecen efecos secundarios no deseados como son acoplamienos enre la enrada y la salida en el. El funcionamieno se basa en la siguiene secuencia: Selección de un canal analógico, muesreo del, (cuanificación del y selección del siguiene canal analógico en el mismo inervalo de iempo), muesreo del,... El solape de las areas de cuanificación y selección de canal reduce el iempo necesario para la conversión de los diferenes canales y permie obener la máxima velocidad de funcionamieno del sisema.
MULANAL V Sample Hold Sample Frecuencia de de muesreo máxima para un un canal. MULIPLEXOR ADQ ap INACIVO CANAL I ESH () (2) ACIVO c CANAL J (3.) MIN MIN ADQ APS / H X INACIVO X mayor{ ES, } HOLD AP C ESMUX (3.2) Frecuencia de de muesro máxima para N canales. N * MIN ESMUX fe fe f (Jiers) 2 37 SEGUNDA SOLUCIÓN: SISEMA FORMADO POR UN MULIPLEXOR, UN Y UN (III/III) Un muliplexor inviere un iempo en conmuar de canal. Si se desea que esa limiación afece lo menos posible a la frecuencia máxima de muesreo se debe diseñar el circuio de conrol para que genere la orden de cambio de canal cuando el esé en modo reención. Si el iempo de cambio de canal del muliplexor es inferior al de conversión del, la velocidad de muesreo máxima no se ve afecada al inroducir el muliplexor, que suele ser el caso normal. De cualquier manera, la expresión general de la frecuencia de muesreo máxima se presena en la pare superior derecha de la rasparencia, donde ha sido diferenciado el iempo de asenamieno propiamene dicho y el de aperura, pues el cambio de canal se puede realizar una vez abiero el. La ecuación anerior pare del hecho de que el circuio de conrol es capaz de dar la orden de cambio de canal juso en el insane en que empieza el modo hold. El cumplir esa condición puede complicar en la prácica el circuio de conrol, por lo que lo normal es que la orden se presene reardada respeco a ese insane, modificándose así la expresión anerior. El iempo de conmuación del muliplexor debe incluir odos aquellos que aseguren que el error en su ensión de salida esé siuado por debajo de ±/2LSB. Con respeco a los errores provocados por el Jier, siguen siendo los mismos que anes. J ( ap+ / H ) V S
MULANAL UNA VARIANE: MUESREO SIMULÁNEO. Ve () Ve 2 () Ve m () Ve () Ve 2 ()... Ve m () MULIPLEXOR Cambio Canal Ve () FC n bis V Sisema de conrol 38 MUESREO SIMULÁNEO (I/II). La figura superior represena un sisema de conversión mulicanal con muesreo simuláneo. Ese ipo de configuración es muy uilizado en aquellas aplicaciones en las que es necesario adquirir el valor de diferenes señales de enrada, en prácicamene, el mismo insane de iempo. Ese ipo de configuración posee un número mayor de circuios que la anerior, pero sin embargo, como a coninuación se jusificará, se consigue en general una mayor frecuencia de muesreo. Se observa que para conseguir eso odos los ienen unidas las señales de conrol. Por ello el sisema de conrol ejecuará una secuencia muy sencilla. Muesreo. Reención. Cambio de canal. Inicio Conversión. Cambio de canal....
V Sample ADQ MULIPLEXOR ap CANAL I ESH INACIVO SISEMA DE ADQUISIÓN DE DAOS MULANAL () Hold CANAL J (2) c ACIVO (3) CANAL L (4) Frecuencia de de muesreo máxima para N canales. c ADQ ES HOLD + ( ES MUX Conclusiones. ) * N Se Se consigue una una mayor frecuencia de de muesreo. La La frecuencia de de enrada se se acoa a ravés del del eorema de de Nyquis y los los Jiers. C ESMUX ESMUX 39 MUESREO SIMULÁNEO (II/II). Anes de proceder al análisis de ese sisema, vamos a suponer las siguienes condiciones. La secuencia de selección de canales comienza con un canal que no esé seleccionado en ese momeno. No se puede asegurar que la salida del muliplexor esá esabilizada hasa que ha rascurrido al menos el ESMUX, desde la esabilización de la señal de la enrada seleccionada. Por lo ano si en el mismo insane de iempo se producen las órdenes de paso a hold y selección de canal, el iempo mínimo que debe ranscurrir para asegurar una señal esable a la enrada del es ESMUX + ESH. El funcionamieno del sisema será el siguiene.. El se aciva en modo muesreo y debe permanecer en ése durane al menos el iempo de adquisición. 2. A coninuación se coloca el en modo reención y el dao debe permanecer esable por lo menos el iempo de reención en modo hold. 3.Una vez que el dao esá esabilizado se puede proceder a la orden de cambio de canal. 4. El deberá de esperar el ESMUX, para iniciar el proceso de conversión ya que asegurará que el dao esé correcamene a su enrada. 5. Es juso en ese momeno cuando se aciva el y conviere la enrada analógica en un dao digial. 6. Cuando finaliza el el Sisema de Conrol conmua de canal y como el dao del nuevo canal ya esá esabilizado el sólo debe esperar el ESMUX para iniciar una nueva conversión.
MULANAL Efeco de de Amplificadores en en SAD mulicanal. Se suele usar para adapar los los diferenes rangos de de ampliud de de los los canales. Ve () Ve 2 () Ve N ()... MULIPLEXOR Ve() AGP V Ve () FC n bis Cambio Canal Es someido a variaciones bruscas en la enrada Consideraremos su iempo de esablecimieno Sisema de conrol 40 Efeco de Amplificadores en SAD mulicanal (I/III). En muchos SAD suele ser habiual el uso de Amplificadores para ajusar el rango de las señales al SPAN del, así como elemeno de adapación de impedancias. Esa écnica habiual, no esá exena de realizar los efecos derivados de su uso. Se esudiará desde dos punos de visa. a) Colocación de un amplificador en la salida de un muliplexor (figura superior). b) Colocación de un amplificador en la salida de un muliplexor para un sisema mulicanal con muesreo simuláneo. El amplificador, recoge la señal de salida del MUX y adecua su valor a la enrada del. Como cualquier circuio elecrónico no se compora como un elemeno ideal. De los múliples efecos secundarios que posee, es objeo de inerés, únicamene analizar aquellos que influyan en la frecuencia de muesreo del sisema. Por ello, sin enrar a analizar qué ocurre con el Slew-Rae del operacional sobre el ancho de banda, sí debemos ener presene que el amplificador necesia ambién un iempo de esabilización ( ESA ) para que la señal de salida de ése, permanezca consane y pueda ser uilizada por el con oal garanía.
MULANAL () MUX+AMPL ESH ADQ AP (2) (3) C CANAL CANAL 2 ADQ (4) AP (5) Frecuencia de de muesreo máxima para un un canal. X MIN mayor { Frecuencia de de muesro máxima para N canales. ADQ ES HOLD f ( ES MUX MIN APS / H AP, N * ES A MIN ) X C, } 4 Efeco de Amplificadores en SAD mulicanal (II/III). El esudio del SAD anerior se inicia pariendo de la selección de un canal por pare del muliplexor. La señal de salida del muliplexor esará esabilizada una vez pase ESMUX. Mienras ha pasado ese iempo, el amplficador ha esado funcionando, ya que no posee una señal de habiliación como ienen el reso de circuios, por lo que ha esado amplificando una señal que no era válida. Cuando finaliza ESMUX, el amplificador ambién necesia un iempo de esabilización de la señal de salida ( ESA ). El sisema de conrol debe ener presene ambos iempos ya que hasa que no ranscurra ese inervalo ( ESMUX + ESAO ) no se puede iniciar el proceso de muesreo. Cuando ese iempo ranscurre, el funcionamieno del subsisema formado por el +, inicia el mismo proceso que el expueso en sisemas mulicanal sin amplficadores. El mecanismo para lograr una frecuencia de muesreo máxima sería idénico, es decir cuando ha finalizado el AP proceder al cambio de canal con el muliplexor. El cálculo de la frecuencia de muesreo sería el siguiene. En el sisema exisen cieros iempos que son imposibles de opimizar. Ese es el caso del ADQ y AP del. El reso de los iempos requieren un análisis especial. Se debe ener presene que el iempo a ener en cuena, será bien el iempo empleado en pasar una señal analógica de enrada desde un canal del muliplexor al o el iempo que ranscurre hasa que se esabiliza la señal del más el iempo de conversión del. El érmino mayor será el que se deba ener en cuena.
MULANAL En la la configuración +MUX+N* el elefeco es análogo al al circuio anerior Ve () Ve 2 () Ve m () Ve () Ve 2 ()... Ve m () MULIPLEXOR Cambio Canal Ve() AGP FC n bis V Sisema de conrol ADQ + ( ES HOLD C )* N f ( ES, MUX ESA ) 42 Efeco de Amplificadores en SAD mulicanal (III/III). Requiere ambién especial aención el análisis del efeco de amplificador en SAD mulicanal con muesreo simuláneo. La esrucura presenada es similar a la visa aneriormene. Ahora enre el y el MUX se coloca un amplificador. El análisis será muy parecido al expueso sobre el sisema basado en un. La primera acción que se realizará será el proceso de muesreo y reención en odos los canales de manera simulánea. Una vez que las señales de enrada esén preparadas, es decir cuando haya ranscurrido el iempo de esablecimieno en modo hold, se procede al cambio de canal. La señal de enrada al se deberá converir cuando haya finalizado el iempo de esabilización del MUX y del amplificador. Cuando ese iempo haya finalizado se puede dar una nueva orden de cambio de canal. La expresión obenida es idénica a sisemas de conversión mulicanal con muesreo simuláneo, añadiéndole a la ciada el iempo de esablecimieno del amplificador.