Sistemas Automatizados

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
Sistemas Automatizados
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
2.8
Y FUNCIONAMIENTO .................................12
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:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
Figura:
1 Clasificacion..........................................................................................................................................................5
2 Muestreador ..........................................................................................................................................................6
3 Cuantificación ......................................................................................................................................................7
4 Codificación ..........................................................................................................................................................7
5 Conversión .............................................................................................................................................................8
6 Diagrama bloques Rampa Simple .........................................................................................................8
7 Rampa Simple .....................................................................................................................................................9
8 Convertir Vin contador .................................................................................................................................9
9 Funcionamiento DVM Doble Rampa .................................................................................................10
10 Diagrama bloques Rampa doble......................................................................................................10
11 Aproximación sucesiva ............................................................................................................................12
12 Funcionamiento aproximacion sucesiva ......................................................................................13
13 ADC Flash paralelo ....................................................................................................................................14
14 Medición directa ..........................................................................................................................................16
MÉTODOS DIGITALES DE MEDICIÓN EN SISTEMAS AUTOMATIZADOS
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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.
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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
o
o
-
De acuerdo con sus circuitos
o
o
-
Corriente continua
Corriente continua y alterna
Pulso
Lógica
Microprocesador
Método de conversión analógico – digital (ADC)
o
Conversión tiempo – pulso


o
Conversión frecuencia – pulso
o
Conversión código – pulso


o
-
Integración simple
Integración doble
Equilibrio intensificado ( escalón, rampa )
Aproximación sucesiva ADC (digito a digito)
Métodos combinados
Numero de dígitos
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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
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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
pertenecientes a un rango.
unos determinados valores,
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Figura: 3 Cuantificación
3- CODIFICACION
En este proceso se le asigna una única palabra digital a cada muestra
Figura: 4 Codificación
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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.
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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
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Inconvenientes
-
Baja velocidad
Se requiere una alta precisión de los componentes
buenos resultados.
para obtener
Funcionamiento de este DVM
Figura: 9 Funcionamiento DVM Doble Rampa
Figura: 10 Diagrama bloques Rampa doble
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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 𝒄𝒐𝒏𝒗 𝐦𝐚𝐱 = 𝑻 𝑮𝒆𝒏 . 𝟐𝒏
n= numero de bits
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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
tensión medida;
con la
3. Si VDAC > VMEAS este bit está excluidos y el próximo en peso
incluye con un peso dos veces menor.
bit se
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
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-
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.
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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
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2.10 COMPARACION DE LOS TIPOS DE ADC
Podemos hacer un breve resumen de los diferentes tipos de ADC
-
Doble rampa
o
o
-
Flash
o
o
-
Velocidad: MUY RAPIDA
Coste: ALTA
Aproximación sucesiva
o
o
-
Velocidad : BAJA
Coste: MEDIO
Velocidad: MEDIA-RAPIDA
Coste: BAJA
Sigma delta
o
o
Velocidad: MEDIO
Coste: BAJA
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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.
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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
logramos:
-
la
utilización
de
microprocesadores
en
aparatos
de
medida
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.
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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/
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