analogico - digital.pptx
TRANSCRIPT
ANALOGICO - DIGITALADC
CONVERTIRDOR ADC
Un transductor permite relacionar las señales del mundo real y sus análogas eléctricas. Para compatibilizar la información con un sistemas digital, se requiere de convertidores de datos del tipo ADC o DAC, según corresponda.
CONVERSION BÁSICA DE SEÑALES
Características
Características Estáticas •Resolución•Linealidad•Monotonicidad•El error de ganancia, el error de Desplazamiento (off- set) y el error de cuantificación•Velocidad
Características Dinámicas•Tiempos de conversión•tiempo de adquisición•tiempo de asentamiento•slew rate
Ventajas:- No introduce ruidos en la transmisión.- Se guarda y procesa mucho más fácilmente que la analógica.- Posibilita almacenar grandes cantidades de datos en diferentes soportes- Permite detectar y corregir errores con más facilidad.- Permite realizar regrabaciones sucesivas sin que se pierda ninguna generación y, por tanto, calidad.- No la afecta las interferencias atmosféricas (estática) ni de otro tipo cuando se transmite por vía inalámbrica, como ocurre con las transmisiones analógicas.
Desventajas:
-Para su transmisión requiere un mayor ancho de banda en comparación con la analógica.
- La sincronización entre los relojes de un transmisor inalámbrico digital y el receptor requiere que sea precisa, como ocurre con el GPS (Global Positioning System - Sistema de Posicionamiento Global).
-Las transmisiones de las señales digitales son incompatibles con las instalaciones existentes para transmisiones analógicas.
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL
Sistema de adquisición de datos
Sistema De Adquisición de Datos 1.-PROCESOS DE ADQUISICIÓN DE DATOS
1.1-SENSORES
1.2-ACONDICIONADOR DE SEÑAL
1.3-TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS
1.4-COMPUTADOR DE PROCESAMIENTO
1.1-Sensores LOS SENSORES SON DISPOSITIVOS CAPACES DE CONVERTIR UNA MAGNITUD FÍSICA, COMO PUEDE SER LA TEMPERATURA, LA PRESIÓN, EL VALOR DE PH, ETC., ... EN UNA DIFERENCIA DE POTENCIAL O UNA VARIACIÓN DE INTENSIDAD. ES DECIR, REALIZAN UNA CONVERSIÓN DE ENERGÍAS Y SUMINISTRAN INFORMACIÓN SOBRE EL ESTADO Y TAMAÑO DE LA MAGNITUD.
LOS SENSORES INFORMAN DE SU ENTORNO Y ADEMÁS ESA INFORMACIÓN ES CUANTIFICABLE, ES DECIR, MEDIBLE POR ALGÚN INSTRUMENTO.
Sensores Detectores de ultrasonidos
EN LA ACTUALIDAD, LA MAYOR PARTE DE LOS SENSORES:
· GENERAN UNA SALIDA EN TENSIÓN O CORRIENTE, O BIEN,
· MODIFICAN UNA PROPIEDAD QUE PUEDE SER EVALUADA DE FORMA ELÉCTRICA.
CADA UNO DE ESTOS SENSORES TIENE UNAS CARACTERÍSTICAS PROPIAS Y GENERA UNA TENSIÓN O INTENSIDAD DETERMINADA, POR LO QUE ESTAS SEÑALES TIENEN QUE SER ADAPTADAS PARA SER TRATADAS EN UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS.
EN EL TRATAMIENTO DE IMAGEN Y SONIDO,. LOS SENSORES MÁS UTILIZADOS SON
· MICRÓFONO: CAPTA LA INFORMACIÓN SONORA
SE PROPAGA POR EL AIRE.
· CÁMARA: CAPTA LA INFORMACIÓN VISUAL.
1.2-Acondicionador de señalEL OBJETIVO DEL ACONDICIONADOR DE SEÑAL ES GENERAR, A PARTIR DE LO OBTENIDO POR LOS SENSORES, UNA SEÑAL QUE SEA ACEPTABLE POR LAS TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS. LAS TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS SUELEN ADMITIR NIVELES DE TENSIÓN QUE VAN ENTRE UNOS MÁRGENES DETERMINADOS: -10V A 10V, 0 A 10V, 0 A 5V, ETC., ...
LAS FUNCIONES PRINCIPALES QUE VA A TENER QUE REALIZAR EL ACONDICIONADOR DE SEÑAL SON LAS SIGUIENTES:
· TRANSFORMACIÓN
· AMPLIFICACIÓN
· CONVERSIÓN POR MEDIO DE OPTOACOPLADORES
· FILTRADO
· EXCITACIÓN
· LINEALIZACIÓN
EL ÚLTIMO PASO EN UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS SON LAS TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS, ESTÁS TARJETAS SE ENCARGAN DE:
· LAS CONVERSIONES DE SEÑALES DESDE ANALÓGICA A DIGITAL. ADC.
· LA COMUNICACIÓN CON EL ORDENADOR.
CARACTERÍSTICAS:
COMO CARACTERÍSTICAS MÁS RELEVANTES DE UNA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ESTÁN:
· NÚMERO DE CANALES ANALÓGICOS
· VELOCIDAD DE MUESTREO
· RESOLUCIÓN
· RANGO DE ENTRADA.
· CAPACIDAD DE TEMPORIZACIÓN.
· FORMA DE COMUNICARSE CON EL COMPUTADOR.
1.4-Computador de ProcesamientoEN PRINCIPIO, UN COMPUTADOR ES UNA MÁQUINA DE USO GENERAL CUYA FALTA DE ESPECIALIZACIÓN Y BAJA VELOCIDAD LO HACÍAN, ANTIGUAMENTE INADECUADA PARA APLICACIONES DE TRATAMIENTO DE IMAGEN Y SONIDO. ACTUALMENTE, CON LAS NUEVAS FAMILIAS DE PROCESADORES SE ALCANZAN LAS VELOCIDADES DE EJECUCIÓN QUE SE PRECISAN PARA CUBRIR LA MAYOR PARTE DE LAS NECESIDADES.
POR OTRA PARTE, UN PC QUE PRETENDE RELACIONARSE CON EL EXTERIOR NECESITA DE UNA VÍA DE COMUNICACIÓN, UN CANAL DE TRANSMISIÓN Y RECEPCIÓN DE DATOS.
LAS INTERFACES HABITUALES ENTRE EL ORDENADOR Y EL USUARIO
SON, COMO SABEMOS:
· EL TECLADO PARA LA ENTRADA DE DATOS
· LA PANTALLA O IMPRESORA PARA LA SALIDA DE DATOS.
· OTRA POSIBILIDAD ES LA COMUNICACIÓN A TRAVÉS DE UN MÓDEM QUE UTILIZA LA LÍNEA TELEFÓNICA Y QUE PERMITE LA TRANSMISIÓN DE DATOS DE UN ORDENADOR A OTRO.
cuantizacion y muestreo
CONVERSIÓN ANALÓGICO DIGITAL
Para realizar esa tarea, el conversor ADC (Analog-to-Digital Converter - Conversor Analógico Digital) tiene que efectuar los siguientes procesos:
1.- Muestreo de la señal analógica.2.- Cuantización de la propia señal3.- Codificación del resultado de la cuantización, en código binario.
Representación gráfica de medio ciclo positivo (+) , correspondiente a una señal eléctrica analógica de sonido, con sus correspondientes armónicos. Como se podrá observar, los valores de variación de la tensión o voltaje en esta sinusoide pueden variar en una escala que va de “0” a “7” volt.
Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar un muestreo (sampling)de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras de tensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal. La frecuencia a la que se realiza el muestreo se denomina razón, tasa o también frecuencia de muestreo y se mide en kilohertz (kHz). En el caso de una grabación digital de audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá la señal digital resultante.
Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensión o voltaje existente en diferentes puntos de la sinusoide, con la finalidad de realizar a continuación el proceso de cuantización.
Las tasas o frecuencias de muestreo más utilizadas para audio digital son las siguientes:
24 000 muestras por segundo (24 kHz)
30 000 muestras por segundo (30 kHz)
44 100 muestras por segundo (44,1 kHz) (Calidad de CD)
48 000 muestras por segundo (48 kHz)
Para realizar el muestreo (sampling) de una señal eléctrica analógica y convertirla después en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de tensión o voltaje a intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal.
Por tanto, una señal cuyo muestreo se realice 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, requiriendo también un espacio mucho mayor para almacenarla en un CD o un DVD.
En la grabación de CDs de música, los estudios de sonido utilizan un estándar de muestreo de 44,1 kHz a 16 bits. Esos son los dos parámetros requeridos para que una grabación digital cualquiera posea lo que se conoce como “calidad de CD”.
CONDICIÓN DE NYQUIST
El ingeniero sueco Harry Nyquist formuló el siguiente teorema para obtener una grabación digital de calidad:
“La frecuencia de muestreo mínima requerida para realizar una grabación digital de calidad, debe ser igual al doble de la frecuencia de audio de la señal analógica que se pretenda digitalizar y grabar”.
Este teorema recibe también el nombre de “Condición de Nyquist”.
Es decir, que la tasa de muestreo se debe realizar, al menos, al doble de la frecuencia de los sonidos más agudos que puede captar el oído humano que son 20 mil hertz por segundo (20 kHz). Por ese motivo se escogió la frecuencia de 44,1 kHz como tasa de muestreo para obtener “calidad de CD”, pues al ser un poco más del doble de 20 kHz, incluye las frecuencias más altas que el sentido del oído puede captar.
Cuantización de la señal analógica
Una vez realizado el muestreo, el siguiente paso es la cuantización (quantization) de la señal analógica. Para esta parte del proceso los valores continuos de la sinusoide se convierten en series de valores numéricos decimales discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original.
Por tanto, la cuantización representa el componente de muestreo de las variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el sistema numérico decimal, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario.
Proceso de cuantización (quantization) de la señal eléctrica analógica para su conversión en señal digital.
Codificación de la señal en código binario
Después de realizada la cuantización, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario.
En este ejemplo gráfico de codificación, es posible observar cómo se ha obtenido una señal digital y el código binario correspondiente a los niveles de voltaje que posee la señal analógica.
La siguiente tabla muestra los valores numéricos del 0 al 7, pertenecientes al sistema decimal y sus equivalentes en código numérico binario. En esta tabla se puede observar que utilizando sólo tres bits por cada número en código binario, se pueden representar ocho niveles o estados de cuantización.
Y en esta otra tabla se puede ver la sustitución que se ha hecho de los valores numéricos correspondientes a los voltajes de las muestras tomadas de la señal analógica utilizada como ejemplo y su correspondiente conversión a valores en código binario
Valores en volt en Sistema Decimal
Conversión a Código Binario
0 000
1 001
2 010
3 011
4 100
5 101
6 110
7 111
Y en esta otra tabla se puede ver la sustitución que se ha hecho de los valores numéricos correspondientes a los voltajes de las muestras tomadas de la señal analógica utilizada como ejemplo y su correspondiente conversión a valores en código binario.
Valor de los voltajes de la señal analógica del ejemplo
Conversión a Código Binario
0 000
2 010
3 011
4 100
6 110
7 111
7 111
5 101
4 100
3 011
0 000
Tipos de convertidos analógico - digital
Tipos de Convertidores Analogo-digital
conversión directa ADC o el flash ADC ADC de aproximaciones sucesivas El Wilkinson ADC ADC integración ADC Comparador de Tipo Rampa ADC sigma-delta ADC entrelazados en el tiempo ADC con la etapa intermedia FM Convertidores de Nyquist
Comparativa de algunos de los diferentes tipos de convertidores Analógico Digital
Se observa que la complejidad analógica de los convertidores de Nyquist en todos los casos es superior a la de los convertidores sobremuestreado, aunque queda penalizado en velocidad, y complejidad digital. Teniendo en cuenta estos aspectos, el convertidor sobremuestreado es el más adecuado en numerosas aplicaciones.
A continuación se realiza una introducción a su arquitectura. Para ello se realiza una breve exposición del funcionamiento de los convertidores de Nyquist, y después se continúa con la presentación de los sobremuestreados.
Flash Pipeline Aprox. Suc. Sobremues. Doble Rampa
Velocidad Alta Media Baja Baja Muy Baja
Resolución Baja Media Media Alta Alta
Complejidad Analógica
Alta Media Media Baja Media
Complejidad Digital Media Media Baja Alta Baja
CONVERSION DIRECTA ADC O FLASH ADC
Tiene un comparador que lo enciende para cada rango de voltaje decodificado. El banco comparador introduce un circuito lógico que genera un código para cada rango de voltaje. La conversión directa es muy rápida, pero usualmente solamente tiene 8 bits de resolución (256 comparadores) o menos, y necesita un circuito caro y grande. Los ADCs de este tipo son fisicamente grandes, tienen una alta entrada de capacitancia, y son propensos a producir fallos en las salidas (Al poner en las salidas un código fuera de secuencia). Hay muchos de estos utilizados para señales de video u otras rápidas.
- Se requieren 2n –1 comparadores para la conversión a un código binario de n bits.
- Una de las desventajas del ADC flash es el gran número de comparadores necesarios para un número binario de tamaño razonable.
- Su principal ventaja es que tiene un tiempo de conversión rápido.
ADC DE APROXIMACIONES SUCESIVAS
utiliza un comparador para rechazar rangos de voltajes, eventualmente establecidos en los rangos de voltaje final. Por ejemplo, la primera comparación debe decidir cual bit más significativo de la salida, la siguiente comparación decide el siguiente bit más significativo, etcétera. Esto también es llamado conversión bit-weighting (Bit de mayor peso), y es similar a la búsqueda binaria. Los ADCs de este tipo convierten muy rápido, y tienen buenas resoluciones y rangos muy amplios y completos. Son más complejos que algunos de otros diseños.
Quizás este es el método de conversión A/D más utilizado. Tiene un tiempo de conversión mucho menor que otros métodos, a excepción del método flash.
El Wilkinson ADC
fue diseñada por WILKINSON en 1950. La Wilkinson ADC se basa en la comparación de un voltaje de entrada con la producida por un condensador de carga. Se permite que el condensador para cargar hasta que su tensión es igual a la amplitud del pulso de entrada (un comparador determina cuando se ha alcanzado esta condición). Entonces, se permite que el condensador para descargar linealmente, que produce una tensión en rampa. En el punto cuando el condensador comienza a descargarse, se inicia un impulso de puerta. El impulso de puerta permanece encendida hasta que el condensador está completamente descargada. Así, la duración del impulso de puerta es directamente proporcional a la amplitud del pulso de entrada. Este impulso de puerta opera una puerta lineal que recibe impulsos de un reloj oscilador de alta frecuencia. Mientras que la puerta está abierta, un número discreto de pulsos de reloj pasa a través de la puerta lineal y son contados por el registro de direcciones. El tiempo que la puerta está abierta lineal es proporcional a la amplitud del pulso de entrada, por lo tanto el número de impulsos de reloj registrados en el registro de direcciones es proporcional también. Como alternativa, la carga del condensador podría ser monitoreada, en lugar de la descarga.
ADC integración
Se aplica el voltaje de entrada desconocido para la entrada de un integrador y permite que el voltaje de rampa para un período de tiempo fijo (el período previo). A continuación, un voltaje de referencia conocida de polaridad opuesta se aplica al integrador y se permite a la rampa hasta que el integrador de salida vuelve a cero (el período carrera hacia abajo). El voltaje de entrada se calcula como una función de la tensión de referencia, el período de tiempo de arranque constante, y el período de tiempo de parada medido. La medición del tiempo de decadencia se hace generalmente en unidades de reloj del convertidor, por lo que los tiempos de integración más largos permiten una mayor resolución. Del mismo modo, la velocidad del convertidor se puede mejorar sacrificar la resolución. Convertidores de este tipo (o variaciones en el concepto) se utilizan en la mayoría de digitales VOLTIMETROS para su linealidad y flexibilidad.
ADC Comparador de Tipo Rampa
Produce una señal de tipo diente de sierra que se eleva, luego rápidamente cae a cero. Cuando la pendiente inicia, el contador inicia a contar. Cuando la pendiente encuentra la entrada, un comparador inicia, y el valor del timer (temporizador) se almacena. Los convertidores de pendientes en tiempo requieren el menor número de transistores. El tiempo de la rampa es sensible a la temperatura por que el circuito que genera la rampa es muchas veces un oscilador simple. Hay dos soluciones: Utilizar un contador de reloj para manejar el DAC y después utilizar el comparador para preservar el valor del contador, o calibrar el tiempo de la rampa. Una ventaja especial del sistema comparador de rampas es que compara una segunda señal solo requiere otro comparador, y otro registro para almacenar los valores de voltaje.
ADC sigma-delta
muestrea la señal deseada con un factor grande y filtros deseados de la banda de señal. Generalmente un número más pequeño de bits que requiere y convierte utilizando un ADC tipo Flash después del filtro. La señal resultante, junto con el error generado por la discretizacion de niveles del Flash, es el resultado y substracción de la entrada al filtro. Esta retroalimentación negativa ha afectado la forma ruido de error debido al Flash así que si no aparecen las señales de frecuencias deseadas. Un filtro digital (Filtro de conversión digital) sigue el ADC que reduce el tiempo de muestreo, los filtros apagan la señal de ruido no deseada e incrementan la resolución de la salida.
Para mayor información sobre la conversión Analógica a Digital, por favor consulte las ligas relacionadas debajo.
ADC entrelazados en el tiempo
utiliza M ADCs paralelas donde cada muestra de ADC datos cada M: º ciclo del reloj muestra efectiva. El resultado es que la frecuencia de muestreo se aumenta M veces en comparación con lo que cada ADC individual puede manejar. En la práctica, las diferencias individuales entre los ADCs M degradan el rendimiento general de la reducción de la SFDR. Sin embargo, existen tecnologías para corregir estos errores de discordancia de tiempo-entrelazado.
ADC con la etapa intermedia FM
utiliza primero un convertidor de tensión a frecuencia para convertir la señal deseada en una señal oscilante con una frecuencia proporcional a la tensión de la señal deseada, y luego utiliza un contador e frecuencia para convertir la frecuencia en una cuenta digital proporcional a la tensión de la señal deseada. Tiempos de integración más largos permiten una mayor resolución. Del mismo modo, la velocidad del convertidor se puede mejorar sacrificar la resolución. Las dos partes de la ADC pueden estar ampliamente separadas, con la señal de frecuencia pasa a través de un optoaislador o transmitida de forma inalámbrica. Algunos de estos ADCs utilizan onda sinusoidal o cuadrada onda de modulacion de frecuencia ; otros utilizan modulacion de impulsos de frecuencias . Tales ADCs fueron una vez la manera más popular para mostrar una pantalla digital de la situación de un sensor analógico remoto
ESPECIFICACIONES CONVERSOR ANÁLOGICO-DIGITAL(ADC)
Tiempo de conversión
Es el tiempo requerido para completar una conversión de la señal de entrada. Establece el límite de la frecuencia más alta de la señal que puede ser muestrada sin aliasing.
Resolución
El número de bits del convertidor da la resolución y por lo tanto la señal análoga de entrada más pequeña para la cual el convertidor producirá un código digital. Puede ser dada en términos de la señal de entrada de plena escala.
Exactitud
La exactitud relaciona la señal más pequeña con la señal medida. La exactitud es dada como un porcentaje y describe que tan cerca es la medición del valor real.
Linealidad
Es la desviación de los códigos de salida de la línea recta trazada entre el cero y el valor en plena escala. Lo mejor que se puede conseguir es +-1/2 del bit menos significativo.