Sistemas de Adquisición de Datos: Una Guía Completa

Sistemas de Adquisición de Datos

Un sistema de adquisición de datos (SAD) permite tomar un conjunto de variables físicas y convertirlas en datos que una computadora puede manejar. La principal ventaja de un SAD es la conversión de señales analógicas a digitales, lo que facilita el procesamiento y aumenta la inmunidad al ruido y otras interferencias a las que son más susceptibles las señales analógicas.

¿Cómo se Adquieren los Datos?

El proceso comienza con la identificación de la propiedad física que se desea medir. Esta propiedad, como la temperatura de una habitación, la intensidad de una fuente de luz, el peso, la velocidad o la humedad, se conoce como variable analógica.

Un SAD típico se compone de:

• Convertidor D/A y A/D
• Puertos de entrada y salida digitales
• Temporizadores y contadores

Todos estos componentes están conectados a un bus común al que accede la computadora. Los temporizadores y contadores son auxiliares indispensables para realizar funciones de adquisición y control a intervalos programables. Sus salidas se utilizan para activar interruptores de la computadora.

Detalles de los Elementos que Componen el SAD

Filtrado

Elimina las señales no deseadas de la señal que se observa. Por ejemplo, en señales como la temperatura, se utiliza un filtro de ruido de 4 Hz que elimina interferencias, incluidos los 50/60 Hz de la red eléctrica.

Multiplexado

Permite conmutar las entradas del convertidor, de modo que con un solo convertidor se pueden medir los datos de diferentes canales de entrada. Dado que el mismo convertidor mide diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados. Se utilizan antes del convertidor y después del acondicionamiento de señal. Son útiles para evitar disponer de un convertidor por cada señal que se procesa.

Linealización

Muchos transductores, como los termopares, tienen una respuesta no lineal ante cambios lineales en los parámetros que están siendo medidos. Aunque la linealización puede realizarse mediante métodos numéricos en el sistema de adquisición de datos, suele ser mejor hacer esta corrección mediante circuitería externa.

Muestreo y Mantenimiento

Se utilizan para retener la información analógica durante cortos periodos de tiempo y así reducir el tiempo de conversión del A/D.

Convertidor A/D

Tiene que ser preciso y estable a largo plazo, ya que de ello depende la precisión y estabilidad del SAD. También incluye un circuito de control, el cual suministra las señales lógicas de sincronización y secuencia requeridas en cada instante y actúa como interfaz con el dispositivo de procesamiento. Para seleccionar un convertidor se debe tener en cuenta: el tipo, la resolución, velocidad, coeficiente de temperatura, consumo, etc.

Comparación de Señales Analógicas y Digitales

Una señal analógica toma una infinidad de valores (frecuencia y amplitud) dentro de un límite superior e inferior. En cambio, una señal digital toma valores fijos predeterminados en momentos discretos.

Ventajas de la Señal Digital

1. Si la señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
2. Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores, que se usan cuando la señal llega al receptor; entonces se prueba la señal, primero para detectar algún error y luego corregirlos.
3. Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición.

Inconvenientes de la Señal Digital

1. Necesita una conversión A/D previa y una decodificación posterior.
2. La transmisión de las señales digitales requiere una sincronización precisa entre los tiempos del reloj del transmisor, con respecto a los del receptor. Un desfase cambia la señal recibida con respecto a la que fue transmitida.

4 Pasos que Intervienen en la Conversión A/D

1. Muestreo: Se toman muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con la que se toma esta muestra se conoce como frecuencia de muestreo.
2. Mantenimiento y Retención: Las muestras son retenidas el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel.
3. Cuantificación: Se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras y se asigna un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida.
4. Codificación: Consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario.

Teorema de Muestreo

Establece que para poder muestrear una señal analógica y reconstruirla posteriormente sin pérdida de información, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima presente en la señal original. Esto implica pérdida de información respecto a la señal de entrada, ya que de un número infinito de valores posibles para la entrada solo tenemos un valor finito de valores posibles para la salida.

Mantenimiento y Retención

Se realiza con dos amplificadores operacionales, un capacitor retenedor y un interruptor analógico de alta velocidad. Se conecta entre la señal de entrada analógica y el convertidor A/D. Cuando el amplificador muestreador y retenedor se encuentra en modo muestreador, el interruptor está cerrado y la tensión en el capacitor retenedor (CH) sigue las variaciones de la señal de entrada. Una instrucción de retención abre el interruptor y CH mantiene una carga igual a la señal de entrada en el momento de activar el interruptor, mientras el convertidor realiza la conversión.

Cuantificación

Son los pasos que se siguen para lograr la digitalización de una señal analógica. La cuantificación consiste en convertir una secuencia de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado.

Codificación

Asigna una combinación binaria diferente a cada nivel obtenido de cuantificación y se define en dos formas:

1. Como el número máximo de códigos de salida digital que pueden ser suministrados por el convertidor A/D. En el caso de un convertidor de N bits:

RES = 2^N (Niveles de Cuantificación)

1. a) La tensión de entrada a plena escala V_IFS (cuando las salidas están en estado lógico 1)

   b) Número de salidas digitales n = RES = V_IFS / 2ⁿ - 1

Errores en los Convertidores A/D

Error de Offset

Es la diferencia entre el punto nominal de offset (cero) y el punto real de offset. Para un convertidor A/D este es el punto central de todos aquellos valores de la entrada que nos proporcionan un cero en la salida digital del convertidor.

Error de Cuantificación

Se debe a la división de escalones de la señal de entrada, de modo que para una serie de valores de entrada, la salida digital será siempre la misma.

Error de Linealidad

Es la manifestación de la desviación entre la curva de salida teórica y la real, de modo que para iguales incrementos en la entrada, la salida indica diferentes incrementos.

Error de Apertura

Se debe a la variación de la señal de entrada mientras se está realizando la conversión. Este error es uno de los más importantes cuando se muestrean alternas de una frecuencia algo grande, pero tiene poca importancia cuando medimos señales cuasi-continuas, como temperatura, presión, nivel de líquidos.

La frecuencia máxima de muestreo deberá ser:

F_max = 1 / T_a * π * 2ⁿ⁺¹

T_a = Tiempo de apertura