11 Sistema de adquisición

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SISTEMA DE AQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE SEÑALES
MEDIDAS ELÉCTRICAS e INSTRUMENTACIÓN
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Universidad de Antioquia
Concepto básico
Señal: variación de una corriente eléctrica u otra magnitud física u química que se utiliza para transmitir información.
Tipo de señales:
	Señales analógicas
 
 Señales digitales
Proceso de adquisición de señales
Como paso previo, antes de realizar un tratamiento digital de la señal, está el proceso de adquisición de los datos.
 
Ejemplo 1: Consideramos el caso de que queremos procesar a través de un computador una melodía procedente de una banda de música, antes de poder pasarla por el computador, necesitamos convertirla a una información compresible por él, es decir, a una secuencia de ‘0s’ y ‘1s’. 
Ejemplo 2: Supongamos que queremos tratar informáticamente la información recibida en una estación de radar, se reciben señales analógicas que es preciso convertir a señal digitales para su procesamiento.
El proceso a seguir con la adquisición de señales, consta de tres etapas: 
Conversión de la magnitud a una señal eléctrica. 
Acondicionamiento de la señal eléctrica para su lectura digital.
 Conversor analógico digital (A/D).
Sensores
Los sensores son dispositivos capaces de convertir una magnitud física, como puede ser la temperatura, la presión, el valor de pH, etc., ... en una diferencia de potencial o una variación de intensidad. Es decir, realizan una conversión de energía y suministran información sobre el estado y tamaño de la magnitud. 
Los sensores informan de su entorno y además esa información es cuantificable, es decir, medible por algún instrumento. 
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de los circuitos.
<número>
Acondicionamiento de señales
El objetivo del acondicionador de señal es generar, a partir de lo obtenido por los sensores, una señal que sea aceptable para el conversor A/D. Los conversores suelen admitir niveles de tensión que van entre unos márgenes determinados: -10V a 10V, 0 a 10V, 0 a 5V.
Las funciones principales que debe tener el acondicionamiento de señal, son:
Filtrado.
Off set
Amplificación
Conversor A/D
Para poder procesar señales análogas a través de medios digitales, es necesario convertirlas en formato digital, es decir, convertirlas en una secuencia de números con una precisión finita. (Conversor Análogo / Digital). Conceptualmente la conversión es un proceso de tres pasos:
Muestreo
Cuantificación
Codificación
Muestreo
Consiste en la conversión de una señal continua en el tiempo en una señal discreta en el tiempo obtenida mediante la toma de “muestras” de la señal continua en el tiempo en instantes discretos de tiempo.
 
 
Para recoger información útil, un factor clave es el ritmo o frecuencia con la que se toman las medidas. 
En el procesamiento de señales en la que se tiene que muestrear una señal continua ¿cómo sabemos qué frecuencia o periodo T de muestreo debemos utilizar? 
RTA: El teorema que define la mínima frecuencia requerida para representar de una manera precisa una señal analógica se denomina Teorema de Nyquist.
El Teorema de Nyquist indica que la frecuencia de muestreo mínima que tenemos que utilizar debe ser mayor que 2 · fmax, donde fmax es la frecuencia máxima de la señal. Si utilizamos esa frecuencia de muestreo, podremos reproducir posteriormente la señal a partir de las muestras tomadas. 
¿Qué sucede si utilizáramos una frecuencia de muestreo más alta?
¿Qué sucede si utilizamos una frecuencia por debajo de la especificada por el Teorema de Nyquist?
Aparece un fenómeno llamado Aliasing. Esto significa que cuando intentamos reconstruir la señal aparece una onda senoidal de frecuencia más baja. Este fenómeno se presenta por el hecho de que las muestras se pueden unir para crear una forma de onda de frecuencia más baja que es totalmente diferente de la onda original.
Onda original
Onda reconstruida
Cuantificación
 
Para cuantificar la señal, utilizamos un número de niveles que representan escalones de amplitud de entrada; para cada muestras ADC devuelve un valor que representa el nivel más cercano al valor de la muestra. Esto implica inevitablemente una aproximación llamada Error de Cuantificación.
 
 
Donde xmin y xmax representa los valores mínimo y máximo de x(n) y L es el numero de niveles de cuantificación
Codificación
En el proceso de codificación cada valor discreto se representa mediante una secuencia binaria unívoca de b- bits. 
Si se tiene L niveles de cuantificación se necesitara al menos L números binarios distintos.
Se tiene entonces que , por lo tanto el numero de bits necesarios del codificador es el numero entero más pequeño mayor o igual que .