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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D. Ramón Ruiz Merino. 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

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ndice
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
slide3

Programabilidad

  • Estabilidad
  • Repetibilidad
  • Funciones
  • Algoritmos adaptativos
  • Códigos correctores de errores
  • Funciones especiales exclusivas
  • Velocidad
  • Complejidad estructural

Desventajas

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

Sustitución de sistemas de procesamiento analógicos por digitales: razones

slide4

PROGRAMABILIDAD

HARWARE ÚNICO  MÚLTIPLES TAREAS

ACTUALIZACIÓN Y FLEXIBILIDAD

  • Digitales: actualización  nuevo código
  • Analógicos: actualización  nueva estructura

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

slide5

Temperatura

  • Envejecimiento
  • Tolerancia componentes
  • Sistemas analógicos
  • Prestaciones idénticas
  • Independencia con edad, temperatura o tolerancia
  • Precisión garantizada
  • Sistemas digitales

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

ESTABILIDAD Y REPETIBILIDAD

slide6

Banda eliminada

  • Fase lineal

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES

PRESTACIONES

  • Implementación más fácil de algoritmos adaptativos
  • Códigos correctores de errores: inclusión de redundancia
  • Compresión sin pérdidas
  • Filtros:
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

Cambio de naturaleza:

Señal analógica secuencia valores numéricos [señal analógica]

SECUENCIA DE OPERACIONES

slide9

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

MUESTREO

Transformación de una señal analógica en una secuencia de muestras  valores en instantes discretos

Tipos 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
slide10

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO

slide11

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

slide12

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

2m: f Nyquist

slide13

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

Error de reconstrucción de la señal muestreada

slide14

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

MUESTREO TREN DE IMPULSOS

slide15

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS”

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING

Condiciones de reconstrucción:

  • Señal limitada en banda
  • fm < 2 fs (fs=10fm typ)

Filtros antialiasing:

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING

EJEMPLO:

Señal: DC - 100 Hz (-3dB) -12 dB/octava fmax=200 Hz

ADC: 10 bits (60 dB)

fs=800Hz (4 fmax)

Atenuación: 600Hz

Butterworth de 4º orden, fc=200Hz (-38dB@600Hz)

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

CUANTIZACIÓN

Asignación 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)
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

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

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

Error (ruido) de cuantización

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

Transferencia estática

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

Suma de un offsetde ½ LSB

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN

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)

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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:
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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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Modelo lineal de ruido de cuantización:

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

Efecto del promediado sobre múltiples ciclos:

RESOLUCIÓN Y RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (SNR)

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(q=1/2n)

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

SNR intrínseco de la cuantización (SER):

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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR

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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

Configuraciones sistemas ADQ (1)

A. Time skew

B. Sin Time skew

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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

Configuraciones sistemas ADQ (2)

C. Alta velocidad (sigma-delta)

D. Sensores similares Velocidad baja

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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

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”
slide32

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

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
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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D

ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO

slide34

MULTIPLEXADO ANALÓGICO

Time DecimationMUX (TDM)

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MULTIPLEXADO ANALÓGICO

TIPOS DE INTERRUPTORES

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
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MUESTREO RETENCIÓN

Muestreo-retención frente a seguimiento-retención

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MUESTREO RETENCIÓN

Track-and-Hold Amplifier (THA)

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MUESTREO RETENCIÓN

Parámetros temporales THA

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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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CONVERTIDORES D/A

Tiempos característicos convertidores D/A

Valores typ.:

(100ns,8bits)

(1.2s,12bits)

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CONVERTIDORES D/A

FUENTES DE CORRIENTE PONDERADAS

(Código binario natural)

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CONVERTIDORES D/A

RESISTENCIAS PONDERADAS

(Binario natural)

Sumador

Multiplicador (Vref)

VENTAJA

  • Rapidez: tiempos conversión (100ns,8bits)

INCONVENIENTE

  • Precisión en resistencias de valores muy distintos (<8 bits)
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CONVERTIDORES D/A

RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R)

slide45

CONVERTIDORES D/A

GENERACIÓN DE IMPULSOS

  • Método indirecto
  • Disminución del número de resistencias calibradas
  • Sobremuestreo: incremento de resolución a costa del muestreo
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Modulación densidad pulsos (PDM)

  • Modulación anchura pulsos (PWM)

Representación en 1 bit:

CONVERTIDORES D/A

GENERACIÓN DE IMPULSOS

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CONVERTIDORES D/A

GENERACIÓN DE IMPULSOS

Reconstrucción PWM

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CONVERTIDORES D/A

GENERADOR DE PATRONES PWM

(Integrador)

N ciclos  1 muestra

Condición no rizado:

 filtro >> periodo conv.  Limitación dinámica severa

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CONVERTIDORES D/A

GENERADOR DE PATRONES PDM

(1 bit DAC)

(Pseudoaleatorio)

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CONVERTIDORES D/A

DENSIDAD DE PULSOS (PDM)

  • Conteo “desordenado”
  • Probabilidad aparición pulsos: X/N
  • Mejora tiempo respuesta
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CONVERTIDORES D/A

ESQUEMAS PRÁCTICOS: “DITHERING”

Dither: señal pseudoaleatoria sumada

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CONVERTIDORES D/A

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)
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CONVERTIDORES D/A

ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN

Esquema de Philips: interpolación + bit stream

Primer filtro: implementado para función de “antialiasing”

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Error de ganancia

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

CAUSAS

  • Forma de hacer conversión
  • Componentes
  • Condiciones operativas
  • Diferencia pendientes
  • Compensación: ajuste Vref
  • Dependencia de T y Vcc
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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

Error de offset

  • Traslación vertical
  • Dependencia de T, Vccy tiempo
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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

Error de monotonía(no linealidad diferencial)

  • Incrementos (q) no constantes
  • Aumento de un bit: disminución salida (falta de monotonía)
  • Más acusado: DAC resistencias ponderadas
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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

  • Falta de continuidad en determinados cambios salida
  • Tiempo de paso a conducción de fuentes diferente

Error de transición

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CONVERTIDORES A/D

CRITERIOS 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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CONVERTIDORES A/D

“FLASH”

  • Escalera de comparadores
  • Máxima velocidad (10-100MHz)
  • Resolución limitada (número de resistencias): < 8 bits
  • Resistencias precisas: ajuste láser
  • Aplicaciones: osciloscopios, vídeo, radar, ...
slide60

CONVERTIDORES A/D

“FLASH”

R, ... ,R

3R/2, R, ... ,R/2

slide61

CONVERTIDORES A/D

RAMPA

  • Método indirecto: transformación de la entrada en variable intermedia  tiempo
  • Integración de tensión de referencia (rampa) hasta alcanzar tensión de entrada
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CONVERTIDORES A/D

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)
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Valor alcanzado primera rampa:

Rampa decreciente:

Igualando:

(independiente de componentes y frecuencia)

Tensión de entrada:

CONVERTIDORES A/D

DOBLE RAMPA

  • Aplicaciones: alta precisión, lentas (instrum. Digital)
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CONVERTIDORES A/D

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
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CONVERTIDORES A/D

APROXIMACIONES SUCESIVAS

Registro de aproximaciones sucesivas

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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
slide67

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

SOBREMUESTREO Y RUIDO

  • Menores requerimientos en filtro antialiasing
  • Reparto ruido de cuantización (blanco) en rango mayor de frecuencia
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

SOBREMUESTREO Y RUIDO

  • Eliminación del ruido por filtro pasa-baja (incremento SNR) 

sub-muestreo manteniendo alto SNR (decimación)

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Fracción de ruido en banda:

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

SOBREMUESTREO Y RESOLUCIÓN

Si relación sobre-muestreo

fS/2fB= 2r:

Cada fs 2  3 dB mejora en SNR  0.5 bit mejor resolución

slide70

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

SOBREMUESTREO Y RESOLUCIÓN

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 x2/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)

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN DELTA

  • Codificación y cuantización de diferencia entre muestras sucesivas
  • Integrador: tecnología de condensadores conmutados
  • Cuantizador de 1 bit: comparador
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

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
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

u[n]: señal de error

v[n]: señal a cuantizar

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

  • Prestaciones de ruido dependientes de la frecuencia
  • Filtro pasa-baja para la señal de entrada y pasa-alta para el ruido

Cada fs 2  9 dB mejora en SNR  1.5 bit mejor resolución

Ejemplo: fs=96.78 MHz

slide75

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

CONVERTIDOR A/D SIGMA-DELTA

slide76

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

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:
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN)

  • 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:

Cada fs 2  15 dB mejora en SNR  2.5 bits mejor resolución

Ejemplo: fs=6.12 MHz

slide78

CONVERTIDORES A/D PIPELINE

Convertidor serie-paralelo

24(A-B)

24(A-B)

(residuo)

(residuo)

  • Compromiso entre velocidad, precisión y coste
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CONVERTIDORES A/D PIPELINE

Estructura de 10 bits

  • 1.5 bit/etapa
  • Buffers SC
  • S&H entre etapas (concurrencia)
  • Corrección digital (18-10 bits)
  • 14.3 Ms/s
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CONVERTIDORES A/D PIPELINE

Estructura de etapas

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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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C.I. COMERCIALES

Chip de interfase analógico: TLC32044

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C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

slide87

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

A: Factores multiplicactivos áreas de emisor

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C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

slide89

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A dual: AD7528 (Analog Devices)

slide90

C.I. COMERCIALES

Convertidor D/A: DAC0800 (National)

slide91

C.I. COMERCIALES

CA3162: doble rampa (3 dígitos BCD)

slide92

C.I. COMERCIALES

ADC0801 (National):

Aproximaciones sucesivas

slide93

C.I. COMERCIALES

AD9000: convertidor A/D flash

slide94

C.I. COMERCIALES

TLC320AD58C: sigma-delta

slide96

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

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

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TARJETAS DE ADQUISICIÓN

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
slide98

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL)

slide99

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

PRECISIÓN RELATIVA (LSB)

slide100

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

NO LINEALIDAD INTEGRAL (INL)

slide101

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD)

slide102

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

NÚMERO EFECTIVO DE BITS (ENOB)

Errores y distorsión  disminución del SNR hasta no verificar los requisitos de la cuantización

Número efectivo de bits de un sistema de adquisición:

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TARJETAS DE ADQUISICIÓN

DAQ-516

(National Instr.)

slide104

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

DT2831

(Data Translat.)

slide106

BIBLIOGRAFÍA

  • A.M. Abo y P.R. Gray. “A 1.5-V, 10-bit, 14.3-MS/s CMOS Pipeline Analog-to-Digital Converter”. IEEE Journal of Solid-Satate Circuits, Vol.34, no.5, pp. 599-606. 1999.
  • P. Aziz, H. Sorensen y J. Van Der Spiegel. "An overview of Sigma-Delta Converters". IEEE Signal Processing Magazine. Enero, 1996.
  • C.H. Chen. Signal Processing Handbook. Marcel Dekker. 1988.
  • N. Gray. The ABCs of ADCs: Analog-to-Digital Converter Basics. National Semiconductors. 2003. http://www.national.com/apnotes/
  • C. Marven y G. Ewers. A simple Approach to Digital Signal Processing. Texas Instruments. 1994.
  • National Instruments. Data Acquisition Fundamentals. Application Note 007. 1999. http://zone.ni.com/devzone/conceptd.nsf/appnotebynumber