DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICAUNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONALFACULTAD REGIONAL BUENOS AIRES

INTRUMENTOS Y MEDICIONES ELECTRICAS

Instrumentos Digitales:

Conversores AD de simple y doble rampa

CICLO LECTIVO 2015

Instrumentos digitalesUn poco de historia:La incorporacin de la electrnica en los instrumentos aparece como respuesta a la necesidad de medir tensiones dbiles, las muy altas, y en frecuencias elevadas (Arriba del kilohertz.) con impedancias elevadas.El primer instrumento de medicin hbrido fue el Voltmetro a vlvula, que haca uso de un triodo como elemento amplificador, fue patentado en 1922.En 1927 comenz a utilizarse en los voltmetros a vlvula la realimentacin negativa y etapas de amplificacin diferenciales. Con esto se logr tener instrumentos capaces de medir desde DC hasta frecuencias elevadas con escalas lineales y alta impedancia de entrada.

Instrumentos digitalesEn 1957 se desarroll el conversor de doble rampa, esto permiti a los instrumentos realizar mediciones estables sin interferencias de otras frecuencias en la vecindad de la seales a medir. La implementacin no era prctica en esta poca por la complejidad y volumen de la instalacin.

No fue implementado prcticamente hasta los 70s por la cada en el precio de los semiconductores tras la aparicin de los ICs.

En los 80s las tecnologas de gran integracin y los avances de la optoelectrnica hicieron posible la fabricacin masiva de instrumentos electrnicos precisos con representacin digital.

Conversin analgica - digitalConversor de pendiente simple:

Cuando la implementacin de lgica electrnica era costosa, la primera implementacin de conversores AD se realizaba con un contador aplicado a la salida de un conversor AD, solo hay que comparar la salida con la entrada y restablecer a cero o resetear el contador cuando ello suceda, esta combinacin genera una rampa analgica como veremos..Un integrador analgico es la manera mas barata de generar una rampa a partir de una tensin a medir que se promedia durante un cierto tiempo. La implementacin mas sencilla es un generador de corriente constante que carga un capacitor.

Conversor de pendiente simpleOperatoria:Cuando la seal de reset es liberada, el contador se incrementa con cada pulso de clock hasta que el comparador detecta que la entrada es igual a la rampa y detiene el contador. En el flanco ascendente de la lnea de reset se congelan las salidas del contador para mostrar en el display.La relacin entre el valor de la cuenta y el voltaje aplicado en Vin es:

Ancho de pulso a medir

Conversor de pendiente simpleLimitaciones del conversor de pendiente simple:Este esquema tiene varias limitaciones, cualquier ruido en la entrada se traduce en inestabilidad en la deteccin del comparador, cambios en los valores de los componentes por ejemplo por variacin de temperatura.La exactitud depende en mayor medida de las tolerancias del capacitor, de la fuente de corriente y de la estabilidad del clock. Es un conversor que requiere ajustes peridicos.Este tipo de conversor est limitado a una resolucin de 10 bits, es decir 1024 cuentas. Con contadores de mas resolucin, los dgitos menos significativos no sern estables.

Valores tpicos:Con 1nA en la fuente de corriente, 0.1uF una fclk de 1MHz contaremos 100 pulsos con una entrada de 1V.

Conversor de doble pendienteConversor de doble pendiente:

Conversor de doble pendienteMtodo de comparacin.

El conversor de doble pendiente es un ADC del tipo integrador, al igual que el de simple pendiente. La seal a medir es promediada a lo largo del tiempo de integracin.El tiempo de integracin se elige de manera que sea un mltiplo de las frecuencias que puedan perturbar la medida, en general se adoptan 100mS que es mltiplo de 50 y 60 Hz. Eligiendo el tiempo de integracin puede eliminarse la interferencia de la Frecuencia de red.

Conversor de doble pendienteMtodo de comparacin.

En forma incremental, la salida de un integrador responder a la aplicacin de una tensin cte. en su entrada, de acuerdo con la expresin:Teora de operacin: El conversor de doble pendiente primero integra la entrada durante un tiempo fijo, luego desintegra la tensin final integrada en el paso anterior aplicando la referencia que corresponda (+Vref para una Vin negativa, Vref- para una Vin positiva) hasta que el comparador detecta que la salida es cero. El tiempo que insume descargar el integrador completamente es proporcional a la Vin. La carga puesta en juego durante la carga y descarga del capacitor C es la misma en ambas fases.

Conversor de doble pendienteConcepto:

Con este mtodo se integra la seal desconocida durante un tiempo conocido (1000 pulsos para instrumentos de 3 dgitos y 10000 para 4 .) y luego se integra un valor de referencia de polaridad opuesta a la seal incgnita, midiendo el tiempo que demanda esto ltimo hasta devolver la salida del integrador a cero.La ventaja es que todas las tensiones recorren el mismo ciclo a travs de los mismos componentes (Integrador, capacidades, resistores, todo se mide con la misma referencia de tiempo.) Los errores cometidos debidos a tolerancias en los componentes se simplifican en la ecuacin, quedando la tensin incgnita definida por el nint y nmedido.Este tipo de conversor AD se ha venido utilizando masivamente en instrumentos digitales desde los 70s. Una versin integrada de este esquema de conversin son los integrados LSI de la familia ICL7106 de la firma Intersil.

Conversor de doble pendienteLimitaciones:

Para incrementar la resolucin es necesario aumentar el tiempo de integracin, lo cual aumenta el tiempo entre lecturas. Para mantener la tensin dentro de los lmites de la fuente de alimentacin es necesario disminuir la pendiente lo cual baja la tasa de mediciones por segundo y aumenta los errores en el comparador.La principal limitacin de este tipo de comparador y del de simple pendiente tambin, es la calidad del capacitor, la corriente de absorcin del dielctrico, produce que parte de la carga integrada se pierda.

La solucin es utilizar capacitores de polycarbonato o polypropileno o polyestireno lo cual incrementa los costos.Esta topologa permite, a pesar de sus limitaciones, de hasta 20 bits (106 cuentas) de resolucin.

Modelo equivalente del capacitor de integracin

Conversor de doble pendienteDiagrama de tiempo de la solucin integrada ICL7135:

Este dispositivo agrega a lo ya visto una secuencia de auto-zero, lo que se hace es medir la tensin residual del integrador poniendo a nivel de masa la entrada y almacenar este valor en un capacitor de auto cero, luego esta tensin se introduce cambiada de signo en el integrador cancelando la salida. Con esto se asegura una lectura de 0V sin seal aplicada.

Diagrama en bloques de un multmetro digital

Conversores ADAnalicemos el conversor AD:

Conversores ADComparativa entre los distintos tipos de conversores AD, campos de aplicacin por resolucin y frecuencia de muestreo:

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