instrumentos digitales - mdp · para medir señales alternas de forma de onda diversa y luego poder...

Mediciones Eléctricas II - Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica - Facultad de Ingeniería - UNMdP

Agosto de 2017

Mediciones Eléctricas II (3D2)

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica – Facultad de Ingeniería – UNMdP

(Cursada 2019)

Instrumentos Digitales


2 2019

Introducción: Conversión Analógica - Digital• Los instrumentos digitales basan su funcionamiento en un proceso denominado

conversión analógica- digital:

La digitalización o conversión analógica-digital (conversión A/D) consiste básicamenteen medir de forma periódica la amplitud (tensión) de una señal (por ejemplo, la queproviene de una caída de tensión en bornes de una resistencia, de una sonda de unosciloscopio para cualquier nivel variable de tensión de interés, etc.), redondear su valora un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensiones posibles (conocidos comoniveles de cuantificación) y registrar ese valor de tensión como un número entero encualquier tipo de memoria o soporte para su procesamiento posterior.

Es decir, en una conversión A/D hay : Toma de muestra – Cuantificación - Codificación

Muestreo Cuantificación Codificación Señal analógica


3 2019

Previo a la conversión ADC generalmente se encuentran un circuito conocido como circuito “sample and hold” (S/H)

(circuito de muestreo y retención) . El circuito de S/H tiene como función mantener constante

la tensión a la entrada del convertidor analógico digital durante el tiempo que dure la cuantificación.

Son necesarios cuando se deben digitalizar señales que varían con el tiempo

Introducción: Conversión Analógica - Digital

Diagrama en bloques de un proceso de conversión analógico – digital:

Sigue siendo analógica

ue us


4 2019

La cuantificación es asignar valoresbinarios (0 y 1) de una determinadacantidad de bits a cada uno de los valoresde tensión muestreados. Dicho de otramanera, sería el número de valores que seutilizan para una medida de una señal. Portanto, a mayor número de valores que seasignen a dicha señal, mayor parecidotendrá con la señal analógica original. Losvalores marcarán la altura en bits de dichaseñal.

Luego del circuito S/H existe otro circuito denominada conversor analógico digital (ADC).

En él se realiza la Cuantificación y la Codificación de la tensión recibida.



5 2019

Una vez realizada la cuantificación, los valores de muestra de los voltajes quedanrepresentados numéricamente por medio de códigos y estándares. Lo habitual escodificar la señal en código numérico binario. Dicha codificación permitirá darle valoresnuméricos binarios a los valores eléctricos que conforman la señal analógica original.La cantidad de información que se obtiene en la cuantificación será directamenteproporcional al número de bits que se emplee en la cuantificación.

Ejemplo: Codificación de 3 bit = 8 niveles de tensión detectables


Lógicamente, a mayor cantidad de bits empleados, menor será el error.

%5.12

8

1

Resolución

Resolución


6 2019

Para la Cuantización se utiliza la Codificación Binaria.

La Codificación Binaria puede caracterizarse fácilmente: presencia o ausencia de tensión, nivel alto o bajo, señal positiva o negativa, etc. (dos estados netamente distinguibles

compatibles con el lenguaje digital)

Notar que la cantidad de niveles de discretización dependen del número de bits de lapalabra digital empleada:



7 2019


Luego, si se conocen una serie de valores discretos de la señal, u(k), tomados a

intervalos de tiempo regulares, puede reconstruirse la señal si se cuenta con la

suficiente cantidad de puntos, y calcular con ella el parámetro que se desee:

n

k

kRMS un

U1

21

Teorema del muestreo

Se puede reconstruir una señal analógica a partir de sus valores instantáneos

equiespaciados (muestras). A partir de estos valores existen ∞ señales que pasan por esos

puntos, pero si la señal original es de banda limitada y las muestras son tomadas con un

periodo suficiente, entonces hay una única señal que se puede extrapolar de esas

muestras (se determina unívocamente).


8 2019

El fenómeno de “aliasing” ocurre cuando la frecuencia de muestreo es demasiado

pequeña en comparación a la frecuencia de la señal muestreada.

Si por ejemplo, en una señal senoidal se muestrea a una frecuencia ligeramente menor que la frecuencia de la señal senoidal, se puede reconstruir una señal senoidal de una frecuencia mucho menor, que nada tiene que ver con la señal original. Esta señal incorrecta recibe el nombre de “alias”, “aparente” o “fantasma”



9 2019

Teorema de Nyquist

Si una señal de banda limitada es muestreada a una frecuencia de por lo menos el doble

de su máxima componente, ENTONCES es posible recuperarla unívocamente (a partir de

sus puntos muestra).

El criterio de Nyquist (basado en el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon) afirma que

para evitar el efecto aliasing al muestrear una señal que no posee componentes de

frecuencia mayores que , la frecuencia de muestreo debe ser igual o mayor la

frecuencia de Nyquist, definida como:

𝑓𝑀𝐴𝑋 𝑓𝑆

𝑓𝑆 ≥ 2𝑓𝑀𝐴𝑋

En la práctica, para tener una reproducción adecuada y lo más fiel posible de la señal,

suele sugerirse como regla empírica optar por usar una frecuencia de muestreo igual o

mayor a 10 veces la frecuencia de la señal. Es decir:𝑓𝑀𝐴𝑋

𝑓𝑆 ≥ 10𝑓𝑀𝐴𝑋


Este método es particularmente apto para efectuar cálculos

en sistemas de adquisición digital de señales (osciloscopios, placas de

adquisición de datos, equipos donde se deba visualizar la forma de una onda).


10 2019

Instrumentos Digitales: Conceptos Básicos

Clasificación de los instrumentos

digitales

Aquellos con capacidad para

reconstruir formas de

onda en una pantalla

Aquellos con capacidad para

mostrar solo alguna

característica de una de una onda pero no la forma

de la onda

Para medir señales alternas de forma de onda diversa y luego poder reconstruir esa señal se

requiere un sistema de muestreo como el descripto para obtener un conjunto de

valores instantáneos de la onda para su procesamiento

posterior

Ejemplos:•Osciloscopios.•Analizadores de armónicos•Placas de adquisición de datos.

Ejemplos:• Multímetros •Algunos medidores de energía

Al no requerir reconstruir una forma de onda para mostrar en

pantalla se pueden utilizar conversores CA – CC que

entreguen directamente al ADC una señal continua

proporcional a algún parámetro de la alterna que se quiera

medir.

Podríamos hacer una clasificación.

Para tensiones continuas u

ondas senoidales

puras

Para tensiones continuas u

ondas de formas diversas


11 2019

11

Multímetros digitales

En resumen, los multímetros digitales son esencialmente voltímetros

que se diseñan para medir voltajes de CC, también se pueden medir

otras cantidades si se incluyen circuitos adicionales dentro del medidor

que transformen esa cantidad en una tensión continua equivalente.


12 2019

La señal analógica a medir puede ser una tensión continua, una tensión alterna, unacorriente eléctrica de CC o CA, una temperatura, etc. El instrumento digital se puededividir en cuatro bloques funcionales como muestra la Figura.

Instrumentos Digitales: Diagrama de Bloques

Acondicionador: • El acondicionador transforma el parámetro desconocido a medir en una tensión que esté dentro delrango de operación del convertidor analógico-digital ADC.• Puede que incluya un “atenuador” de tensiones elevadas o un “amplificador” de las pequeñas.• Puede que incluya un “convertidor de corriente a tensión” (basado en una resistencia Shunt paramedir una corriente).• Puede que incluya “un convertidor resistencia – tensión” (en un óhmetro por ejemplo).• Para medir en alterna, en ciertos casos el acondicionador incluye un “rectificador” o un “detector depico” o un “convertidor CA-CC” que transforma la tensión alterna en una tensión continua que sigueuna relación conocida con la alterna aplicada (se usa en aquellos instrumentos como los multímetros endonde solo se desea medir el valor eficaz por ejemplo y no graficar una forma de onda)


13 2019

Instrumentos digitales para ondas senoidales.

Si se trata de variables alternas senoidales cuyo valor medio es nulo, resulta imprescindible

lograr, a partir de ellas, una señal con valor medio no nulo que llegue al conversor ADC,

que esté en relación conocida con algún parámetro típico de la alterna que nos interesa

medir.

Existen distintos métodos para obtener una tensión continua que se aplique al conversor

ADC. Como consecuencia podemos clasificar los instrumentos en los siguientes grupos:

Detectores del valor medio:

Basan su funcionamiento en la obtención del valor medio de la señal aplicada rectificada, y

luego aplican un factor que relaciona este valor medio con el valor eficaz de la señal original

aplicada. El ADC realiza pocas conversiones por ciclo.

-Se diseñan para ondas senoidales (aplican el factor 1,11 o 2,22 dependiendo del tipo de

rectificador) que relaciona el valor medio de la señal rectificada internamente con el valor

eficaz de la onda senoidal aplicada.

- Tienen el inconveniente que su indicación es errónea si la onda no es senoidal.



14 2019

Detectores del valor pico o cresta:

Obtienen el valor máximo de la señal incógnita, y la indicación que entregan

corresponde a este valor o a otro relacionado con él. El ADC realiza pocas

conversiones por ciclo.

- Se diseñan para ondas senoidales (aplican el factor 1/√2), que relaciona el valor

pico de una onda senoidal con su valor eficaz.

- Tienen el inconveniente que su indicación es errónea si la onda no es senoidal.

Instrumentos digitales para ondas senoidales.

Detectores de valor eficaz:

Indican el valor eficaz de la señal, con independencia (dentro de ciertos límites) de la

forma de onda de entrada.

- Se pueden clasificar a su vez como:

Los que usan detectores físicos (sensores de temperatura tipo termocuplas que

miden el calor producido en una resistencia interna).

Los que usan detectores matemáticos (circuitos integrados) e implementan la

definición matemática del valor eficaz.

Instrumentos digitales para ondas NO NECESARIAMENTE senoidales.



15 2019

Detectores de valor eficaz:

Detectores matemáticos: implementan la definición del valor eficaz de una señal mediante

circuitos adecuados

Instrumentos digitales para ondas NO NECESARIAMENTE senoidales.



16 2019

Convertidor Analógico – Digital (ADC): • Convierte las señales de tensión continua a su entradaa “palabras digitales” codificadas generalmente enbinario.

Lógica: • Se encarga de manejar el flujo de información en el tiempo.• Implementa las funciones internas (cálculos).• Coloca símbolos, unidades, separador decimal, etc

Display:• Finalmente la lectura comunica visualmente el resultado de una medida


Los elementos básicos de un instrumento digital son las compuertas, los Flip-Flops

usados como contadores y los amplificadores operacionales


17 2019

17

Elementos usados en Instrumentación Digital

En la técnica digital las operaciones fundamentales son:1) Suma OR2) Multiplicación AND3) Inversión NOT

Suma ORAA

S

Multiplicación AND Inversión NOT

A A

B

A+B

B

SAxB

Instrumentos Digitales:

Repaso: COMPUERTAS LÓGICAS


18 2019

Repaso: FLIP-FLOPS

Repasaremos el FF J-K con conexión de reloj y flanco descendente.

1) Los cambios de estado de la salida Q seproducen sincronizadamente con el cambio denivel de 1 a 0 de la señal de reloj aplicada a CLK(activación por flanco descendente).

2) Si las entradas J y K cambian en determinadomomento sus niveles a valores distintos a losque tenían antes, el cambio en Q se producirácuando CLK pase de 1 a 0.

↓ Instante en que CLK cambia de 1 a 0

Se ve en la tabla de verdad:a) Si J y K son diferentes Q en el mismo valor que J, que es contrario a Kb) Si J y K son ambos 1 Q cambiará su estado cualquiera sea, en el instante

en que CLK pase de 1 a 0.



J Kclock (CLK)

Q

0 0 ↓ No cambia0 1 ↓ 01 0 ↓ 11 1 ↓ Cambia


19 2019

Contador Binario Natural



El estado de FF1 cambia con cada pulso de clock.

El estado de FF2 cambia con cada 2 pulsos de clock.

El estado de FF3 cambia con cada 4 pulsos de clock.

El estado de FF4 cambia con cada 8 pulsos clock.

Con 4 F.F. se cuentan

16 pulsos (de 0 a 15).


20 2019

Volviendo al Contador Binario

Natural…



FF1x20 + FF2x21 +FF3x24 + FF4x28 =1x20 + 1x21 +0x22 +0x 23 =1x1+1x2+0x4+0x8=3

1

1

0

0

La salida Q de cada FF forma un número

binario que representa la cantidad de pulsos

de la señal de reloj ingresada en FF1.

Ejemplo de representación del número 3 en código

binario:


21 2019

Pulso Nro 0 0 0 0 Código Binario.

1 0 0 0 1 1

2 0 0 1 0 2

3 0 0 1 1 3

4 0 1 0 0 4

5 0 1 0 1 5

6 0 1 1 0 6

7 0 1 1 1 7

8 1 0 0 0 8

9 1 0 0 1 9

10 1 0 1 0 10

11 1 0 1 1 11

12 1 1 0 0 12

13 1 1 0 1 13

14 1 1 1 0 14

15 1 1 1 1 15

Contador Binario Natural



D C B A


22 2019



Usa los 4 F.F. y una compuerta sólo para

representar los dígitos (de 0 a 9)

Usa una compuerta NAND para forzar el cambio de 0 a

9 (y no a 10).


1 0 0 0 1 1

2 0 0 1 0 2

3 0 0 1 1 3

4 0 1 0 0 4

5 0 1 0 1 5

6 0 1 1 0 6

7 0 1 1 1 7

8 1 0 0 0 8

9 1 0 0 1 9

10 1 0 1 0 10

11 1 0 1 1 11

12 1 1 0 0 12

13 1 1 0 1 13

14 1 1 1 0 14

15 1 1 1 1 15

Contador Binario Decimal

D C B A

Aplica un RESET para forzar el cambio de 0 a 9 (cuando se la combinación 10 se resetea).

Tiene el problema que la demora que introduce cada FF se va incrementando a la anterior


23 2019

Contador Binario Decimal (Sincrónico)



Usa compuertas AND y OR para volverlo a cero en la transición de 9 a 10.

Usa los 4 F.F. sólo para representar los dígitos (de 0 a 9) pero todos cambian a la vez, por eso se lo llama “Sincrónico”

Resuelve el problema de la demora ya que todos los FF funcionan sincronizadamente.

Cambia de estado solo si Q0 está en 1 y Q3 está en 0


1 0 0 0 1 1

2 0 0 1 0 2

3 0 0 1 1 3

4 0 1 0 0 4

5 0 1 0 1 5

6 0 1 1 0 6

7 0 1 1 1 7

8 1 0 0 0 8

9 1 0 0 1 9

10 1 0 1 0 10

11 1 0 1 1 11

12 1 1 0 0 12

13 1 1 0 1 13

14 1 1 1 0 14

15 1 1 1 1 15

Q3 Q2 Q1 Q0


24 2019

Repaso: Indicador de Cifras



Contador BCD• Cuenta pulsos de 0 a 9.

Decodificador• El decodificador convierte la representaciónBCD (código 8421) a señales adecuadas paraactivar a los dispositivos de despliegue

Centenas Decenas Unidades


25 2019

Amplificador Operacional (AO):



Características de un AO:

1. Gran ganancia de tensión a circuito abierto G=Vs/Ve @104 a 109

2. Una gran Ze o Zin

3. Zsalida o Zout0


26 2019

2) Si uno de los bornes tiene una tensión fija (por ejemplo VA), el dispositivo es apto para señalar si VB

es mayor o menor que VA .

Amplificador Operacional:



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 VB -VA pasa por cero.

VB - VA


27 2019

El amplificador operacional con realimentación negativa (note la polaridad de Vs):

Como idealmente:

Se dice que la entrada invertida del A0 (la entrada marcada con un “-”) tiene

conexión de “tierra virtual” ya que su potencial es el mismo de B conectado a

masa.





28 2019

El amplificador operacional usado como integrador (note las polaridades):





29 2019

Resumen de circuitos con AO empleados en instrumentación





30 2019






31 2019






32 2019

Instrumentos Digitales:Recordando lo visto…

Acondicionador: • El acondicionador transforma el parámetro desconocido a medir en una tensión deque esté dentro del rango de operación del convertidor analógico-digital ADC.• Puede que atenúe o amplifique.• Puede ser un rectificador o un detector de pico (si se mide CA y no se necesitareconstruir la forma de onda luego). Es decir, el acondicionador puede ser queentregue una Vcc.• Puede ser un convertidor de corriente a tensión (basado en una resistencia Shunt).• Puede ser un convertidor resistencia – tensión (en un óhmetro por ejemplo).


33 2019

Atenuador de CC: Baja la tensión a valores compatibles con el conversor A/D

Acondicionadores de señal: Ejemplos



34 2019

Atenuador de CC: Baja la tensión a valores compatibles con el conversor A/D



Puede ser que la etapa de amplificación se use para aprovechar todo el

rango dinámico del conversor A/D que

viene luego.


35 2019

Transforma una corriente CC en una tensión compatible con el conversor A/D




36 2019

Transforma una resistencia en una tensión compatible con el conversor A/D

Acondicionadores de señal



37 2019

Instrumentos Digitales:Recordando lo visto…

Convertidor Analógico – Digital (ADC): • Convierte las señales de voltaje de entrada a palabras digitales codificadas en binario.

Algunos tipos

de ADC

Instantáneo

De rampa

De doble rampa

Modulación de pulsos delta

Conversión Tensión-Frecuencia


38 2019

Conversores A/D paralelo o instantáneo

Tipos de Conversores Analógico - Digital


Hace la más rápida de las conversiones.

Problema: Su complejidad crece exponencialmente con el número de

comparadores al aumentar la cantidad de niveles que se desean detectar “n”.(n = N° de bits de la palabra digital.)

Se necesitan: 2n-1 comparadores. Por eso se buscan otras alternativas.


39 2019

Conversores A/D de rampa o conversión Tensión-Tiempo

Tipos de Conversores Analógico - Digital



40 2019


Instrumentos Digitales:Tipos de Conversores Analógico - Digital


41 2019




42 2019

Conversor A/D de doble rampa



43 2019

Conversor A/D de doble rampa



44 2019

Conversor A/D por modulación de pulsos delta

La tensión incógnita es medida calculando el valor Vc que tiene un capacitor, 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 μV .

Llamaremos N= número de ciclos de carga y descarga (un valor constante por ejemplo 4000 ciclos de reloj)

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.


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):

Ic se mantiene aprox. constante en el tiempo ya que Vc sólo varía fracciones de μV por eso la linealidad de las rectas.

CD

VI

R

Id casi constante en el tiempo de

descarga

R RC

V VI

R



C


46 2019

1 2 3 4

1

...... ....i i

n

C C C C C C C C C C C

i

Q I T T T T T I T I T

R CC

V VT

R

R CC C

V VQ T

R

C DI I

La tensión de referencia VR se elije: 2R XV V

Luego Tensión de carga = VR-VC mucho mayor que Tensión de descarga = Vc ≈ Vx

Por eso distinta pendiente. El tiempo de carga se hace siempre de un período To del reloj (es más rápido que la descarga porque tiene más pendiente)

QC (cantidad de carga recibida):

Si T = tiempo totalCd TTT


Instrumentos Digitales: Tipos de Conversores Analógico - Digital

CRCC

CCR

CdC VTVTTTR

V

R

VVTQQ ..)(

R

C

XC VN

NVV .

Luego:

Qd (cantidad de carga cedida):

n

i

diddidddd TITTTIQ1

21 .......

R

VTQ C

dd


47 2019

Funcionamiento.

1. Entra Vx Capacitor se carga hasta que en (A)=Vc=Vx Comparador envía “0” al FF (pero el FF no cambia de estado). El FF cambia de estado cuando llega el pulso Nro. 1 del Reloj (en este caso es por flanco ascendente) (punto B) salida FF=“0”.

2. Con “0” de salida en el FF se desactiva “K” sale de servicio VR.3. El capacitor empieza a descargarse contra masa (punto B hasta punto C).

Cuando se llega a C: Salida comparador “0””1” pero el FF no cambia

En el pulso Nro 3 del reloj salida FF “0””1” y FF (cambia punto D)

4. Comienza nueva carga.




48 2019

Se ve que:

Flip_Flop= “1” Capacitor en carga= “0” Capacitor en descarga

Tiempo de cada carga: Siempre T0

Tiempo de cada descarga: variable (Mayor cuanto menor es Vx.)

Un Temporizador cumple las siguientes funciones:A. Pone al contador en condiciones de cero para que inicie el recuento de N (por ejemplo=4000 ciclos )B. Al cumplirse N detiene la marcha del contadorC. En ese momento, en el visor se “mostrará” en cuantos de esos ciclos N el capacitor estuvo en carga.

0

4

4000

RV V

N

4

0.0014000

x C CV N N Por ejemplo:



R

C

XC VN

NVV .R

C

XC VT

TVV . R

C

XC VNT

TNVV

0

0@


49 2019

En el Integrador:

0

1t

sV VxdtRC

Para un cierto valor Vx=cte:

1000N Vx

El tiempo t1 que tarda en ser Vs=VR:

Si T= tiempo que está abierta la compuerta la cantidad de pulsos que

cuenta el contador será:

Para que N sea una medida de Vx se hace:

Luego:

Conversor A/D por conversión Tensión-Frecuencia.


1tRC

VVt

RC

VV x

R

VVcuandox

sRS

x

R

V

RCVt 1

x

R

VRCV

T

t

TN

1

RRCV

T1000

Temporizador


50 2019

Conversor A/D por aproximaciones sucesivas.


NO

NO

SI

SI

Borrar todos los bits

Comenzar con el MSB

Pone a bit en 1

¿Vx<V D/A?

¿Se llegó a n bits?

Transferir Dato (FIN)

Ir al bit menos significativo siguiente

Pone bit en 0

La lógica de este convertidor es probar varios códigos de salida y compararlos con Vx hasta encontrar el valor que más se aproxime a esta Vx


51 2019



[ V ]

11

12

13

14

15

10

09

08

MSB LSB

1 2 3 4

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

07 0111

Ejemplo: SAR de 4 bits Vx=11.4V

Vref = 15V

La lógica de este convertidor es probar varios códigos de salida y compararlos con Vx hasta encontrar el valor que más se aproxime a esta Vx

Descripción del ejemplo:

•Pone a 1 el bit más significativo (bit 4) y lo deja en

1 porque Vx > 8 V (10002).

•Pone a 1 el bit siguiente al MSB (bit 3) pero ahora

Vx < (8+4)V (11002) por lo que lo vuelve a 0.

•Pone a 1 el bit siguiente (bit 2) y lo deja en 1

porque Vx > (8+2)V (10102).

•Pone a 1 el bit siguiente (bit 1) y lo deja en 1

porque Vx > (8+2+1)V (10112).

•Puesto que no hay más bit para comparar el

resultado es 10112 o sea 11V.

(en este caso la resolución en cuatro bit es 1V por eso el resultado es 10112)


52 2019

52



Este convertidor utiliza un conversor digital a analógico. Un tipo de conversor D/A puede ser uno de escalera R-2R

Por Thevenin para por ejemplo la variable

digital D0 = 1 y todas las demás en 0

A A A A A

Aplicando el mismo razonamiento para las variables D1 , D2 y D3 y luego aplicando superposición se llega a :


53 2019

Frecuencímetros DigitalesNota: adecuada elección de la base de tiempo permite obtener la mejor RESOLUCIÓN:

Por ejemplo

Frecuencímetro: 7 dígitos Fx= 2.519.235 Hz. Base de tiempo: 1Seg a 1uSeg



54 2019

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)= = 1 seg 6 pulsos por la compuerta

Según (C)= = 1 seg 7 pulsos por la compuerta

AB

CD

0

1E

Si sincronizamos la apertura (d) el error se escribe


En general, decimos que el valor verdadero de la frecuencia es:

f=fmedida+n donde n<1 es la fracción aludida

E= error cometido= 1 cifra.


55 2019

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% inadmisibleSi 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 10-10/°C



56 2019

Errores del frecuencímetro digital

Ruido

Medición del Período:Si: f es pequeña conviene medir 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.

III. Cumplido el Nro. De períodos de la incógnita 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 indicara la duración de T en uSeg.

V. Inconveniente: ruido de amplificadores.



57 2019

Características de los instrumentos digitales

1) Flexibilidad.

Instrumentos: Con unidades enchufables. Funciones especiales que se habilitan por software.Salida para procesamiento de datos.

a) Número de dígitos = Número máximo de “nueves”= número de dígitos completosb) Dígito de sobre rango= dígito que solamente puede tomar el valor “uno”=no es dígito

completo. c) Rango de base= Máximo valor que puede ser medido (sin considerar el dígito de sobre

rango)d) Rango = Máximo valor que puede ser medido (considerando el dígito de sobre rango)

2) Número de dígitos, rango - sobre rango.

Ejemplos: 999

3 dígitos

1999

3 dígitos + 1 dígito de sobrerrango

1 2



58 2019

El dígito de sobrerrango permite al usuario hacer lecturas arriba del valor de plena escala, sin alterar las características de sensibilidad y exactitud.

Ejemplo: Si una señal cambia de 9,99V 10.01V

Con el instrumento (1) sólo se puede medir hasta 9.99V.

Con el instrumento (2) se puede medir 10.01V, sin cambiar el rango y sensibilidad.

999 1

1999 2



7 9999999

5 1/2 199999

6 1/2 1999999

4 1/2 19999

5 99999

Denominación del

Instrumento en dígitosMáxima lectura

3 1/2 1999


59 2019

3) Sensibilidad y Resolución.

Sensibilidad: capacidad que tiene un instrumento para responder a cambios pequeños en la señal de entrada

Resolución: es la mínima cantidad detectable. Puede expresarse sin unidades (como un %)

Ejemplo: Instrumento de 5 dígitos (99999).

Resolución: 1/100.000=0.00001=0.001%

Sensibilidad:

0.001%*1001

100

mVS Si el instrumento tiene un rango de base100mV

Definición: Sensibilidad de un instrumento digital es el producto de la resolución por el rango de máxima escala (sin considerar los dígitos de sobrerrango).



100

basedeRango%Resolución adSensibilid


60 2019

4) Exactitud

Factor•Linealidad del integrador•Corrimiento en 24Hs. A plena escala•Corrimiento de cero•Corrimiento de atenuadores•Corrimiento en 6 meses

Error•± 0.002%•± 0.0005%•± 0.001%•± 0.003 %•± 0.003%

Exactitud publicada = ±0.0095%

Magnitud de Influencia Condición ObservaciónTemperatura 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




61 2019

Especificaciones de los instrumentos digitales5) Estabilidad a corto plazo

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.

6) Coeficiente de variación con la 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 + 0.002% rango)

Si TC= 0.0004%/°C T= 10°C=0.004%

Exactitud a 40°C= ±(0.012% de lectura + 0.006% de rango)



62 2019

Especificaciones de los instrumentos digitales

7) Impedancia de entrada

Zentr= muy alta (como voltímetro)Escalas bajas: aprox. 1010 OhmEscalas altas: aprox. 10-1MOhm

8) Bornes High-Low

Función: resistencia

High

Low

Com

Com

E=2V

E=180mV


9) Categorías de medición

Un concepto crucial que hay que entender sobre seguridad eléctrica es la categoría de

medición. Las normas definen categorías que van de 0 a IV, a menudo abreviadas

como CAT 0, CAT II, etc.

La división de un sistema de distribución de energía en categorías se basa en el hecho

de que transitorios de alta energía peligrosos como rayos, se atenuarán o

amortiguarán a medida que pasen a través de la impedancia (resistencia CA) del

sistema. Un número CAT alto hace referencia a un entorno eléctrico con una potencia

disponible más alta y con transitorios de energía más altos


63 2019

Especificaciones de los instrumentos digitales


9) Categorías de medición

Por consiguiente, un multímetro diseñado para la norma CAT III resiste transitorios de

energía más altos que uno diseñado para la norma CAT II.

Dentro de una categoría, una categoría de tensión más alta denota una clasificación más

resistente a transitorios más altos, p.ej., un multímetro CAT III de 1.000 V cuenta con más

protección si se compara con un multímetro cuya categoría es CAT III de 600 V


64 2019

Comparación entre características de instrumentos digitales y analógicos

Característica Instrumento Analógico Instrumento Digital

Técnica de

IndicaciónCuadro Móvil-Piezas en movimiento-

Fragilidad

Equipado con LED: consumo alto,

respuesta rápida. Equipado con LCD:

consumo bajo, respuesta lenta

Exactitud 0.1% hasta 3% 0.01% o menos hasta 2%

Facilidad de

lectura

Errores de paralaje-Estimación-Poder

separador del ojoNo admite dudas en la lectura

Resolución Baja Muy elevada

Relación

costo/prestaciónAlta Baja

Duración de

baterías en

multímetros

Aprox. 1000 Hs.LED: decenas de horas.

LCD: 200hs a 1 año

PolaridadLectura función de la polaridad

Conmutación automática con

indicación de polaridad

Resistencia de

entradaVarios miles de Ω/V Varios MΩ

Conmutación

EscalaManual Puede ser automática



65 2019

Comparación entre características de instrumentos digitales y analógicos

Característica Instrumento Analógico Instrumento Digital

Ventajas

Indica la tendencia de la magnitud a

controlar

Ajuste rápido de cero

No entrega corriente al circuito

Mantenimiento nulo

Posibilidad de transmitir medición a

distancia

Puede incorporar cálculos complejos

Alta resolución

Alta Ze

Fácil Lectura

Desventajas

Baja Exactitud

Cierta fragilidad mecánica

Desajuste de cero

Error en las lecturas: instrumento

observador

Alto Consumo

Problemas de sobrecarga

Dificultosa lectura en señales

inestables

Mantenimiento complejo

Su costo crece exponencialmente con

su exactitud.

Puede necesitar calibración frecuente


instrumentos digitales - mdp · para medir señales alternas de forma de onda diversa y luego poder...

Documents