viernes, 13 de agosto de 2010

PROCESAMIENTO DE SEÑALES




Bueno, para inaugurar este blog, aquí hay un ensayo de convertidores de señal analógica a digital y digital a analógica.


PROCESAMIENTO DE SEÑALES

En El procesamiento digital de señales se lleva a cabo una técnica llamada Conversión de señales analógicas a digitales, que consiste en hacer pasar por un dispositivo electrónico una señal de entrada analógica y así poder obtener una salida digitalizada mas fácil de manipular. Para poder comprender mejor este procedimiento debemos saber primero las características de las señales analógicas y las señales digitales.

Las señales analógicas son señales de onda que varían constantemente por lo que es difícil establecer su valor exacto en un tiempo determinado además de que pueden presentar interferencia lo que las hace mas difíciles de manipular y de recuperarlas sin alterarlas demasiado, estas pueden llegar de distintas formas como  cambios en la temperatura, sistemas de audio o directamente de un amplificador de voltaje.

                                         



                                                                            FIGURA 1: EJEMPLO DE SEÑAL ANALOGICA





Las señales digitales son aquellas que toman valores preestablecidos cada cierto intervalo de tiempo, por lo que se puede decir que sus dimensiones medidas en tiempo y amplitud no son continuas, sino discretas, son más fáciles de manipular, codificar y en caso de que tenga interferencias puede ser fácilmente reconstruida por sistemas de regeneración de señales.


                                       





                                                                             FIGURA 2: EJEMPLO DE SEÑALES DIGITALES







El Conversor Analógico – Digital (CAD) es un dispositivo que convierte una entrada analógica a una salida digital en binario, el CAD consta de una entrada de referencia para la señal analógica y una salida que depende del numero de bits que se van a utilizar.


                                                        

                                                                     Figura 3: CAD de 4 bits


Lo que Hace el CAD es tomar una muestra cada cierto tiempo de la señal analógica para analizarla, redondea los valores a unos límites establecidos y después los registra como enteros a algún tipo de memoria o soporte, esto lo hace en cuatro pasos:

1.- Muestreo:
En el muestreo el conversor toma muestras de la señal analógica en intervalos de tiempo preestablecidos, esto se conoce como frecuencia de Muestreo, y es la velocidad de muestras que se toman por segundo.

2.- Retención:
En esta parte la señal pasa a un circuito de retención que se queda con la señal el tiempo suficiente como para que el CAD haga el proceso de cuantificación.

3.- Cuantificación:
En esta parte se mide el valor de las muestras y se asigna un  margen de valor a una salida de nivel definido.

4.- Codificación:
Aquí se traducen los valores obtenidos de la cuantificación al código binario y es la señal que se obtiene ya en la salida, aunque también puede pasarse a otro tipo de código.

El objetivo de digitalizar una señal es hacerla mas fácil de manipular ya que no se puede trabajar en Microcontroladores con señales analógicas porque son muy difíciles de controlar y las señales digitales como ya tienen unos valores y comportamiento mas definido son sencillas de procesar para eliminar interferencias y en la actualidad se utilizan en gran cantidad de Aplicaciones como el procesamiento de datos, de imágenes, de video, etc.






Para verificar la Exactitud de la conversión de las señales se pueden hacer unos pequeños cálculos que involucran el número de bits que tiene la salida y el valor del Voltaje de la entrada, que seria de esta manera:

Supongamos que tenemos un Convertidor Analógico – Digital con una salida de 4 bits, ósea que el valor máximo que puede tomar seria 24 – 1, y tenemos en la entrada un voltaje de referencia de 0 a 10v, entonces la resolución seria de la siguiente manera:

R = Vref / (2^4 – 1)
R = 10v / 15
R =

Esto quiere decir que cada 39.2mV que haya de cambio en la entrada, tendremos un cambio en la salida de 1 en el bit menos significativo que es el primero a la derecha, así que la definición de resolución seria el voltaje necesario para que haya un cambio de 1 bit en la salida en el bit menos significativo. Si hacemos una tabla de la conversión quedaría de esta forma:

Entrada
B0
B1
B2
B3
0.666
0
0
0
1
1.332
0
0
1
0
1.998
0
0
1
1
2.664
0
1
0
0
3.33
0
1
0
1
3.996
0
1
1
0
4.662
0
1
1
1
5.328
1
0
0
0
5.994
1
0
0
1
6.66
1
0
1
0
7.326
1
0
1
1
7.992
1
1
0
0
8.658
1
1
0
1
9.324
1
1
1
0
9.999
1
1
1
1


La Exactitud de la señal de salida depende del numero de bits, a manera que entre mayor es el numero, tendremos una mejor exactitud en referencia a la señal de entrada, ya que el cambio de bit depende de la resolución.

Si deseáramos hacer que nuestra señal digital volviera a ser una señal analógica, utilizamos un convertidor de Digital a Analógico, que es lo contrario de lo que estábamos hablando, el CDA tiene un arreglo de resistencias en forma de divisor de voltaje que tiene una tensión de entrada estable y fija como referencia.







                                                                   



                                                          Figura 4: Convertidor Digital a Analógico


Para este convertidor también se debe obtener la resolución y se hace con el mismo método que para el CAD, solo que en este la resolución nos indica el valor en que nos va a aumentar la señal de salida con respecto al cambio de bit de la señal digital de entrada en el bit menos significativo.

Ejemplo:

Se tiene un convertidos digital - analógico de 8 bits y el rango de voltaje de salida de 0 a 5 voltios.
Con  n = 8, hay una resolución de 2N =  256 o lo que es o mismo: El voltaje de salida puede tener 256 valores distintos  (contando el "0")
También: resolución =  VoFS / [2n - 1]  =  5 / 28-1  =  5 / 255  =  19.6 mV / variación en el bit menos significativo
Con n = 4 bits, se consiguen 2n = 16 posibles combinaciones de entradas digitales
La salida analógica correspondiente a cada una de las 16 combinaciones dependerá del voltaje de referencia que estemos usando, que a su vez dependerá del voltaje máximo que es posible tener a la salida analógica.
Si el voltaje máximo es 10 Voltios, entonces el Vref. (voltaje de referencia) será 10/16 = 0.625 Voltios.

Si el voltaje máximo es 7 voltios, Vref = 7 / 16 = 0.4375 Voltios.

Se puede ver estos voltajes de referencia serán diferentes (menores) si se utiliza un DAC de 8 o más bits. Con el de 8 bits se tienen 256 combinaciones en vez de 16. Esto significa que el voltaje máximo posible se divide en más partes, lográndose una mayor exactitud.
Si el Vref = 0.5 Voltios



Entrada digital
Salida analógica
D3
D2
D1
D0
Voltios
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0.5
0
0
1
0
1.0
0
0
1
1
1.5
0
1
0
0
2.0
0
1
0
1
2.5
0
1
1
0
3.0
0
1
1
1
3.5
1
0
0
0
4.0
1
0
0
1
4.5
1
0
1
0
5.0
1
0
1
1
5.5
1
1
0
0
6.0
1
1
0
1
6.5
1
1
1
0
7.0
1
1
1
1
7.5
Se puede ver que mientras más bits tenga el convertidor más exacta será la conversión

Fuentes:

No hay comentarios:

Publicar un comentario