TECNICAS DIGITALES III

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TECNICAS DIGITALES III
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PROCESAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES
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Adquisición de Datos Introducción

• En la vida diaria se encuentran diversas
  actividades que se pueden calificar como
  adquisición datos y control (ADC)
• 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.

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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 amplitud

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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 2Fc 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.

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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.

17

•  

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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

19

•  

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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 Retenedores

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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.

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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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(No Transcript)
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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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(No Transcript)
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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.

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(No Transcript)
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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 DSPs 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 onchip
  (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 CDROM, 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
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Mercado DSP - Por aplicacion
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Aplicaciones
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Bibliografía

• Wikipedia
• Apuntes de la UTN-