Conversión de señal analógica a digital: muestreo, cuantificación y acondicionamiento

4 operaciones para convertir señal analógica

Las principales etapas para convertir una señal analógica en digital son: muestreo, retención, cuantificación y codificación.

Muestreo

Consiste en obtener los valores de la señal analógica en determinados instantes de tiempo. Para evitar aliasing se cumple la condición Fm >= 2·f_max (frecuencia de muestreo mayor o igual al doble de la frecuencia máxima de la señal).

Retención

La retención es necesaria para que el valor instantáneo muestreado se mantenga durante el tiempo que necesita el circuito conversor analógico-digital para realizar la conversión.

Cuantificación

Consiste en asignar a un margen de valores de una señal analógica un único nivel de salida. La resolución de cuantificación viene dada por:

q = (V_max − V_min) / N

donde N es el número de niveles del cuantificador.

Codificación

Es el proceso en el cual se asigna un código digital a cada uno de los niveles de salida del cuantificador.

Transductor y transmisión

El transductor suele llevar asociado un transmisor. La señal transmitida es lo suficientemente intensa como para no verse afectada por interferencias de otras señales; esto se logra utilizando corriente continua (c.c.).

• La transmisión en corriente permite distancias de hasta 1 km usando solo dos hilos y sin blindaje.
• La utilización de una señal mínima de 4 mA para el punto de medida cero permite detectar el corte accidental del hilo (cuando la corriente cae a cero).
• Al tener un nivel mínimo de 4 mA, es más fácil comprobar la descalibración del elemento.

Acondicionamiento de señal

El acondicionamiento de señal es la etapa encargada de filtrar y adaptar la señal proveniente del transductor a la entrada del convertidor analógico-digital (ADC).

La adaptación es doble: se encarga de adaptar el rango de salida del transductor al rango de entrada del convertidor y de acoplar impedancias (la impedancia de salida de un elemento con la impedancia de entrada del siguiente).

Funciones comunes del acondicionamiento:

• Excitación del transductor cuando es necesaria.
• Transmisión y adaptación de nivel (p. ej. 4–20 mA).
• Filtrado para eliminar ruido y componentes indeseados.
• Multiplexado cuando se gestionan varias señales hacia un mismo ADC.
• Aislamiento galvánico para protección y reducción de bucles de masa.
• Linealización para corregir no linealidades del transductor.
• Transformación de impedancias y rangos.

ADC tipo flash

El ADC tipo flash utiliza un arreglo de comparadores y un codificador rápido para convertir una señal analógica a digital en un solo paso (muy bajo tiempo de conversión).

Mediante un voltaje de referencia y un circuito divisor de tensión se definen los umbrales de comparación (en el texto original se menciona resolución 1,5, que se conserva como referencia). El voltaje Vin se aplica a las entradas positivas de todos los comparadores. La salida de cada comparador está en nivel bajo cuando Vin está por debajo de su referencia analógica de derivación, y en nivel alto cuando Vin excede su voltaje de referencia analógico individual. Las salidas de los comparadores excitan a un codificador que genera el código digital correspondiente.

Dos formas de convertir intensidad en tensión

Se describen dos métodos habituales para convertir una corriente de medida (I_e) en una tensión proporcional:

Resistencia (shunt)

Si la línea puede ser cargada con una resistencia, no es necesario un amplificador operacional. Colocando una resistencia R se obtiene una tensión V = R · I_e.

Amplificador operacional

Un amplificador operacional en configuración adecuada proporciona una resistencia de entrada muy alta y puede convertir la corriente en tensión con mayor precisión y aislamiento. También se puede usar para obtener la tensión V_s = R · I_e sin cargar la línea de medida, ya que el amplificador presenta virtualmente una resistencia nula en su nodo de entrada de corriente (dependiendo de la topología empleada).

Resumen de conceptos clave

• Muestreo: Fm >= 2·f_max.
• Cuantificación: q = (V_max − V_min) / N.
• Transmisión 4 mA: permite detección de corte y comprobación de descalibración.
• ADC flash: conversión muy rápida mediante comparadores y codificador.
• Conversión I → V: mediante resistencia o amplificador operacional.