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Sistemas analgicos ydigitales
El objetivo de esta clase espresentar las diferencias entre
seales anlogas y digitales y su
importancia dentro del procesode medicin.
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Clasificacin de las seales
Segn la naturaleza de las seales que intervienen en elproceso de medicin, pueden dividirse en Sistemas analgicos Sistemas digitales
Sistemas !"bridos analgicos y digitales
Sistemas analgicos #rabajan con seales del tipo continuo, las cuales representan
proporcionalmente magnitudes f"sicas del proceso como presin,temperatura, caudal, fuerza, etc.
Sus valores estndar estn entre $ a %$ voltios y & a '$ m(., etc. (ctualmente, los instrumentos de medicin que generan seales
anlogas estn enlazados a sistemas electrnicos, por lo cual esnecesario una interfase )convertidor (*+.
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Seales anlogas
Ejemplos -n sensor de temperatura )termocupla genera seales de
voltaje proporcionales a la temperatura.
-na celda de carga produce una diferencia de voltaje en funcin
de la deformacin de un elemento al cual se le !a aplicado una
fuerza.
-n transductor de presin genera una seal de voltaje o
corriente proporcional a la presin.
on transductores de presin podemos medir nivel en l"quidos.
-n transductor magn/tico de caudal, genera un voltaje
proporcional al flujo.
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Seales digitales
#rabajan con seales todo o nada llamadas tambi/n binarias,
ya que slo pueden presentar dos estados abierto o cerrado
conduce o no conduce. Se los representa por variables
lgicas $ %.
El inicio de las seales digitales en la era de las
telecomunicaciones lo marc el cdigo morse, en el que
consist"a en enviar seales pulsantes que generaban sonidos
a trav/s de una campana. Estas seales eran controladas y
traducidas por el ser !umano )protocolo de comunicacin. 0uego aparecieron las seales luminosas para comunicacin
entre embarcaciones.
( mediados del siglo %1 aparecieron los transistores que
revolucionar"an los sistemas digitales.
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....Seales digitales
0os valores de voltaje son relativos dependiendo de la
tecnolog"a con que se trabaje. En la mayor"a de los casos los
niveles de voltaje estn por debajo de los %$ voltios.
Se puede distinguir dos grupos 0os que trabajan con variables de un solo bit Ej. en medicin de
234, se cuenta el nmero de pulsos en un determinado espacio
de tiempo
0os que procesan seales de varios bits Ej. la combinacin de
un grupo de bits pueden representar valores num/ricos devariables o valores alfanum/ricos.
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....Seales digitales
Seales que trabajan con un
solo bit.
El foto detector )foto
transistor, al recibir la seal
de luz se polariza y actacomo un s5itc! )conduce. (l
no recibir luz, el foto transistor
permanece abierto.
Esto genera una seal
pulsante cuadrada que
permite determinar las 234
contando el 6 de pulsos en un
determinado tiempo.
Foto-detector
Eje
Fuente
de Luz
Disco rotatorio
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semiconductores #ransistor Es un semiconductor de silicio del cual salen 7
patillas )Emisor, 8ase y olector. #enemostransistores tipo 393 y 939.
(l suministrarle una cierta cantidad de voltaje
en la base, el material :9; se satura y permiteque circule corriente entre E y , por tanto secomporta como un s5itc!.
(l no e
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.... semiconductores
Este tipo de materiales )3 y 9 no son mas quecompuestos de silicio, germanio, galio, etc. conimpurezas de otros metales que le dan esascaracter"sticas, y son la base de los semiconductores, y
en consecuencia de compuertas lgicas,decodificadores, microprocesadores, etc..
Ej. un microprocesador de computadora contienealgunos millones de transistores.
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....Seales digitales
+entro del otro grupo de seales digitales, en las que setrabaja con una serie de bits tenemos un tren de pulsos quepueden ser generadas en serie o en paralelo.
El significado de ese tren de pulsos se lo determina
asignando valores y jerarqu"a a cada bit del tren de pulsos.
8it :$; 0east significative bit )menos significativo0S8 8it :@; 4ore significative bit )mas significativo4S8
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....Seales digitales
Se pueden formar 2n
combinaciones de bits en un
tren de pulsos, siendo nel
nmero total de pulsos
contenidos en el tren. -n tren de pulsos de A bits se
denomina byte, y se pueden
lograr 'B> combinaciones.
El valor decimal equivalente
del tren de pulsos seencuentra sumando el valor
correspondiente )peso a los
:%; del tren de pulsos
9mero binario
# decimal
$ % ' 7
3eso asignado del bit
% ' & A
$
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$
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$
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....Seales digitales
9umero binario
?alordecimal
$ % ' 7 & B > @
0S8 3eso asignado al bit
4S8
% ' & A %> 7' >& %'A
$
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....Seales digitales
+ependiendo del m/todo de comunicacin, esta informacincontenida en el tren de pulsos se la puede transmitir en formaserial o paralela.
( este m/todo de comunicacin se lo denomina :protocolo decomunicacin; que consiste en la forma de cmo se entiendetanto el emisor como el receptor de la informacin.
0a comunicacin serial va de bit en bit por una sola l"nea detransmisin, mientras que la paralela se env"an todos los bitsdel tren de pulsos por :n; l"neas de transmisin.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
0os convertidores (*+ son dispositivos electrnicos que establecen
una relacin biun"voca entre el valor de la seal en su entrada y la
palabra digital obtenida en su salida.
0a relacin se establece en la mayor"a de los casos, con la ayuda
de una tensin de referencia.
0a conversin analgica a digital tiene su fundamento terico en el
#eorema del muestreo y en los conceptos de cuantificacin ycodificacin.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Circuitos de captura y mantenimiento (S!"Sampleand !old.
0os circuitos de captura y mantenimiento se emplean
para el muestreo de la seal analgica )durante un
intervalo de tiempo y el posterior mantenimiento dedic!o valor, generalmente en un condensador, durante el
tiempo que dura la transformacin (*+, propiamente
dic!a. El esquema bsico de un circuito de captura y
mantenimiento, as" como su representacin simplificada,se ofrece
en la figura
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Circuitos de captura y mantenimiento (S!"Sampleand !old.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Circuitos de captura y mantenimiento (S!"Sampleand !old.
El funcionamiento del circuito de la figura es el
siguiente El convertidor (*+ manda un impulso deanc!ura t5 por la l"nea *4, que activa el interruptor
electrnico, cargndose el condensador , durante el
tiempo t5. En el caso ideal, la tensin en el
condensador sigue la tensin de entrada.3osteriormente el condensador mantiene la tensin
adquirida cuando se abre el interruptor.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
En la siguiente figura se muestran las formas de las seales deentrada, salida y gobierno del interruptor.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
El grfico tiene un carcter ideal, puesto que tanto lacarga como la descarga del condensador estn
relacionadas estrec!amente con su valor y con el de
las resistencias y capacidades parsitas asociadas al
circuito.
Se recalca el !ec!o de que el control de la seal *4
procede del convertidor (*+, que es el nico que
conoce el momento en que finaliza la conversin de laseal.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Conversor $% con comparadores.
Es el nico caso en que los procesos de cuantificacin y codificacin
estn claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante
comparadores que discriminan entre un nmero finito de niveles de
tensin . Estos comparadores reciben en sus entradas la sealanalgica de entrada junto con una tensin de referencia, distinta
para cada uno de ellos. (l estar las tensiones de referencia
escalonadas, es posible conocer si la seal de entrada est por
encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitir conocer
el estado que le corresponde como resultado de la cuantificacin. (
continuacin ser necesario un codificador que nos entregue la
salida digital.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Conversor $% con comparadores.
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Conversor $% con comparadores.
Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso
de conversin es directo en lugar de secuencial,
reduci/ndose el tiempo de conversin necesario a lasuma de los de propagacin en el comparador y el
codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los
casos de baja resolucin, dado que para obtener una
salida de 9 bits son necesarios '9C% comparadores, loque lleva a una complejidad y encarecimiento e
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Conversor $% con contadores.
0lamado tambi/n convertidor con rampa en escalera. -sa el circuito
ms sencillo de los conversores (*+ y consta bsicamente de los
elementos reflejados en la figura siguiente
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.... Convertidores analgicos-digitales.
Conversor $% con contadores.-na vez que el circuito de captura y mantenimiento )S*D, !a
muestreado la seal analgica, el contador comienza a funcionar
contando los impulsos procedentes del reloj. El resultado de este
conteo se transforma en una seal analgica mediante un
convertidor +*(, proporcional al nmero de impulsos de reloj
recibidos !asta ese instante. 0a seal analgica obtenida se
introduce al comparador en el que se efecta una comparacin entre
la seal de entrada y la seal digital convertida en analgica. En el
momento en que esta ltima alcanza el mismo valor ) en realidad
algo mayor que la seal de entrada, el comparador bascula susalida y se produce el paro del contador.
El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida
digital correspondiente a la seal de entrada.
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.... Convertidores digitales- analgicos
-n +( contiene normalmente una red resistiva divisora de tensin, que
tiene una tensin de referencia estable y fija como entrada.
Day que definir que tan e posibles valores dados por una de las %>
combinaciones de la entrada digital.
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.... Convertidores digitales- analgicos
0a resolucin se define de dos maneras 3rimero se define el nmero m
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.... Convertidores digitales- analgicos
EjemploSe tiene un convertidos digital C analgico de A bits y el rango de voltajede salida de $ a B voltios.
on n F A, !ay una resolucin de 'nF 'B> o lo que es o mismo Elvoltaje de salida puede tener 'B> valores distintos )contando el $
#ambi/n resolucin F ?oGS * H 'nC %I F B * 'AC% F B * 'BB F %1.> m?* variacin en el bit menos significativo on n F & bits, se consiguen 'nF %> posibles combinaciones de
entradas digitales 0a salida analgica correspondiente a cada una de las %>
combinaciones depender del voltaje de referencia que estemosusando, que a su vez depender del voltaje m'B ?oltios.Si el voltaje m F $.&7@B ?oltios.
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.... Convertidores digitales- analgicos
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.... Convertidores digitales- analgicos
El +( con escaleras 2C'2 utiliza resistencia de ' valoressolamente y la cantidad de resistencias que se requiere para elmismo nmero de bits de entrada es el doble comparando con el+( de resistencias ponderadas.
En el +( con la red de precisin en l escalera 2C'2 los bits deentrada estn ponderados mediante la produccin de caminosdiferentes para la divisin de corriente. 0a corriente proveniente delbit menos significativo tienes ms caminos para la divisin que lacorriente de cualquier otro bit.