Fundamentos de Conversión de Señal y Adquisición de Datos

Introducción a los Componentes de Conversión de Señal

Amplificador de Instrumentación (AI)

El **Amplificador de Instrumentación (AI)**, también conocido como amplificador de alimentación, sirve como **adaptador de impedancia**. Su función principal es **aislar** y evitar la influencia mutua entre las etapas anteriores y posteriores del circuito. Esta función es crucial, especialmente cuando el sensor se conecta directamente al multiplexor. Además, el AI **amplifica y filtra** la señal, realizando un **acondicionamiento de señal** esencial. Mejora la **relación señal-ruido (SNR)** y puede implementar filtros pasabajos, pasaltos o pasabandas.

Para una correcta representación de la onda, el **muestreo** debe ser, como mínimo, el doble de la frecuencia de la señal de entrada (según el **Teorema de Nyquist**).

Multiplexor

El **Multiplexor** gestiona múltiples entradas y, mediante una señal de control, selecciona cuál de las muchas entradas se dirige a la única salida. Su propósito es **simplificar** el manejo de diversas fuentes de señal.

Muestreador y Retenedor (S/H - Sample and Hold)

El **Muestreador y Retenedor (S/H)** almacena la información de la señal de entrada temporalmente (en la etapa de *hold*) hasta que finalice la conversión analógico-digital (A/D).

Convertidores Analógico-Digital (ADC)

Tipos Generales de ADC

Los Convertidores Analógico-Digital (ADC) se clasifican en varios tipos:

• **Monocanal**: Sin multiplexor.
• **Multicanal**: Con multiplexor.
• **Multicanal con muestras simultáneas**: Permite tomar muestras de varios canales al mismo tiempo.
• **Multicanal paralelo**: Procesamiento simultáneo de múltiples canales.

Características Clave de los ADC

Las características fundamentales de un ADC incluyen:

• **Número de bits (Resolución)** y salidas.
• **Exactitud de la conversión**.
• **Velocidad de conversión**: El menor tiempo para pasar de analógico a digital, minimizando los tiempos intermedios.

Según la interfaz de bus, los ADC pueden ser de bus interno o externo.

Tipos Específicos de ADC

ADC de Rampa Simple

El funcionamiento de un **ADC de Rampa Simple** se basa en la acumulación gradual de tensión en un condensador, que genera una rampa ascendente. Durante este proceso, un contador se incrementa. Cuando la tensión de la rampa iguala a la tensión de entrada (Vin), la comparación finaliza y se detiene el contador, marcando el fin del tiempo de conversión.

ADC de Doble Rampa

El **ADC de Doble Rampa** implica dos fases: una de descarga con tensión negativa (-V) durante un tiempo fijo (-t), y otra de carga con tensión positiva (+V) hasta igualar la entrada (+t). La señal del **comparador** es '1' durante la fase de integración de la pendiente constante.

ADC de Escalera (o de Contador)

En un **ADC de Escalera**, un contador genera una rampa digital. Si la tensión de la rampa (generada por un DAC interno) es menor que la de entrada, el contador se incrementa. Cuando ambas tensiones se igualan, la conversión finaliza. El contador solo incrementa, convirtiendo una señal analógica en un valor binario.

ADC de Seguimiento

El **ADC de Seguimiento** utiliza un contador bidireccional. Si la tensión de entrada (Vi) es mayor que la tensión de referencia (V-), el contador se incrementa ('1'); si es menor, el contador se decrementa ('0'). De esta manera, el contador sigue los cambios de la señal de entrada.

ADC de Aproximaciones Sucesivas (SAR ADC)

El **ADC de Aproximaciones Sucesivas (SAR ADC)** comienza probando el bit más significativo (MSB), dividiendo el rango de tensión a la mitad. Si la tensión de entrada es mayor, el bit se mantiene en '1' y se prueba la siguiente mitad superior; si es menor, el bit se pone a '0' y se prueba la siguiente mitad inferior. Este proceso se repite para cada bit, refinando progresivamente la aproximación hasta alcanzar la resolución deseada.

Señales de Control en ADC

Las señales de control clave en la conversión ADC son:

• **SOC (Start Of Conversion)**: Marca el inicio de la conversión.
• **EOC (End Of Conversion)**: Marca el final de la conversión.

Codificador (Flash ADC)

El **Codificador**, a menudo referido como **Convertidor Paralelo** o **Flash ADC**, es un tipo de ADC que identifica la entrada de mayor valor y la traduce a una salida digital. Opera típicamente en un rango de 0 a 10 unidades (voltios, por ejemplo). Sus características principales son:

• **Resolución**: Número de bits que contiene; a mayor número de bits, mayor resolución.
• **Velocidad**: Tiempo requerido para la conversión, siendo uno de los ADC más rápidos.

Convertidor Digital-Analógico (DAC)

El **Convertidor Digital-Analógico (DAC)**, a menudo basado en un **sumador inversor**, transforma una señal digital en una analógica. En su funcionamiento, los bits de menor peso contribuyen con menor tensión, y la contribución de tensión de cada bit se divide por la mitad respecto al bit anterior.

Las fórmulas básicas que rigen su operación pueden ser:

Vo = -(V1/R1 * R' + V2/R2 * R' + ...)
In = (Vn - 0) / Rn

Donde Vo es la tensión de salida, Vn son las tensiones de entrada de los bits, Rn son las resistencias asociadas a cada bit, y R' es la resistencia de realimentación. La tensión de salida (Vo) es típicamente negativa.

Para mitigar los problemas de resistencias muy pequeñas o de difícil emparejamiento en diseños de alta resolución, se utiliza el **método R-2R**, que simplifica el diseño al usar solo dos valores de resistencia.

Sistema de Adquisición de Datos (DAQ)

Un **Sistema de Adquisición de Datos (DAQ)** integra varios componentes para digitalizar y procesar señales. Sus elementos clave son:

• **Multiplexor**: Gestiona varias entradas para una única salida.
• **Muestreador y Retenedor (S/H)**: Toma una muestra de la señal proveniente del multiplexor y la mantiene para que el ADC pueda trabajar correctamente.
• **Amplificador de Instrumentación (AI)**: Adapta las impedancias, evita la atenuación o distorsión de la señal, y realiza una **separación galvánica** y aislamiento.
• **Convertidor Analógico-Digital (ADC)**: Convierte la señal analógica en digital; una vez finalizada la conversión, el S/H le proporciona una nueva muestra.
• **Control**: Supervisa todo el proceso para asegurar su correcto funcionamiento.