Sistemas de adquisición de datos

Adquisición de datos

Sensores

Acondicionamiento Adquisición Tratamiento Visualización

En cualquier actividad relacionada con la ciencia y la tecnología surge la necesidad de medir variables físicas. Un sistema de adquisición de datos (SAD) es el instrumento del que nos servimos para obtener información de un determinado proceso o del estado de una planta. En general los SAD constan de los siguientes elementos básicos.

1. Los sensores que convierten un fenómeno físico en una magnitud eléctrica.

2. Un bloque acondicionador que realiza el acondicionamiento para aislar, filtrar, convertir y/o amplificar la señal.

3. Un sistema de adquisición que convierte la señal del dominio analógico al digital.

4. Un sistema de tratamiento que realiza operaciones con los datos (información digital) con objeto de transformarlos en información útil.

5. Un sistema de representación cuyo objeto es comunicar los resultados al usuario.

Configuraciones de un sistema de adquisición de datos

Sensor

Acondicionamiento

Computador(PC)

Tarjetade

adquisición dedatos

1. Sistema basados en computador con una o varias tarjetas de adquisición de datos conectadas al bus interno del computador y que realizan básicamente la conversión de la señal entre el dominio analógico y el digital.

Configuraciones de un sistema de adquisición de datos

RS CS TR RD TD CDTALK / DATA

TALK

RS CS TR RD TD CDTALK / DATA

TALK

Sensor

Acondicionamiento

RS CS TR RD TD CDTALK / DATA

TALK

Bus (GPIB)INSTRUMENTOS

Sensor

Sensor

2. Sistemas basados en instrumentos de adquisición, que a su vez pueden ser:

2.1 Instrumentos autónomos e independientes del bus de un computador pero con capacidad de conectarse a este través de buses de instrumentación (GPIB) o a través de puertos de comunicación serie (RS-232, USB, etc) o paralelo.

Para estandarizar la comunicación entre los diferentes instrumentos y el ordenador. IEEE-488/1975 revisada en los años 1978 y 1987. “Standard Digital Interface for Programmable Instrumentation” o bien “General Purpose Interface Bus)

Configuraciones de un sistema de adquisición de datos

Sensores

Display

Instrumento modular(VXI, PXI)

A/D

D/A

Aco

nd

icion

a

Gen

rado

rseñ

al

E/S

dig

itales

CP

U

MÓDULOS

2.2. Instrumentos basados en módulos de adquisición (instrumentación modular) conectados a un bus local especializado como norma VXI (basado en el bus VME extensions for Instrumentation) o PXI (basado en el bus PCI)

Tarjeta de adquisición de datos

MultiplexorENTRADASANALÓGICAS

Amplificadorde

Instrumentación

ConversorA/D

Lógica de controlInterfaz de

BUS

ETAPA ANALÓGICA

BUS DEL COMPUTADOR

Temporizador/Contador

E/SDIGITALES

BUS INTERNO

Buffer

Características y criterios de selección de las TADs

Canales deentrada

analógicos

S&H

S&H

S&H

ConversorA/D

ConversorA/D

ConversorA/D

...

...

...

Mu

ltip

lexo

r

Canales deentrada

analógicos

AmplificadorS&H

S&H

S&H

S&H

ConversorA/D ...

En las tarjetas con convertidor único, la conversión de las señales de entrada se efectúan secuencialmente lo que repercute negativamente en la velocidad máxima de adquisición.

Las tarjetas de adquisición que utilizan un conversor independiente para cada canal de entrada presentan mayor coste ya que se multiplica el hardware, pero permiten la captura y conversión simultánea de las señales de entrada, ofreciendo mayores prestaciones.

1. Número de entradas analógicas: hace referencia al número de canales de entrada disponibles en la tarjeta (4, 8, 16, 32, 64 o más). Se trata de unos de los criterios básicos de selección ya que debe acomodarse a las demandas de nuestra aplicación.

Características y criterios de selección de las TADs

Mu

ltiplex

or

Canales deentrada

analógicos

GND

+

-

Vo

CH0

CH1

CHn

2. Configuraciones de las entradas analógicas. Las entradas de las tarjetas de adquisición suelen soportar dos configuraciones básicas:

2.1. Entradas referidas a masa (single-ended inputs). Esta configuración es aceptable cuando la diferencia de tensión entre la entrada conectada a la masa del sistema de adquisición y el común analógico no sea significativa; de lo contrario se producen errores debido a las corrientes de de los bucles de masa.

Características y criterios de selección de las TADs

Mu

ltiplexo

r

Can

ales

de

entr

ada

anal

óg

ico

s

+

-

Vo

CH0+

CH1+

CHn+

Mu

ltiplexo

r

GND

CH0-

CH1-

CHn-

2.2 Entradas en modo diferencial (differencial input): en este caso no existe ningún terminal referido a masa. Esta configuración es útil en la adquisición de señales de bajo nivel o señales inmersas en entornos ruidosos ( el ruido presente sobre ambos terminales es tratado como una señal de modo común y es atenuado por las características CMRR del amplificador. El inconveniente es que el número de canales de la tarjeta se reduce a la mitad. Relacionado con la entrada se considera tambien la forma de realizar el acoplamiento de la entrada dc o ac (inserta un condensador en serie con la entrada para eliminar la componente de continua.

DISPARO(‘trigger’)

NIVELDE

REFERENCIA

Señal analógica

Características y criterios de selección de las TADs2.3 Mecanismo de inicio de captura (disparo): un aspecto interesante en las tarjetas se refiere a la posibilidad de realizar la adquisición sincronizada con algún dispositivo externo (triggering o disparo). Generalmente la adquisición se inicia por software, escribiendo sobre un bit de un registro determinado de la tarjeta o bien se realiza mediante un temporizador interno a un ritmo establecido. Sin embargo puede realizarse externamente cuando la tarjeta dispone de una entrada especial denominada entrada de disparo externo (trigger input).

Características y criterios de selección de las TADs

2.4 Velocidad de adquisición. Especifica la velocidad máxima con que el hardware de adquisición realiza la toma de muestras (frecuencia de muestreo máxima); su inverso es el tiempo de adquisición.

Sampling RateOne of the most important elements of an analog input or analog output measurement system is the rate at which the measurement device samples an incoming signal or generates the output signal. The scan rate, or the sampling rate in NI-DAQmx, determines how often an analog-to-digital (A/D) or digital-to-analog (D/A) conversion takes place. A fast input sampling rate acquires more points in a given time and can form a better representation of the original signal than a slow input sampling rate can.AliasingSampling too slowly results in aliasing, which is a misrepresentation of the analog signal. Undersampling causes the signal to appear as if it has a different frequency than it actually does. To avoid aliasing, sample several times faster than the frequency of the signal. For frequency measurements, according to the Nyquist theorem, you must sample at a rate greater than twice the maximum frequency component in the signal you are acquiring to accurately represent the signal. The Nyquist frequency is the maximum frequency you can represent without aliasing for a given sampling rate. The Nyquist frequency is one half the sampling frequency. Signals with frequency components above the Nyquist frequency appear aliased between DC and the Nyquist frequency. The alias frequency is the absolute value of the difference between the frequency of the input signal and the closest integer multiple of the sampling rate.

Tasa (sample rate) a la que se toman muestras de la señal, definida en muestras/segundo.

Muestreo correcto (fs>2fmáx)

Muestreo incorrecto (fs<2fmáx) produce alias

Características y criterios de selección de las TADs

Características y criterios de selección de las TADs

Características y criterios de selección de las TADs

2.5 Margen de entrada Valores de voltaje máximos y mínimos que

acepta el digitalizador Rangos Estándar:

0 a +5 V 0 a +10V -5 a +5 V -10 a +10 V

Manejo del Rango con acondicionadores

Características y criterios de selección de las TADs2.6 Resolución

Cantidad de bits que se utilizan para la digitalización

Sensibilidad(code width)

Rango de Entrada (v)

Ganancia x 2 resolución=

Determina el valor mínimo de variación de voltaje que el digitalizador puede detectar

Ejemplo de Cálculo de Sensibilidad

Tarjeta DAQ modelo LabPC-1200

•Rango = -5 hasta +5 voltios (configurable +/- 10 V)

•Ganancia = 1

•Resolución del ADC = 12 bits

Caso 3:Ganancia = 2 (también resulta 4.8 mV)

Bus de instrumentación GPIB

macho

hembra

Tarjeta 1

Tarjeta 2

Tarjeta 3

Bus de instrumentación GPIB

macho

hembra

1Tarjeta1

Tarjeta2

Tarjeta3

Tarjeta4

Bus de instrumentación GPIB Controlador

ControlTalk

Listen

Instrumento #1

Instrumento #n

Bus GPIB

TalkListen

TalkListen

Funcionesdel

instrumento

Funcionesde la

interfaz

InterfazGPIB

Señales GPIB

COMPUTADOR

DAV

NDAC

NRFD

ATN

EOI

SRQ

IFC

REN

DIO0

DIO7

Control de transferencia

Mando

Bus de datos

INSTRUMENTO

Características GPIB Especificación Concepto Descripción

Mecánicas topología Estrella o bus

longitud 2m entre instrumentos, máximo 20m

conector Instrumento (Hembra)Cable (apilable: macho-hembra)

Eléctricas “1” lógico < 0,8V

“0” lógico > 2V

Funcionales Tipos de instrumentos Controller (controlador)Talker (emisor)Listener (receptor)

Nº max de Instrumentos 15

Nº instrumentos activos > 2/3

Velocidad 1MBps

Dirección en instrumento Conmutadores o memoria pasiva