SAD: Sistemas de Adquisición de Datos
Objetivos
Los sistemas de adquisición de datos (SAD) tienen como objetivo acondicionar y procesar señales analógicas para que puedan ser utilizadas por dispositivos digitales. A diferencia de los sistemas de medida, que se centran en visualizar, controlar y registrar magnitudes, los SAD preparan las señales para su posterior procesamiento y análisis.
Características de las Estructuras de SAD
Los SAD pueden ser:
- Monocanal: Procesan una única señal.
- Multicanal: Manejan múltiples señales simultáneamente.
Un SAD típico se compone de los siguientes elementos:
- Sensor: Captura la magnitud física y la convierte en una señal eléctrica.
- Acondicionamiento: Adapta la señal del sensor (amplificación, filtrado, etc.) para su posterior procesamiento.
- Sample and Hold (S&H): Mantiene constante el valor de la señal durante la conversión analógico-digital.
- ADC (Convertidor Analógico-Digital): Transforma la señal analógica en un valor digital.
La multiplexación de señales puede realizarse en diferentes etapas del SAD:
- Antes del acondicionamiento: Si las señales son del mismo tipo.
- Después del S&H: Si se desea tener varias señales al mismo tiempo.
- Después del ADC: Si se requiere una conversión más rápida.
Es importante tener en cuenta que cuanto más tarde se realice la multiplexación, más recursos se repiten.
Frecuencia de Nyquist y Aliasing
El teorema de Nyquist-Shannon establece que la frecuencia de muestreo (fs) debe ser al menos dos veces la frecuencia máxima de la señal muestreada (fm) para evitar el aliasing. El aliasing ocurre cuando las frecuencias superiores a fs/2 se solapan con las frecuencias inferiores, distorsionando la señal reconstruida.
Filtro Antialiasing
Para evitar el aliasing, se utiliza un filtro paso bajo antes del muestreo. Este filtro debe tener las siguientes características:
- Banda de paso con ganancia constante: Permite el paso de las frecuencias deseadas sin alteraciones.
- Caída abrupta: Atenúa las frecuencias superiores a fm para evitar el aliasing.
- Baja distorsión de fase: Mantiene la relación temporal entre las diferentes componentes de la señal.
Sobremuestreo
El sobremuestreo consiste en muestrear a una frecuencia superior a la de Nyquist. Esto ofrece varias ventajas:
- Condiciones menos estrictas para el filtro antialiasing: Se puede utilizar un filtro con una caída menos abrupta.
- Mejora la resolución: Aumenta la relación señal-ruido (SNR), lo que equivale a tener más bits de resolución.
- Facilidad para aplicar filtros digitales: Se pueden utilizar técnicas como la media móvil para reducir el ruido.
En algunos casos, es posible recuperar una señal muestreada por debajo de la frecuencia de Nyquist si su espectro es acotado (límite inferior mayor que cero). Para ello, se utiliza un filtro paso banda en lugar de un filtro paso bajo.
Error de Cuantificación
El error de cuantificación es inherente a la conversión analógico-digital. Se produce al convertir una señal continua en un valor discreto. Este error tiene una distribución uniforme entre 0 y -q, donde q es el escalón de cuantificación. Para minimizar el error medio, se introduce un offset de q/2.
Escalón de Cuantificación
El escalón de cuantificación es la diferencia de voltaje entre dos niveles de digitalización adyacentes. Determina la resolución del ADC y la magnitud del error de cuantificación.
Sobremuestreo en la Reconstrucción (D-A)
El sobremuestreo también se utiliza en la conversión digital-analógico (DAC) para facilitar la reconstrucción de la señal. Al aumentar la frecuencia de muestreo, el espectro de la señal se separa más, lo que permite utilizar un filtro de reconstrucción más simple.
Filtro Reconstructor DAC
El filtro reconstructor del DAC elimina las imágenes del espectro de la señal muestreada y suaviza la señal reconstruida. En la práctica, se suele utilizar un filtro paso bajo con una caída abrupta.
Interpolación
La interpolación es una técnica que se utiliza antes de la conversión digital-analógica para reducir el escalón de cuantificación. Consiste en insertar muestras adicionales entre las muestras originales, lo que suaviza la señal y mejora la calidad de la reconstrucción.
Errores de Offset y Ganancia
El error de offset es la diferencia entre el punto de conmutación ideal (q/2) y el real. En un DAC, se manifiesta como una diferencia entre la salida ideal y real para el código 0. El error de ganancia es la diferencia entre la pendiente de la función de transferencia ideal y real. En bits, indica el error a fondo de escala si se ha corregido el error de offset.
DNL e INL
El error de linealidad diferencial (DNL) mide la máxima diferencia entre el tamaño del escalón de cuantificación real e ideal. En un ADC, un DNL muy grande (inferior a -1 LSB) puede provocar la omisión de códigos. El error de linealidad integral (INL) mide la máxima diferencia entre la función de transferencia real (ajustada en offset y ganancia) y la recta ideal.
Error de Monotonicidad
Un DAC con DNL < -q puede presentar un error de monotonicidad. Esto significa que al incrementar el código en 1q, la tensión de salida se reduce en lugar de incrementarse. Este error puede ser problemático en algunos sistemas de control.
Error Absoluto
El error absoluto es la máxima diferencia entre la función de transferencia real y la recta ideal, sin corregir errores de offset ni de ganancia. En el caso del ADC, incluye el error de cuantificación.
SFDR
El SFDR (Spurious Free Dynamic Range) es un parámetro que mide la distorsión de un convertidor. Se obtiene introduciendo un tono de amplitud máxima a la entrada y midiendo la diferencia en dB entre el tono ideal y el armónico de mayor potencia. La no linealidad del convertidor puede contribuir a la generación de armónicos.
Tipos de Convertidores
DAC Binario o de Resistencias Ponderadas
Este tipo de DAC utiliza resistencias con valores proporcionales a las potencias de 2. Es difícil mantener la exactitud en la relación entre resistencias si el número de bits es grande, por lo que no se utiliza en la práctica.
DAC Multiplicador
Los DAC multiplicadores permiten variar la tensión de referencia, lo que hace que su salida sea proporcional al código digital y a la tensión de referencia.
ADC Flash
Los ADC flash utilizan un divisor resistivo de 2^N resistencias y 2^N-1 comparadores. Son los más rápidos, pero su coste aumenta exponencialmente con el número de bits, por lo que se utilizan para pocos bits (6-8).
ADC de Aproximaciones Sucesivas (SAR)
Los ADC SAR realizan una búsqueda binaria del valor de entrada. Determinan el valor en un número de ciclos igual al número de bits. A mayor número de bits, mayor tiempo de conversión.
ADC Pipeline
Los ADC pipeline utilizan ADC flash de pocos bits y un DAC para calcular el error de conversión, que es cuantificado por la siguiente etapa. Ofrecen una mayor resolución que los flash y un menor tiempo de conversión que los SAR.
ADC Integrador de Doble Rampa
Los ADC de doble rampa integran la entrada durante un tiempo constante y luego calculan el tiempo necesario para anular el resultado integrando una tensión de referencia de polaridad contraria. Son lentos pero ofrecen una gran resolución y exactitud.
ADC Delta-Sigma
Los ADC delta-sigma comparan la señal con un DAC de un bit y integran el error. El sobremuestreo elimina eficazmente el ruido y permite obtener una alta resolución.
Sample and Hold (S&H)
El circuito S&H mantiene constante el valor de la señal durante la conversión analógico-digital. Sus principales parámetros son:
- Tiempo de adquisición: Tiempo que tarda el condensador en cargarse al valor de entrada.
- Tiempo de apertura: Tiempo desde la orden de hold hasta que el condensador queda aislado de la entrada.
- Tiempo de establecimiento: Tiempo desde la orden de hold hasta que el condensador alcanza su valor final con un error determinado.
- Jitter de apertura: Incertidumbre en el tiempo de apertura.
- Drop rate: Velocidad de variación de la tensión del condensador en modo hold.
- Feedthrough: Efecto de la entrada sobre la salida en modo hold.
- Hold step: Incremento de la tensión del condensador en modo hold debido al acoplamiento de la señal digital de control.