Sistemas de

Instrumentacin Electrnica

Tema 11 SISTEMAS DE ADQUISICIN DE DATOS

Area de Tecnologa Electrnica Ignacio Moreno Velasco

Versin 7.0

Ignacio Moreno Velasco Area de Tecnologa Electrnica. Universidad de Burgos

Apuntes de Instrumentacin electrnica (versin 7.0) 3 I.T.I. Electrnica 2

INDICE

1.- INTRODUCCIN 3

2.- ENTRADAS ANALGICAS 4

2.1.- Acondicionamiento previo 5

2.2.- Multiplexado analgico 6 2.2.1.- Construccin interna 6 2.2.2.- Tiempos de respuesta 7 2.2.3.- Parmetros en continua: 7 2.2.4.- Parmetros en alterna 9 2.2.5.- Ejemplo de especificaciones HI-509 10 2.2.6.- Ejemplo de aplicacin HI-509 11 2.2.7.- Ampliacin del nmero de canales 12 2.2.8.- Mtodos de muestreo de varios canales 13

2.3.- Disparo 14 2.3.1.- Disparo por Software 15 2.3.2.- Disparo por hardware 15 2.3.3.- Modos de adquisicin 18

2.4.- Ejemplos de sistemas 20



1.- Introduccin

Un sistema tpico, como es una tarjeta de adquisicin de datos para PC genrica, puede dividirse en

los bloques bsicos de la figura superior:

Entradas analgicas: Se realiza la conversin a valores discretos de las seales analgicas de entrada.

Salidas analgicas: Se convierten valores discretos en seales analgicas. En la figura podemos ver dos canales de salida analgicos.

Entradas/salidas digitales: Para la adquisicin/generacin de seales digitales.

Control: Circuitera encargada de controlar todo el flujo de datos entre los distintos bloques incluyendo la temporizacin de las conversiones A/D y D/A.

Interfaz con el bus: Se encarga de realizar las tareas de comunicacin entre la tarjeta y el bus del ordenador.



2.- Entradas analgicas Esquema bsico de entrada analgica de una tarjeta DAQ:

Ejemplo: Conversor A/D integrado que incluye multiplexor analgico de 8 canales. La salida de datos

se realiza en serie.

16-Bit Resolution, 1 LSB DNL (max)

Sample Rate 200ksps

+5V Single-Supply Operation

Internal or External Clock

SPI/QSPI/MICROWIRE-Compatible Serial

Interface

Scan Mode Sequentially Converts Multiple

Channels or One Channel Continuously

PROPUESTO 11.1: Cul ser la mxima frecuencia muestreable si utilizramos todos los

canales?. Cul ser la minima velocidad de transferencia en la salida digital DOUT?



2.1.- ACONDICIONAMIENTO PREVIO Tabla de sensores y el tipo de acondicionamiento requerido o recomendado:

National Instruments

Comparacin entre usar o no acondicionador (amplificacin y filtrado) sobre el mismo termopar:

This accuracy comparison shows that the SCXI-1112 signal conditioning module delivered 0.3 C accuracy compared to 5.0 C with direct connection to the SCB-68 terminal block using a calibrated input. (National Instruments)



2.2.- MULTIPLEXADO ANALGICO Los equipos de instrumentacin que constan de varios canales incluyen en su mayora multiplexores

analgicos que permiten abaratar el coste por canal

Ejemplo de sistema de adquisicin de datos con multiplexor analgico.

El A/D toma una muestra de un canal e inmediatamente el multiplexor se encarga de conmutar la

entrada del conversor para capturar la seal del siguiente canal.

Esto significa que la velocidad de muestreo hay que dividirla entre el nmero de canales

multiplexados.

P. ej. Tarjeta de adquisicin, 8 canales, frecuencia de muestreo mxima 100 kHz.

Si queremos muestrear los 8 canales, la mxima frecuencia por canal ser de 12,5 kHz.

2.2.1.- CONSTRUCCIN INTERNA

INTERRUPTOR ANALGICO CMOS

Construccin interna de un interruptor analgico caracterizado por la disposicin paralelo de un MOSFET de canal n y otro de canal p. Esta configuracin permite que la corriente fluya en ambos sentidos con la misma facilidad



2.2.2.- TIEMPOS DE RESPUESTA

tOPEN : Retardo en la adquisicin de la seal de otro canal.

tON(EN) : Retardo en la habilitacin de una entrada. Desde que se habilita el mux hasta que la seal aparece

en la salida. Se mide segn la imagen.

tOFF(EN) : Retardo en la deshabilitacin de una entrada. Desde que se deshabilita el mux hasta que la seal

desaparece de la salida. Se mide segn la imagen.

2.2.3.- PARMETROS EN CONTINUA:

Circuito equivalente del MPC506A para cuantificar su precisin esttica

ZL carga con componente resistiva y capacitiva RON Resistencia del interruptor cerrado. Vara con la tensin de entrada y con la de alimentacin. Tomaremos el peor caso para una alimentacin fija.

ROFF Resistencia con interruptor abierto. RS1, , RS16 Resistencias de cada fuente de seal. IBIAS Corriente de polarizacin del dispositivo conectado al MUX (p. ej. amplificador). IL Corriente de fugas (leakage) del MUX.



Error de carga resistiva

100%

LONs

ONs

RRRRR

Error (Vase el tema de sensores resistivos)

Por ejemplo, si RS = 100 , RON = 1 , RL = 10k Error - 01%

PROPUESTO 11.2: Razonar por qu el error que produce un divisor de tensin es siempre negativo

Por lo tanto es aconsejable:

Mantener la impedancia de la carga tan alta como se pueda minimizando as el efecto de la resistencia

de la fuente y de RON. (Habitualmente la carga ser la entrada de un amplificador)

Utilizar fuentes de seal con la menor impedancia posible. (Problemas con sensores generadores cuya

impedancia de salida es elevada, p. ej. termopares)

En la salida conectar dispositivos de muy poca corriente de polarizacin. Por lo general, deben usarse

amplificadores con entradas basadas en FET para entradas menores de 50 mV FS (Full Scale).

Tensin de offset en la entrada

La corriente de polarizacin (IB) genera un offset en la entrada como resultado de la caida de tensin

en RON y en la resistencia de la fuente RS.

Del circuito anterior es inmediato establecer

VOFFSET = (IB + IL) (RON + RS)

P ej.: si RS = 1 k, RON = 1 , IB = 10 nA, IL = 2 nA VOFFSET = (10 nA + 2 nA) (1 + 1 k) = 12 V



2.2.4.- PARMETROS EN ALTERNA

Diafona: Es la cantidad de seal de un canal abierto que se acopla en la seal de un canal cerrado.

Diafona por acoplo capacitivo:

Figura inicial para el estudio del acoplo capacitivo. Puede comprobarse que corresponde al caso en que un canal (Vn) est abierto mientras el otro est conectado a una carga RL

Cabe recordar que en el estudio de este tipo de interferencias, se estableci que la alta

impedancia del circuito interferido (RL) favorece el acoplo. Como RL suele corresponder con la

impedancia de entrada de un amplificador, se cumple esa premisa.

En resumen, se produce una interferencia por acoplo capacitivo entre canales debido a las

capacidades parsitas de los interruptores del multiplexor.

Diafona por inyeccin de carga

+-

Vs1=5V Vs2=1v

10500

Vo

Cparsita

En el ejemplo de la figura:

1. ON-OFF: El condensador intenta cargarse a 5 V a travs de 10

2. OFF-ON: El condensador intenta descargarse a 1 V a travs de 500 , pero no le d tiempo por

ser la resistencia mucho mayor (500 >> 10 ).

3. ON-OFF: Cuando se vuelve a muestrear Vs1, el condensador se vuelve a cargar.

4. OFF-ON: Cuando se muestrea Vs2 la tensin ha aumentado parecindose cada vez ms al valor

de Vs1 pues todava queda carga almacenada.

Aislamiento

Tambin se especifica el aislamiento entre los canales abiertos y la salida (Off isolation).

Off isolation es la diafona producida cuando todos los canales se encuentran abiertos.

Es decir, la cantidad de seal que se acopla en la salida cuando todos los canales estn abiertos.



2.2.5.- EJEMPLO DE ESPECIFICACIONES HI-509

Analog Signal Range, VIN 15 V

Tiempo de establecimiento al 001 % 600 ns

Off Isolation 50 dB mnimo.

Channel Input Capacitance, CS(OFF) 10 pF

Channel Output Capacitance, CD(OFF) 12 pF

Input to Output Capacitance, CDS(OFF) 008 pF

PROPUESTO 11.3: Segn las especificaciones del HI-509

1) Cul sera el error absoluto y relativo producido por el mux HI-509 en una seal de baja frecuencia de 10 V

procedente de un generador de funciones cuya impedancia de salida es de 600 ?. La salida del mux se conecta a

un amplificador cuya impedancia de entrada es de 1 M. Considerar temperatura ambiente.

2) Cual sera la amplitud en la salida, en el peor caso, por la presencia una sinusoide de 15V en una entrada

cuando todos los canales se encuentran abiertos.



2.2.6.- EJEMPLO DE APLICACIN HI-509

PROBLEMA: Tiempo de establecimiento (Settling Time) del amplificador

Tiempo que necesita el amplificador que suele encontrarse tras el MUX en alcanzar la precisin

especificada: Deseable 0.5 LSB como mximo.

En la imagen podemos observar la

seal que llega al amplificador

procedente del multiplexor que

recibe 40 seales DC, y que parece

una seal de alta frecuencia.

Notar que la frecuencia de scan,

es decir, la frecuencia del

barrido de los canales

programados (CH0-CH39) es de

1250 Hz (1/0,0008 s).

Si observamos la tensin en el canal 0 y 1, observamos la variacin mxima que debe soportar el

amplificador, pues pasa de medir 5 V a medir +5 V en un instante.

El tiempo de establecimiento aumenta con la ganancia, limitando la mxima velocidad de

muestreo.



2.2.7.- AMPLIACIN DEL NMERO DE CANALES

Cuando los canales de entrada de nuestro SAD son insuficientes, se puede recurrir a unidades

externas de multiplexado que nos permiten llegar a los 256 canales o ms. Aunque en el ejemplo la

frecuencia de muestreo ha bajado hasta los 390 Hz (100000 Hz/256 canales), puede ser suficiente

para algunos tipos de seal de baja frecuencia, procedentes de variaciones lentas de magnitudes como

temperatura, humedad, etc.



2.2.8.- MTODOS DE MUESTREO DE VARIOS CANALES

Muestreo continuo:

Las muestras se toman a intervalos regulares.

Inconveniente: Cuando se necesita analizar la relacin de fase entre seales se debe realizar un

muestreo simultaneo de ellas. En este caso la multiplexacin impedira dicho anlisis.

Muestreo simultaneo:

Las muestras se toman a simultneamente, ya que cada canal tiene su propia circuitera (n de

conversores A/D = n de canales) aumento de coste.

Es necesario cuando se pretende analizar la relacin de fase de las seales AC en el dominio temporal.

Muestreo a intervalos:

A intervalos regulares se muestrean rpidamente (diferencias de microsegundos) todos los canales.

Se obtienen las ventajas del muestreo simultaneo manteniendo los costes del muestreo continuo.

Vlido para seales de baja frecuencia como muchas de las medidas de temperatura o presin.



2.3.- DISPARO El disparo (Trigger) es un evento que provoca el comienzo de la adquisicin de datos.

Es muy importante en captura de transitorios.

Permite, por ejemplo, comenzar la toma de datos tras activarse una alarma, o si una temperatura

supera el lmite establecido.

La correcta eleccin del modo de disparo en una aplicacin puede ahorrar tiempo y espacio en

disco ya que permite capturar nicamente la parte interesante de la seal.

Iotech.

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4329

LATENCIA DE DISPARO

Tiempo mximo desde el disparo hasta la primera lectura.

ccrma.stanford.edu

PROPUESTO 11.4: Qu parmetro necesito saber para averiguar la latencia de disparo?



JITTER

Variacin de la latencia entre una adquisicin y otra.

Ambos parmetros (Latencia y Jitter) dependen del tipo de disparo.

HISTRESIS:

Especifica un valor por encima o por debajo del nivel de disparo que la seal debe alcanzar para que

ste se produzca.

Se usa para prevenir falsos disparos, por ejemplo, causados por ruido.

Histresis con flanco de subida La seal debe pasar sobre el nivel de histresis

antes de alcanzar el nivel de disparo.

Histresis con flanco de bajada.

La seal debe pasar bajo el nivel de histresis antes

de alcanzar el nivel de disparo.

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4329

2.3.1.- DISPARO POR SOFTWARE

La decisin de disparo, analizando el valor de los datos, es realizado por software (P. ej. LabVIEW).

Latencia mayor que en los otros modos de disparo.

Depende de las prestaciones del ordenador.

Un valor tpico de latencia es 0,1 ms o menor (IOTECH WaveBook 512/516)

2.3.2.- DISPARO POR HARDWARE

Digital

La tarjeta dispone de una entrada digital. Normalmente usa niveles TTL.

Sensible al flanco de subida o bajada (Seleccionable por software).

Latencia menor de 200 ns (IOTECH WaveBook 512/516).



DISPARO DIGITAL POR PATRN.

En este caso el disparo se produce cuando en la entrada digital especfica se da una combinacin

de bits seleccionada.

Util para capturar ruido, vibraciones o cualquier otra perturbacin fsica que se produce en un

punto concreto de una secuencia digital de un PLC, rels.

Latencia menor de 200 ns, patrn de 16 bits en puerto digital (IOTECH WaveBook 516)

Analgico

Puede ser por nivel (encima/debajo de un valor especificado)

Por flanco (ascendente/descendente).

MONOCANAL

Se utiliza uno de los canales de entrada analgica para disparar la adquisicin.

El nivel puede programarse en intervalos de valor igual al LSB (p. ej. 2'44 mV para 12 bits y +- 5V).

MULTICANAL

Se puede configurar individualmente cada canal con un criterio de disparo.

P. ej. IOTECH WaveBook 516 puede incluso configurar el disparo usando todos los canales de

forma que el disparo se produzca cuando:

- Cualquiera de ellos alcance una condicin (OR)

- Todos ellos alcancen la condicin (AND)



DISPARO POR PULSO

Permite relacionar seales lentas con la ocurrencia de un pulso de alta velocidad.

IOTECH WaveBook 516: Dispone de una entrada al efecto. El usuario puede definir un pulso de

amplitud entre +- 5V y una anchura de entre 10 ns y 100 us.

EJEMPLO DE BARRIDO:

En la figura puede verse un ejemplo de barrido en un IOTECH WaveBook 512/516, observese que:

Cada barrido (Scan group) se produce tras un intervalo programable.

En cada barrido, el orden de los canales es configurable.

Cada adquisicin tiene su propia ganancia y modo (unipolar/bipolar)



2.3.3.- MODOS DE ADQUISICIN

POST-TRIGGER

La tarjeta solamente adquiere datos tras alcanzar la condicin de disparo:

Modo lineal infinito: Una vez alcanzada la condicin, la adquisicin contina indefinidamente hasta que se reciba la orden de stop o cuando se agoten los recursos disponibles del PC.

Modo circular infinito: Una vez alcanzada la condicin contina indefinidamente llenando un buffer circular hasta que se reciba la orden de stop. Cuando el buffer se llena se sobreescriben los

datos previos, de forma que contenga los datos mas recientes. Un ejemplo tpico es un ensayo

destructivo donde la adquisicin se da por finalizad una vez que el dispositivo falle. As slo se

tendrn las muestras correspondientes al momento previo al fallo.

Modo lineal finito: Una vez alcanzada la condicin, la adquisicin se detiene tras el nmero de barridos que se especifique. Util cuando se conoce la duracin del evento.

Modo circular finito: Se adquieren datos en el buffer circular hasta completar un nmero determinado de barridos.

PRE-TRIGGER

Permite la adquisicin de datos previos a la condicin de disparo. Puede usarse en combinacin con

cualquiera de los modos Post-trigger.

La velocidad de barrido y el nmero de barridos puede ser distinto antes y despus del barrido.

Modo circular: Los datos adquiridos antes del disparo se guardan en un buffer circular, sobreescribiendose una vez lleno.

Modo lineal: En este caso se contina adquiriendo datos sin sobreescribir los anteriores. Si la condicin de disparo tarda en ocurrir, este modo requerir muchos recursos del PC para evitar la

prdida de datos. Este modo es til cuando no se conoce el nmero de barridos previos.



EJEMPLO DE CONFIGURACIN DE ADQUISICIN POR DISPARO:

Figura 1 Configuracin del disparo en una tarjeta IOTECH WaveBook 512/516

En la figura podemos ver como el barrido incluye 5 canales, cada uno de los cuales est configurado

de forma distinta.

1. Se han configurado 25000 barridos previos al disparo y 3.000.000 con posterioridad.

2. La velocidad del barrido es de 125 kHz antes del disparo, mientras que una vez ocurrido este, la

velocidad del barrido es de 1 MHz.

3. Se ha elegido una condicin de disparo que debe darse simultneamente (AND) en todos los

canales del barrido.



2.4.- EJEMPLOS DE SISTEMAS

Conector tarjeta: 16 entradas analgic.

Multiplexor analgico

Multiplexor Seleccin de modo: - Diferencial - Unipolar

Programmable Gain InstrumentationAmplifier

Conversor A/D. Aproximaciones sucesivas. (Incluye Sample & Hold)

Memoria intermedia tipo FIFO First In First Out

Interfaz con el bus PCI del ordenador.

Conector PCI.

Diagrama de bloques de las entradas analgicas de la tarjeta NI Lab-PC+

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