Por Anton Petrov, Plovdiv University, Departamento ECIT Sistemas Automatizados Módulo 2 – Nódulos y elementos de los Sistemas automatizados Tarea 2.2: Multiplexores analógicos y digitales. Circuitos de Muestreo y Retención Por Anton Petrov, Plovdiv University, Departamento ECIT Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Temas principales 1. Elementos de conmutación (SЕ) - características 2. Características SE analógicos con y sin contacto. 3. Organización de los multiplexores 4. Algunas de las aplicaciones de los multiplexores analógicos 5. Multiplexores diferenciales 6. Multiplexores de señales lógicas (multiplexores digitales) 7. Dispositivos multi-funcionales para la adquisición de datos 8. Circuitos de muestreo y retención Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Elementos de conmutación digitales (DSE) Elementos lógicos de los tipos AND o NAND se utilizan normalmente en el interior de los DCE X, Y y C son la entrada, la salida y las señales lógicas de control respectivamente. Con C=1 se deja pasar a la señal multiplexada siendo en el primer caso Y= X , mientras que en el segundo caso . Con C=0 no se deja pasar a la señal, correspondiendo con Y=0 para el primer caso e Y=1 para el segundo caso. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Elementos de conmutación analógicos (ASE) Ellos pueden ser de dos tipos, de contacto (relé) y sin contacto (semiconductor). Transmisión de un ASE ideal: En el caso particular, cuando a = 0, b = 1, las ecuaciones se simplifican Ecuaciones de transmisión de un ASE real Es deseable que F2(X)<<F1(X) : F1(X) = f1(X) + 1(t) F2(X) = f2(X) +  2(t) Estas dos funciones tienen componentes determinados, dependiendo de la señal de entrada X y de los componentes aleatorios –funciones del tiempo t arbitrarias. Es deseable que los componentes, dependientes del tiempo (ruidos) sean mínimos. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

ASE de contacto (relé) – 1 Ventajas: Rз (RON)  0 (partes de Ohm), Rо (ROFF) (miles de Giga-ohms). Inconvenientes: Elevada inercia; Duración considerable de la oscilación de los contactos; Inestabilidad de la Rз, debida a: Fuerza inestable de la presión en los contactos; Oxidación; Falta de limpieza; Desgaste mecánico; Erosión electrónica; Cambio en la posición mutua de los contactos. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

ASE de contacto (relé)– 2 Métodos para reducir la influencia: Selección de los elementos de multiplexación con variaciones pequeñas de RON; Cubierta con metales, no susceptibles a la corrosión: Au, Ag, Pt, W, Pd etc. Posicionamiento en gases neutrales o medios líquidos: N, H, He, petróleo mineral. Líquidos de silicio orgánicos; Humedeciendo los contactos con Mercurio (especialmente para potencias elevadas). Encapsulación hermética (relé tipo reed); Otros parámetros: Frecuencia máxima de conmutación; Inductancias y capacitancias parásitas. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

ASE sin contacto (semiconductores) Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Parámetros básicos de los ASE sin contacto (semiconductores) Rango del voltaje de entrada; Resistencia en estado ON Ron; Corriente de fuga Ioff sobre Roff; Capacitancias parásitas Cioff, CDoff y CDS; Coeficientes de transmisión; Distorsiones no-lineales; Tiempo de retardo de las señales a lo largo de la conmutación; Tiempo de estabilización del Uout; Voltaje, corriente y tiempo , parámetros de las señales de control; Número de entradas y líneas de dirección (se refiere a todo el módulo en conjunto). Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Organización de los multiplexores DECODIFICADOR En los diagramas de ambos circuitos el decodificador elije y cierra uno de los interruptores de acuerdo a la dirección proporcionada. Por ejemplo, cuando la dirección es: 00....0 el interruptor S1 se cierra, cuando la dirección es: 00....1 el interruptor S2 se cierra etc. El último interruptor Sn se cierra cuando la dirección es: 11....1. Dependiendo de la dirección proporcionada, obtendremos la entrada correspondiente del multiplexor que será la salida común, mientras que para el de-multiplexores es la entrada común la que se dirige a la salida correspondiente. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Ejemplo: interruptor CMOS analógico cuádruple MC74HC4066A Un interruptor popular cuádruple analógico Multiplexor/De-multiplexor Velocidad elevada de conmutación con un retardo pequeño  8-12ns con sequedad t0 Coeficiente RON/ROFF elevado Perturbaciones mutuas pequeñas entre los conmutadores Diodo de protección para todos los tipos de entradas/salidas Gran rango de voltaje de suministro = 2.0 hasta 12.0 V Gran rango de la señal de entrada= 2.0 hasta 12.0 V Linealidad elevada y pequeña RON – típicamente 20-25 Ohms con sequedad t0 Ruido reducido Contiene: 44 transistores FET o 11 puertas equivalentes Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

MC74HC4066 Diagrama de bloques y toma de corriente IC Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

MC74HC4066 – algunas aplicaciones Estas son algunas aplicaciones del conmutador de tipo cuadripolo : Nivel convertidor TTL/NMOS  CMOS; Multiplexor de 4-entradas; Amplificador de Muestreo/Retención. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Multiplexor de Burr Brown MPC800 MPC800 puede operar en los siguientes modos: 1х16 entradas, 2x8-entradas, así como realizando el papel de un MUX diferencial de 8-entradas. El diagrama del circuito incluye tres decodificadores. El primero tiene solo 2 salidas y se encuentra controlado por la dirección de entrada A3.Con A3=0 se selecciona el decodificador A, mientras que con A3=1 el que se selecciona es el decodificador B. Con el modo de f 1x16 entradas se combinan las entradas A y B, mientras que con el modo de 2x8 entradas estas son utilizadas como salidas separadas. Para operar en modo diferencial A3 se conecta al voltaje- VCC, se permite la operación simultánea de los dos decodificadores A y B y los canales son seleccionados en ambas partes del diagrama del circuito al mismo tiempo. Para la selección de los canales diferenciales solamente se usan 3 líneas de dirección: A0 – A2. Las entradas diferenciales están formadas por las parejas 1A – 1B; 2A – 2B etc., mientras que las salidas diferenciales están formadas por OutA y OutB. Para mayor información ver www.burr-brown.com ) Diagrama de bloques del multiplexor analógico MPC800 de Burr Brown Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

A3 se utiliza como código de la dirección digital Tabla de la verdad A3 se utiliza como código de la dirección digital Canal permitido Permitir A3 A2 A0 SALIDA_A SALIDA_B x no 1 1A 2A 3A 4A 5A 6A не 7A 8A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 8B Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Otras empresas, productoras de multiplexores Otros multiplexores utilizados frecuentemente son aquellos de las series CMOS de la empresa RCA 4051 (8  1), 4052 (2х4  1), 4053 (3х2  1), 4067 (16  1), así como sus análogos producidos por la empresa Philips, cuyos símbolos digitales son los mismos, excepto por las letras HEF delante de los símbolos, y también los multiplexores analógicos ADG 408/409 de la empresa Analog Devices. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – 1 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2 El diagrama del primer circuito muestra la resistencia equivalente R procedente de la resistencia interna del conmutador analógico habilitado del multiplexor (cuando este es comparativamente pequeño, este puede ser omitido) junto con la resistencia del grupo de resistencias habilitadas. De esta forma, por ejemplo, cuando se habilita la entrada 1 nosotros podemos asumir que R =0, si la entrada 2 está habilitada – R = R1, cuando la entrada 3 se habilita – R = R1+ R2 etc. En el diagrama del segundo circuito R está definida por la resistencia del resistor habilitado (R1 o R2 o R3 o R4) y la resistencia interna del conmutador. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – 2 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2 Los diagramas de los circuitos funcionan de manera similar; en el primero los condensadores están conectados en serie y la capacitancia equivalente se calcula a partir de la ley de conexión en serie de capacitancias, mientras que en el segundo caso se conectan directamente. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – 3 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2 El coeficiente de amplificación del amplificador inverso se controla digitalmente aquí por medio controlador digital de la resistencia total en el circuito de realimentación Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – amplificador digital controlado (Simulación con Multisim) Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – amplificador digital controlado Resultados de la simulación (Multisim) Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – 4 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2 La selección de la frecuencia de corte del filtro está digitalmente controlada por medio del controlador digital con coeficientes F(D)=R. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones del АМ – 5 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2 La constante de tiempo del integrador está controlada digitalmente aquí por medio del control digital sobre la resistencia de la entrada. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Multiplexores diferenciales – 1 Puede observarse que en el caso de compensaciones de las señales perturbadas, desciende de forma de fase sinusoidal en las dos salidas del sensor diferencial. El nivel de supresión de las señales de fase sinusoidal depende del nivel de simetría del multiplexor diferencial y del amplificador diferencial que le sigue. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Multiplexores diferenciales– 2 Los multiplexores diferenciales son unos de los que se construyen más frecuentemente basándose en dos multiplexores estándar, controlados por el dispositivo de control de la comunicación CCD y la conmutación simultánea. Los multiplexores MUX1 y MUX2 se combinan formando un multiplexor común, que puede operar como un multiplexor asimétrico con 2N canales, y como un multiplexor diferencial con N canales, tal y como el multiplexor analógico MPC800 descrito en la parte superior. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Amplificadores diferenciales Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Multiplexores digitales – 1 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Multiplexores digitales– 2 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Dispositivos multifuncionales para la adquisicion de datos En los sistemas reales para la adquisición de datos (DAQ) raramente se utilizan módulos especializados, en cambio combinar cierto número de diferentes funciones es lo que más frecuentemente se usa, tales como multiplexores analógicos, ADC, cierto número de entradas y salidas digitales, contadores/temporizadores etc. Como un ejemplo de diagrama de bloques se muestran los módulos NI6070/71E producidos por la empresa National Instruments (NI). Diagrama de bloques del módulo multifuncional NI6070/71E Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Características del NI6070E/71E – 1 Hardware: 16 o 64 entradas analógicas ADC incluido de 12-bit Frecuencia máxima de medición1.25MS/s (MS – a partir de mega muestras); 2 salidas analógicas con DAC incluidos de 12-bit DAC con frecuencia máxima de1MS/s; 8 líneas de entrada/salida digital(5V TTL/CMOS); 2 x 24-bit contadores-temporizadores 20MHz; Comienzo analógico y digital; 15 rangos analógicos de entrada. Contiene DAC calibrados y memoria incluida. Variedad para los bus PCI y para el estándar extendido del PCI – PXI. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Características del NI6070E/71E – 2 Software: ОС: Windows 9x/NT/XP/Vista/7; Mac OS9; Linux; Operación en tiempo-real junto con el paquete LabVIEW; Software recomendado: LabVIEW; LabWindows/CVI; Measurement Studio para Visual Basic; VI Logger Software Compatible: Visual Basic; C/C++. Controlador de software NI-DAQ (entregado con los módulos). Los módulos contienen un calibrador DAQ y memoria embebida. Variedad para el bus PCI así como para el estándar extendido del PCI – PXI se encuentran en fase de desarrollo. La empresa también ofrece módulos con una mayor resolución 16-bits – para mediciones más precisas pero con un tiempo de acción más lento. (para más información ver www.ni.com). Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Diagrama del circuito Muestreo/retención – base de configuración El proceso de “muestreo-retención” puede observarse como la multiplicación de la señal por una cuadrícula de funciones delta uniformemente posicionadas y guardar el resultado de la multiplicación hasta el final del proceso de cuantificación por medio del ADC. Este proceso se realiza por medio de un condensador y un conmutador electrónico, que se cierra (muestreo) y se abre (retención) periódicamente con la frecuencia de discretización Diagrama base del circuito Con un conmutador MOS Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Diagrama del circuito Muestreo/retención Un diagrama de bloques simplificado del proceso de muestreo y retención se muestra en la parte inferior, tratando de producir segmentos a partir de una señal continua en el tiempo (CT). Bajo el control de la señal de tiempo el circuito conmuta desde la fase de muestreo (el conmutador en serie cerrado y el que está en paralelo - abierto) hasta la fase de retención (posiciones de los conmutadores contrarias al caso anterior) y genera segmentos de la señal de entrada. (ver Tarea 2_1_material de formación) Conmutador electrónico Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Muestreo y retención – esquemáticos а) – Un diagrama simplificado del circuito de un S/H sin realimentación simplificado. Los amplificadores A1 y A2 operan como repetidores con К1. A3 es un repetidor lógico y controla el conmutador S. b) – S/H con realimentación. Mejora la precisión y otras características. Los diodos, de sentidos contrarios, reducen el error desde el paso directo y disminuyen el voltaje en el capacitor en la fase de fijación. c) – con realimentación, pero con C conectado en la realimentación de A2 y el S/H operando en la fase de muestreo como un integrador. La salida inversa de A2 y el mismo conmutador están en el punto de suma y bajo un potencial cercano a 0. De este modo el conmutador S puede considerarse como un conmutador al comienzo de la fase de retención y que puede conectarse la salida de A1 a 0 (tierra), reduciendo así las fugas que se producen a través de él. La tase da acción de este tipo de S/H, sin embargo, se reduce, porque C se carga bastante rápido a través de Requiv. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Diagrama de un circuito diferencial de FS Diagrama básico Diagrama real con efecto-campo de los transistores Los diagramas del circuito diferencia de un FS son apropiados cuando la fuente de la señal (sensor) es tambien diferencial. Se requiere un alto nivel de simetría en los diagramas. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Procesos y errores en los circuitos de S/H Тa – tiempo de apertura: desde el momento en el que se proporciona Us=0 para abrir el conmutador S, ej: el retardo del conmutador; Тtr1 – tiempo del estado transitorio para la fase de fijación; Тsum1 – tiempo total para el establecimiento de la fase de retención : Тsum1=Тa + Тtr1; Тapr – tiempo para la aproximación del Voutput (Uy) al Vinput (Ux) después de volver a conmutar a la fase de muestreo; Тtr2 – tiempo del estado transitorio en las conmutaciones recurrentes a la fase de muestreo; Тsum2 – tiempo total de establecimiento de la fase de muestreo Тsum2=Тapr + Тtr2; se – error acumulado procedente del estado transitorio cuando se pasa de conmutación a fijación; ce – error procedente de la caída producida cuando se descarga el condensador C. pe – error procedente del camino directo a través de la parásita Ck Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Empresa de circuitos S/H – 1 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Empresa de circuitos S/H – 2 PARÁMETROS Tiempo de seleccion con precision del 0.01% : 1.5s max Tiempo de establecimiento: 350ns max Tiempo de apertura: 25ns Frecuencia de selección: 2MHz Tasa de goteo a +250C: 0.5V/s max TTL compatible Entradas completamente digitales Capacidad de mantenimiento interna Dos rangos de temperatura: - 400C to +850C (KH, KP, KU) - 550C to +1250C (SH) Tipos de paquetes: cerámicos de 14-pin, DIP plásticos y SOIC de 16-pin El diagrama del circuito es bipolar, monolítico y realizado para velocidades de adquisición de datos elevadas Ajuste offset Capacitor de mantenimiento externo Referencia común Control ancho de banda Esquemáticos del SHC5320 entrada - entrada+ Modo control salida Schematics of SHC5320 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Empresa de circuitos S/H – 3 SHC605 – Parámetros Rango dinámico libre de errores muy ancho: 90dB a 1MHz y 20MS/s 86dB a 2MHz y 20MS/s 77dB a 5MHz y 20MS/s Tiempo de selección pequeño: 30ns a 0.01% Tiempo de apertura: menor de 1.5ns Tasa de goteo pequeña: 8mV/s max Tmin hasta Tmax Consumo reducido: 335mW Arquitectura universal: no-inversor, inversor y amplificador diferencial Lógica compatible con TTL y ECL Empaquetado pequeño: SO-16 Amplio rango de temperaturas: - 400C hasta + 850C El diagrama del circuito es un amplificado para el muestreo y la retención monolítico, de alta velocidad, extremadamente preciso Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicaciones de los circuitos de S/H 1. Para mantenimiento temporal el valor momentáneo de la señal analógica para el tiempo de la conversión en código digital gracias al ADC en los circuitos de medida del AS. 2. En el proceso de discretización y cuantificación de señales analógicas con la finalidad de convertirlas en código digital y realizar el mantenimiento y/o la transmisión a distancia en una comunicación digital. En este caso la frecuencia de discretización debe definirse de acuerdo al teorema de Nyquist y la tasa de acción del S/H debe ser la apropiada para esta frecuencia. 3. Para registrar procesos de elevada velocidad por medio de cierto número de S/H y ADC. 4. En la salida del DAC con el fin de eliminar los rebotes de la señal de salida cuando el código digital varía en la entrada del DAC. 5. Para una realización multicanal DAC más económica – un distribuidor analógico de señales con un DAC y un determinado número de S/H etc. Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicación de los S/H – 1 Colocación de un S/H en circuitos con multiplexación y conversión Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Aplicación de los S/H – 2 Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2 Aquí se muestra un ejemplo, representando el uso de un S/H en AS con el objetivo de aumentar la velocidad de la multiplexación de los sensores. En este caso el S/H se coloca después del АМ y permite así incrementar la velocidad de multiplexación debido al echo de que, mientras el ADC convierte el valor de la señal procedente del sensor dado, el dispositivo de control (CD) puede proporcionar una nueva dirección para que el multiplexor conmute al siguiente sensor. Uso del S/H para aumentar la acción rápida en el proceso de multiplexación y medición Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2

Diagrama del circuito para el registro y medida de un proceso rápido Aplicación de los S/H– 3 Sistema MP Diagrama del circuito para el registro y medida de un proceso rápido Las señales para fijar los segmentos se envian al S/H1 – S/H4 en intervalos de tiempos iguales por medio del sistema de microprocesador. Los segmentos son convertidos por el ADC1 – АDC4 y entonces se transmiten al sistema del ordenador central (CS) por el multiplexor digital (DM). Nódulos y elementos de los AS – tarea2_2