TECNICAS DIGITALES III

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PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES

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En la vida diaria se encuentran diversas actividades que se pueden calificar como adquisición datos y control (AD&C):Observar un voltímetro o un termómetro y anotar manualmente los valores leídos es de hecho un proceso de adquisición de datos.

Al actuar sobre el volante de un automóvil para realizar un giro se está ejerciendo una acción de control para lo cual se adquirieron visualmente los datos necesarios.

Adquisición de Datos Introducción

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Adquirir datos: es el procedimiento mediante el cual se recolecta información o datos que describen una situación dada, cuando se cumple una determinada condición la cual normalmente esta definida por una base de tiempo.

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Los sistemas llamados de tiempo real se caracterizan por efectuar la recolección de los datos y/o las acciones de control en un intervalo de tiempo apropiado. La rapidez con que debe responder el sistema, dependerá de la velocidad y precisión requeridas en cada situación particular.

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¿HAY UN PROBLEMA?

Las señales provenientes del mundo real son en la mayoría de los casos analógicas y no pueden ser leídas directamente por un SISTEMA DE COMPUTO DIGITAL (SCD), el cual opera solamente sobre magnitudes digitales.

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LA SOLUCION

Los Sistemas de Adquisición de Datos (SAD) proporcionan la interfase de conversión entre los parámetros físicos analógicos del mundo real y el SCD, a través de los conversores analógico-digitales (A/D) y conversores digitales-analógicos (D/A).

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Distintos tipos de señales

Se dice que una señal es continua o de tiempo continuo cuando esta definida para un continuo de tiempo(es decir esta definida para todo tiempo) y por lo tanto se representa como una función de variable continua.

Una señal es discreta o de tiempo discreto cuando esta definida para valores discretos de tiempo (es decir tiene su valor definido solo para determinados valores del tiempo) y por lo tanto se representa como una secuencia de números.

*Como vemos se denominan analógicas a las señales que son continuas en tiempo y en

amplitud y digitales aquellas que son discretas en tiempo y en amplitudTécnicas Digitales III 8

Proceso de conversión analógico-digital Conceptualmente consta de dos etapas:

cuantización y codificación El proceso de cuantización transforma

una señal analógica continua, en una señal analógica discreta.

En la etapa de codificación se asigna un código de representación binario a cada elemento de la señal analógica discreta.

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MUESTREO DE UNA SEÑAL ANALOGICA

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Las señales analógicas, como la de la (figura a), son muestreadas en forma periódica utilizando una llave rápida que conecta la señal analógica al conversor durante un instante, y luego permanece abierta en lo que resta del tiempo entre muestra y muestra. Esto equivale a multiplicar la señal analógica por un tren de pulsos de muestreo de amplitud unitaria, obteniendo un tren de pulsos modulado en amplitud (Figura c). La amplitud de la señal original se conserva en la evolvente de modulación de los pulsos. Si se agrega un capacitor (circuito retenedor) se puede almacenar la amplitud de cada muestra durante el tiempo en que la llave esta abierta y obtener una reconstrucción mas razonable de la señal analógica (Figura d)

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TEOREMA DEL MUESTREO

“Si una señal continua y de banda limitada no contiene componentes frecuenciales mayores que Fc, entonces la señal puede ser recuperada sin distorsión si es muestreada a una velocidad no inferior a 2×Fc muestras por segundo”.

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Cuantización de una señal analógica

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La figura representa la Función Transferencia de un cuantizador ideal con 8 estados de salida donde a cada uno de los estados se le asigna un código digital (número binario de la secuencia que va de 000 a 111). La función representa así a un conversor A/D de 3 bits con un rango de entrada analógico del cuantizador de 0 a +10 V.

*Función Transferencia: (FT) relaciona la/s variable/s de salida con la/s variable/s de entrada del sistema. Técnicas Digitales III 14

Resolución y error del cuantizador Si se analiza la FT mostrada en la figura

se ve que a la salida del cuantizador se obtienen tantos escalones como número de estados de salida expresados en bits. Esto define la resolución del cuantizador. Para este caso, se tienen 8 estados de salida y se necesitan 3 dígitos binarios (bits), por lo tanto en este caso se trata de un cuantizador de 3 bits.

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El número de estados de salida para un cuantizador codificado en binario es 2n , donde n es el número de bits. Así, un cuantizador de 8 bits tiene 256 estados de salida y un cuantizador de 12 bits tiene 4096 estados de salida.

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En cualquier punto del rango de entrada del cuantizador, hay un pequeño rango de valores analógicos para los cuales corresponde el mismo código de salida Este rango está dado por la diferencia de tensiones Q existente entre dos puntos de decisión adyacentes y se denomina paso de cuantización analógico

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Barriendo con la señal de entrada analógica todo el rango del cuantizador y graficando para cada valor de entrada la diferencia entre la entrada y la salida, se obtiene la función error. Esta función se denomina error de cuantización y es el error resultante del proceso de cuantización. Este error es inevitable y solo puede disminuirse aumentando el número de estados de salida (es decir la resolución) del cuantizador.

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La salida del cuantizador puede pensarse como formada por la señal de entrada mas el ruido de cuantización. Este ruido tiene una amplitud pico a pico de valor Q pero, al igual que muchos otros tipos de ruido, tiene valor medio cero

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Un conversor A/D requiere un tiempo pequeño pero significativo para realizar las operaciones de cuantización y codificación. Este tiempo depende de varios factores: la resolución del conversor, el método de conversión utilizado y la velocidad de los elementos utilizados en el conversor. Cada aplicación particular requiere una velocidad de conversión distinta; ésta dependerá de las variaciones temporales de la señal a convertir y de la exactitud que se quiere lograr en la conversión.

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Componentes de los sistemas de adquisición de datos

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Las señales físicas SFi de entrada pasan por distintas etapas, hasta llegar al punto de medición del SAD (local o remoto):

• Se convierten en señales eléctricas de formato apropiado a través del transductor (Tr).

• Posteriormente se le "impone" a la magnitud transformada, es decir a la señal de salida del transductor, que cumpla con determinadas condiciones, en particular de estandarización, mediante el sistema acondicionador de señal (AS); así se filtra y adecua (atenuando o amplificando) la señal para que los valores analógicos de fondo de escala sean similares.

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• Se muestrean simultáneamente (cuando es necesario) todas las señales con los circuitos de muestra y retención (MR)

• Si solo se utiliza un solo conversor A/D para todas las señales se las intercalas con un circuito multiplexor analógico

• Luego de convertido cada valor analógico muestreado en un valor digital mediante el conversor A/D, se almacena (temporaria o permanentemente) en el grupo de memorias de almacenaje de datos (Mem).

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• Los datos almacenados se procesan por medio del sistema administrador del SAD para obtener los parámetros deseados y visualizarlos con el sistema local de medición de señales asociado

• El sistema de transmisión de datos permite monitorear o controlar desde un sistema remoto de medición de señales utilizando, por ejemplo, una PC.

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Los principales componentes del módulo son:• Sensores

• Amplificadores Operacionales

• Amplificadores de Instrumentación

• Amplificadores de Aislación

• Filtros

• Módulos de Funciones

• Multiplexores

• Circuitos Muestreadores y RetenedoresTécnicas Digitales III 27

Sensores o transductores

Juegan un papel vital en los SAD ya que realizan la transición entre el mundo físico y el eléctrico. Las señales de entrada pueden representar fuerza, temperatura, flujo, desplazamiento, velocidad, nivel, etc., y su equivalente eléctrico

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Amplificadores

Si la señal que entrega el transductor debe ser simplemente amplificada para llevarla de algunos milivolts al rango de fondo de escala del conversor basta con utilizar un amplificador operacional con la ganancia adecuada. Cuando el sistema involucra a muchas entradas con distintos niveles de señal, puede ser conveniente que cada transductor tenga su propio amplificador local para darle a la señal un nivel adecuado antes de transmitirla hasta el conversor. Técnicas Digitales III 29

Amplificadores de instrumentación Problemas de modo común

Para transmitir varias señales analógicas puede emplearse un conductor para cada señal mas uno común (masa) para todas las señales (modo común), o utilizar un par de conductores para cada señal (mododiferencial).

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Problemas del modo comun

Si la señal analógica debe viajar una distancia considerable hasta el sistema de conversión, la diferencia de potencial entre la masa del transductor y la del conversor se suma a la señal y esto puede acarrear serios problemas para los circuitos acondicionadores. Para eliminar la interferencia en modo común se emplean amplificadores de instrumentación*

* Estos amplificadores se caracterizan por tener un gran rechazo al modo común (100 dB o más),

impedancia de entrada muy alta, baja deriva térmica y ganancia ajustable (por software o hardware).

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Amplificadores de aislación

Cuando el nivel de señal en modo común es muy elevado o cuando se deben extremar las condiciones de seguridad para el equipo es necesario utilizar un amplificador de aislación que separa efectivamente el circuito común entre la fuente de señal y el sistema de conversión y procesamiento.

Estos amplificadores proveen aislación por medio de elementos optoacoplados

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Filtros

Este filtro cumple dos funciones básicas: reduce el ruido producido por interferencia eléctrica y/o electrónica y limita el ancho de banda de la señal analógica a menos de la mitad de la frecuencia de muestreo. En este último caso el filtro suele llamarse de pre-muestreo o antialiasing.

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El ruido eléctrico generado por la línea de alimentación de potencia es periódico. Para eliminar este tipo de interferencia puede ser necesario emplear filtros con bandas rechazo muy estrechas, con mucha selectividad (filtros notch). Por otro lado, el ruido electrónico es aleatorio y su potencia es proporcional al ancho de banda. Para reducirlo se debe limitar el ancho de banda del sistema al mínimo imprescindible para dejar pasar solo las componentes deseables de la señal.

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Módulos de funciones especiales Estos módulos son circuitos y dispositivos

destinados para realizar un sin número de tareas de acondicionamiento sobre la señal analógica. Son en general de bajo costo y permiten liberar al procesador de una serie de tareas que consumen tiempo e implican un software mas o menos complicado.

Algunas funciones calcular relaciones entre señales; realizar operaciones matemáticas realizar transformaciones tensióncorriente o corriente-tensión, obtener el valor eficaz de una señal de AC transformándolo en una DC

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Multiplexores analógicos

Los multiplexores (Mux A) analógicos son circuitos que permiten compartir un conversor A/D entre varios canales analógicos.

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Un Mux analógico consiste de un arreglo de llaves electrónicas conectadas en paralelo con una línea de salida común. Las llaves se activan una por vez. El circuito incluye un decodificador que activa la llave de acuerdo a la palabra binaria presente en sus entradas. Las configuraciones mas comunes son de 4, 8, y 16 canales conectados como entradas simples (referidas a tierra) o dobles (diferenciales).

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Recomendaciones

Debido a que cada llave tiene una resistencia pequeña pero no despreciable es conveniente que la salida del multiplexor opere sobre una impedancia grande. Esta impedancia debe ser suficientemente grande comparada con la de la llave de manera que la señal sea trasmitida con la mayor precisión posible.

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Características

Una característica importante de los multiplexores es que no presenten peligro de solapamiento entre canales ya que existe un pequeño retardo de tiempo entre la desconexión de un canal y la conexión del próximo

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Velocidad de conmutación: es la máxima velocidad a la que el multiplexor puede conmutar de un canal a otro manteniendo el tiempo de establecimiento dentro de un margen especificado.

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Los multiplexores analógicos se emplean de dos formas básicas: en alto nivel y en bajo nivel.

• Alto nivel: la señal es amplificada antes de pasar por el multiplexor

• Bajo nivel: la señal es amplificada después de pasar por el multiplexor

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Circuitos retenedores

Los circuitos retenedores, MR – muestra y retención, son dispositivos que almacenan información en forma analógica y reducen el tiempo de apertura del conversor A/D. Este circuito toma una muestra de tensión y la almacena en un capacitor de bajas pérdidas.

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El amplificador A1 actúa como buffer y posee una gran impedancia de entrada para no cargar a la fuente de señal la cual puede ser la salida de un multiplexor analógico. Debe suministrar suficiente corriente para cargar rápidamente el capacitor C de retención

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La llave electrónica S1, normalmente un transistor de efecto de campo (FET), es manejada por la lógica de control y conmuta rápidamente entre sus dos estados.

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El amplificador de salida A2 actúa como buffer de la tensión almacenada en el capacitor. Este amplificador no debe cargar al capacitor y por tal razón se emplean dispositivos con entradas FET.

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El MR opera básicamente de dos modos:

*Modo muestreo o seguimiento (sample or tracking): mientras la llave esta cerrada y la salida copia a la entrada.

*Modo retención (hold): cuando la llave esta abierta.

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Clasificación de los conversores A/D según tipo y velocidad

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Procesador Digital de señales (DSP) Un procesador digital de señales es un microprocesador

especializado y diseñado específicamente para procesar señales digitales en tiempo real. Este provee secuencias de instrucciones ultra-rápidas, como ser:

MAC (multiply-accumulate operations) DEEP PIPELINING (canalizacion profunda) La habilidad de actuar como un dispositivo de DMA

(acceso directo a memoria). SATURACION ARITMETICA ARQUITECTURA DE HARVARD, memoria

de programas y memoria de datos separadas.Técnicas Digitales III 50

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Procesadores de punto fijo son :

• Barato

• Pequeño

• Menos consumo

• Difícil de programar

• Rango dinámico limitado

• Usado en un 95% de productos de consumo

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Procesadores de punto flotante son:

• Tiene buena precisión

• Son mucho más fáciles de programar

• Pueden acceder a memorias más grandes

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Características y Cualidades en la arquitectura de los DSP’s más comunes:

1. Una unidad funcional rápida que puede multiplicar y acumular en un ciclo de instrucción. Un ciclo de instrucción puede durar generalmente 1 ó 2 ciclos de reloj. Disponibles en DSP's de punto fijo y flotante.

2. Varias unidades funcionales que realizan operaciones en paralelo, incluyendo accesos a memoria y cálculo de direcciones. Las unidades poseen típicamente una unidad principal (ALU) junto con dos o más unidades de generación de direcciones.

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3. Varias unidades de memoria on–chip (generalmente 2 ó 3) usadas para almacenar instrucciones, datos o tablas. Cada unidad de memoria puede ser accedida una vez en cada ciclo de instrucción.

4. Varios buses para incrementar las tasas de transferencia hacia y desde memoria y evitar conflictos de direcciones.

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Ventajas

La Tecnología VLSI (Very Large Scale Integration) da la posibilidad de diseñar sistemas con la capacidad para ejecutar procesamiento en tiempo real de muchas de las señales de interés para aplicaciones en comunicaciones, control, procesamiento de imagen, etc.

Los sistemas digitales son más confiables que los correspondientes sistemas análogos.

Los sistemas digitales ofrecen una mayor flexibilidad que los correspondientes sistemas análogos.

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Mayor precisión y mayor exactitud pueden ser obtenidas con sistemas digitales, comparado con los correspondientes sistemas análogos.

Un sistema programable permite flexibilidad en la reconfiguración de aplicaciones DSP.

Las señales digitales pueden ser almacenadas en un disco flexible, Disco Duro o CD–ROM, sin la pérdida de fidelidad más allá que el introducido por el conversor Análogo Digital (ADC).

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Desventajas

La conversión de una señal analógica en digital, obtenida muestreando la señal y cuantificando las muestras, produce una distorsión que nos impide la exacta reconstrucción de la señal analógica original a

partir de muestras cuantificadas.

Para muchas señales de gran ancho de banda, se requiere procesado en tiempo real

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Mercado DSP – Por Compañía

Técnicas Digitales III 59

Mercado DSP - Por aplicacion

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Aplicaciones

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Bibliografía

Wikipedia Apuntes de la UTN-

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