Adquisición de datos

La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real

(sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras

electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en

tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora

o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles

con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha

transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ).

Proceso de adquisición de datos

Definiciones

Dato: Representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica de un valor. No

tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la

relación de cálculos o toma de decisiones.

Adquisición: Recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y digitalización

de manera que se puedan procesar en un ordenador.

Sistema: Conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo prestaciones

más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en

digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del PC. Una vez los datos están en

memoria pueden procesarse con una aplicación adecuada, archivarlas en el disco duro,

visualizarlas en la pantalla, etc...

Bit de resolución: Número de bits que el convertidor analógico a digital (ADC) utiliza para

representar una señal.

Rango: Valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo

unas especificaciones.

Teorema de Nyquist: Al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que dos

veces el ancho de banda de la señal de entrada, para poder reconstruir la señal original de forma

exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del aliasing que se

produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposible recuperar el original. Velocidad

de muestreo recomendada:

–2*frecuencia mayor (medida de frecuencia)

–10*frecuencia mayor (detalle de la forma de onda)

Haciendo un paréntesis a todo esto.. si se muestrea al doble de su frecuencia se la puede

reconstruir exactamente, lo que no quiere decir que si triplico la frecuencia voy a tener una mejor

señal muestreada, para nada.. ya verá el lector alguna aplicación en donde las frecuencias altas

resultarán un problema, por ende no crea que aumentando las pulsaciones va a mejorar la señal,

puesto que al menos de forma teórica el teorema no enuncia ni demuestra eso

Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que

convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el

hardware de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un

ordenador, ya sea utilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Los controles y

visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programación de propósito

general como VisualBASIC, C++, Fortran, Java, Lisp, Pascal. Los lenguajes especializados de

programación utilizados para la adquisición de datos incluyen EPICS, utilizada en la construcción

de grandes sistemas de adquisición de datos, LabVIEW, que ofrece un entorno gráfico de

programación optimizado para la adquisición de datos, y MATLAB. Estos entornos de adquisición

proporcionan un lenguaje de programación además de bibliotecas y herramientas para la

adquisición de datos y posterior análisis.

De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla al

ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica. En

este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos

de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa

adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y, luego de procesarla, es recibida por

mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también

son del tipo transductores.

Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores, convertidores

analógico - digital (A/D) y digital - analógico (D/A), para procesar información acerca de un sistema

físico de forma digitaliza

¿Cómo se adquieren los datos?

La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto

de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de

temperatura o la temperatura de una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una

fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras

cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos pueden medir todos estos diferentes propiedades

o fenómenos.

Un sensor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica

correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o

condensador, etc. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos

fenómenos depende de los transductores para convertir las señales de los fenómenos físicos

mensurables en la adquisición de datos por hardware. Transductores son sinónimo de sensores en

sistemas de DAQ. Hay transductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de

la temperatura, la presión, o flujo de fluidos. DAQ también despliega diversas técnicas de

acondicionamiento de Señales para modificar adecuadamente diferentes señales eléctricas en

tensión, que luego pueden ser digitalizados usando CED.

Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en función

del transductor utilizado.

El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es

adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o desamplificada, o

puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para

realizar demodulación. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el

puente de conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento,

linealización, etc. Este pretratamiento del señal normalmente lo realiza un pequeño módulo

acoplado al transductor.

DAQ hardware son por lo general las interfaces entre la señal y un PC. Podría ser en forma de

módulos que pueden ser conectados a la computadora de los puertos (paralelo, serie, USB, etc...)

o ranuras de las tarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Por lo general, el espacio en

la parte posterior de una tarjeta PCI es demasiado pequeño para todas las conexiones necesarias,

de modo que una ruptura de caja externa es obligatorio. Las tarjetas DAQ a menudo contienen

múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC, TTL-IO, temporizadores de alta velocidad,

memoria RAM). Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede

ejecutar pequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógica dura cableada,

pero más barato que una CPU de modo que es correcto para bloquear con simples bucles de

preguntas.

Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros proveedores, y permite que el

sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los programas acceso a las

señales de lectura por el hardware DAQ. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso.

Ejemplos de Sistemas de Adquisición y control: · DAQ para recoger datos (datalogger)

medioambientales (energías renovables e ingeniería verde). · DAQ para audio y vibraciones

(mantenimiento, test). · DAQ + control de movimiento (corte con laser). · DAQ + control de

movimiento+ visión artificial (robots modernos).

Tiempo de conversión

Es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y dependerá de la

tecnología de medida empleada. Evidentemente nos da una cota máxima de la frecuencia de la

señal a medir.

Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una señal de inicio de

"conversión" (normalmente llamada SOC, Start of Conversión) hasta que en la salida aparece un

dato válido. Para que tengamos constancia de un dato válido tenemos dos caminos:

Esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja de características.

Esperar a que el convertidor nos envíe una señal de fin de conversión.

Si no respetamos el tiempo de conversión, en la salida tendremos un valor, que dependiendo de la

constitución del convertidor será:

Un valor aleatorio, como consecuencia de la conversión en curso

El resultado de la última conversión

La etapa de acondicionamiento de la señal

Con más detalle, en una etapa de acondicionamiento podemos encontrar estas etapas, aunque no

todas están siempre presentes:

Amplificación

Excitación

Filtrado

Multiplexado

Aislamiento

Linealización

Amplificación Es el tipo más común de acondicionamiento. Para conseguir la mayor precisión

posible la señal de entrada debe ser amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la

máxima tensión que el convertidor pueda leer.

Aislamiento - Otra aplicación habitual en el acondicionamiento de la señal es el aislamiento

eléctrico entre el transductor y el ordenador, para proteger al mismo de transitorios de alta tensión

que puedan dañarlo. Un motivo adicional para usar aislamiento es el garantizar que las lecturas del

convertidor no son afectadas por diferencias en el potencial de masa o por tensiones en modo

común.

Cuando el sistema de adquisición y la señal a medir están ambas referidas a masa pueden

aparecer problemas si hay una diferencia de potencial entre ambas masas, apareciendo un "bucle

de masa", que puede devolver resultados erróneos.

Multiplexado - El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que

con un sólo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada. Puesto que el

mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la

original dividida por el número de canales muestreados. Se aconseja que los multiplexores se

utilizen antes del conversor y después del condicionamiento del señal, ya que de esta manera no

molestará a los aislantes que podamos tener.

Filtrado - El fin del filtro es eliminar las señales no deseadas de la señal que estamos observando.

Por ejemplo, en las señales cuasi-continuas, (como la temperatura) se usa un filtro de ruido de

unos 4 Hz, que eliminará interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica.

Las señales alternas, tales como la vibración, necesitan un tipo distinto de filtro, conocido como

filtro antialiasing, que es un filtro pasabajo pero con un corte muy brusco, que elimina totalmente

las señales de mayor frecuencia que la máxima a medir, ya que se si no se eliminasen aparecerían

superpuestas a la señal medida, con el consiguiente error.

Excitación - La etapa de acondicionamiento de señal a veces genera excitación para algunos

transductores, como por ejemplos las galgas "extesométricas", "termistores" o "RTD", que

necesitan de la misma, bien por su constitución interna, (como el termistor, que es una resistencia

variable con la temperatura) o bien por la configuración en que se conectan (como el caso de las

galgas, que se suelen montar en un puente de Wheatstone).

Linealización - Muchos transductores, como los termopares, presentan una respuesta no lineal

ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede

realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser una

buena idea el hacer esta corrección mediante circuitería externa.

Ejemplo

A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y por tanto la información

recibida se procesa para obtener una serie de señales de control. En este diagrama podemos ver

los bloques que componen nuestro sistema de adquisición de datos:

Como vemos, los bloques principales son estos:

Transductor

El acondicionamiento de señal

El convertidor analógico-digital

La etapa de salida (interfaz con la lógica)

El transductor es un elemento que convierte la magnitud física que vamos a medir en una señal de

salida (normalmente tensión o corriente) que puede ser procesada por nuestro sistema. Salvo que

la señal de entrada sea eléctrica, podemos decir que el transductor es un elemento que convierte

energía de un tipo en otro. Por tanto, el transductor debe tomar poca energía del sistema bajo

observación, para no alterar la medida.

El acondicionamiento de señal es la etapa encargada de filtrar y adaptar la señal proveniente del

transductor a la entrada del convertidor analógico / digital. Esta adaptación suele ser doble y se

encarga de:

Adaptar el rango de salida del transductor al rango de entrada del

convertidor.(Normalmente en tensión).

Acoplar la impedancia de salida de uno con la impedancia de entrada del otro.

La adaptación entre los rangos de salida del convertidor y el de entrada del convertidor tiene como

objetivo el aprovechar el margen dinámico del convertidor, de modo que la máxima señal de

entrada debe coincidir con la máxima que el convertidor (pero no con la máxima tensión admisible,

ya que para ésta entran en funcionamiento las redes de protección que el convertidor lleva

integrada).

Por otro lado, la adaptación de impedancias es imprescindible ya que los transductores presentan

una salida de alta impedancia, que normalmente no puede excitar la entrada de un convertidor,

cuya impedancia típica suele estar entre 1 y 10 k.

El convertidor analógico/digital es un sistema que presenta en su salida una señal digital a partir de

una señal analógica de entrada, (normalmente de tensión) realizando las funciones de

cuantificación y codificación.

La cuantificación implica la división del rango continuo de entrada en una serie de pasos, de modo

que para infinitos valores de la entrada la salida sólo puede presentar una serie determinada de

valores. Por tanto la cuantificación implica una pérdida de información que no podemos olvidar.

La codificación es el paso por el cual la señal digital se ofrece según un determinado código

binario, de modo que las etapas posteriores al convertidor puedan leer estos datos

adecuadamente. Este paso hay que tenerlo siempre en cuenta, ya que puede hacer que

obtengamos datos erróneos, sobre todo cuando el sistema admite señales positivas y negativas

con respecto a masa, momento en el cual la salida binaria del convertidor nos da tanto la magnitud

como el signo de la tensión que ha sido medida.

La etapa de salida es el conjunto de elementos que permiten conectar el s.a.d con el resto del

equipo, y puede ser desde una serie de buffers digitales incluidos en el circuito convertidor, hasta

una interfaz RS-232, RS-485 o Ethernet para conectar a un ordenador o estación de trabajo, en el

caso de sistemas de adquisición de datos comerciales.

Ventajas

Flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis

posteriores (a fin de analizar los posibles errores), gran capacidad de almacenamiento, rápido

acceso a la información y toma de decisión, se adquieren gran cantidad de datos para poder

analizar, posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios

instrumentos al mismo tiempo, facilidad de automatización, etc.

Se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas y de producción, la

detección de fallas y el control de calidad entre otras aplicaciones.

Un tipo de ejercicio de adquisición

Ejemplo 1

Tenemos 300 señales a monitorizar. Todas ellas de 4 bytes y queremos guardar la

información de todo el proceso cada segundo. ¿qué capacidad ha de tener el disco duro del PC

servidor para tener un histórico de todo un año?

Tendríamos que tener una capacidad de 37,8 GB. Pero teniendo en cuenta que siempre se tiene

que tener una copia de seguridad, esta capacidad la tendremos que multiplicar por dos y eso nos

daría 75,7 GB.

Ejemplo 2

En un sistema de adquisición de datos entran 210 señales por segundo, de 8 bytes cada

una. ¿qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo un

mes?

Los Sistemas de adquisición de Datos (S.A.D).

Un Sistema de Adquisición de Datos no es mas que un equipo electrónico cuya función es el control o simplemente el registro de una o varias variables de un proceso cualquiera, de forma general puede estar compuesto por los siguientes elementos.

1. Sensores. 2. Amplificadores operacionales. 3. Amplificadores de instrumentación. 4. Aisladores. 5. Multiplexores analógicos. 6. Multiplexores digitales. 7. Circuitos Sample and Hold. 8. Conversores A-D. 9. Conversores D-A. 10. Microprocesadores. 11. Contadores. 12. Filtros. 13. Comparadores. 14. Fuentes de potencia.

Figura 2.1. Diagrama General de un SAD.

El S.A.D debe tener una estructura y organización muy equilibrada que le permita su buen funcionamiento de ello depende de que el mismo rinda al máximo y sin ningún defecto.

Sensores o Tranductores

Sensores o Tranductores: Los sensores tienen un rol vital en todo SAD ellos tienen la función de convertir la variable física que se desea registrar en una magnitud eléctrica (voltaje, corriente, resistencia, capacidad, Inductancia, etc.). Entre las magnitudes físicas más importantes a registrar tenemos: temperatura, humedad, presión, concentración, iluminación, flujo, posición, nivel, peso, etc. Diversas pueden ser las variables ambientales, industriales, biológicas, químicas, etc. que en un momento determinado podemos necesitar controlar, esto provoca que sean también numerosos los tipos de sensores así como su principio de funcionamiento, lo cual determina generalmente el costo de sensor que será necesario utilizar.

Tipos de sensores

1- Sensor de corriente

Convierte una magnitud física en un nivel de corriente directa equivalente, este tipo de sensor tiene como ventaja principal que el nivel de corriente obtenido puede ser transportado distancias grandes sin que se produzcan perdidas significativas, su desventaja a la vez consiste que la corriente siempre tiene que ser convertida a voltaje antes de suministrársele aun conversor A-D.

Ejemplos de sensores de corriente

AD-590: Este es un circuito integrado, que funciona como una fuente de corriente dependiente de la temperatura:

Isal=1µA*T(°C) + 273.2 µA

La gran mayoría de los sensores industriales de corriente están normalizados para transmitir un rango de corriente entre los 4 - 20 mili amperes, por ser considerado este un rango óptimo para su transportación.

2- Sensor de Voltaje

Este tipo de sensor es el que entrega un nivel de voltaje equivalente a la señal física que se mide, normalmente los sensores industriales capaces de entregar un nivel de voltaje tienen incorporado circuitos acondicionadores, tales como Amplificadores de instrumentación y operacionales, comparadores, etc. Este tipo de sensores muchas veces incorpora resistores variables que permiten ajustar el rango de voltaje que ellos entregan al rango que nuestro conversor necesita, esta es su gran ventaja a su vez su desventaja es que la señal por ellos generada no puede ser transmitida mas haya de unos pocos metros porque sin que se produzcan perdidas en la misma.

Ejemplo de sensor de voltaje

Frecuentemente se ve que el sensor de voltaje son las celdas foto voltaicas capaces de convertir un nivel de iluminación en una señal de voltaje equivalente.

3-Sensor Resistivo

Este es un tipo de sensor que convierte la variación de una señal física en una variación de resistencia, entre los más comunes tenemos las termoresistencias. El inconveniente de este tipo de sensor es que se debe utilizar un puente de Wheastone en algunas de sus variantes para convertir la variación de resistencia en una variación de voltaje.

Ejemplo de sensor de voltaje

Termoresitencia PT-100 Rt = 300ohms + 0.38ohms*T(°C) Usualmente conectamos la termoresistencia en un puente de Wheastone balanceado de la siguiente forma:

Figura 2.2.Conexión de una Termoresistencia en un puente de Wheastone.

La anterior conexión del puente de Wheastone, proporciona una variación muy pequeña del voltaje para una variación de temperatura, aproximadamente 1.6 mVolts por cada grado centígrado, con un voltaje de referencia de 10 volts (este valor es aproximado porque la relación entre la variación de temperatura y el voltaje no es lineal), con vistas a aumentar la variación de voltaje para una misma variación de temperatura se pueden escoger configuraciones de 2 ó 4 termoresistencia. (Figura 1.3.). Para la configuración de 2 termoresistencias se puede lograra una variación aproximada de 6.2 mvolts por grado centígrado para un voltaje de referencia de 10 volts y para la configuración de 4 termoresistencias de aproximadamente 13 mvolts en las mismas condiciones.

Figura 2.3. Puente de Wheastone con 2 y 4 termoresistencias.

Acondicionamiento de la señal

En todo SAD o sistema donde sea usado en conversor A/D es muy importante el acondicionamiento previo de la señal que es suministrada al conversor, la esencia del acondicionamiento es hacer que el rango de variación real que experimentará la variable a medir se convierta en el rango máximo de voltaje de entrada que acepta el conversor A/D que se utiliza, o sea que el valor mínimo de la variable a medir imponga a la entrada del conversor el valor mínimo del voltaje que el acepta y el valor máximo de la variable a medir imponga el valor máximo de voltaje que el conversor admite. Paralelamente el acondicionamiento de la señal también implica la transformación de la señal entregada por el sensor de forma que siempre la magnitud final sea voltaje, además en el acondicionamiento se puede garantizar el filtrado de valores de ruido no deseadas en la variable medida.

La etapa acondicionadora esta formada básicamente por amplificadores operacionales, comparadores de nivel y amplificadores de instrumentación.

Amplificadores operacionales

En sus configuraciones básicas (inversora, no inversora, amplificadora, conversor de corriente a voltaje, etc.), son usados para garantizar que al conversor A/D le sea suministrado el rango máximo de voltaje y así el mismo pueda dar el mayor número de combinaciones posibles.

Amplificador de instrumentación

puede alternadamente sustituir al amplificador operacional, siempre que la aplicación lo exija, pues los mismos tienen prestaciones superiores a los amplificadores operacionales normales, lo cual hace que sean más costosos. Entre las características de los amplificadores de instrumentación tenemos una impedancia de entrada infinita y una ganancia ajustable en ocasiones mediante una red resistiva de precisión externa o mediante resistores internos de precisión por interruptores o por software.

Los aisladores

Son dispositivos de mucha importancia principalmente en sistemas médicos donde se requiere aislar completamente al paciente del equipo de medicióncon el fin de evitar que en caso de desperfectos del equipo los pacientes estén expuestos altos niveles de voltaje o corriente, también en equipos o instrumentos que manejen altas tensiones es necesario garantizar el aislamiento entre los instrumentos de medición y las fuentes de alta tensión. Entre los dispositivos más comunes son los opto-acopladores.

Los Multiplexores

Los multiplexores ya sean analógicos o digitales son dispositivos que nos permiten multiplexar varias entradas en una única salida. Ellos nos permiten que para registrar varias señales diferentes podamos utilizar un único conversor A/D y con ello disminuir de forma considerada el costo e un SAD. Generalmente los multiplexores se pueden dividir por el tipo de salida en simples y diferenciales o por el número de entradas en de 2, 4, 8 ó 16 entradas. El hecho de existir una gran variedad de multiplexores nos obliga a hacer una correcta selección según las exigencias de nuestro sistema, sobre la base de disminuir los costos del mismo. Los multiplexores diferenciales de mayor costo que los de salida simple, son usados normalmente cuando son utilizadas para multiplexar señales de naturaleza diferentes por ejemplo: temperatura, presión, concentración, etc. Los amplificadores de salida simple se recomiendan cuando se multiplexan señales de naturaleza semejante: por ejemplo cuando registramos la temperatura en diferentes puntos. En esencia la diferencia entre los multiplexores de salida simple y diferencial está en que para los últimos, la señal de referencia (tierra ) es también multiplexada lo cual no ocurre para los multiplexores de salida simple. En la medida que aumenta el número de entradas de un Multiplexor también aumenta su costo y el número de terminales de control que el mimo necesita, por lo cual es también muy necesario utilizar en una aplicación un Multiplexor con el número de entradas que se requiera.

Figura 2.4. Diagrama de diferentes tipos de multiplexores.

Multiplexor # de

entradas Tipo de salida

HI3-0506A-5

16 Simple

HI1-0506A-5

16 Simple

HI1-0506A-2

16 Simple

HI3-0507A-5

8 Diferencial

HI1-0507A-5

8 Diferencial

HI1-0507A-2

8 Diferencial

HI3-0508A-5

8 Simple

HI1-0508A-5

8 Simple

HI1-0508A-2

8 Simple

HI3-0509A-5

4 Diferencial

HI1-0509A-5

4 Diferencial

HI1-0509A-2

4 Diferencial

Tabla 1.1. Multiplexores mas utilizados

Sample and Hold

Sample and Hold: Dispositivo electrónico con dos posibilidades de trabajo modo Sample y modo Hold.

Modo Sample: La señal pasa a la salida del dispositivo tal y como esta en la entrada del mismo.

Modo Hold: La salida se mantiene en el nivel de voltaje que existía en la entrada en el momento que la señal hold fue activada.

Cuando utilizar sample and hold: El sample and hold debe ser utilizado cuando la señal de voltaje que entra a un conversor A/D varia en un nivel suficiente como para que el conversor cambie 1/2bit menos significativo en un tiempo menor que el que el conversor necesita para hacer la conversión. Figura 2.5. Sample and Hold.|

Si se cumple la siguiente expresión entonces tenemos que usar Sample & Hold:

Figura 2.6. Ecuacion del Sample and Hold.

Conversor Analógico Digital A/D

Dispositivo electrónico que convierte una señal eléctrica continua (generalmente voltaje) en un código digital equivalente.

Figura 2.7. Esquema general del A/D.

Lógica de control: Los terminales de la lógica de control de conversor A/D generalmente determinan e inician el estado de las operaciones que el mismo realiza entre estos terminales tenemos: Inicio de conversión, fin de conversión, chip select, chip enable, wr, rd, señales para la selección de varios canales, etc.

Lógica de funcionamiento: Mediante estos terminales podemos establecer el tipo de codificación que el conversor realizara (unipolar o bipolar), las referencias de voltaje que utiliza, el rango de voltaje de entrada, ajuste de off set, etc.

Existen fundamentalmente dos métodos de codificación bipolar y unipolar, estos métodos establecen la relación existente entre el código de salida y el voltaje e entrada al conversor.

Modo unipolar: Se utiliza para señales de una sola polaridad + o -.

Figura 2.8. Ecuación para el modo unipolar del A/D.

Eo Código

0 V 00h

5 V 80h

10 V FFh

Tabla 2.2.Relación entre el voltaje de entrada y el código de salida para un A/D de 8 bits y un rango entre 0 y 10 Volts, en modo unipolar.

En la Tabla 2. apreciamos que el voltaje de entrada es constante pero el código de salida es un código discreto que para este caso toma 256 valores (2 elevado al número de bits).

Modo Bipolar: Este tipo de conversión se recomienda cuando se estén monitorizando señales bipolares o sea con polaridad + y -.

Figura 2.9. Ecuación para el modo bipolar del A/D.

Eo Código

-5 V 00h

0 V 80h

+5 V FFh

Tabla 2.3. Relación entre el voltaje de entrada y el código de salida para un A/D de 8 bits y un rango entre 0 y 10 Volts, en modo bipolar.

Resolución: Nivel de voltaje que es capaz de discriminar un conversor A/D. O sea el nivel de voltaje para el cual el conversor cambia en un bits menos significativo. La resolución (R) depende del voltaje a plena escala y del número de bits del conversor.

R = FSR/n

Para 8 bits y un FSR de 10 Volts R = 38.5 mVolts Para 12 bits y un FSR de 10 Volts R = 2.44 mVolts

Si aumenta el número de bits aumenta la efectividad del conversor, la exactitud del sistema y por tanto el precio del conversor.

Conversor Digital Analógico D/A

Dispositivo que me convierte un código digital en una señal eléctrica correspondiente (voltaje o corriente). Su función dentro de un SAD o de control es proporcional un nivel de voltaje o corriente deseada a un elemento que me permitirá variar la variable que estoy controlando hasta llevarla al valor deseado. Este tipo de dispositivo también se puede utilizar como generador de señales.

Figura 2.10. Estructura general de un D/A.

Un conversor D/A puede tener normalmente 8, 10 ó 12 bits, salidas analógicas que pueden ser voltaje o corriente y sus sales de control frecuentemente son: Vref, Wr, CS, CE y Rfb.

En un conversor D/A al igual que en muchos dispositivos digitales el tiempo de establecimiento de un 1 lógico es mayor que el de un 0 lógico esto provoca que se produzca un efecto no deseado conocido como GLITCH. o sea el la Un conversor D/A puede tener normalmente 8, 10 ó 12 bits, salidas analógicas que pueden ser voltaje o corriente y sus sales de control frecuentemente son: Vref, Wr, CS, CE y Rfb.

En un conversor D/A al igual que en muchos dispositivos digitales el tiempo de establecimiento de un 1 lógico es mayor que el de un 0 lógico esto provoca que se produzca un efecto no deseado conocido como GLITCH.

Figura 2.11. Ejemplo de transición donde ocurre el glitch.

Figura 2.12. Conexión de un conversor D/A con más de 8 bits.

Para muchos más conversores D/A para obtener una nivel de voltaje ya sea bipolar o unipolar es necesario implementar una configuración externa.

Utilizamos el D/A 7628 para tener una referencia pero es valida la configuración para cualquier D/A.

Microprocesadores

Los microprocesadores son los que se encargan de el almacenamiento y procesamiento de los datos, son dispositivos que se encargan de todas lasfunciones de procesamiento de la señal. Estos son de gran importancia porque son como el corazón del sistema de adquisición de datos.

Ejemplos sencillos de acondicionamiento de la señal.

Ejemplo # 1

Se tiene que controlar la temperatura de un local en un rango que está entre 10 y 100 grados centígrados. Se dispone de un sensor AD-590 y un conversor A/D que admite a su entrada un nivel de voltaje entre 0 y 10 volts.

Figura 3.1 Esquema del acondicionamiento para el ejercicio.

Isal = 1µA*T(°C) + 273.2µA V1 = 1mVolt+T(°C) +273.2mVolts

Av = 10Volts/(V1(100°C) -283,2mVolts) = 111

El valor de la fuente de voltaje se calcula de forma que cuando T tenga su valor mínimo el voltaje de salida del conversor sea 0.

Ejercicio # 2

Diseñe la etapa amplificadora de un sistema que controlará la iluminación de un invernadero. Se dispone de una celda foto voltaica que varía Vsal = 10 µVolts * I(lux). El rango de iluminación está entre 0 y 100 lux y se dispone de un conversor que admite a su entrada un rango entre 0 y 5 Volts.

Figura 3.2. Esquema del acondicionamiento para el ejercicio.

Av = 5V/(10µV*100lux) = 5000

Ejercicio # 3

Calcule la etapa amplificadora del mismo ejercicio anterior pero si el rango de iluminación estuviese entre 50 y 100 lux.

Figura 3.3. Esquema del acondicionamiento para el ejercicio.

Av = 5V/(10µV*100lux - 0.5mV) = 10 000

Ejemplos sencillos de S.A.D.

Ejercicio # 1

Diseñar la etapa de multiplexación y acondicionamiento de un SAD que controlara la temperatura, iluminación, humedad relativa y ph del suelo en un invernadero. Se dispone de los siguientes sensores:

Variable Sensor Rango

Temperatura Vsal = 2mV*T(°C) 0 - 50 °C

Iluminación Vsal = 2mV*I(lux) 0 - 200 lux

H. Relativa Vsal = 0.1mV*HR(%) 0 - 100 %

PH Vsal = 10mV*PH([H]) 0 - 14

Tabla 4.1. Variables a medir.

Figura 4.1. Esquema del S.A.D.

Ahora mostraremos un ejemplo de S.A.D completo incluyendo un microcontrolador 8051.

Ejemplo # 2

Implementar un SAD que me permita indicar y controlar la temperatura existente en un alto horno de fundición. El sistema debe chequear la misma en cuatro puntos diferentes del interior del horno cada 1 seg. Se conoce que la misma puede variar entre 0 y 1000 grados Celsius y se requiere una exactitud de 1 grado. El sistema debe tener una alarma sonora de 5 kHz que se activa siempre que la temperatura este por debajo de 100 grados o sobre los 900. Se dispone de un Transductor que varia 1mV por cada grado de temp. y no se necesita S/H.

Figura 4.2. Esquema del S.A.D.

Av=10v/ 1mv*1000= 10

Conversor 10bit unipolar ; Rango/exactitud= 1000grados/ 1grado= 1000 ;

Con n= 10bit represento 1000 ; unipolar porque la señal tiene una sola polaridad.

Uso multiplexor simple porque mido en cuatro puntos pero una misma variable.

Ejemplo # 3

Implementare un SAD que me permita registrar la temperatura y el volumen de un reactor perfectamente agitado para la fermentación de penicilina. Se conoce que la temperatura puede variar entre 20 y 40 grados centígrados deseándose una precisión de 1 grado, el volumen varía entre 0 y 100 dm cúbicos y se desea una precisión de 1 dm cúbico. El sistema debe accionar sobre dos válvulas que me permitirán manejar las variables a medir. Cada 1 seg se debe determinar el volumen y la temperatura del reactor y almacenarlo en la dirección 30h y 40h respectivamente y enviar a las válvulas de control los códigos de 8 bits almacenados en las direcciones 37h y 47h. Si la temperatura es superior a 35 grados o el volumen a 80 dm cúbicos activar una alarma sonora de 5 khz y hacer parpadear un led un segundo encendido y un segundo apagado. Para diseñar el sistema se dispone de un sensor de temperatura AD-590 y en sensor ultrasónico de volumen que varia 1mV por dm cúbico.

Bibliografías

http://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos

http://www.monografias.com/trabajos17/sistemas-adquisicion-dato/sistemas-adquisicion-dato.shtml

http://www.ni.com/data-acquisition/esa/