Convertidores Analogicodigitales

Tutoriales o Manuales de interes.
J.Luis
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Convertidores Analogicodigitales

Mensaje por J.Luis » 15 Mar 2018 14:29

Jitter
Fluctuación

SINAD
Relación señal ruido y distorsión

ENOB
Numero efectivo de bits

SNR
Relación señal ruido

THD
Distorsión armónica total

THD + N
Distorsión armónica total mas ruido

SFDR
Rango dinámico libre de espurios

Vin
Se refiere a el voltaje de la señal analógica de entrada o señal que vamos a muestrear

Vref
No hemos hablado hasta ahora de este voltaje continuo que se aplica al ADC junto con la señal analógica y la frecuencia
muestreadora , no lo hemos hecho para hacer más comprensibles estos posts,pero ya toca hablar de ello

Oversampling
Sobremuestrear una señal analógica.Yo personalmente no tengo muy claro si muestrear una señal analógica a la frecuencia
de Nyquist es sobremuestrear , o si por el contrario sobremuestrear es tomar muestras de dicha señal analógica a una frecuencia mayor que
la frecuencia de Nyquist,pero bueno tampoco es tan importante este asunto.

Recordemos que para poder reconstruir una onda con un Convertidor Digital Analógico (DAC),que previamente hayamos digitalizado es necesario
que la frecuencia de muestreo sea el doble que la frecuencia de la señal analógica que vamos muestrear.


Undersampling.
Submuestrear o muestrear una onda analógica con una frecuencia de muestreo inferior a la frecuencia Nyquist

Anti-aliasing filter...........Es un filtro pasa bajos que se coloca antes del muestraedor para recortar los armónicos de las frecuencias que vamos
a muestrear.Pongamos un ejemplo:

Dicen los "Gurus" del sonido , el oído humano puede percibir frecuencias hasta los 20.000 Hz y sabemos que la digitalización de esa señal
para calidad CD es muestreada a 44.100 Hz , o que tomamos 44.100 muestras de dicha señal para que la calidad sea OK , y así cumplir
el criterio de Nqyst ,hasta aquí todo correcto ,pero debemos recordar que la energía de cualquier onda está repartida entre la onda principal
y todos sus armónicos.

Una onda senoidal cuya frecuencia fundamental sea de 1000 Hz, tiene en esa frecuencia fundamental , también denominado primer
armónico ,la mayor parte de la energía ,pero otra parte de la energía se distribuye entre sus armónicos..segundo=2.000 Hz,tercero
=3.000 , cuarta=4.0000 .......y así casi hasta el infinito, si bien es cierto que cuanto más altos sea el armónico menor será su energía.

A la vista de lo anteriormente expuesto queda claro que el segundo armónico de una señal de audio ,cuya frecuencia fundamental sea de
20.000 Hz será= 40.000 Hz,frecuencia muy fuera del criterio de Nyquist y para poder muestrear esa frecuencia cumpliendo el criterio
Nyquist la frecuencia muestreadora tendría que ser de 80.000 Hz y a pesar de esto el tercer armonico =60.000 Hz volvería a quedar
fuera del mínimo Nyquist.



Lo que se hace para evitar estos telares es andamiar un filtro paso- bajo que corte toda señal que esté por encima de los 20.000 Hz y así
todos contentos.

Pongamos el caso de una señal de voz humana , dicha voz no necesita para ser totalmente atendible mayor ancho de banda que 3.000 Hz,
la voz telefónica por ejemplo ,o la misma BLU que la mayoría conocemos,bueno pues para muestrear una de estas señales colocan un filtro
paso-bajo con corte a 3.000 Hz y muestrean a 6.000 .El audio se entiende perfectamente ,cumple el criterio de Nyquist ,pero dicen que
submuestrean.....Rayos andamos a la siembra o que.?

Joder !!! vaya palabros feos,pero que nadie se baje del tren .Vamos estudiarlos y entenderlos todos en profundidad,ademas
nos divertiremos un rato y cuando en algún mentidero de la Villa ,algún supuesto experto empiece a sentar cátedra ,le podremos
responder...
"Quizás Usted ,Señor, no tiene totalmente claros estos conceptos" ;)
Última edición por J.Luis el 26 Abr 2018 14:38, editado 6 veces en total.

J.Luis
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Mensaje por J.Luis » 15 Mar 2018 17:23

Empecemos en serio con los telares..
Vamos a hablar de los "relés" ,criaturas sencillas de comprender que nos van a servir para entender un poco mejor como funcionan
los interruptores digitales que se encargan de muestrear nuestra señal analógica , también nos ayudaran a entender los fenómenos
perniciosos que pueden ocurrir a la hora de muestrear una señal, a estos mal funcionamientos del muestreador los llaman JITTER.

..ya veréis como es muy sencillo de entender,pero paciencia :lol:


composición 3.jpg


Un Relé es un dispositivo interruptor o conmutador electromecánico compuesto por una bobina, enrollada esta sobre un núcleo de hierro ,y a la
que se aplica un voltaje,voltaje que provoca la circulación de una corriente eléctrica a través de dicha bobina transformando así el núcleo
de hierro en un electroimán,al cortar la corriente de la bobina el núcleo de hierro deja inmediatamente de comportarse como un
electroimán y el relé pasa a la posición de reposo o apagado.





El relé ademas de la bobina y su núcleo tiene una chapita de hierro con un muelle ,la chaptita de hierro es atraída por el núcleo imantado de
la bobina y empuja unas laminitas flexibles conductoras a cerrar el circuito,mientras haya voltaje en la bobina el interruptor estaŕa
cerrado,pero si cortamos la corriente de la bobina el núcleo magnetizado deja de estarlo y el muelle que lleva la cchapita encargada de cerrar
el circuito hace que vaya hacia atrás y abra el circuito o sea ,hace apagar el interruptor.




La composición es un sencillo circuito interactivo montado sobre Isis de Proteus ,que consta de un relé ,una pila,un interruptor y una bombilla.

En la figura de la izquierda vemos el circuito apagado,al cerrar el interruptor SW1 la corriente circula por la bobina ,magnetiza al núcleo y
la chapita empuja la lamina flexible del contacto y la obliga cerrar ese interruptor prendiendo la bombilla.


Imagen derecha de la composición.
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Última edición por J.Luis el 26 Abr 2018 14:31, editado 10 veces en total.

J.Luis
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Mensaje por J.Luis » 15 Mar 2018 17:55

final.jpg

Ahora vamos a substituir la batería y el interruptor del circuito anterior por un generador de onda cuadrada con un "duty cycle" (ciclo de trabajo )
al 50% , sto significa que la mitad del tiempo la onda cuadrada tiene un voltaje (amplitud) de " 0 V " , y el otro 50% del tiempo tiene un voltaje
(amplitud) de "5 V."


Vamos a imaginar que la transición de 0 a 5 V es instantánea , que no pasa ningún tiempo desde que la amplitud es 0 V hasta que es 5 V
En realidad la subida desde 0 hasta 5 V es una rampa tanto más pendiente cuanto más rápido sea el dispositivo y para la transición 5 V
hasta 0 V pasa exactamente lo mismo.


Para mejor entenderlo os voy a preparar una composición de imágenes.Regreso en 20 minutos.........................

Como veis en la composición la onda muestreadora no presenta distorsión de ningún tipo , la frecuencia es constante durante todo el tiempo,por
tanto el interruptor del relé permanecerá cerrado en la posición :"adquiriendo muestra" todo el tiempo que la onda esté en 5 V (estado alto),una
vez la onda baje a 0 V (estado bajo) por la bobina del relé no circulara corriente y el muelle tirara hacia tras la chapita del relé abriendo el
contacto y permanecerá así hasta la siguiente muestra.



En la imagen vemos rotulaciones tales como muestreo que ya sabemos que significa que el ADC está adquiriendo la muestra ,pero también
aparece el Ts y Retención.

Ts
Es el tiempo que transcurre entre el final de una muestra y el principio de otra , y ese tiempo lo mismo que el tiempo que dura la adquisición
deberá siempre mantenerse en igualdad.Si aumentamos la frecuencia de muestreo, ambos tiempos lógicamente disminuyen ,pero seguirán
manteniendo la simetría.

Vemos el rotulo retención y esto significa que nada mas comenzar a adquirir la muestra ,el condensador de retención comienza a cargarse con el
voltaje de la muestra y este condensador mantendrá es voltaje durante el tiempo suficiente para que al ADC cuantifique y codifique la muestra
Durante el tiempo que dura la retención el interruptor muestreador estaŕa desconectado ya que el valor del voltaje aplicado a la bobina del relé
será 0 V y el muelle habrá llevado los contactos del relé a posición desconectado.

En este caso todo va correcto con el muestraedor ,no hay distorsión alguna en la forma de la onda ni en la frecuencia ,por tanto el valor de la
amplitud será correcta y la muestra estará perfectamente ubicada en el eje del tiempo.

De ahí la necesidad de tener un generador de señal muestreadora con la mayor estabilidad posible tanto en la forma de la onda como en la
frecuencia de dicha onda.

Perfecto!!! nuestro muestreador no tiene JITTER.
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Última edición por J.Luis el 26 Abr 2018 14:24, editado 21 veces en total.

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Mensaje por Rapidbit » 15 Mar 2018 17:58

El tarro de las esencias de par en par. Genial.
Saludos.
EA4GPX, EA4022SWL, AMSAT-EA 423.

J.Luis
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Mensaje por J.Luis » 15 Mar 2018 19:11

Hemos vuelto de la montaña y lo hemos hecho con fuerza no nos pasó como al probe Miguel..

J.Luis
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Mensaje por J.Luis » 15 Mar 2018 20:54

La señal analógica a muestrear es generalmente una señal de poca amplitud y mezclada con ruido,ademas en ella están presentes una gran
cantidad de armónicos de todas las frecuencias que compongan el ancho de banda que vamos a muestrear ,por tanto será necesario en muchas ocasiones acondicionar nuestra señal analógica en el propio dominio analógico para posteriormente discretizarla , naturalmente un filtro
paso-bajo"Anti -alias" será imprescindible.



Los siguientes pasos fundamentales son el muestreo y retención ,si la señal muestreadora sufre algún tipo de distorsión, esa distorsión afectará de tal manera a la muestra que por mucho que intentemos corregir ese error en el procesado digital de nuestra muestra , no seŕa posible.




Veamos a continuación una señal muestreada con una señal muestreadora con distorsión en la forma de onda y en la frecuencia o sea con JITTER.


ultima.jpg
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Mensaje por J.Luis » 17 Mar 2018 15:42

No sé si el tema armónicos y filtros anti-alias quedó claro en "posts" anteriores y para mayor claridad subo una composición de una señal
analógica vista en el dominio de la frecuencia y en el dominio del tiempo.Como veréis en la composición aparece una imagen de una formula
matemática bastante compleja ,la tan temida FT o Transfomada de Fourier,tranquilos en estos 2 tutoriales ADC y luego DAC no hablaremos
más de dicha transformada,si tras acabar con los tutoriales de convertidores ,tenéis interés y yo cabeza para ello,escribiré unas lineas sobe el
telar .
Final hoy.jpg
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