master degree: industrial systems engineering · por un lado el continuo (escalera o rampa digital)...

PAC- Performance-centered Adaptive Curriculum for Employment Needs Programa ERASMUS: Acción Multilateral - 517742-LLP-1-2011-1-BG-ERASMUS-ECUE

MASTER DEGREE:

Industrial Systems Engineering

ASIGNATURA ISE2:

Sistemas Automatizados

MÓDULO 4: Métodos Digitales de Medición en SA

TAREA 4-1: METODOS DIGITALES DE MEDICION. TIPOS. EL USO DE

MICROPROCESADORES (MP) EN DISPOSITIVOS DE MEDICION


MÉTODOS DIGITALES DE MEDICIÓN EN SISTEMAS AUTOMATIZADOS 2

Contenido TAREA 4-1: METODOS DIGITALES DE MEDICION. ADC – TIPOS. EL USO DE MICROPROCESADORES (MP) EN DISPOSITIVOS DE MEDICION.................................................................3

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ...........................................................................................................................3

2. CONTENIDO .....................................................................................................................................................................4

2.1 VOLTIMETRO DIGITAL ........................................................................................................................................4

2.2 CARACTERISTICAS DINAMICAS DE ADC .............................................................................................5

2.3 CLASIFICACION DE ADC ...............................................................................................................................5

2.4 ADC PROCESO DE CONVERSION SIMPLE ( analógico – digital ) ...................................6

2.5 ADC CONVERSION TIEMPO – PULSO..................................................................................................8

2.6 APROXIMACION SUCESIVA ....................................................................................................................... 11

2.7 APROXIMACION SUCESIVA. PARAMETROS Y FUNCIONAMIENTO ................................. 12

2.8 ADC PARALELO (flash) ............................................................................................................................. 13

2.9 ADC SUB-RANGING .......................................................................................................................................... 14

2.10 COMPARACION DE LOS TIPOS DE ADC ..................................................................................... 15

2.11 MEDICION DE LAS TENSIONES DE IMPULSOS ........................................................................... 16

2.12 METODO DE MEDICION DIRECTA ........................................................................................................ 16

2.13 UTILIZACION DE MICROPROCESADORES EN EQUIPOS DE MEDICION .................... 17

3. CONCLUSIONES ......................................................................................................................................................... 18

4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS ................................................................................................................... 18

5. ENLACES DE INTERÉS ............................................................................................................................................ 18

Índice de figuras Figura: 1 Clasificacion ..........................................................................................................................................................5 Figura: 2 Muestreador ..........................................................................................................................................................6 Figura: 3 Cuantificación ......................................................................................................................................................7 Figura: 4 Codificación ..........................................................................................................................................................7 Figura: 5 Conversión .............................................................................................................................................................8 Figura: 6 Diagrama bloques Rampa Simple .........................................................................................................8 Figura: 7 Rampa Simple .....................................................................................................................................................9 Figura: 8 Convertir Vin contador .................................................................................................................................9 Figura: 9 Funcionamiento DVM Doble Rampa ................................................................................................. 10 Figura: 10 Diagrama bloques Rampa doble ...................................................................................................... 10 Figura: 11 Aproximación sucesiva ............................................................................................................................ 12 Figura: 12 Funcionamiento aproximacion sucesiva ...................................................................................... 13 Figura: 13 ADC Flash paralelo .................................................................................................................................... 14 Figura: 14 Medición directa .......................................................................................................................................... 16



TAREA 4-1: METODOS DIGITALES DE MEDICION. ADC – TIPOS. EL USO DE MICROPROCESADORES (MP) EN DISPOSITIVOS DE MEDICION

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS En esta tarea se deberá comparar dos tipos de ADC. Por un lado el continuo (escalera o rampa digital) Por otro lado el de aproximación sucesiva (codificación) Nombrar todas las ventajas e inconvenientes de uno y otro tipo. Realizar un pequeño ejercicio en el que nos dan unos parámetros del generador y se deberá calcular el tiempo máximo de conversión. En el otro apartado se deberá explicar de qué depende la resolución de un circuito para medida directa de intervalos de tiempo. Finalmente se deberá calcular la frecuencia que deberá tener un generador si el tiempo de separación mínima con unos datos dados.



2. CONTENIDO

2.1 VOLTIMETRO DIGITAL Para realizar medidas tales como tensión, intensidad,…y obtener datos de interés, utilizamos habitualmente el milímetro. Este, puede ser analógico o digital. Podemos clasificarlos en función de:

- Su propósito. ( tipo de tensión que vamos a medir)

o Corriente continua o Corriente continua y alterna o Pulso

- De acuerdo con sus circuitos

o Lógica o Microprocesador

- Método de conversión analógico – digital (ADC)

o Conversión tiempo – pulso

Integración simple Integración doble

o Conversión frecuencia – pulso

o Conversión código – pulso

Equilibrio intensificado ( escalón, rampa ) Aproximación sucesiva ADC (digito a digito)

o Métodos combinados

- Numero de dígitos



2.2 CARACTERISTICAS DINAMICAS DE ADC

- Frecuencia de discretizacion. Numero de conversiones por segundo - Tiempo de conversión. Tiempo entre en comienzo y fin de la conversión - Tiempo de fijación. En circuitos S / H - Tiempo de apertura. Momento de indefinición. - Rango dinámico de Ubx

2.3 CLASIFICACION DE ADC

Figura: 1 Clasificación

- De acuerdo al procedimiento de conversión o Serie o Paralelo o Paralelo – serie

- De acuerdo a su tiempo de conversión o Baja velocidad de acción (0,1-100 ms) o Media velocidad de acción ( 10 -100 ms) o Alta velocidad de acción ( 0,1 – 10 ms) o Súper alta velocidad de acción ( 10 - 100 ns)

- De acuerdo al tipo de codificación



2.4 ADC PROCESO DE CONVERSION SIMPLE (analógico – digital) Podemos separar el proceso en tres sencillos pasos.

1- En primer lugar, tenemos la adquisición de muestras, MUESTREO, en el cual por medio de un muestreador, el cual cada un determinado tiempo nos permite obtener un dato.

Figura: 2 Muestreador

Así iremos obteniendo unos conjuntos de datos de la siguiente manera

2- CUANTIFICACION En este proceso, la señal solamente puede tomar unos determinados valores, pertenecientes a un rango.



Figura: 3 Cuantificación

3- CODIFICACION En este proceso se le asigna una única palabra digital a cada muestra

Figura: 4 Codificación



2.5 ADC CONVERSION TIEMPO – PULSO

Figura: 5 Conversión

DIAGRAMA DE BLOQUES RAMPA SIMPLE

Figura: 6 Diagrama bloques Rampa Simple

ERRORES DE RAMPA SIMPLE

- Cuantificación. - Inestabilidad de la frecuencia del generador. - Inestabilidad debido a la constante de tiempo.



Figura: 7 Rampa Simple

EJEMPLO CONVERTIR Vin EN MAGNITUD DEL TIEMPO

Figura: 8 Convertir Vin contador

DOBLE RAMPA Las ventajas que nos ofrece son:

- La señal de entrada es la media de la señal real - Buena inmunidad al ruido - Buena precisión



Inconvenientes

- Baja velocidad - Se requiere una alta precisión de los componentes para obtener

buenos resultados. Funcionamiento de este DVM

Figura: 9 Funcionamiento DVM Doble Rampa

Figura: 10 Diagrama bloques Rampa doble



Ventajas

- Alta precisión - Independencia del tiempo y el periodo del generador - Alta sensibilidad - Alta estabilidad de ruido - Facilidad de medir voltajes de polaridad diferente

Inconvenientes

- Acción lenta

2.6 APROXIMACION SUCESIVA Este método se basa en la comparación de la tensión medida con una suma de una serie de voltajes de referencia. Su relación de pesos cambia en función de una determinada ley. En este caso, LEY DE PESOS Esta ley asigna a cada bit un valor (peso) con lo que cada posición, tendrá un determinado valor expresado según potencias de 2. Siendo el bit de la derecha el de menor peso, es decir, con valor 1, y en consecuencia el valor de más a la izquierda tendrá el mayor peso.

- El error depende de la exactitud del DAC y el comparador, pero no depende de la frecuencia del generador.

- Alta sensibilidad y linealidad - Utiliza elevado tiempo de conversión

𝒕𝒊𝒆𝒎𝒑𝒐 𝒄𝒐𝒏𝒗𝐦𝐚𝐱 = 𝑻 𝑮𝒆𝒏 . 𝟐𝒏

n= numero de bits



Figura: 11 Aproximación sucesiva

Algoritmo

1. El bit mayor (más significativo) se conecta primero a la entrada del DAC.

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.

2.7 APROXIMACION SUCESIVA. PARAMETROS Y FUNCIONAMIENTO

- La conversión de tiempo en pulsos es fija, solo para n pulsos. - La precisión la determina el CAD y el comparador - El error de criterio depende del número de bits de DAC



- Peor linealidad diferencial, pero acción rápida FUNCIONAMIENTO

Figura: 12 Funcionamiento aproximación sucesiva

2.8 ADC PARALELO (flash) Se utilizan comparando la tensión medida con 2^n tensiones de referencia por medio de comparadores. Esta 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 tensión, obteniendo un nivel alto si el comparador ha cambiado y nivel bajo en caso contrario. Los inconvenientes son el gran número de elementos que hacen falta y la difícil implementación de comparadores idénticos, así como la alta no linealidad.



Figura: 13 ADC Flash paralelo

La principal ventaja es la velocidad

2.9 ADC SUB-RANGING Este ADC utiliza un menor número de compensadores que los ADC flash paralelos, En lugar de utilizar un comparador por LSB como un convertidor de flash , un sub-ranging ADC utiliza menos comparadores, consume menos energía, tiene menor capacidad de entrada, y puede alcanzar resoluciones más altas. Desventajas, que no es tan rápido como el ADC paralelo



2.10 COMPARACION DE LOS TIPOS DE ADC

Podemos hacer un breve resumen de los diferentes tipos de ADC

- Doble rampa

o Velocidad : BAJA o Coste: MEDIO

- Flash

o Velocidad: MUY RAPIDA o Coste: ALTA

- Aproximación sucesiva

o Velocidad: MEDIA-RAPIDA o Coste: BAJA

- Sigma delta

o Velocidad: MEDIO o Coste: BAJA



2.11 MEDICION DE LAS TENSIONES DE IMPULSOS Una de las formas de medir intervalos de tiempo es por medio de diagramas de circuitos de coincidencia, en lo que simplemente se comparan dos o más pulsos para ver si caen en el mismo intervalo de tiempo. Podemos encontrar los siguientes tipos:

- Entre un impulso 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.

Y los siguientes métodos:

- Medición directa - Alargar el intervalo

- Vernier - Analógica

- Conversión tiempo – amplitud

2.12 METODO DE MEDICION DIRECTA

Figura: 14 Medición directa

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.



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 proviene principalmente de la cuantificación y puede ser reducido si la longitud de la cuantificación se reduce.

2.13 UTILIZACION DE MICROPROCESADORES EN EQUIPOS DE MEDICION Con la utilización de microprocesadores en aparatos de medida logramos:

- 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.



3. CONCLUSIONES En este documento podemos ver un resumen de las técnicas habituales para la conversión de una señal analógica a digital, así como una comparación de los principales métodos, viendo sus ventajas y diferencias en cuanto a velocidad, coste…

4. BIBLIOGRAFÍA Y/O REFERENCIAS www.old.me.gatech.edu http://www.dte.us.es

5. ENLACES DE INTERÉS

Se detallarán los enlaces o links que puedan ser de interés en relación con el tema de la tarea. · www.uned.es . http://www.tu-plovdiv.bg/en/

http://www.old.me.gatech.edu/

http://www.dte.us.es/

http://translate.google.es/translate?hl=es&sl=en&u=http://www-old.me.gatech.edu/mechatronics_course/ADC_F04.ppt&prev=/search%3Fq%3Dadc%2Bcontinuous%2Bcounter%2Btype%26rlz%3D1C1SVEE_enES440ES440

http://translate.google.es/translate?hl=es&sl=en&u=http://www-old.me.gatech.edu/mechatronics_course/ADC_F04.ppt&prev=/search%3Fq%3Dadc%2Bcontinuous%2Bcounter%2Btype%26rlz%3D1C1SVEE_enES440ES440

http://www.tu-plovdiv.bg/en/

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