sistemas de adquisiciÓn de datos convertidores d/a y a/d ramón ruiz merino

SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE

DATOS

CONVERTIDORES D/A Y A/D

Ramón Ruiz Merino

2

ÍNDICE

Ventajas de las técnicas digitales Esquema general de un sistema de

procesamiento de señales Muestreo y cuantización de señales Funciones previas a la conversión A/D Estructuras de conversión D/A y A/D Soluciones comerciales y criterios de

selección

3

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

Sustitución de sistemas de procesamiento analógicos por digitales: razones

Programabilidad Estabilidad Repetibilidad Funciones

Algoritmos adaptativos

Códigos correctores de errores

Funciones especiales exclusivas

Desventajas

Velocidad

Complejidad estructural

4

PROGRAMABILIDAD

HARWARE ÚNICO MÚLTIPLES TAREAS

ACTUALIZACIÓN Y FLEXIBILIDAD Digitales: actualización nuevo código

Analógicos: actualización nueva estructura

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

5

ESTABILIDAD Y REPETIBILIDAD

Sistemas analógicos

Temperatura Envejecimiento Tolerancia

componentes

Sistemas digitales

Prestaciones idénticas Independencia con

edad, temperatura o tolerancia

Precisión garantizada

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

6

PRESTACIONES Implementación más fácil de algoritmos

adaptativos Códigos correctores de errores: inclusión de

redundancia Compresión sin pérdidas Filtros: Banda

eliminada Fase

lineal

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

7

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES

8

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

SECUENCIA DE OPERACIONES

Cambio de naturaleza:Señal analógica secuencia valores numéricos [señal analógica]

9

MUESTREOTransformación de una señal analógica en una secuencia de muestras valores en instantes discretosTipos de muestreo: Muestreo en tiempo real (ideal uniforme) Muestreo en tiempo equivalente:

Señales periódicas o de características repetitivas Las muestras se forman sobre sucesivos ciclos en

diferentes instancias de la señal Anchos de banda superiores a la frecuencia de

muestreo

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

10

MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

11

MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL v t s t v t1 1

*

s t c k j tkk

s( ) exp

v t c k j t v tkk

s1 1* exp ( )

v t k j t V j ks s1 1( ) exp

V j c V j kkk

s1 1*

ck

k t

Tks

s

1

s in

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

12

MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

2m: f Nyquist

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

13

MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

Error de reconstrucción de la señal muestreada

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

14

MUESTREO TREN DE IMPULSOS( )t s 0

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

15

ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS”

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

16

SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING

Condiciones de reconstrucción:• Señal limitada en

banda

• fm < 2 fs (fs=10fm typ)Filtros antialiasing:

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

17

EJEMPLO:

Señal: DC - 100 Hz (-3dB)

-12 dB/octavafmax=200 Hz

ADC: 10 bits (60 dB)

fs=800Hz (4 fmax)

Atenuación: 600HzButterworth de 4º orden, fc=200Hz (-38dB@600Hz)

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING

18

CUANTIZACIÓNAsignación a cada muestra de un código binario

Discretización del valor de las muestras: definición de bandas

Convertidor A/D Necesidad de mantener la muestra (S&H)

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

19

CUANTIZACIÓN

Margen de entrada (M): diferencia entre el mayor y menor valor de la entrada analógica

Intervalo de cuantización (q): diferencia entre mayor y menor valor asignados a un mismo código digital de salida

Resolución (N): número de códigos del cuantizador Suele ser una potencia de dos: N = 2n (n bits)

Cuantización uniforme: q =M/2n

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

20

Error (ruido) de cuantización

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

21

Transferencia estática

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

22

Suma de un offset de ½ LSB

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

23

CUANTIZACIÓN NO UNIFORME Error relativo grande para pequeñas entradas en

esquemas uniformes Mantenimiento de la relación señal-ruido Variación de la cuantificación proporcional al nivel de

entrada

(Pre-énfasis)

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

24

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

Calidad de los datos sistema adquisición de datos:

• Relación señal-ruido (SNR) de entrada analógica• Resolución de la cuantización

SNR compatible con cuantización de n bits:

• Ruido menor que mínima señal discernible (0.5/2n)

• Entrada sinusoidal escala completa:

dB02.62log10)dB(

222/5.0

2/5.0

2

2

2

2/1

2/12

nSNR

V

VSNR

n

nn

n

s

25

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

Requisitos SNR de entrada mínimos en función del número de bits (entradas fondo escala):

26

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

Efecto del promediado sobre múltiples ciclos: 2

n

sin V

VSNR in

n

spromediado SNRm

mV

mVSNR

2

2/1

RESOLUCIÓN Y RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (SNR)

y n x n e n[ ] [ ] [ ] Modelo lineal de ruido de cuantización:

27

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

SNR intrínseco de la cuantización (SER):

2/

2/

222

12

1)(

q

qavg

qdqq

qne

(q=1/2n)

dB78.102.625.1log10)dB(

25.112/

2/5.0

)(

2

22

22/1

2

2

nSNR

qqe

VSER

n

n

avg

s

28

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR

29

Configuraciones sistemas ADQ (1)

A. Time skew

B. Sin Time skew

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

30

Configuraciones sistemas ADQ (2)

C. Alta velocidad (sigma-delta)

D. Sensores similares

Velocidad baja

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

31

ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO

TAREAS DEL SUBSISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO:

Escalado: para ajustar la salida de los transductores al rango de entrada del conversor A/D

Minimización del ruido Adaptación del espectro de frecuencias de la

salida de los sensores para seleccionar bandas de información y facilitar la obtención de muestras digitales “válidas”

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

32

ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO: FUNCIONES

Amplificación: señales procedentes de transductores de bajo nivel (termopar: 7 a 40 V) ajuste rango de señal al de entrada de ADC para incrementar resolución y sensibilidad

Aislamiento (óptico, capacitivo, transformador): diferencias en tierras (lazos de tierra), espigas alta tensión o señales modo común evita ruidos y daños a equipos

Filtrado: eliminación de ruidos HF, ruido de red y“aliasing”

Excitación: para transductores resistivos aplicación de corrientes o tensiones en estructuras de medida (puentes)

Linealización: dado que ciertos transductores (p.e. termopares) tienen una respuesta no lineal

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

33

ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

34

MULTIPLEXADO ANALÓGICO

Time Decimation MUX (TDM)

35

MULTIPLEXADO ANALÓGICO

RELÉS Resistencia pequeña en ON y muy grande en OFF Tensiones de margen amplio (>15V) Aislamiento galvánico control-acción Baja dependencia con T

ESTADO SÓLIDO Durabilidad y robustez Bajo consumo y coste Tamaño reducido y sin rebotes Rápidos

TIPOS DE INTERRUPTORES

36

MUESTREO RETENCIÓN

Muestreo-retención frente a seguimiento-retención

37

MUESTREO RETENCIÓN

38

MUESTREO RETENCIÓN

Track-and-Hold Amplifier (THA)

39

MUESTREO RETENCIÓN

Parámetros temporales THA

40

CONVERTIDORES D/A

CARACTERÍSTICAS Resolución: número de bits de entrada Conversión unipolar o bipolar Codificación de la información digital Tiempo de conversión Tensión de referencia interna o externa

(multiplicador)TIPOS Estructura multiplicadora (fuentes corriente o

resistencias ponderadas) Redes de resistencias R-2R Generación de impulsos

41

Tiempos característicos convertidores D/A

Valores typ.:

(100ns,8bits)

(1.2s,12bits)

CONVERTIDORES D/A

42

FUENTES DE CORRIENTE PONDERADAS(Código binario natural)

CONVERTIDORES D/A

43

121

1 ...222

aaaR

VrV n

nn

nnref

S

Sumador

VENTAJA Rapidez: tiempos conversión (100ns,8bits)

INCONVENIENTE Precisión en resistencias de valores muy distintos

(<8 bits)

RESISTENCIAS PONDERADAS (Binario

natural)

CONVERTIDORES D/A

Multiplicador (Vref)

44

RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R)

CONVERTIDORES D/A

45

GENERACIÓN DE IMPULSOS Método indirecto Disminución del número de resistencias calibradas Sobremuestreo: incremento de resolución a costa del

muestreo

CONVERTIDORES D/A

46

CONVERTIDORES D/A

Representación en 1 bit:

Modulación densidad pulsos (PDM)Modulación anchura pulsos (PWM)

GENERACIÓN DE IMPULSOS

47

CONVERTIDORES D/AGENERACIÓN DE IMPULSOS

Reconstrucción PWM

48

GENERADOR DE PATRONES PWM

N ciclos 1 muestra

Condición no rizado: filtro >> periodo conv. Limitación dinámica severa

NX

VV refS

(Integrador)

CONVERTIDORES D/A

49

(Pseudoaleatorio)

(1 bit DAC)

CONVERTIDORES D/A

GENERADOR DE PATRONES PDM

50

DENSIDAD DE PULSOS (PDM)

Conteo “desordenado”

Probabilidad aparición pulsos: X/N

Mejora tiempo respuesta

CONVERTIDORES D/A

51

ESQUEMAS PRÁCTICOS: “DITHERING”

Dither: señal pseudoaleatoria sumada

CONVERTIDORES D/A

52

ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN

Audio digital (CD): 16 bits a una fs de 44.1 kHz Necesidad de un reloj de 216 44.1 103 = 3

GHz Sobremuestreo sobre DAC de más de un bit Uso de interpolación (+ pasa-baja)

CONVERTIDORES D/A

53

Primer filtro: implementado para función de “antialiasing”

Esquema de Philips: interpolación + bit stream

CONVERTIDORES D/A

ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN

54

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

CAUSAS Forma de hacer

conversión Componentes Condiciones operativas

Error de ganancia

Diferencia pendientes Compensación: ajuste

Vref

Dependencia de T y Vcc

55

Error de offset

Traslación vertical Dependencia de T,

Vcc y tiempo

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

56

Error de monotonía(no linealidad diferencial)

Incrementos (q) no constantes

Aumento de un bit: disminución salida (falta de monotonía)

Más acusado: DAC resistencias ponderadas

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

57

Error de transición

Falta de continuidad en determinados cambios salida

Tiempo de paso a conducción de fuentes diferente

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

58

CONVERTIDORES A/DCRITERIOS DE SELECCIÓN

Velocidad de conversión Resolución (número de bits) Coste

CLASES DE CONVERTIDORES A/D Conversión directa: comparación tensión de

referencia (flash) Métodos indirectos: transformación a una variable

intermedia (p.e. tiempo) Estructuras realimentadas Convertidores sigma-delta (oversampling) Estructuras pipeline

59

Escalera de comparadores Máxima velocidad (10-

100MHz) Resolución limitada

(número de resistencias): < 8 bits

Resistencias precisas: ajuste láser

Aplicaciones: osciloscopios, vídeo, radar, ...

CONVERTIDORES A/D

“FLASH”

60

R, ... ,R 3R/2, R, ... ,R/2

CONVERTIDORES A/D

“FLASH”

61

RAMPA Método indirecto: transformación de la entrada en

variable intermedia tiempo Integración de tensión de referencia (rampa) hasta

alcanzar tensión de entrada

N f Tf C

IV

ox

CONVERTIDORES A/D

62

DOBLE RAMPA

Aumento precisión de convertidores de rampa

Doble integración: eliminación de errores por variaciones C y frec

Primera integración a tiempo constante (Vx)

Segunda integración a tensión fija (Vref)

CONVERTIDORES A/D

63

Vt

RCVH x 0Valor alcanzado primera

rampa:

Rampa decreciente:

Vt

RCV

NT

RCVH

xref ref

Igualando:

t

RCV

NT

RCV N

t

T

V

VnV

Vx refx

ref

x

ref

0 0

Tensión de entrada:

VN

nVx ref

(independiente de componentes y frecuencia)

• Aplicaciones: alta precisión, lentas (instrum. Digital)

CONVERTIDORES A/D

DOBLE RAMPA

64

APROXIMACIONES SUCESIVAS Estructura realimentada con D/A Registro de aproximaciones sucesivas: varía 1 bit cada

vez (MSB-LSB) Tiempo de conversión reducido respecto a rampa: 1 – 50

s Precisión de 8 a 12 bits Baratos, precisos y rápidos vs. problemas ante cambios

abruptos

CONVERTIDORES A/D

65

Registro de aproximaciones sucesivas

CONVERTIDORES A/D

APROXIMACIONES SUCESIVAS

66

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

Concepto introducido en 1962, pero no implementado hasta VLSI

Estructura predominantemente digital (90%) integración en un solo chip con DSPs

Buenas características de ruido y alta resolución Señales de ancho de banda moderado: voz

(4kHz a 14 bits) y audio digital alta fidelidad (20-24kHz a 16-18 bits)

Sobremuestreo y ADC de baja resolución

67

Menores requerimientos en filtro antialiasing

Reparto ruido de cuantización (blanco) en rango mayor de frecuencia

SOBREMUESTREO Y RUIDO

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

68

Eliminación del ruido por filtro pasa-baja (incremento SNR)

sub-muestreo manteniendo alto SNR (decimación)

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTASOBREMUESTREO Y RUIDO

69

SOBREMUESTREO Y RESOLUCIÓN

Fracción de ruido en banda:

ey eB

S

f

f2 2 2

SNRf

fx

eyx e

S

B

10 10 10 10

2

2

22 2log log log log

Si relación sobre-muestreo fS/2fB= 2r:

SNR r dBx e 10 10 3 012 2log log . ( )

Cada fs 2 3 dB mejora en SNR 0.5 bit mejor resolución

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

70

Ejemplo Sinusoide con amplitud V=1 (potencia V 2/2=0.5) Ancho de banda de audio digital (fB=20KHz) Resolución requerida 16 bits (audio digital) SNR =

98 dB Uso de un conversor de 8 bits (N) sobremuestreado Si se calcula x

2/e2 de este N se puede despejar r fS

fS = 2.64 GHz

imposible para convertidores de 8 bits en la actualidad

Necesidad conversores menor resolución 1 bit (Sigma-delta)

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTASOBREMUESTREO Y

RESOLUCIÓN

71

MODULACIÓN DELTA

Codificación y cuantización de diferencia entre muestras sucesivas

Integrador: tecnología de condensadores conmutados Cuantizador de 1 bit: comparador

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

72

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

=

Salida: señal modulada en densidad de pulsos (PDM)

Realimentación: fuerza salida a igualarse a entrada

Promedio temporal salida del modulador entrada

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

73

u[n]: señal de errorv[n]: señal a cuantizar

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

74

Prestaciones de ruido dependientes de la frecuencia

Filtro pasa-baja para la señal de entrada y pasa-alta para el ruido

Y z X z z E z z

y n x n e n e n

( ) ( ) ( )

1 11

1

SNR

r dB

x e

10 10

103

9 03

2 2

2

log log

log . ( )

Cada fs 2 9 dB mejora en SNR 1.5 bit mejor resolución Ejemplo: fs=96.78

MHz

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

75

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTACONVERTIDOR A/D SIGMA-DELTA

76

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN) En la práctica: existen ciclos límite en el primer

orden que introducen tonos (oscilaciones) Moduladores 1er orden raramente utilizados en voz o

audio Esquemas de segundo orden:

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

77

La señal cuantizada (v2) es una versión integrada del error “fino” (u2)

u2 y v2 : representaciones más precisas salida más precisa

Dominio z:

Relación señal-ruido:

Y z X z z E z z( ) ( ) ( ) 1 1 21

SNR r dBx e

10 10 10

515 052 2

4

log log log . ( )

Cada fs 2 15 dB mejora en SNR 2.5 bits mejor resolución Ejemplo: fs=6.12 MHz

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN)

78

CONVERTIDORES A/D PIPELINE

Convertidor serie-paralelo

(residuo)(residuo)

24(A-B) 24(A-B)

Compromiso entre velocidad, precisión y coste

79

CONVERTIDORES A/D PIPELINE

80

Estructura de 10 bits

1.5 bit/etapa Buffers SC S&H entre

etapas (concurrencia)

Corrección digital (18-10 bits)

14.3 Ms/s

CONVERTIDORES A/D PIPELINE

81

Estructura de etapas

CONVERTIDORES A/D PIPELINE

82

CONVERTIDORES A/D: COMPARATIVA

Video-rate ADC fs > 5 Ms/s: flash y

pipeline Bajo consumo:

flash de baja resolución

Bajo consumo 8-12 bits: pipeline

83

CONVERTIDORES A/D: COMPARATIVA

84

C.I. COMERCIALES

85

Chip de interfase analógico: TLC32044

C.I. COMERCIALES

86

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

87

A: Factores multiplicactivos áreas de emisor

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

88

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

89

Convertidor D/A dual: AD7528 (Analog Devices)

C.I. COMERCIALES

90

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

91

CA3162: doble rampa (3 dígitos BCD)

C.I. COMERCIALES

92

ADC0801 (National):Aproximaciones sucesivas

C.I. COMERCIALES

93

AD9000: convertidor A/D flash

C.I. COMERCIALES

94

C.I. COMERCIALES

TLC320AD58C: sigma-delta

95

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

96

Modos de transferencia de datos: Acceso directo a memoria (DMA) Entrada/salida programada (control del procesador)

Amplificadores de entrada: Ganancia programable digital Entradas single-ended (valores relativos tensión

común) Entradas diferenciales

Funciones de temporización

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

97

CRITERIOS DE SELECCIÓN Número de canales: single-ended diferenciales

Rechazo al modo común (CMRR) entradas diferenciales

Rango de señales de entrada (mono o bipolar) Ancho de banda señal de entrada (frecuencia de

adquisición) Throughput: cantidad de muestras / tiempo (tiempos

de setup MUX, amplificadores y S&H, tiempo conversión)

Resolución (nº de bits) y precisión: medidas relativas a rangos de error: No linealidad diferencial (DNL - code widths) y precisión relativa

(LSB) Repetibilidad: proximidad entre medidas sucesivas idénticas (%

FSR) Salidas analógicas y E/S digitales

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

98

NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

99

PRECISIÓN RELATIVA (LSB)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

100

NO LINEALIDAD INTEGRAL (INL)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

101

DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

102

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

NÚMERO EFECTIVO DE BITS (ENOB)

Errores y distorsión disminución del SNR hasta no verificar los requisitos de la cuantización

02.6/78.1dB78.102.625.1log10)dB( 2 SNRnnSNR n

02.6/78.1 realSNRENOB

Número efectivo de bits de un sistema de adquisición:

103

DAQ-516

(National Instr.)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

104

DT2831

(Data Translat.)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

105

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

106

BIBLIOGRAFÍA• A.M. Abo y P.R. Gray. “A 1.5-V, 10-bit, 14.3-MS/s CMOS Pipeline

Analog-to-Digital Converter”. IEEE Journal of Solid-Satate Circuits, Vol.34, no.5, pp. 599-606. 1999.

• P. Aziz, H. Sorensen y J. Van Der Spiegel. "An overview of Sigma-Delta Converters". IEEE Signal Processing Magazine. Enero, 1996.

• C.H. Chen. Signal Processing Handbook. Marcel Dekker. 1988.

• N. Gray. The ABCs of ADCs: Analog-to-Digital Converter Basics. National Semiconductors. 2003. http://www.national.com/apnotes/

• C. Marven y G. Ewers. A simple Approach to Digital Signal Processing. Texas Instruments. 1994.

• National Instruments. Data Acquisition Fundamentals. Application Note 007. 1999. http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/appnotebynumber