transparencias tema 4

Click here to load reader

Post on 15-Jan-2016

215 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

bueno

TRANSCRIPT

  • Universidad Politcnica de Cartagena

    Departamento de Electrnica, Tecnologa de Computadoras y Proyectos

    Ingeniero de Telecomunicacin

    Instrumentacin Electrnica

    Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

  • 2/32

    ndice 4.1. Aspectos generales y estructuras de un sistema de adquisicin de datos.

    4.1.1. Introduccin. 4.1.2. Subsistema de acondicionamiento. 4.1.3. Subsistema de conversin analgico-digital.

    4.1.3.1. Proceso de muestreo. 4.1.3.2. Proceso de cuantificacin. 4.1.3.3. Proceso de retencin de la muestra.

    4.1.4. Proceso de codificacin de nivel. 4.1.5. Conversor analgico-digital. 4.1.6. Procesador digital. 4.1.7. Subsistema de conversin digital-analgico (DAC). 4.1.8. Estructura de un sistema de adquisicin de datos (SAD).

    4.1.8.1. Introduccin. 4.1.8.2. Sistema formado por un ADC. 4.1.8.3. Sistema formado por un ADC y un S/H. 4.1.8.4. Sistema formado por un ADC, S/H y un multiplexor. 4.1.8.5. Sistema formado por ADC, S/H, multiplexor y amplificador.

    4.2. Puertas analgicas: Multiplexores analgicos. 4.2.1. Puertas analgicas. 4.2.2. Multiplexores analgicos. 4.2.3. Estudio del circuito equivalente de las puertas analgicas.

    4.2.3.1. Anlisis del comportamiento de las puertas analgicas para corriente continua. 4.2.3.2. Anlisis del comportamiento de las puertas analgicas para corriente alterna. 4.2.3.3. Anlisis del comportamiento en rgimen transitorio.

    4.2.4. Parmetros caractersticos ms importantes.

    4.3. Circuitos de muestreo y retencin. 4.3.1. Introduccin. 4.3.2. Parmetros reales de los circuitos de muestreo y retencin. 4.3.3. Circuitos de muestreo y retencin integrados.

    4.4. Conversores Digital-Analgico. 4.4.1. Introduccin. 4.4.2. Conversor de resistencias ponderadas. 4.4.3. Conversor con redes R-2R en escalera. 4.4.4. Conversor R-2R de exactitud. 4.4.5. Conversores DAC multiplicadores. 4.4.6. Configuraciones de salida de un DAC.

    4.5. Conversores Analgico-Digital. 4.5.1. Introduccin. 4.5.2. Conversor tipo Flash.

    4.5.2.1. Conversor Flash-cascada (SUBRANGING). 4.5.3. Conversor tipo contador. 4.5.4. Conversor de aproximaciones sucesivas. 4.5.5. Conversor integrador. 4.5.6. Conversor ADC Sigma-Delta.

    4.5.6.1. Sobremuestreo. 4.5.6.2. Figura de ruido. 4.5.6.3. Filtrado Digital y Decimacin. 4.5.6.4. Aplicaciones del conversor ADC Sigma-Delta.

    4.5.7. Conversor ADC pipelined. 4.5.7.1. Arquitectura pipelined. 4.5.7.2. Latencia. 4.5.7.3. Correccin del error digital. 4.5.7.4. Precisin del componente. 4.5.7.5. Calibracin digital.

    4.5.8. Comparativa de los diferentes mtodos de conversin ADC.

  • 3/32

    4.6. Parmetros en los conversores ADC y DAC. 4.6.1. Especificaciones estticas de los conversores ADC.

    4.6.1.1. No-linealidad diferencial e integral y prdida de cdigo. 4.6.1.2. Error de offset y de ganancia.

    4.6.2. Especificaciones estticas de los confesores DAC. 4.6.2.1. No-linealidad diferencial e integral y error de no-monotonicidad. 4.6.2.2. Error de offset y de ganancia.

    4.6.3. Especificaciones dinmicas de los conversores ADC. 4.6.3.1. Relacin seal/ruido y bits efectivos. 4.6.3.2. Respuesta esprea. 4.6.3.3. Distorsin armnica total, ancho de banda a plena potencia y para respuesta lineal. 4.6.3.4. Distorsin de intermodulacin. 4.6.3.5. Tiempo de apertura y su incertidumbre. 4.6.3.6. Respuesta transitoria o tiempo de asentamiento. 4.6.3.7. Tiempo de recuperacin.

    4.6.4. Especificaciones dinmicas de los conversores DAC. 4.6.4.1. Tiempo de asentamiento. 4.6.4.2. rea de transitorios de salida. 4.6.4.3. Distorsin armnica.

  • 4/32

    Bibliografa

    Sensores y acondicionadores de seal. Ramn Palls Areny. Marcombo. Problemas resueltos de instrumentacin electrnica y medidas electrnicas. A. Manuel Lzaro. Paraninfo. Introduccin a la Electrnica de Medida. J. Daz, J. J. Jimnez y F. J. Meca. Universidad de Alcal. Madrid Transductores y acondicionadores de seal. A. Martn Fernndez. E.U.I.T.T. Madrid. Instrumentacin Electrnica. M. A. Prez Garca. Thomson.

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    5/32

    Figura 4.1. Sistema de Adquisicin de datos

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    6/32

    4.1.3. Subsistema de conversin analgico-digital.

    Figura 4.2 Resultado de los procesos de muestreo y cuantificacin. Relacin entre la frecuencia de muestreo (fS) y la mxima presente en la seal a digitalizar (femx).

    2S emxf f (4.1)

    Muestreador

    Cuantificador

    ve

    t

    vo

    t

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    7/32

    Figura 4.3. Funcin de transferencia de un cuantificador. El escaln de cuantificacin:

    FS FS MDEqN N

    + = = (4.2)

    q/2 3q/2 Entrada

    Salida

    2q

    q

    -3q/2 -q/2

    -q -2q

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    8/32

    Ruido de cuantificacin:

    Figura 4.4. Funcin de error: a) Por redondeo y b) por truncamiento.

    El ruido introducido por el cuantificador limita la relacin seal-ruido mxima del proceso. Si se supone que a la entrada del cuantificador es aplicada una seal sinusoidal que cubre todo su rango, la relacin S/N obtenida, vale:

    2 22

    2

    4; ; 10log 1,76 20log2 12 12

    SP PS N

    N

    PV Vq SP P NN N P

    = = = = = + (4.3)

    Valor medio: 0 Valor pico a pico: q Valor de pico: q / 2 Valor eficaz: q / 12 Potencia: q2/12

    q/2 3q/2 Entrada

    Error = VS - VE

    -q/2

    +q/2

    q 2q Entrada

    Error = VS - VE

    -q

    b)

    a)

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    9/32

    Tabla 4.1. Ejemplo de diferentes cdigos unipolares y bipolares para n=3 bits Nmero Nivel Binario

    natural BCD Binario natural en

    mdulo y signo Binario en

    complemento a uno Binario en

    complemento a dos Binario

    desplazado +9 --- 1001 --- --- --- --- +8 --- 1000 --- --- --- --- +7 111 0111 --- --- --- --- +6 110 0110 --- --- --- --- +5 101 0101 --- --- --- --- +4 100 0100 -- --- --- --- +3 011 0011 011 011 011 111 +2 010 0010 010 010 010 110 +1 001 0001 001 001 001 101 0 000 0000 000 y 100 000 y 111 000 100 -1 --- ---- 101 110 111 011 -2 --- ---- 110 101 110 010 -3 --- ---- 111 100 101 001 -4 --- ---- --- --- 100 000

    Tabla 4.2. Asignacin de niveles

    Rango de entrada. Redondeo Nivel Rango de entrada. Truncamiento, V 5.120 V a 5.115 V 511 5.12 V a 5.11 V 5.115 V a 5.105 V 510 5.11 V a 5.10 V

    ... ... ... 15 a 5 mV 1 20 mV a 10 mV 5 a 5 mV 0 10 mV a 0 mV

    ... ... ... -5.095 V a 5.105 V -510 -5.09 V a 5.10 V -5.105 V a 5.115 V -511 -5.10 V a 5.11 V -5.115 V a 5.120 V -512 -5.11 V a 5.12 V

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    10/32

    4.1.7. Conversor digital-analgico (DAC).

    t

    q

    T

    Figura 4.8. Aproximacin proporcionada por un DAC a una rampa.

    1 2 3 4 Entrada Digital

    Salida Analgica

    6q 5q 4q 3q 2q

    -5 -4 -3 -2 -1

    -2q -3q -4q

    Figura 4.7. Funcin de transferencia de un DAC lineal.

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    11/32

    4.2. Puertas analgicas: Multiplexores analgicos.

    Puente de diodos. Transistores bipolares. Amplificadores diferenciales. Transistores FET. Transistores MOSFET (tecnologa

    CMOS).

    Las aplicaciones de las puertas analgicas son muy variadas:

    Multiplexores analgicos Circuitos de muestreo y retencin (Sample and Hold) Amplificadores Chopper Filtros de capacidades conmutadas (switched capacitor filter SCF) Conversores Digitales-Analgicos (DAQ).

    A B

    Control

    A B

    Control =1

    A B

    Control =0

    Puerta de transmisin ON (R=0)

    Puerta de transmisin OFF (R=)

    Figura 4.15. Comportamiento ideal de una puerta de transmisin.

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    12/32

    4.2.3. Estudio del circuito equivalente de las puertas analgicas

    CIN: capacidad de entrada. COUT: capacidad de salida. CIOS: capacidad equivalente entre los terminales entrada salida (capacidad feedthrough). RON: resistencia equivalente de la puerta analgica cuando se encuentra en estado ON. S: interruptor que indica el estado de la puerta analgica. IF1, IF2: Corriente de fugas.

    Figura 4.21. Circuito equivalente de una puerta analgica.

    RON S

    CIN

    COUT

    CIOS IF2 IF1

    A B

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    13/32

    4.2.3.1. Anlisis del comportamiento de las puertas analgicas para corriente continua.

    ESTADO ON

    RON = 0 (figura 4.22.a):

    L

    gR L

    g L

    VV R

    R R= + (4.16)

    RON 0 (figura 4.22.b). Podemos aplicar superposicin:

    Figura 4.22. a) Circuito de muestreo serie. b) Circuito de muestreo serie con el modelo de la puerta analgica en estado ON.

    Rg S1

    vg

    = RLve vo

    a)

    Rg

    vg

    = RLve RON

    CIN

    COUT

    CIOS IF2IF1

    b)

    CL

  • Tema 4. Conversin Analgico-Digital. Circuitos y aplicaciones

    14/32

    Con IF1 e IF2 = 0 Con Vg e IF2 = 0 Con Vg e IF1 = 0

    ( )1 2 || ( ) || ( )L g LR L F g ON L F L ON gg ON L ON L

    V RV R I R R R I R R RR R R R R

    = + + + ++