1. Sistemas de Adquisición de Datos
Oscar R. López Bonilla
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2. Introducción
Los sistemas de adquisición de datos nos ayudan a medir información
presentada en forma digital o analógica.
Las señales digitales pueden venir de una variedad de fuentes tales como:
interruptores, relevadores, interfaces compatibles con niveles TTL,
etc. Con la interfase apropiada se pueden directamente por la
computadora
Las señales analógicas vienen de diferentes instrumentos, sensores o
transductores que convierten energía en forma de presión, posición o
temperatura en
voltaje

3. Introducción (cont)
Las señales analógicas no pueden procesarse directamente en una
computadora, deben convertirse primero a un número digital. A este
proceso se le llama Conversión Analógica Digital (CAD)
El proceso complementario, Conversión de Digital a Analógico (CDA),
cambia datos digitales en señales de voltaje o corriente
Ambos procesos permiten la
medición y el control
computarizado de
procesos industriales
y experimentos de
laboratorio

4. Transductores y Actuadores
 Los Transductores
convierten
temperatura, presión,
nivel, longitud,
posición etc. en
voltaje, corriente,
frecuencia, pulsos u
otras señales
 Los Actuadores son
dispositivos que
activan procesos de
control de equipo por
medio de neumática,
hidráulica, energía
eléctrica, etc.

5. Acondicionamiento de Señal
 Los circuitos de
acondicionamiento de
señales mejoran la
calidad de la señal
generada por el
transductor antes de
que sean convertidas
a señales digitales
(CAD)
 Algunos ejemplos de
acondicionamiento de
señal son:
Escalamiento,
amplificación,
linealización,
compensación de
unión fría, filtrado,
atenuación,
excitación, etc.

6. Entradas Analógicas
Las entradas analógicas
se convierten en
señales digitales en el
CAD. La exactitud de
la conversión
depende de la
resolución y
linealidad del
convertidor
El error de ganancia y de
desbalance también
afectan la exactitud
de la medición
Un convertidor ideal
tiene una alinealidad
de ½ LSB

7. Diferenciales/Sencilla
En una entrada sencilla se
mide el voltaje entre el
canal de entrada y la
tierra analógica. Cada
canal pude utilizarse para
diferentes dispositivos. El
dispositivo debe entregar
una señal con referencia a
la tierra analógica
En una entrada diferencial se
puede medir el voltaje
entre dos terminales, esto
requiere de dos canales
de entrada por dispositivo
pero tiene la ventaja que
puede medir dispositivos
que no pueden
referenciarse a la tierra
analógica y cancelan el
ruido del modo común

8. Amplificador de Entrada
En algunos casos se
requiere de un
amplificador a la
entrada. Estos
amplificadores nos
sirven para reforzar
(buffer) la señal de
entrada y darle
ganancia
Normalmente la
ganancia para cada
canal de entrada esta
calculada para que la
señal de entrada
utilice el máximo
alcance del CAD.
Esto ocasiona que el
alcance efectivo a la
entrada sea más fino

9. Aislamiento
Otro acondicionamiento
útil es aislar el
transductor de la
computadora por
razones de seguridad.
El equipo que se
monitorea puede
manejar altos voltajes
que podrían dañar el
sistema
Otra razón para aislar
eléctricamente, es
asegurar que las
lecturas del
transductor no se
vean afectadas por las
diferencias de
potencial de las
tierras

10. Multicanalizado/Número de Canales
Una técnica muy
utilizada para medir
varias señales con un
solo dispositivo de
medición es la
multicanalización.
Esto se utiliza
normalmente en
señales que no
cambian rápidamente
El CAD convierte un canal
cuando termina convierte
el siguiente y así
sucesivamente hasta
terminar con todos los
canales
Esto hace que al velocidad
efectiva de conversión
dependa del número de
canales que se están
muestreando

11. Filtrado
El propósito de filtrar es
eliminar señales no
deseadas de la señal que
se trata de medir
Un filtro de ruido se utiliza
normalmente en señales
de DC, tales como
temperatura para atenuar
señales de alta frecuencia
Señales de AC, tales como
vibración, requieren de
otro tipo de filtrado,
conocido como
antialiasing. Este es
también un filtro pasa
bajas, pero en este caso
se requiere de un corte
bastante pronunciado. Si
no se eliminan estas
señales, aparecerán
repetidas erróneamente

12. Excitación
El acondicionamiento
también puede incluir
excitación para algunos
transductores. Galgas
extensiométricos (strain
gauges), termistores y
RTDs por ejemplo
requieren de voltaje o
corrientes externas
Las mediciones con RTD,
por ejemplo, requieren
una fuente de corriente
para convertir las
variaciones de resistencia
en variaciones de voltaje
Las galgas extensiométricos,
que son usualmente de
resistencias bajas,
utilizan un puente de
Wheatstone con
excitación de voltaje

13. Linealización
Muchos sensores, los
termopares entre
otros, tienen una
respuesta no lineal
por lo que se requiere
de un procesado para
linealizar y hacer mas
fácil de manejar su
medición
Existen diferentes métodos
para linelizar la respuesta
de un sensor, desde
utilizar circuitería
(hardware) como por
ejemplo conectar redes
de resistencias, hasta
utilizar programación
(software) para procesar
los datos y aplicarles
algún algoritmo

14. Señales de Voltaje
La señal de interfase mas
utilizada es, sin lugar
a dudas, la señal de
voltaje. Termopares,
galgas, medidores de
presión producen una
señal de voltaje.
Los sistemas de adquisición
usualmente son capaces
de manejar directamente
entradas de bajo voltaje.
Por bajo voltaje nos
referimos a señales de
unos cuantos milivolts
Existen 3 aspectos que
importantes que deben de
ser considerados:
Amplitud, Frecuencia y
Duración

15. Alta Impedancia de Entrada
Ciertos tipos de
transductores tienen
una impedancia de
salida muy alta y no
son capaces de
entregar la corriente
suficiente para
alimentar una entrada
“normal” de voltaje
Si estos transductores se
conectan directamente a
una entrada “normal” la
señal entregada se vera
distorsionada, Ejemplos
de estos sensores son:
medidores de pH y
concentración de gas.
Por tanto requieren sistemas
de medición con alta
impedancia de entrada

16. Señales de Corriente
La corriente se utiliza para
transmitir señales
principalmente en
ambientes ruidosos,
porque se ve menos
afectada por estos ruidos
Las escala completa más
utilizada
(industrialmente) es de 4
a 20 mA o 0 a 20 mA
La escala de 4 a 20 mA tiene
la ventaja de que aun
cuando la señal este en su
nivel mínimo se debe
detectar al menos un flujo
de corriente. La ausencia
de este flujo de corriente
nos indica un problema
en al conexión.
Usualmente antes del
CAD se convierte a
voltaje

17. Señales de Potencia
En algunos casos se
requiere monitorear
señales de la energía
eléctrica de alto
voltaje (117, 220,
1kV, etc.). Esto se
hace por medio de
puentes divisores de
voltaje
Como la señal de estas
fuentes de energía
suele ser de AC, un
acondicionador de
señal que nos
entregue una señal de
DC proporcional a la
media cuadrática de
la amplitud es muy
útil

18. Termopares
Los termopares nos
proporcionan una
señal de bajo voltaje,
típicamente unos
cuantos milivolts
La relación entre
temperatura y voltaje
es no lineal
El voltaje depende de:
 La diferencia de
temperaturas entre la
unión del termopar
mismo y el punto
donde el alambre del
termopar termina
(cold junction)
 La temperatura de la
unión fría (cold
junction)

19. Resistencia
Las mediciones de
resistencia se hacen a
través de hacer circular
una corriente eléctrica
por el sensor.
La corriente fluye en la
resistencia desconocida
generando un voltaje
proporcional al valor de
esta
Cuando el valor de la
resistencia es
pequeño, la
resistencia de los
alambres utilizados
para hacer la
medición pueden ser
una fuente
significativa de error

20. Puente de Galgas Extensiométricos
La medición de Galgas
Extensiométricos (Strain
Gauges) es un caso
especial de medición de
resistencia. Se requiere
utilizar un puente de
Wheatstone para medir la
galga, la cual varia su
resistencia cuando se le
aplica una fuerza
La medición en el puentes se
ve afectada por los
cambios en el voltaje de
excitación. Para
mediciones de larga
duración, donde el valor
de los componentes
puede variar con el
tiempo o con los cambios
de temperatura, se
requiere de calibraciones
periódicas

21. Excitación
Muchos transductores
requieren de fuente de
alimentación. La
señal de estos
transductores puede
ser voltaje o
corriente. Muchos se
alimentan con
voltajes de DC
pequeños (5 v, 12v)
Algunos sistemas de
adquisición de datos
tiene integradas
fuentes de
alimentación para
estos tipos de
sensores

22. Transductores de Desplazamiento Lineal Variable
(LVDT: Linear Variable Displacement Transducers)
Los LVDT normalmente
utilizan excitación de
AC y por tanto
entregan una señal
también en AC. Estos
transductores
requieren de un
oscilador y de un
circuito demodulador
Sin embargo también se
pueden encontrar LVDT
que se energicen con DC,
estos circuitos tienen
integrados en el
transductor el oscilador y
el demodulador,
entregando una señal de
DC a la salida

23. Resolución/Alcance (Range)
La resolución es el
número de niveles
utilizados para
representar el alcance
de la entrada
analógica. Un
convertidor de 14 bits
pude diferenciar entre
16,384 niveles de
entradas
El Alcance en un sistema
de adquisición de
datos se refiere al
valor mínimo y
máximo de niveles de
voltaje de DC que
pueden medir

24. Tiempo de Estabilización
Cuando uno de los canales de
entrada es seleccionado
para ser convertido a
digital, se requiere de
esperar un tiempo para
que los circuitos internos
(capacitarse, resistencias,
bobinas) alcancen los
niveles finales
Este tiempo de espera es
necesario pues de lo
contrario se podrían
obtener mediciones
erróneas.
Al mismo tiempo la máxima
frecuencia con la que se
pude operar es (entre
otras cosas) inversamente
proporcional a este
tiempo de espera

25. Niveles de Ruido
A los valores de voltaje
que aparecen en la
señal digitizada
diferentes de la señal
real, se le llama ruido
Para evitar este problema
existen muchas y muy
variadas técnicas de
aterrizaje y blindaje

26. Salidas Analógicas
Lo contrario a la CAD es
la CDA. Estos
dispositivos
convierten
información digital a
voltaje o corriente.
Estos dispositivos son
necesarios para
controlar eventos del
mundo real
Las salidas analógicas
pueden controlar
directamente procesos o
equipos. El proceso a su
vez puede entregar una
señal analógica que se
puede conectar a las
entrada analógicas del
sistema de adquisición
Esto se conoce como control
de lazo cerrado

27. Tiempo de Estabilización
Al igual que en los CAD,
el tiempo de
estabilización es el
requerido para tener a
la salida el nivel de
voltaje deseado
Este tiempo usualmente
se especifica con
respecto a la escala
completa
Esto se hace así por ser
el caso extremo en
cuanto a cambio de
nivel, sin embargo es
importante
considerarlo para
asegurar una señal de
calidad a la salida

28. Razón de Cambio (Slew Rate)
Este parámetro nos da la
máxima razón de
cambio que el CDA
puede generar
El Tiempo de
estabilización y el
Slew Rate juntos
determinan que tan
rápido puede trabajar
el CDA
Un ejemplo de aplicación
que requiere de un alto
rendimiento en este
parámetro son las señales
de audio. El CDA
requiere de alto Slew
Rate y bajo tiempo de
estabilización para
generar ondas de
frecuencia alta (audio)

29. Resolución de Salida
La resolución de salida
de un sistema de
adquisición es similar
a la resolución de
entrada
Es el número de bits en
el código digital que
genera la salida
analógica
Un número grande de
bits reduce la
magnitud de cada
incremento en voltaje,
logrando así que se
puedan efectuar
cambios suaves en las
señales de salida

30. Entradas/Salidas Digitales
Las entradas y salidas
digitales son
utilizadas
normalmente para
controlar procesos,
generar patrones de
prueba y comunicarse
con equipo periférico
En cualquier caso los
parámetros importantes
es el número de entradas
o salidas digitales
disponibles, la velocidad
con que se pueden
medir/cambiar y la
capacidad de manejo en
amperes

31. Codificadores (Encoder)
Los codificadores se
utilizan
principalmente para
monitorear posición y
desplazamiento
angular o lineal
La salida de un
codificador puede
servir a la entrada de
un contador
Para poder detectar
cambios de posición
en los dos sentidos se
utilizan dos señales
desfasadas 90° entre
ellas.
Una tercer señal puede
generar un pulso de
sincronía

32. Contadores/Temporizadores
Los pulsos digitales
pueden ser contados
para medir su
frecuencia. O el
tiempo entre pulsos
puede ser medido
para determinar su
periodo
En las aplicaciones mas
comunes el principal
problema es perder un
pulso cuando se están
contando
Usualmente cuando se
lee un contador se
reinicializa (reset)

33. Velocidad Efectiva (Throughput)
Aun cuando algunos
parámetros nos den
idea de la máxima
velocidad a la que se
pueden operar el
CAD o el CDA, este
parámetro es el que
esta relacionado con
mediciones reales
Este valor es importante
pues es el que nos
ayuda a determinar
cual va a ser la
frecuencia máxima
que podamos medir,
de acuerdo a Nyquist

34. Modo “Burst”
Cuando se tienen señales
multicanalizadas y un
solo CAD, se miden las
señales una a la vez, esto
ocasiona que las
mediciones de diferentes
sensores ocurran en
tiempos distintos
ocasionando problemas
en la interpretación de los
datos
Algunos sistemas de
adquisición cuentan con
el modo Burst (muestro
seudo-simultaneo) en el
cual se tratan de tomar
todas las medicines lo
mas cercanas entre ellas
para que sea lo mas
cercano a la medición
simultanea

35. Disparo de Circuitería
(Hardware Triggering)
Para dar inicio a una
medición (CDA, CAD,
Temporizador, contador,
etc.) se cuentan con
generadores de
frecuencia internos al
sistema, pero en algunos
casos es necesario
sincronizarlos con
eventos externos
En algunos casos esto
ayuda a reducir el
número de
mediciones que se
requieren en otros
casos es la única
forma de obtener la
información

36. Métodos de Transferencia de Datos
Finalmente una vez que
se obtienen las
mediciones es
necesario transferirlas
a algún lugar, ya sea
para su
almacenamiento o
para su procesado
Normalmente se cuentan
con dos métodos
 Consulta por
interrupción
 Acceso Directo a
Memoria (DMA)

37. Calibración Analógica
Para mantener precisión los
convertidores AD y DA
requieren de
calibraciones periódicas.
Esto ayuda a compensar
la tendencia en los
circuitos analógicos de
cambiar sus
características con el
tiempo
Históricamente se han
utilizado los
potenciómetros que
permiten manualmente
calibrar los sistemas
Una mejor opción son los
CDA utilizados para
digitalmente efectuar la
calibración. Los valores
de calibración se
almacenan luego en
memoria no volátil