Transcript Formacion_Especifica_Tarea_ISE2_4_1

Los sistemas automatizados
Módulo 4 - Métodos digitales de medición en el AS
Tarea 4.1. Métodos digitales de medición.ADC - tipos. El uso de
microprocesadores (MP) en dispositivos de medición
Por Anton Petrov, La Universidad de Plovdiv, ECIT Departrment
Digital methods of measurements – task4_1
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Temas principales
1. Parámetros de las tensiones de CA
2. Voltímetros digitales (DVM) - Diagrama de bloques y
clasificación
3. Convertidores analógico-digitales (ADC)
4. ADC con la conversión tiempo-pulso
5. ADC con la conversión de código-pulso
6. ADC con conversión de frecuencia-pulso
7. Paralelo (Flash) ADC. sub-ranging ADC
8. Sigma-delta ADC
9. La medición de intervalos de tiempo y frecuencia
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2
Voltímetro digital (DVM)
Ambos voltajes de CA y CC pueden ser medidos por una DVM. El voltaje de
corriente alterna puede convertirse en DC por un apropiado convertidor de
entrada .
 En la siguiente diapositiva se muestran algunos parámetros de tensión alterna.
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Parámetros de las tensiones de AC
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Voltímetro digital (DVM) -diagrama de bloques
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Comparación de Multimetro Digital y
Analógico
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DVM - clasificación
а) de acuerdo a su propósito (tipo de tensión medida):
Corriente continua;
Corriente continua y Corriente alterna (universal);
Pulso.
b)De acuerdo con sus circuitos
Con lógica ;
Con un sistema de microprocesador y el control del software.
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DVM -clasificación ...
c) de acuerdo con el método de conversión analógico - digital (tipo de ADC):
- Con conversión tiempo - pulso (la tensión se convierte en una duración del pulso):
- Con Integración simple (con rampa simple ADC) o de tipo rampa DVM;
- Con integración doble (con rampa doble ADC)
- Con conversión frecuencia - pulso (la tensión se convierte en un pulso - frecuencia):;
- Con conversión código - pulso :
- Con equilibrio intensificado (con escalón . rampa ADC);
- Con aproximación sucesiva ADC (Dígito a dígito "peso" o codificación).
- Con métodos combinados.
d)De acuerdo con el número de dígitos con n = 3, 4, 5 y más.
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Conversión analógica a digital - 1
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Conversión analógica a digital - 2
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Convertidores analógico-digitales
 Los convertidores analógico-digitales (ADC)se utilizan tanto como elementos
constitutivos de DVM autónoma e independientemente como elementos de las
vías de medición en AS
 Sus características son definitivas para las cualidades de la DV y las
mediciones en AS.
 Las características más importantes de la ADC son las metrológicas. Pueden
ser estáticas y dinámicas
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Errores estáticos de ADC
1.
2.
Error de cuantificación (redondeo). También se llama ruido de
cuantización.Se define por el paso de cuantización es decir, por la clase de la
ADC;
Error de resolución.También depende de la etapa de cuantificación;
3.
Error del cambio del valor cero -caracteriza el desplazamiento paralelo de las
características de conversión (véase a en la siguiente diapositiva);
4.
Error del cambio del coeficiente de transmisión (la rampa de las
características de conversión - ver b);
5.
Error de linealidad.A partir de la desviación de las características de
conversión del ADC de la línea recta (véase c final e).
6.
Error de falta de sensibilidad en el comienzo de las características (véase d).
7.
Error de histéresis de las características (véase F).
Los errores de 3 - 7 pertenecen a la errores sistemáticos (Ver Tarea_3_1
y la siguiente diapositiva)
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Sistemático de errores dispositivos de conversión
Los errores sistemáticos de cambio de las características de
conversión
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Cuantificación -ejemplo, con señal sinusoidal
(diagrama de simulación)
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Cuantificación - ejemplo, con señal sinusoidal
(resultados de simulación con OrCAD)
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Los errores de no linealidad
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Características dinámicas de ADC

Frecuencia de discretización -número de conversiones por el ADC por
segundo;

Tiempo de conversión -este es el intervalo de tiempo entre el inicio de la
conversión en el ADC y la señal, que marca el final de la conversión;

Tiempo de fijación -que tiene sentido sólo en los casos de utilización de
circuitos S / H;

Tiempo de apertura -momento de indefinición (con disponibilidad de Circuitos
de S / H);

Rango dinámico de Uвх - de ella, así como de la etapa de cuantificación se
define el número de clases de la ADC.
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Clasificación de ADC

De acuerdo con el procedimiento de conversión:
-
Serie;
-
Paralelo;
-
Paralelo - serie.


De acuerdo a su tiempo de conversión:
-
Con baja velocidad de la acción (Tconv = 0.1 - 100 ms);
-
Con velocidad media de la acción (Tconv = 10 a 100 ms);
-
Con alta velocidad de acción
-
Con super-alta velocidad de acción (Tconv = 10 - 100 ns);
(Tconv = 0,1 a 10 ms);
De acuerdo con el tipo de codificación (Véase DVM - Clasificación diapositiva 8). A continuación se añaden también un ADC sub-ranging y una
sigma-delta ADC
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DVM con convesión tiempo-pulso
а) con una sola rampa ADC
Diagrama de
bloques
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Diagrama de
tiempo
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Ecuaciones
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Errores de rampa simple DVM
 Error de cuantificación (a discreción) - depende m. El error relativo es 1 / m, lo
que quiere decir, que m debe ser un número más grande, es decir, la frecuencia del
generador debe ser mayor.
 Error de la inestabilidad de la frecuencia del generador.Para reducir este tipo
de error, el generador debe ser estabilizado con cuarzo.
 Error de la inestabilidad y debido de la constante de tiempo.Se puede
expresar tanto en la forma de un cambio de la característica de conversión desde el punto
cero y por el cambio de la rampa. Apenas se reduce considerablemente a medida que los
elementos R y C con un nivel relativamente bajo de la precisión y la estabilidad (rara vez
por debajo 0,5-1%).
 Errores adicionales puede ocurrir a partir de la configuración inexacta y medir
el intervalo de tiempo (debido a la inexactitud del comparador, el disparador, el
circuito AND y el generador);
 Ventajas de este tipo es su DVM alta linealidad(la no linealidad está por debajo 10-6)
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DVM rampa simple (simulación con OrCAD)
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Rampa simple DVM -los resultados de la simulación
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b)DVM con doble rampa ADC - principio del trabajo
circuito
Integrado
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b)DVM doble rampa - diagrama de bloques
El principio de funcionamiento de este tipo DVM se muestra en la anterior diapositiva.
La función del interruptor de aquí se lleva a cabo por un multiplexor analógico AMUX.
Aquí en Fase 1 (Intervalo de tiempo T), La unidad de control, a través de AMUX,
incluye Vout a la entrada del integrador (carga) y en la Fase 2 (Intervalo de tiempo Tx)
Incluye Vref a la misma entrada (descarga). El fin de la Fase 2 se determina por el
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detector de cruce por cero.
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DVM rampa doble - Diagramas de tiempo
Durante fase 2 (Tx) el número de impulsos m2 es
medido . Es variable y varía de acuerdo con el valor
de la tensión medida.
El número de impulsos m1 define el intervalo T (fase 1). Es fijado y se mide por la unidad de
control en la misma frecuencia que la del generador. Eso es lo que define el independencia de
las lecturas del voltímetro en la frecuencia del generador (ver la siguiente diapositiva).
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Ecuaciones
De la fórmula se puede ver que la tensión medida no depende del período del generador TGen.,
la definición de la unidad de medición de tiempo ni de la constante de tiempo  = RC,que es La
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principal ventaja de este tipo de DV en comparación con el DV con solo la integración.
Parámetros de DVM con doble rampa ADC
 Ventajas:
- Alta precisión (0.01 - 0.5%);
- Independencia de la constante de tiempo y el periodo del generador,
asegurar la estabilidad de los resultados en múltiples mediciones de un voltaje
dado.
- Alta sensibilidad (До 1 mV);
- Alta estabilidad al ruido (en sincronización adecuada con la red). Atenuación
80 db sin filtro para perturbaciones estándar;
- Posibilidad para facilitar la medición de voltajes de polaridad diferente.
 Inconveniente:
- Acción lenta - 10 a 400 ms para una medición.
 La de doble rampa ADC se utiliza sólo en los voltímetros digitales
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La obtención del resultado en el DVM de
doble rampa
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DVM con conversión de código de pulso
а) Con escalera de rampa ADC
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Rampa Digital VS aproximación sucesiva
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Peculiaridades
 El error de este tipo de DVM depende principalmente de la exactitud de la
DAC y el comparador y no depende de la frecuencia del generador o de otros
factores. Permite lograr una precisión del orden 0,001% en el uso un DAC
exacta
 La sensibilidad también es alto y alcanza 10 V. El método también se
caracteriza por una alta linealidad.
 Una desventaja principal de este tipo de DVM y DAC es el gran tiempo de la
conversión. El tiempo máximo de conversión se define por la siguiente
dependencia:
tconv.max = TGen. 2^ N
 Ejemplo: con la resolución n = 10 -bits y Tgen. = 1s el tiempo máximo de
conversión será:
tconv.max = 1,2 ^ 10 = 1024 s  1ms
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Aproximación sucesiva ADC
 El método se basa en la comparación de la tensión medida con una suma de una
serie de voltajes estándar (referencia),cuya relación de pesos cambia por una
cierta ley - en este caso por la ley de los números binarios, según la cual cada
uno de los bits más significativos de peso tiene dos veces más grande que
el vecino bits menos significativos.
 El número, que corresponde al conjunto de los voltajes estándar, por lo que la
tensión medida está equilibrada es el código digital de esta tensión. Los pesos de
estos voltajes con un n-bit DAC son correspondientemente:
2n -1 ,2n  2 ,....,2 2 ,21 ,20
El principio de trabajo de este tipo de ADC se da en la siguiente diapositiva.
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Aproximación sucesiva ADC - diagrama
de bloques
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Algoritmo de aproximación
1.
El bit mayor(más significativo) se conecta primero a la entrada del DAC
(D / A), cuyo peso es 2n-1,es decir, el código digital es dado 1000 .... 0;
2.
El voltaje estándar obtenido en la salida de la DAC se compara con la
tensión medida;
3.
Si VDAC > VMEAS este bit está excluidos y el próximo en peso bit se
incluye con un peso dos veces menor;
4.
Si VDAC < VMEAS el bit de estado incluido y el siguiente en el bit de peso
también se incluye;
5.
La siguiente comparación de VDAC y VMEAS se lleva a cabo y el proceso
continúa como en los puntos 3 y 4 hasta que se utilizan todos los bits del
DAC y se alcanza el equilibrio mejor posible.
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Parámetros
 Converison tiempo es fijo y la conversión se lleva a cabo sólo para n pulsos de reloj,
pero no para 2^n:
TC  TGEN .n
Si se utilizan los mismos parámetros que en el ejemplo anterior, obtenemos:
TC  1.10 10s
 La precisión se define principalmente por el CAD y su tensión de referencia, así como
por el comparador.
 El error de criterio depende en el número de bits de la DAC.
 La linealidad diferencial es peor, pero la acción rápida es alta (sólo los ADC en paralelo
son más rápidos, así como los que tienen la conversión combinada [pipeline]).
 El resto de los parámetros son como lo son en el tipo anterior.
 Rara vez son utilizados en voltímetros digitales, pero muy a menudo utilizado en la
EA debido a su rápida acción.
 Recientemente se producen como circuitos integrados, por el cual se consigue
considerablemente mejor linealidad.
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DVM con conversión de frecuencia de
pulso
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U F convertidor
 El así llamado método de balanceo de carga es ampliamente utilizado
- Uвх entra en RC integrador, cuya tensión de salida se compara en el comparador K con
voltaje estable, por ejemplo, cero.
- La salida del comparador está conectada a un mono-vibrador (MV), que se inicia a un nivel
alto de la entrada.
- El MV produce un impulso T calibrado que convierte un interruptor, el envío de corriente I
estable a la entrada inversora del integrador.
- La cantidad de carga es:
- Q = I.T
(1)
- Después del final de T, la descarga se inicia en C por Uвх y el voltaje en el condensador se
fuerza a cero.
- El valor de la tasa tomado durante el período Tх es la siguiente:
QIN .IIN .TX 
U IN
.TX
R
- Al igualar (1) y (2) obtenemos
(2)
fX 
1
1
 U IN .
 U IN .K
TX
R.T .I
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U f convertidor - diagrama de bloques
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Paralelo (flash) ADC
3 -bits en paralelo ADC
Ellos usan el principio de la comparación de la
tensión medida con 2n voltajes de referencia
por medio de 2n comparadores (para n-bit
ADC).
La conversión se lleva a cabo en un solo
contacto para cientos de décadas de nanosegundos .La tensión de referencia es
suministrada por un divisor de resistencia.
Se obtiene un alto nivel en la salida de cada
comparador si el comparador ha cambiado, o,
bajo nivel, si no ha cambiado. El codificador a
menudo cuenta como uno de dos pasos.
El gran número de elementos y la difícil
realización de comparadores idénticos y
resistencias con alta exactitud y la alta no
linealidad diferencial son las desventajas de la
ADC en paralelo.
Mediante las tecnologías de modernos super rápido
paralelo ADC (ECL y CMOS) se realizan con buenos
parámetros de no linealidad y frecuencias de
discretización de más 100MHz.
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ADCs sub-ranging
 Un sub-ranging ADC utiliza un menor número de comparadores que los ADC flash
paralelos. En lugar de utilizar un comparador por LSB como un convertidor de flash , una
sub-ranging ADC utiliza menos comparadores, consume menos energía, tiene menor
capacidad de entrada, y puede alcanzar resoluciones más altas.
 Aunque no es tan rápido como un ADC en paralelo, uyn ADCs sub-ranging (también
llamado pipeline) puede digitalizar a velocidades superiores a 100 Mmuestras / s con una
resolución de 8 bits.
 Se pueden resolver las señales de 16 bits a velocidades más lentas. ADCs sub-ranging a
menudo encuentran su uso en Equipos de prueba de RF, osciloscopio de digitalización
de baja velocidad, y PC de gama alta plug-in tarjetas digitalizadoras y Sistemas de
adquisición de datos en PC externos.
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sub-ranging ADC - diagrama de bloques
 La figura anterior muestra un diagrama de bloques de un ADC de 8 bits sub-ranging que
utiliza dos etapas de 4 bits para digitalizar la señal de entrada analógica. La primera ADC
convierte los 4 bits superiores, mientras que la segunda etapa convierte los 4 bits más
bajos. Utiliza este diseño 30 comparadores (15 para cada ADC) en lugar de los 255
comparadores requeridos por un convertidor de flash de 8 bits.
 Cuando el amplificador S / H almacena una muestra, 4 bits de flash ADC de la primera
etapa digitaliza la señal y envía su salida a un convertidor digital-a-analógico de 4 bits
(DAC). Un sumador, resta la salida del DAC de la tensión de entrada muestreada. Un
amplificador aumenta la tensión analógica restante y lo envía a la siguiente etapa. A 12-bit
sub-ranging ADC puede utilizar dos etapas de 6 bits, tres etapas de 4 bits, o cuatro etapas
de 3 bits. ADCs sub-ranging generalmente, usa bits adicionales en las últimas etapas
para corregir errores realizados en etapas anteriores.
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http://www.e-insite.net/index.asp?layout=articlePrint&articleID=CA2 ...
Sigma-delta ADC
 Muchas aplicaciones de medición no necesitan tasas posibles con convertidores paralelos o
sub-rango de alta conversión, pero las aplicaciones necesitan una resolución más exacta. ADC
sigma-delta puede obtener una resolución tan exacta como la de 24 bits y pueden obtener
una resolución a diferente velocidad. A 16 bits, puede obtener frecuencias de muestreo de
hasta unos 100 k muestras / s. En 24 bits, la velocidad de la ADC se reduce a alrededor de 100
muestras / s o más bajos, dependiendo del dispositivo.
 ADC sigma-delta son útiles en digitalización de señales de audiofrecuencia. Los
encontrarás en algunos Sistemas de adquisición de datos en PC externos y en el equipo de
prueba de vibración. ADC sigma-delta también encuentran un amplio uso en sistemas y
aplicaciones de medición ,temperatura y pesaje, en los que no es necesario el muestreo de
alta velocidad, pero a menudo necesitan una solucion mas precisa de 16 bits. Muchos
registradores gráficos y registradores de datos también utilizan ADCs sigma-delta.
 ADC sigma-delta es mucho más complejo que otros tipos de ADC.
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Sigma-delta ADC - diagrama de bloques
 ADC sigma-delta utiliza un comparador y 1 bit DAC seguido por filtros digitales para
eliminar las frecuencias no deseadas y para reducir la frecuencia de muestreo. La señal
analógica sobremuestreada pasa por un integrador cuya salida conduce a un comparador (un
1-bit ADC) que, a su vez, impulsa un DAC de 1 bit en el bucle de realimentación. A través de
una serie de iteraciones, el integrador, comparador, DAC, y el sumador producen un flujo de
bits en serie que representa la tensión de entrada sobremuestreada.
 Una vez digitalizada, la señal de sobremuestreo pasa a través de un filtro digital para
eliminar componentes de frecuencia por encima de la frecuencia de Nyquist, y un se elimina
los datos sobremuestreados. En un ADC con 128X sobremuestreados, se retendrá 1 bit por
cada 128 bits que recibe. El resultado final es una corriente de bits en serie.
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Medición de las tensiones de impulsos
 A menudo se realiza en experimentos físicos en el proceso de investigación de los
espectros de energía de varios tipos de radiación ionizante (Roentgen y los rayos
Gamma,partículas alfa, etc), en las técnicas de láser etc
 La tensión del pulso, procedentes de diversos tipos de detectores de radiación ionizante
(proporcional, centelleo, semiconductores)por sus amplitudes dan alguna información
acerca de la energía, sobre la energía de la radiación.
 Los dispositivos para la selección de voltajes de impulsos con ciertas amplitudes se
denominan selectores de amplitud, mientras que los dispositivos de recepción, amplificación
y la conversión de las señales de pulso y su clasificación por la amplitud y el registro se
denominan analizadores de amplitud.
 Con el fin de medir la amplitud de un impulso que tiene que ser guardado por medio del
denominado detector de pico.
Nota: Detalles acerca de la medición de voltajes de pulso se puede encontrar en el material adicional
«Medición de tensiones de impulso (en búlgaro)»
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La medición de intervalos de tiempo
 Se realiza a menudo en experimentos físicos.
 Ejemplos:medición el tiempo de vuelo de las partículas elementales, medición la
energía de los neutrones por el método de tiempo de vuelo,medición el tiempo de vida
de estados isoméricos, mediciones en técnicas de láser etc. Además, algunos de los
métodos de medición de las tensiones se reducen a la conversión de los los voltajes en
intervalos de tiempo y de medición digital consecutiva de los intervalos de tiempo.
 Una de las formas de medir intervalos de tiempo se basa en una principio análogo y se
realiza por medio de diagramas de circuito de coincidencia. En realidad, es comprobar si
dos o más pulsos caen en un intervalo de tiempo dado, definido por el tiempo de separación
del diagrama de circuito de coincidencia.
 Los métodos de medida digital de intervalos de tiempo tienen una apicación mas amplia
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Tipos y métodos de medición de intervalos de tiempo
 Los siguientes tipos se distinguen
- Entre un impluso de partida y un impulso de parada de la misma fuente
- Entre un impulso de partida y un impulso de parada de dos fuentes diferentes;
- Entre un impulso de partida y un número de parada ;
- La duración de un impulso.
Métodos:
1.
La medición directa (método de conteo directo). Resolución de hasta un pocos ns;
2.
Estirar el intervalo t T:
А) Vernier - corresponde a los métodos digitales - hasta 100ps;
Б) Analógica - carga rápida y lenta descarga de un condensador - abajo 100ps;
3.
Conversión tiempo - amplitud tLa y la medición digital consecutiva de la amplitud
- hasta 50ps.
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La medición de intervalos de tiempo por un método
directo
Los dos bloques de entrada y el de RS- desde un impulso con una duración Tx, igual al intervalo
de tiempo entre el inicio y la señal de parada. Después de la duración de este pulso se mide
digitalmente por la manera conocida (ver el diagrama de tiempo).
 El diagrama de circuito puede ser fácilmente ajustado para la medición de la duración de las
señales, en que los bloques de entrada se convierten en redundantes y el pulso medido se envía al
punto en el lugar del impulso de referencia, es decir, directamente al circuito AND, haciendo el papel de
un selector de tiempo.
 El error aquí proviene básicamente de cuantificación y puede ser reducido si la longitud de la
cuant se reduce - el período del generador de tacto, que debe ser cuarzo estabilizado -.
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Medición de frecuencias - 1
Uх
Fх
Tx
INPUT
CONVERTER
SHAPING
CIRCUIT
&
COUNTER
Tst
CLOCK
GENERATOR
Tst
Fc
DIVIDER
WITH K
Fst =
Fc/K
CONTROL
LOGIC
DIPSPLAY
 El diagrama de circuito es similar a la que se usa para la medición directa de intervalos de tiempo.
 La diferencia es que los dos canales cambian de lugar aquí - la señal con la frecuencia y el periodo
medido Тх se da en el lugar del generador, mientras que desde el generador, a través de un divisor, un
pulso Тет es formado y se envía al circuito de E para controlar el recuento.
 El impulso de referencia es formado con duración, múltiples 10: 0,1, 1, 10, 100 segundo. etcétera. Los
impulsos, contados por el contador, 1s dan la frecuencia deseada.
La relación Tет/Tx = Fx/Fет = m se busca.
 Errores principales:
 Error de la medida -depende de la precisión del generador de cuarzo y sube  1.10-10 1 /s o  50.10-9
1 / período de veinticuatro horas;
 Error de comparación (cuantificación).
Nota: Nota: Detalles acerca de la medición de intervalos de tiempo y la frecuencia se pueden encontrar en
el material adicional «Medidas de intervalos de tiempo y frecuencia (En Bulgaro)»
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Medición de la frecuencias - 2
 Medidas para reducir el error:
- La ampliación del intervalo de medición (hasta 10 seg.);
- Multiplicación de la frecuencia Fx;
- Múltiples medidas y tratamiento estadístico;
- Medición de un período en lugar de una frecuencia - en las frecuencias bajas
- ejemplo:la medición de la frecuencia de los latidos del corazón - es más apropiado para medir un
período, debido a que la frecuencia puede cambiar rápidamente (por ejemplo después de la carga de
trabajo o el estrés).
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Utilizando microprocesadores en equipos de
medición digitales
 La incorporación de microprocesadores (MP) en los dispositivos de medición
digitales dicta la siguiente posibilidades:
- Establecimiento automático de la gama y el modo de de la medición;
- Control de la operación en todos los bloques de un dispositivo;
- Programación y configuración del modo para lograr la precisión deseada;
- Múltiples mediciones y procesamiento estadístico si es necesario;
- Control automático y auto-test;
- Representación conveniente de los resultados;
- Reducción del consumo de energía;
- Alta fiabilidad.
Nota: Los detalles sobre el uso de microprocesadores en dispositivos y sistemas de medición se pueden
encontrar en el material adicional "El uso de embebido МSistemas P» (En búlgaro)
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