Unidad I INTRODUCCION
1.1 SISTEMAS ANALOGICOS ANALOGICOS Se dice que un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que dan lugar a la generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas repr repres ese entadas en f orma analógica. En un sistema de este tipo, las cantidades varí an an sobre un intervalo continuo de valores. Así, una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos.
1.1 SISTEMAS ANALOGICOS ANALOGICOS Se dice que un sistema es analógico cuando las magnitudes de la señal se representan mediante variables continuas, esto es análogas a las magnitudes que dan lugar a la generación de esta señal. Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas repr repres ese entadas en f orma analógica. En un sistema de este tipo, las cantidades varí an an sobre un intervalo continuo de valores. Así, una magnitud analógica es aquella que toma valores continuos.
SEÑAL ANALOGICA Una señal analógica es un voltaje o corriente que varí a suave y continuamente. Una onda senoidal es una señal analógica de una sola frecuencia. Los voltajes de la voz y del video son an de acuerdo con el sonido o señales analógicas que varí an variaciones de la luz que corresponden a la inf ormación que se está transmitiendo. Ejemp Ejemplo lo de Sis Sistem tema a analó analógic gico o
Las señales analógicas se pueden clasif ica icar en periódicas y no aperiódicas: Periódicas: Son las señales que repiten todos sus valores en un espacio de tiempo, es decir, son predecibles. Aperiódicas: Son las señales que no repiten sus valores, y por tant nto o no podemos predecir su evolución.
Parámetros de la Señal Analógica: Valor de pico (VP): Es el valor máximo que alcanza una señal; también se le llama amplitud. Si el máximo positivo es igual al máximo negativo, denominamos valor de pico a pico (Vpp) a la suma sin signo de los dos valores. Por tanto, [Vpp=2Vp]. Periodo (T): Es el tiempo que tarda en e jecutar un ciclo. Entendemos por ciclo cada repetición de la señal. El periodo se mide en segundos, y se emplean más habitualmente los submúltiplos. Frecuencia (F): Es el número de ciclos que una señal periódica e jecuta por segundo, y su unidad es el Hercio (Hz).
1.2 SISTEMAS DIGITALES Un sistema digital es cualquier dispositivo destinado a la generación, transmisión, procesamiento o almacenamiento de señales digitales. También un sistema digital es una combinación de dispositivos diseñado para manipular cantidades físicas o inf ormación que estén representadas en f orma digital; es decir, que sólo puedan tomar valores discretos. La mayorí a de las veces estos dispositivos son electrónicos, pero también pueden ser mecánicos, magnéticos o neumáticos. Para el análisis y la sí ntesis de sistemas digitales binarios s e utiliza como herramienta el álgebra de Boole.
Los sistemas digitales pueden ser de dos tipos: Sistemas digitales combinacionales: Son aquellos en los que la salida del sistema sólo depende de la entrada presente. Por lo tanto, no necesita módulos de memoria, ya que la salida no depende de entradas previas. Sistemas digitales secuenciales: La salida depende de la entrada actual y de las entradas anteriores. Esta clase de sistemas necesitan elementos de memoria que recojan la inf ormación de la 'historia pasada' del sistema.
Una señal digital es aquella que tiene magnitudes físicas limitadas, porque únicamente toma dos valores que son 0 (que comúnmente se le da los valores de apagando o fuera) y 1(que cotidianamente toma los valores de encendido o dentro), aunque estos valores no son absolutos para cada valor. Los pc´s digitales utilizan la lógica de dos estados: hay o no corriente por los dispositivos eléctricos. Para analizar y sintetizar los sistemas digitales binarios e s utilizada el Álgebra de Boole, la cual está f ormada por compuertas lógicas que e jecutan las funcione booleanas (AND, OR, NOT).
1.3 DIGITAL vs ANALOGICO Una señal analógica es aquella cuya amplitud (típicamente tensión de una señal que proviene de un transductor y amplif icador) puede tomar en principio cualquier valor, esto es, su nivel en c ualquier muestra no está limitado a un conjunto f inito de niveles predef inidos como es el caso de las señales cuantif icadas. Esto no quiere decir que se traten, en la práctica, de señales de inf inita precisión (un error muy extendido): las señales analógicas reales tienen todas un ruido que se traduce en un intervalo de incertidumbre. E sto quiere decir que obtenida una muestra de una señal analógica en un instante determinado, es imposible determinar cuál es el valor exacto de la muestra dentro de un intervalo de incertidumbre que introduce el ruido.
En cambio, una señal digital es aquella cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que signif ica que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores f ijos predeterminados en momentos también discretos. Las señales analógicas no se diferencian, por tanto, de las señales digitales en su precisión (precisión que es f inita tanto en las analógicas como en las digitales) o en la f idelidad de sus f ormas de onda (distorsión).
Con frecuencia es más f ácil obtener precisión y preservar la f orma de onda de la señal analógica original (dentro de los límites de precisión impuestos por el ruido que tiene antes de su conversión) en las señales digitales que en aquéllas que provienen de soportes analógicos, caracterizados típicamente por relaciones señal a ruido bajas en comparación.
DIGITAL vs ANALOGICA
1.3.1 RUIDO En el ámbito de las telecomunicaciones y de los dispositivos electrónicos, en general, se considera ruido a todas las perturbaciones eléctricas que interf ieren sobre las señales transmitidas o procesadas.
Origen del ruido La agitación térmica producida en las moléculas del material que f orma los conductores y, sobre todo, en las resistencias, por el choque con los electrones en movimiento. El movimiento desordenado, en las válvulas termoiónicas y especialmente en los semiconductores, de los electrones y otros portadores de corriente, lo que les lleva a emplear más o menos tiempo en su recorrido de un electrodo a otro. Este movimiento desordenado de los portadores de carga aumenta considerablemente con la temperatura. La naturaleza discreta de los portadores de corriente de los semiconductores (Ruido Shoot). La i rradiación de los cuerpos negros es otro f actor importante en el ruido de las comunicacion es por radio, ya que todos los objetos del universo, dependiendo de su temperatura, emiten energí a en f orma de ondas electromagnéticas.
Factor de ruido La magnitud del ruido generado por un dispositivo electrónico, por e jemplo un amplif icador, se puede expresar mediante el denominado f actor de ruido (F), q u e e s el resultado de dividir la relación señal/ruido en la entrada (S/R)ent por la relación señal/ruido en la salida (S/R)sal, cuando los valores de señal y ruido se expresan en números simples:
Sin embargo, como los valores de relación señal/ruido suelen expresarse en f orma logarí tmica, normalmente en decibelios, el f actor de ruido en decibelios será, por tanto, la diferencia entre las relaciones S/R en la entrada y en la salida del elemento bajo prueba ya que:
El f actor de ruido es un parámetro importante en los sistemas de transmisión, ya que mientras el ruido externo nunca se podrá eliminar totalmente, la reducción del ruido generado por los equipos depende del cuidado de su diseño.
1.3.2 DISPLAY ANALOGICO vs DIGITAL Los métodos digitales y analógicos resultan ambos de gran utilidad. Si lo que se requiere es una impresión instantánea de resultados, los medidores analógicos usualmente ofrecen la inf ormación de una manera rápida, cuando lo que se requiere es exactitud los digitales son los preferidos. Leer medidores analógicos requiere tiempo y un poco de experiencia en el campo, esto comparado con que escribir un valor en un display digital es limitarse a copiar los números.
En los casos en que la exactitud y la rapidez son requeridas por igual, los displays duales son la me jor opción. Algunas mediciones se pueden representar en f orma "analógica" otras en f orma "digital".
El término: Digital Se ref iere a "cantidades discretas" como la cantidad de personas en un una sala, cantidad de libros en una biblioteca, cantidad de autos en una zona de estacionamiento, cantidad de productos en un supermercado, etc.. Los Sistemas digitales tienen una alta importancia en la tecnologí a moderna, especialmente en la computación y sistemas de control automático.
El término: Analógico Se ref iere a las magnitudes o valores que "varí an con el tiempo en f orma continua" como la distancia y la temperatura, la velocidad, que podrí an variar muy lento o muy rápido como un sistema de audio. Ver reloj analógico (lado izquierdo del diagrama) En la tecnologí a analógica es muy difí c il almacenar, manipular, comparar, calcular y recuperar inf ormación con exactitud cuando esta ha sido guardada En cambio en la tecnologí a digital (computadoras, por e jemplo), se pueden hacer tareas muy rápidamente, muy exactas, muy precisas y sin detenerse.
1.3.3 ANALOGICO A DIGITAL (ADC) La conversión analógica-digital (CAD) consiste en la transcripción de señales analógica s en señales digitales, con el propósito de f acilitar su procesamiento (codif icación , compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógica s.
Características estáticas de un convertidor A/D Error de Off set : Es un desplazamiento constante para todos los valores de la curva característica. Error de Ganancia : Produce un valor de f ondo de escala incorrecto. Un error de ganancia positivo hace que el valor de f ondo de escala analógico se obtenga con un código digital menor que el todo 1s. Un error de ganancia negativo hace que el código de todo 1 sea producido por un valor menor que el f ondo de escala. Error dif erencial no-lineal : Es la máxima diferencia entre dos valores
Error integral no-lineal : Es la integral del área limitada por la curva característica del convertidor y la curva ideal. Error de monotonicidad : Especif ica que la curva característica del convertidor no es creciente. Resolución : La resolución es altamente dependiente de las características del amplif icador operacional de entrada, tanto en el S/H como en el comparador. Sabemos que las características de un AO (ganancia DC, ruido de entrada) dependen de la frecuencia. Por e jemplo, la ganancia DC de un AO para un error menor que 0.5 LSB, deberá ser 2N+1. Esta ganancia disminuye con la frecuencia, por lo que la resolución también disminuye.
Características dinámicas Tiempo de Conversión: el tiempo desde que se aplica la señal de convertir hasta que la señal digital esté disponible en la salida. Tiempo de Adquisición (ta en el S/H): es el tiempo durante el cual el S/H debe permanecer en estado de sample, para asegurarse que el consiguiente estado hold esté dentro de la banda de error especif icada para la señal de entrada. Tiempo de Asentamiento (ts en el S/H): es el intervalo de tiempo entre la señal de hold y el def initivo asentamiento de la señal (dentro de la banda de error especif icada).
La frecuencia máxima de conversión del convertidor A/D será por lo tanto,
SlewRate : Es la velocidad a la cual el valor de la salida del S/H converge al valor muestreado deseado (V/s).
Características de Estabilidad Def inen la inmunidad de las características mencionadas anteriormente con el tiempo, temperatura, fuentes de alimentación y enve jecimiento del componente. Coef icientes de Temperatura para la linealidad, ganancia, offset.
1.3.4 DIGITAL ANALOGICO (DAC) En electrónica, dispositivo que convierte una entrada digital (generalmente binaria) a una señal analógica (generalmente voltaje o carga eléctrica). Los conversores digital-analógico son interf aces entre el mundo abstracto digital y la vida real analógica. La operación reversa es realizada por un conversor analógico-digital (ADC).
Un DAC contiene normalmente una red resistiva divisora de tensión, que tiene una tensión de referencia estable y f ija como entrada. Hay que def inir que tan exacta será la conversión entre la señal analógica y la digital, para lo cual se def ine la resolución que tendrá.
En la siguiente f igura se representa un convertidor Digital Analógico de 4 bits. cada entrada digital puede ser sólo un "0" o un "1". D0 es el bit menos signif icativo (LSB) y D3 es el más signif icativo (MSB).
El voltaje de salida analógica tendrá uno de 1 6 posibles valores dados por una de las 16 combinaciones de la entrada digital.
Resolución de un DAC La resolución se def ine de dos maneras: Primero se def ine el número máximo de bits de salida (la salida digital). Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por: 2ndonde n es el número de bits. También la resolución se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para lograr que en la salida (señal digital) haya un cambio del bit menos signif icativo.(LSB)
Para hallar la resolución se utiliza la siguiente f órmula:
Resolución = VoFS / [2n - 1] Donde: - n = número de bits del convertidor - VoFS = es el voltaje que hay que poner a la entrada del convertidor para obtener una conversión máxima (todas las salidas son "1")
1.4 PROCESADORES DIGITALES DE SEÑALES (DSP) Es un sistema basado en un procesador o microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un sof tware optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta f orma (tiempo real) se reciben muestras (samples en inglés), normalmente provenientes de un conversor analógico/digital (ADC).
Se ha dicho que puede trabajar con señales analógicas, pero es un sistema digital, por lo tanto necesitará conversor un su entrada y analógico/digital a digital/analógico en la salida. Como todo sistema basado en procesador programable necesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa que e jecuta.
Para adentrar en su funcionamiento se pondrá el e jemplo de un f iltro: el DSP recibirá valores digitales o samples procedentes de la señal de entrada, calcula qué salida se obtendrá para esos valores con el f iltro que se le ha programado y saca esa salida. Un posible sistema basado en un DSP puede ser el siguiente:
La señal entrante entra directamente en un f iltro antialiasing para evitar frecuencias superiores a la muestreada del conversor analógico-digital. Después se lleva a cabo el procesado digital en el módulo DSP, para después volverse a convertir en analógico y dar paso a la salida.
1.4.1 HISTORIA DE LOS DSPs En 1978, INTEL lanzó el 2920 como un procesador analógico de señales. Este poseí a un chip ADC/DAC con un procesador de señales interno, pero no poseí a un multiplicador de hardware, el 2920 no tuvo éxito en el mercado. En 1979, AMI lanza el S2811, fue diseñado como un microprocesador perif érico, al igual que el 2920 no tuvo gran éxito en el mercado. En el mismo año, Bell Labsintroduce el primer chip procesador digital de señales (DSP), The Mac 4 Microprocessor.
El primer DSP producido por Texas Instruments, el TM S32010, probó ser un suceso mayor. Actualmente el TMS320C4X diseñado y producido por TEXAS INSTRUMENTS, surge con ciertas ventajas frente al resto de los procesadores, ya que éste se diseña para ser escalable; es decir, para que pueda trabajar en paralelo con otros dispositivos similares.
1.4.2 MICROPROCESADORES vs DSP Un microcontrolador e s un circuito integrado que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y perif éricos de entrada y salida.
Una de las diferencias más importante encontrada entre un DSP y un Microcontrolador es la estructura de memoria que poseen. En un microcontrolador es posible encontrar una memoria lineal, en la que se almacenan tanto datos como instrucciones de programa. Esto obliga a generar programas que no sobrepasen límites de tamaño ya que podrí an sobrescribirse datos por instrucciones o viceversa. Un DSP posee dos bloques separados e independientes de memoria, cada uno con su propio bus de acceso, permitiendo así al procesador ir a buscar la siguiente instrucción y dato en el mismo ciclo de reloj (Fetch).
Otra diferencia importante entre un Microcontrolador y un D SP (y aún entre DSP's) es la cantidad de unidades de e jecución que poseen, las cuales son capaces de realizar operaciones en paralelo. Por e jemplo, además de la típica ALU, un DSP posee bloques MAC de multiplicación y acumulación, se encuentran también bloques sólo para corrimientos, shif ters.
1.4.3 FAMILIAS DE DSP DE NACIONAL INSTRUMENTS, MOTOROTA Y MICROCHIP. Empresa
8 bits
12 bits
14 bits
16 bits
32 bits
64 bits
Observaciones
x
x
x
x
SAM7 (ARM7TDMI), AVR (mega y tiny), Atmel
SAM3 (ARM Cortex-M3), 89Sxxxx familia similar 8051 SAM9 (ARM926)
68HC05,
68HC12, 683xx,
68HC08, Freescale (antes Motorola)
68HCS12, x
x
68HC11,
PowerPC Architecture, 68HCSX12, ColdFire
HCS08
Holtek
68HC16
HT8
MCS-48
Intel
(familia 8048) MCS51
(familia 8051) 8xC251
x
x
MCS96, MXS296
x
68HC05,
68HC12, 683xx,
68HC08, Freescale (antes Motorola)
68HCS12, x
x
68HC11,
PowerPC Architecture,
x
x
68HCSX12, ColdFire
HCS08
Holtek
68HC16
HT8
MCS-48
Intel
(familia 8048) MCS51
x
x
MCS96, MXS296
x
x
x
x
x
x
x
x
x
PIC32
x
x
(familia 8051) 8xC251
National Semiconductor
COP8
PIC24F,
Microchip
Familia 10f2xx Familia 12Cxx Familia 12Fxx, 16Cxx y 16Fxx 18Cxx y 18Fxx
PIC24H y dsPIC30FXX,
dsPIC33F con motor dsp integrado
NXP (antes Philips)
80C51
XA
78K,H8
H8S,78K0R,R8C,R32C /M32C/M16C
Cortex-M3, Cortex-M0, ARM7, ARM9
Parallax
Renesas (antes Hitachi, Mitsubishi y NEC)
RX,V850,SuperH, x SH-Mobile,H8SX
x