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 Soluciones comerciales y criterios de selección

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES Sustitución de sistemas de procesamiento analógicos por digitales: razones Programabilidad Estabilidad Repetibilidad Funciones Algoritmos adaptativos Códigos correctores de errores Funciones especiales exclusivas Desventajas Velocidad Complejidad estructural

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES PROGRAMABILIDAD HARWARE ÚNICO  MÚLTIPLES TAREAS ACTUALIZACIÓN Y FLEXIBILIDAD Digitales: actualización  nuevo código Analógicos: actualización  nueva estructura

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES ESTABILIDAD Y REPETIBILIDAD Sistemas analógicos Temperatura Envejecimiento Tolerancia componentes Sistemas digitales Prestaciones idénticas Independencia con edad, temperatura o tolerancia Precisión garantizada

VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES PRESTACIONES Implementación más fácil de algoritmos adaptativos Códigos correctores de errores: inclusión de redundancia Compresión sin pérdidas Filtros: Banda eliminada Fase lineal

ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE SEÑALES

SECUENCIA DE OPERACIONES MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Cambio de naturaleza: Señal analógica secuencia valores numéricos [señal analógica] SECUENCIA DE OPERACIONES

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN 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

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO POR TREN DE PULSOS: DOMINIO DEL TIEMPO

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL 2m: f Nyquist

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE PULSOS: DOMINIO FRECUENCIAL Error de reconstrucción de la señal muestreada

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN MUESTREO TREN DE IMPULSOS

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN ARMÓNICOS PUROS: “ALIAS”

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO: FILTROS ANTIALIASING Condiciones de reconstrucción: Señal limitada en banda fm < 2 fs (fs=10fm typ) Filtros antialiasing:

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)

MUESTREO Y 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)

Cuantización uniforme: q =M/2n 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

Error (ruido) de cuantización MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Error (ruido) de cuantización

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Transferencia estática

MUESTREO Y CUANTIZACIÓN Suma de un offset de ½ LSB

CUANTIZACIÓN NO UNIFORME 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)

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:

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO Requisitos SNR de entrada mínimos en función del número de bits (entradas fondo escala):

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO Efecto del promediado sobre múltiples ciclos: RESOLUCIÓN Y RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (SNR) Modelo lineal de ruido de cuantización:

REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO SNR intrínseco de la cuantización (SER): (q=1/2n)

SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR

Configuraciones sistemas ADQ (1) FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D Configuraciones sistemas ADQ (1) A. Time skew B. Sin Time skew

Configuraciones sistemas ADQ (2) FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D Configuraciones sistemas ADQ (2) C. Alta velocidad (sigma-delta) D. Sensores similares Velocidad baja

ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO 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”

ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO: FUNCIONES 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

FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO

MULTIPLEXADO ANALÓGICO Time Decimation MUX (TDM)

TIPOS DE INTERRUPTORES 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

Muestreo-retención frente a seguimiento-retención

MUESTREO RETENCIÓN

MUESTREO RETENCIÓN Track-and-Hold Amplifier (THA)

MUESTREO RETENCIÓN Parámetros temporales THA

CONVERTIDORES D/A CARACTERÍSTICAS TIPOS 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

CONVERTIDORES D/A Tiempos característicos convertidores D/A Valores typ.: (100ns,8bits) (1.2s,12bits)

CONVERTIDORES D/A FUENTES DE CORRIENTE PONDERADAS (Código binario natural)

RESISTENCIAS PONDERADAS 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)

RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R) CONVERTIDORES D/A RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R)

GENERACIÓN DE IMPULSOS CONVERTIDORES D/A GENERACIÓN DE IMPULSOS Método indirecto Disminución del número de resistencias calibradas Sobremuestreo: incremento de resolución a costa del muestreo

GENERACIÓN DE IMPULSOS CONVERTIDORES D/A GENERACIÓN DE IMPULSOS Representación en 1 bit: Modulación densidad pulsos (PDM) Modulación anchura pulsos (PWM)

GENERACIÓN DE IMPULSOS CONVERTIDORES D/A GENERACIÓN DE IMPULSOS Reconstrucción PWM

GENERADOR DE PATRONES PWM CONVERTIDORES D/A GENERADOR DE PATRONES PWM (Integrador) N ciclos  1 muestra Condición no rizado:  filtro >> periodo conv.  Limitación dinámica severa

GENERADOR DE PATRONES PDM CONVERTIDORES D/A GENERADOR DE PATRONES PDM (1 bit DAC) (Pseudoaleatorio)

DENSIDAD DE PULSOS (PDM) CONVERTIDORES D/A DENSIDAD DE PULSOS (PDM) Conteo “desordenado” Probabilidad aparición pulsos: X/N Mejora tiempo respuesta

ESQUEMAS PRÁCTICOS: “DITHERING” CONVERTIDORES D/A ESQUEMAS PRÁCTICOS: “DITHERING” Dither: señal pseudoaleatoria sumada

ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN 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)

ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN CONVERTIDORES D/A ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN Esquema de Philips: interpolación + bit stream Primer filtro: implementado para función de “antialiasing”

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

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A Error de offset Traslación vertical Dependencia de T, Vcc y tiempo

Error de monotonía (no linealidad diferencial) 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

ERRORES EN CONVERTIDORES D/A Falta de continuidad en determinados cambios salida Tiempo de paso a conducción de fuentes diferente Error de transición

CONVERTIDORES A/D CRITERIOS DE SELECCIÓN CLASES DE CONVERTIDORES A/D 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

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, ...

CONVERTIDORES A/D “FLASH” R, ... ,R 3R/2, R, ... ,R/2

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

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)

CONVERTIDORES A/D DOBLE RAMPA Valor alcanzado primera rampa: Rampa decreciente: Igualando: Tensión de entrada: (independiente de componentes y frecuencia) Aplicaciones: alta precisión, lentas (instrum. Digital)

APROXIMACIONES SUCESIVAS 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

APROXIMACIONES SUCESIVAS CONVERTIDORES A/D APROXIMACIONES SUCESIVAS Registro de aproximaciones sucesivas

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

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

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA SOBREMUESTREO Y RUIDO Eliminación del ruido por filtro pasa-baja (incremento SNR)  sub-muestreo manteniendo alto SNR (decimación)

CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA SOBREMUESTREO Y RESOLUCIÓN Fracción de ruido en banda: Si relación sobre-muestreo fS/2fB= 2r: Cada fs  2  3 dB mejora en SNR  0.5 bit mejor resolución

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)

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

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN) 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

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN) CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN) u[n]: señal de error v[n]: señal a cuantizar

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN) 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

CONVERTIDOR A/D SIGMA-DELTA CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA CONVERTIDOR A/D SIGMA-DELTA

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN) 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:

MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN) 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

CONVERTIDORES A/D PIPELINE Convertidor serie-paralelo 24(A-B) 24(A-B) (residuo) (residuo) Compromiso entre velocidad, precisión y coste

CONVERTIDORES A/D PIPELINE

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

CONVERTIDORES A/D PIPELINE Estructura de etapas

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

CONVERTIDORES A/D: COMPARATIVA

C.I. COMERCIALES

Chip de interfase analógico: TLC32044 C.I. COMERCIALES Chip de interfase analógico: TLC32044

Convertidor D/A: DAC0800 (National) C.I. COMERCIALES Convertidor D/A: DAC0800 (National)

Convertidor D/A: DAC0800 (National) C.I. COMERCIALES Convertidor D/A: DAC0800 (National) A: Factores multiplicactivos áreas de emisor

Convertidor D/A: DAC0800 (National) C.I. COMERCIALES Convertidor D/A: DAC0800 (National)

Convertidor D/A dual: AD7528 (Analog Devices) C.I. COMERCIALES Convertidor D/A dual: AD7528 (Analog Devices)

Convertidor D/A: DAC0800 (National) C.I. COMERCIALES Convertidor D/A: DAC0800 (National)

C.I. COMERCIALES CA3162: doble rampa (3 dígitos BCD)

C.I. COMERCIALES ADC0801 (National): Aproximaciones sucesivas

AD9000: convertidor A/D flash C.I. COMERCIALES AD9000: convertidor A/D flash

C.I. COMERCIALES TLC320AD58C: sigma-delta

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

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

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

NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL) TARJETAS DE ADQUISICIÓN NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL)

PRECISIÓN RELATIVA (LSB) TARJETAS DE ADQUISICIÓN PRECISIÓN RELATIVA (LSB)

NO LINEALIDAD INTEGRAL (INL) TARJETAS DE ADQUISICIÓN NO LINEALIDAD INTEGRAL (INL)

DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD) TARJETAS DE ADQUISICIÓN DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD)

NÚMERO EFECTIVO DE BITS (ENOB) 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:

TARJETAS DE ADQUISICIÓN DAQ-516 (National Instr.)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN DT2831 (Data Translat.)

TARJETAS DE ADQUISICIÓN

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