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Comparación de las señales analógica y digital
Una señal analógica es aquella cuya amplitud (típicamente tensión de una señal que proviene de un transductor y amplificador) puede tomar en principio cualquier valor, esto es, su nivel en cualquier muestra no está limitado a un conjunto finito de niveles predefinidos como es el caso de las señales cuantificadas.
Esto no quiere decir que se traten, en la práctica, de señales de infinita precisión (un error muy extendido): las señales analógicas reales tienen todas un ruido que se traduce en un intervalo de incertidumbre. Esto 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. Por ejemplo, se mide 4,3576497 V pero el nivel de esa muestra de la señal de interés puede estar comprendida entre 4,35 V y 4,36 V y no es físicamente posible determinar ésta con total precisión debido a la naturaleza estocástica del ruido. Sólo el más puro azar determina qué valores se miden dentro de ese rango de incertidumbre que impone el ruido. Y no existe (ni puede existir) ningún soporte analógico sin un nivel mínimo de ruido, es decir, de infinita precisión. Por otro lado, si se pudiera registrar con precisión infinita una señal analógica significaría, de acuerdo con la Teoría de la Información, que ese medio serviría para registrar infinita información; algo totalmente contrario a las leyes físicas fundamentales de nuestro universo y su relación con la entropía de Shannon.
En cambio, una señal digital es aquella cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos también discretos.
Las señales analógicas no se diferencian, por tanto, de las señales digitales en su precisión (precisión que es finita tanto en las analógicas como en las digitales) o en la fidelidad de sus formas de onda (distorsión). Con frecuencia es más fácil obtener precisión y preservar la forma 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.
¿Por qué digitalizar?
Sistema Analógico Digital.
Ventajas de la señal digital Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores, que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente.
Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad.
Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la codificación perceptual mucho más eficientes que con señales analógicas.
Inconvenientes de la señal digital Se necesita una conversión analógica-digital previa y una decodificación posterior, en el momento de la recepción.
Si no se emplean un número suficientes de niveles de cuantificación en el proceso de digitalización, la relación señal a ruido resultante se reducirá con relación a la de la señal analógica original que se cuantificó. Esto es una consecuencia de que la señal conocida como error de cuantificación que introduce siempre el proceso de cuantificación sea más potente que la del ruido de la señal analógica original, en cuyo caso, además, se requiere la adición de un ruido conocido como "dither" más potente aún con objeto de asegurar que dicho error sea siempre un ruido blanco y no una distorsión. En los casos donde se emplean suficientes niveles de cuantificación, la relación señal a ruido de la señal original se conservará esencialmente porque el error de cuantificación quedará por debajo del nivel del ruido de la señal que se cuantificó. Esto, naturalmente, es lo normal.
Se hace necesario emplear siempre un filtro activo analógico pasa bajo sobre la señal a muestrear con objeto de evitar el fenómeno conocido como aliasing, que podría hacer que componentes de frecuencia fuera de la banda de interés quedaran registrados como componentes falsos de frecuencia dentro de la banda de interés. Asimismo, durante la reconstrucción de la señal en la posterior conversión D/A, se hace también necesario aplicar un filtro activo analógico del mismo tipo (pasa bajo) conocido como filtro de reconstrucción. Para que dicho filtro sea de fase lineal en la banda de interés, siempre se debe dejar un margen práctico desde la frecuencia de Nyquist (la mitad de la tasa de muestreo) y el límite de la banda de interés (por ejemplo, este margen en los CD es del 10%, ya que el límite de Nyquist es en este caso 44,1 kHz / 2 = 22,05 kHz y su banda de interés se limita a los 20 kHz).
Digitalización
La digitalización o conversión analógica-digital (conversión A/D) consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud (tensión) de una señal (por ejemplo, la que proviene de un micrófono si se trata de registrar sonidos, de un sismógrafo si se trata de registrar vibraciones o de una sonda de un osciloscopio para cualquier nivel variable de tensión de interés), redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión (conocidos como niveles de cuantificación) y registrarlos como números enteros en cualquier tipo de memoria o soporte. La conversión A/D también es conocida por el acrónimo inglés ADC (analogue to digital converter).
En esta definición están patentes los cuatro procesos que intervienen en la conversión analógica-digital:
Muestreo: el muestreo (en inglés, sampling) consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con que se toma esta muestra, es decir, el número de muestras por segundo, es lo que se conoce como frecuencia de muestreo.
Retención (en inglés, hold): las muestras tomadas han de ser retenidas (retención) por un circuito de retención (hold), el tiempo suficiente para permitir evaluar su nivel (cuantificación). Desde el punto de vista matemático este proceso no se contempla, ya que se trata de un recurso técnico debido a limitaciones prácticas, y carece, por tanto, de modelo matemático.
Cuantificación: en el proceso de cuantificación se mide el nivel de voltaje de cada una de las muestras. Consiste en asignar un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. Incluso en su versión ideal, añade, como resultado, una señal indeseada a la señal de entrada: el ruido de cuantificación.
Codificación: la codificación consiste en traducir los valores obtenidos durante la cuantificación al código binario. Hay que tener presente que el código binario es el más utilizado, pero también existen otros tipos de códigos que también son utilizados.
Durante el muestreo y la retención, la señal aún es analógica, puesto que aún puede tomar cualquier valor. No obstante, a partir de la cuantificación, cuando la señal ya toma valores finitos, la señal ya es digital.
Ejemplo de digitalización
Un ordenador o cualquier sistema de control basado en un microprocesador no puede interpretar señales analógicas, ya que sólo utiliza señales digitales. Es necesario traducir, o transformar en señales binarias, lo que se denomina proceso de digitalización o conversión de señales analógicas a digitales.
En la gráfica inferior se observa una señal analógica, que para ser interpretada en un ordenador ha de modificarse mediante digitalización. Un medio simple es el muestreado o sampleado. Cada cierto tiempo se lee el valor de la señal analógica.
1. Si el valor de la señal en ese instante está por debajo de un determinado umbral, la señal digital toma un valor mínimo (0).
Cuando la señal analógica se encuentra por encima del valor umbral, la señal digital toma un valor máximo (1).
Digitalización por muestreado de una señal analógica.
El momento en que se realiza cada lectura es ordenado por un sistema de sincronización que emite una señal de reloj con un período constante. Estas conversiones analógico-digitales son habituales en adquisición de datos por parte de un ordenador y en la modulación digital para transmisiones y comunicaciones por radio.
Compresión
La compresión consiste en la reducción de la cantidad de datos a transmitir o grabar, pues hay que tener en cuenta que la capacidad de almacenamiento de los soportes es finita, de igual modo que los equipos de transmisión pueden manejar sólo una determinada tasa de datos.
Para realizar la compresión de las señales se usan complejos algoritmos de compresión (fórmulas matemáticas).
Hay dos tipos de compresión:
Compresión sin pérdidas: en esencia se transmite toda la información, pero eliminando la información repetida, agrupándola para que ocupe menos, etc.
Compresión con pérdidas: se desprecia cierta información considerada irrelevante. Este tipo de compresión puede producir pérdida de calidad en el resultado final.
La Energía Eólica y los Sistemas de Adquisición
Los aerogeneradores son los encargados de transformar la energía eólica en energía eléctrica y muchas veces resulta de vital importancia realizar ensayos sobre dichos motores, ya sea para conocer su potencia, temperatura de bobinados, velocidad del rotor, etc.. Se desarrolló un sistema que realiza dicha tarea de sensado en forma totalmente automática y que ofrece control sobre el motor ….. Utiliza un sistema de adquisición portable encargado de sensar, digitalizar y almacenar los parámetros mencionados en un ordenador utilizando el puerto paralelo.
El Software se desarrolló utilizando el lenguaje Visual Basic, ofreciendo así una interfaz práctica y amigable. Su tarea principal es el manejo de la plaqueta adquisidora.
Las especificaciones del sistema son las siguientes:
El producto finalmente logrado resultó ser de muy bajo costo comparado con los similares del mercado, además de ofrecer alta flexibilidad en cuanto la elección de sensores y configuración del sistema en general.
Introducción
El desarrollo de la “Instrumentación Virtual” ha abierto nuevos horizontes en varias ramas de la Ingeniería, principalmente en el sector de automatización, medición y control. Los sistemas informatizados comienzan a reemplazar los tradicionales equipos de medición y control industrial, ofreciendo gran capacidad y velocidad de cálculo, además del procesamiento de las señales adquiridas. La “Instrumentación Virtual” consiste en la implementación de equipos de medición e instrumentación, entre otros, emulados dentro de una PC. El “Sistema de Adquisición” es el encargado de vincular los fenómenos sensados con el sistema informático.
El presente trabajo describe las principales características de un “Sistema de adquisición” de los parámetros de un motor eléctrico enfocado principalmente al campo de la energía eólica. Fue solicitado por el laboratorio de energías alternativas (GEEAA) de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Mar del Plata, ante la necesidad de disponer de un banco de ensayo totalmente automatizado.
Especificaciones preliminares
El prototipo debía ser capaz de almacenar información para su posterior análisis con la exactitud y precisión necesaria. Además debía brindar una interfaz amigable y práctica con el fin de proporcionar alta flexibilidad de configuración y capacidad de control sobre el aerogenerador analizado. Dada la posibilidad de realizar ensayos en campo, el sistema debía ser de simple instalación y traslado.
En base a lo expuesto se decidió la utilización del puerto paralelo como medio de conexión entre el sistema de adquisición y la PC, evitando así el desarrollo de un dispositivo interno al gabinete, lo cual carece de practicidad en esta aplicación.
Para cumplir con los requisitos de lograr una interfaz amigable además de completa y brindar flexibilidad, no solo en la instalación sino también en la configuración, no hubo dudas en utilizar el sistema operativo Microsoft Windows. Finalmente se optó por Visual Basic como lenguaje de desarrollo.
En ensayos típicos de aerogeneradores se considera indispensable la evaluación de la tensión, corriente y potencia, tanto de continua como de alterna, además de la temperatura de los bobinados y velocidad del rotor. Para la temperatura se requiere una resolución de 0,5ºC en un rango de 0 a 200 grados centígrados. Para la tensión y corriente (continua y alterna) hasta el décimo de Volt y Ampere respectivamente, en un rango máximo de 0 a 311 Volts (220 eficaces) y 0 a 100 Amperes respectivamente en el caso de alterna. Para la velocidad por lo menos 1 RPM en un rango de 0 a 5000 RPM. El caso más exigente a nivel resolución se presenta en la tensión, para la cual se requiere de una resolución mínima de 12 bits (Conversor A/D).
Diseño y desarrollo
Hardware
Diagrama en bloques
Funcionamiento general
Las señales analógicas ingresan al multiplexor de entrada. El decodificador de direcciones, por medio del Bus de Control del puerto paralelo, habilita la lógica de selección (Conversión). A esta le llega la información (por medio del puerto paralelo, Bus de Datos en configuración de escritura) sobre que canal se debe habilitar, que ganancia debe afectar al mismo además de controlar el momento de inicio de la conversión A/D.
La etapa de amplificación, además de amplificar la señal, controla el ancho de banda del sistema limitando el ruido que ingresa al conversor. El ancho de banda resultante, luego del filtrado impuesto por la etapa en cuestión, es de aproximadamente 1600Hz. No olvidemos que el diseño está pensado para la medición de señales del orden de los 300 Hz y por lo tanto tener un ancho de banda demasiado elevado no tiene mucho sentido en esta aplicación.
Una vez realizada la conversión A/D, se encuentran disponibles en los pines de salida del conversor, los datos en formato binario complemento a dos. Debido a que los pines del puerto paralelo disponibles para realizar la operación de lectura no llegan a 16, es necesario realizar dos lecturas para lograr el ingreso de un dato completo a la PC (en formato digital). Para ello y por medio del Bus de Control del puerto paralelo y el decodificador de direcciones, se seleccionan los buffers y se realizan las respectivas lecturas de información mediante el Bus de Datos configurado como lectura. Cabe aclarar que es muy importante tener en claro que Byte se está leyendo (MSB o LSB) para la correcta interpretación del software.
En lo que respecta a las salidas, ya sean visuales (indicadores luminosos en placa) o de señal (capaces de controlar otros dispositivos), la encargada de comandarlas es la lógica de selección (Control), la cual recibe la información necesaria por medio del Bus de Datos y es habilitada por el decodificador de direcciones.
Software
El software se realizó utilizando el lenguaje Visual Basic, básicamente por una cuestión de buena presentación y simplicidad de programación. Este lenguaje permite la comunicación bidireccional con el puerto paralelo a partir de dos órdenes, inport y outport. Es fundamental para un correcto funcionamiento que el puerto paralelo esté configurado como SPP con dirección base H378.
Entre las características principales del programa realizado se puede destacar el alto grado de flexibilidad en su configuración, la posibilidad de visualizar desde una señal hasta cinco en forma simlutánea en el caso de variables continuas y de una a cuatro en el caso de alterna, su interfaz standard tipo osciloscopio (retículas, disparo, amplitud por división, desplazamiento vertical, velocidad de refresco), la posibilidad de almacenar datos, el cálculo de valores estadísticos de las señales que ingresan al sistema, activar controles automáticos sobre el aerogenerador, cálculo de frecuencia de las señales, base de tiempo programable, etc..
A continuación se exponen algunas pantallas del programa:
SISTEMA DE MEDIDA DE CALIDAD DE RED
PARA PARQUES EÓLICOS
http://www.joaquinmur.eu/HispanoLusas1998.pdf
ANÁLISIS DE LA CALIDAD DE LA ENERGÍA
GENERADA EN PARQUES EÓLICOS
http://www.joaquinmur.eu/Santander2000.pdf
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