sistemas de adquisiciÓn de datos convertidores d/a y a/d ramón ruiz merino
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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE
DATOS
CONVERTIDORES D/A Y A/D
Ramón Ruiz Merino
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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
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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
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4
PROGRAMABILIDAD
HARWARE ÚNICO MÚLTIPLES TAREAS
ACTUALIZACIÓN Y FLEXIBILIDAD Digitales: actualización nuevo código
Analógicos: actualización nueva estructura
VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
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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
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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
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7
ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES
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8
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
SECUENCIA DE OPERACIONES
Cambio de naturaleza:Señal analógica secuencia valores numéricos [señal analógica]
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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
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10
MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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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
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12
MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL
2m: f Nyquist
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL
Error de reconstrucción de la señal muestreada
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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MUESTREO TREN DE IMPULSOS( )t s 0
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS”
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING
Condiciones de reconstrucción:• Señal limitada en
banda
• fm < 2 fs (fs=10fm typ)Filtros antialiasing:
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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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
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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
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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
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20
Error (ruido) de cuantización
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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Transferencia estática
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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Suma de un offset de ½ LSB
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
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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
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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
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REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO
Requisitos SNR de entrada mínimos en función del número de bits (entradas fondo escala):
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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:
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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
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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR
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Configuraciones sistemas ADQ (1)
A. Time skew
B. Sin Time skew
FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
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Configuraciones sistemas ADQ (2)
C. Alta velocidad (sigma-delta)
D. Sensores similares
Velocidad baja
FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
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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
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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
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33
ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO
FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
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MULTIPLEXADO ANALÓGICO
Time Decimation MUX (TDM)
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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
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MUESTREO RETENCIÓN
Muestreo-retención frente a seguimiento-retención
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37
MUESTREO RETENCIÓN
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38
MUESTREO RETENCIÓN
Track-and-Hold Amplifier (THA)
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39
MUESTREO RETENCIÓN
Parámetros temporales THA
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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
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41
Tiempos característicos convertidores D/A
Valores typ.:
(100ns,8bits)
(1.2s,12bits)
CONVERTIDORES D/A
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42
FUENTES DE CORRIENTE PONDERADAS(Código binario natural)
CONVERTIDORES D/A
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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)
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44
RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R)
CONVERTIDORES D/A
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45
GENERACIÓN DE IMPULSOS Método indirecto Disminución del número de resistencias calibradas Sobremuestreo: incremento de resolución a costa del
muestreo
CONVERTIDORES D/A
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46
CONVERTIDORES D/A
Representación en 1 bit:
Modulación densidad pulsos (PDM)Modulación anchura pulsos (PWM)
GENERACIÓN DE IMPULSOS
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CONVERTIDORES D/AGENERACIÓN DE IMPULSOS
Reconstrucción PWM
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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
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(Pseudoaleatorio)
(1 bit DAC)
CONVERTIDORES D/A
GENERADOR DE PATRONES PDM
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50
DENSIDAD DE PULSOS (PDM)
Conteo “desordenado”
Probabilidad aparición pulsos: X/N
Mejora tiempo respuesta
CONVERTIDORES D/A
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51
ESQUEMAS PRÁCTICOS: “DITHERING”
Dither: señal pseudoaleatoria sumada
CONVERTIDORES D/A
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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
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53
Primer filtro: implementado para función de “antialiasing”
Esquema de Philips: interpolación + bit stream
CONVERTIDORES D/A
ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN
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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
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55
Error de offset
Traslación vertical Dependencia de T,
Vcc y tiempo
ERRORES EN CONVERTIDORES D/A
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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
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57
Error de transición
Falta de continuidad en determinados cambios salida
Tiempo de paso a conducción de fuentes diferente
ERRORES EN CONVERTIDORES D/A
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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
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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”
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60
R, ... ,R 3R/2, R, ... ,R/2
CONVERTIDORES A/D
“FLASH”
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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
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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
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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
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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
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65
Registro de aproximaciones sucesivas
CONVERTIDORES A/D
APROXIMACIONES SUCESIVAS
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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
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67
Menores requerimientos en filtro antialiasing
Reparto ruido de cuantización (blanco) en rango mayor de frecuencia
SOBREMUESTREO Y RUIDO
CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
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68
Eliminación del ruido por filtro pasa-baja (incremento SNR)
sub-muestreo manteniendo alto SNR (decimación)
CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTASOBREMUESTREO Y RUIDO
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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
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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
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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
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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
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73
u[n]: señal de errorv[n]: señal a cuantizar
CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)
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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)
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75
CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTACONVERTIDOR A/D SIGMA-DELTA
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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
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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)
![Page 78: SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D Ramón Ruiz Merino](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062315/5665b4241a28abb57c8f79d4/html5/thumbnails/78.jpg)
78
CONVERTIDORES A/D PIPELINE
Convertidor serie-paralelo
(residuo)(residuo)
24(A-B) 24(A-B)
Compromiso entre velocidad, precisión y coste
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79
CONVERTIDORES A/D PIPELINE
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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
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81
Estructura de etapas
CONVERTIDORES A/D PIPELINE
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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
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83
CONVERTIDORES A/D: COMPARATIVA
![Page 84: SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D Ramón Ruiz Merino](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062315/5665b4241a28abb57c8f79d4/html5/thumbnails/84.jpg)
84
C.I. COMERCIALES
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85
Chip de interfase analógico: TLC32044
C.I. COMERCIALES
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86
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A: DAC0800 (National)
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87
A: Factores multiplicactivos áreas de emisor
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A: DAC0800 (National)
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88
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A: DAC0800 (National)
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89
Convertidor D/A dual: AD7528 (Analog Devices)
C.I. COMERCIALES
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90
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A: DAC0800 (National)
![Page 91: SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D Ramón Ruiz Merino](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062315/5665b4241a28abb57c8f79d4/html5/thumbnails/91.jpg)
91
CA3162: doble rampa (3 dígitos BCD)
C.I. COMERCIALES
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92
ADC0801 (National):Aproximaciones sucesivas
C.I. COMERCIALES
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93
AD9000: convertidor A/D flash
C.I. COMERCIALES
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94
C.I. COMERCIALES
TLC320AD58C: sigma-delta
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95
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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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
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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
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98
NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL)
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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99
PRECISIÓN RELATIVA (LSB)
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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100
NO LINEALIDAD INTEGRAL (INL)
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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101
DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD)
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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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:
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103
DAQ-516
(National Instr.)
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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104
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