Cómo escoger el hardware DAQ adecuado para su sistema de medidas

Visión General

Con varios dispositivos de adquisición de datos (DAQ) para escoger, puede ser difícil seleccionar el adecuado para su aplicación. Esta nota técnica describe cinco preguntas que usted debe hacerse al seleccionar su hardware.

5 preguntas para guiarlo al elegir el hardware DAQ adecuado

  1. ¿Qué tipos de señales necesito para medir o generar?
  2. ¿Necesito acondicionamiento de señales?
  3. ¿Qué tan rápido necesito adquirir o generar muestreos de la señal?
  4. ¿Cuál es el menor cambio en la señal que debo detectar?
  5. ¿Cuánto error de medida permite mi aplicación?

 

1. ¿Qué tipos de señales necesito para medir o generar?

Diferentes tipos de señales deben medirse o generarse de diferentes maneras. Un sensor (o transductor) es un dispositivo que convierte un fenómeno físico en una señal eléctrica que se puede medir, como voltaje o corriente. Usted también puede enviar una señal eléctrica que se puede medir a su sensor para crear un fenómeno físico. Por esta razón, es importante comprender los diferentes tipos de señales y sus atributos correspondientes. De acuerdo a las señales en su aplicación, usted puede comenzar a evaluar cuál dispositivo DAQ usar.

Funciones de dispositivos DAQ

  • Entradas analógicas miden señales analógicas
  • Salidas analógicas generan señales analógicas
  • Entradas/salidas digitales miden y generan señales digitales
  • Contadores/temporizadores cuentan eventos digitales o generan pulsos/señales digitales

Existen dispositivos que se dedican únicamente a una de las funciones enlistadas arriba, así como dispositivos que soportan todas ellas. Usted puede encontrar dispositivos DAQ con un número fijo de canales para una sola función, incluyendo entradas analógicas, salidas analógicas, entradas/salidas digitales o contadores; sin embargo, usted debe considerar comprar un dispositivo con más canales de los que actualmente necesita para que pueda incrementar la cantidad de canales de ser necesario. Si compra un dispositivo que solamente tiene las habilidades de su aplicación actual, en el futuro será difícil adaptar el hardware a nuevas aplicaciones.

Los dispositivos DAQ multifunción tienen un cantidad de fija de canales, pero ofrecen una combinación entradas analógicas, salidas analógicas, entradas/salidas digitales y contadores. Los dispositivos multifunción soportan diferentes tipos de E/S, lo cual le brinda la habilidad de resolver diferentes aplicaciones que no podría un dispositivo DAQ con una sola función.

Otra opción es una plataforma modular que usted puede personalizar para de acuerdo a sus requerimientos. Un sistema modular consiste en un chasis para controlar temporización y sincronización y una variedad de módulos de E/S. Una ventaja de un sistema modular es que usted puede seleccionar diferentes módulos que tienen fines únicos, para que sean posibles más configuraciones. Con esta opción, usted puede encontrar módulos que realizan una función con mayor precisión que un dispositivo multifunción. Otra ventaja de un sistema modular es la habilidad de seleccionar el número de ranuras para su chasis. Un chasis tiene un número fijo de ranuras, pero usted puede comprar un chasis que tiene más ranuras de las que usted ahora necesita para tener la habilidad de ampliar en el futuro.

 

2. ¿Necesito acondicionamiento de señales?

Un dispositivo DAQ típico de uso general puede medir o generar +/-5 V o +/-10 V. Algunos sensores generan señales demasiado difíciles o peligrosas para medir directamente con este tipo de dispositivo DAQ. La mayoría de los sensores requieren acondicionamiento de señales, como amplificación y filtros, antes que un dispositivo DAQ pueda medir la señal de forma eficiente y precisa.

Por ejemplo, las señales de salida de termopares en el rango de mV que requieren amplificación para optimizar los límites de los convertidores analógicos-digitales (ADCs). Además, las medidas de termopar se benefician de los filtros de paso bajo para eliminar ruido de alta frecuencia. El acondicionamiento de señales ofrece una clara ventaja sobre los dispositivos DAQ porque mejora el rendimiento y la precisión de las medidas de los sistemas DAQ.

La Tabla 1 muestra un resumen de acondicionamiento de señales común para diferentes tipos de sensores y medidas.

  Amplificación Atenuación Aislamiento Filtro Excitación Alineamiento CJC Terminación de puente
Termopar x     x   x x  
Termistor x     x x x    
RTD x     x x x    
Galga extensiométrica x     x x x   x
Carga, Presión, Torsión (mV/V, 4-20mA) x     x x x    
x     x x x    
Acelerómetro x     x x x    
Micrófono x     x x x    
Sonda de proximidad x     x x x    
LVDT/RVDT x     x x x    
Alto Voltaje   x x          


Tabla 1. Acondicionamiento de señales para tipos de sensores y medidas

Si su sensor está enlistado en la tabla 1, debe considerar el acondicionamiento de señales. Usted puede añadir acondicionamiento de señales externo o usar un dispositivo DAQ con acondicionamiento de señales integrado. Varios dispositivos también incluyen conectividad integrada para sensores específicos para una integración oportuna.

 

3. ¿Qué tan rápido necesito adquirir o generar muestreos de la señal?

Una de las especificaciones más importantes de un dispositivo DAQ es la velocidad de muestreo, la cual es la velocidad a la cual el ADC del dispositivo DAQ realiza muestreos de una señal. Las velocidades de muestreo típicas son temporizadas ya sea por hardware o software y son hasta velocidades de 2 MS/s. La velocidad de muestreo para su aplicación depende del componente de la señal de máxima frecuencia que está tratando de medir o generar.

El Teorema de Nyquist indica que usted puede reconstruir de manera precisa una señal al muestrear dos veces el componente con la frecuencia más alta. Sin embargo, en la práctica, usted debe muestrear por lo menos 10 veces la máxima frecuencia para representar la forma de su señal. Al escoger un dispositivo DAQ con una velocidad de muestreo por lo menos 10 veces la frecuencia de su señal, garantiza que usted mide o genera una representación más precisa de su señal.

Por ejemplo, supongamos que usted desea medir una onda sinusoidal en su aplicación que tiene una frecuencia de 1 kHz. De acuerdo al Teorema de Nyquist, debe muestrear a 2 kHz por lo menos pero se recomienda altamente muestrear a 10 kHz para medir o generar una representación más precisa de su señal. La Figura 1 compara una onda sinusoidal de 1 kHz medida a 2 kHz y 10 kHz.

Representación de 10 kHz versus 2 kHz de una onda sinusoidal de 1 kHz

Figura 1. Representación de 10 kHz versus 2 kHz de una onda sinusoidal de 1 kHz

Una vez que conoce el componente de la señal de máxima frecuencia que desea medir o generar, puede elegir un dispositivo DAQ con la velocidad de muestreo apropiada para la aplicación.

 

4. ¿Cuál es el menor cambio en la señal que necesito detectar?

El cambio más pequeño que puede ser detectado en la señales requerida por su dispositivo DAQ requiere. La resolución se refiere al número de niveles binarios que puede utilizar el ADC para representar una señal. Para ilustrar este punto, imagine cómo una onda sinusoidal sería representada si fuera pasada por un ADC con diferentes resoluciones. La Figura 2 compara un ADC de 3 bits y un ADC de 16 bits. Un ADC de 3 bits puede representar ocho (23) niveles de voltaje discreto. Un ADC de 16 bits puede representar 65,536 (216) niveles de voltaje discreto. La representación de la onda sinusoidal con una resolución de 3 bits se parece más a una función que a una onda sinusoidal mientras que el ADC de 16 bits ofrece una onda sinusoidal más clara.

 

Tabla de resolución de 16 bits versus resolución de 3 bits de una onda sinusoidal

Figura 2. Tabla de resolución de 16 bits versus resolución de 3 bits de una onda sinusoidal

Los dispositivos DAQ típicos tienen rangos de voltaje de +/-5 V o +/-10 V. Los niveles de voltaje que pueden ser representados son distribuidos uniformemente en todo un rango seleccionado para aprovechar toda la resolución. Por ejemplo, un dispositivo DAQ con un rango de +/-10 V y resolución de 12 bits (212 o 4,096 niveles distribuidos uniformemente) puede detectar un cambio de 5 mV, mientras que un dispositivo con 16 bits de resolución (216 o 65,536 niveles distribuidos uniformemente) puede detectar un cambio de 300 µV. Varios requerimientos de aplicación se cumplen con dispositivos que tienen 12, 16 o 18 bits de resolución. Sin embargo, si usted está midiendo sensores con pequeños y grandes rangos de voltaje, es probable que pueda beneficiarse del rango dinámico de datos disponible con los dispositivos de 24 bits. El rango de voltaje y la resolución requeridos para su aplicación son factores fundamentales al seleccionar el dispositivo adecuado.

 

5. ¿Cuánto error de medida permite mi aplicación?

La precisión es definida como una medida de la capacidad de un instrumento para indicar fielmente el valor de una señal medida. Este término no está relacionado con la resolución; sin embargo, la precisión nunca puede ser mejor que la resolución del instrumento. La manera en la que usted especifica la precisión de su medida depende del tipo de dispositivo de medida. Un instrumento ideal siempre mide el valor verdadero con 100% de certeza, pero en realidad los instrumentos reportan un valor con una incertidumbre especificada por el fabricante. La incertidumbre puede depender de varios factores, como ruido del sistema, error de ganancia, error de desfase y no linealidad. Una especificación común para una incertidumbre del fabricante es la precisión absoluta. Esta especificación proporciona el error en el peor de los casos de un dispositivo DAQ en un rango específico. Un cálculo de ejemplo de una precisión absoluta de un dispositivo multifunción de National Instruments es el siguiente:

Precisión Absoluta = ([Lectura*Error de Ganancia] + [Rango de Voltaje*Error de Desfase + Incertidumbre de Ruido)
Precisión Absoluta = 2.2 mV

Es importante tener en cuenta que la precisión de instrumento no solamente depende del instrumento, sino también del tipo de señal medida. Si la señal medida es ruidosa, la precisión de la medida es afectada negativamente. Existe una amplia variedad de dispositivos DAQ con diversos grados de precisión y precio. Algunos dispositivos pueden proporcionar calibración automática, aislamiento y otros circuitos para mejorar la precisión. Mientras que un dispositivo DAQ básico puede proporcionar una precisión absoluta arriba de 100 mV, un dispositivo de mayor rendimiento con dichas características puede tener una precisión absoluta de 1 mV. Una vez que usted a comprendido sus requerimientos de precisión, puede escoger un dispositivo DAQ con una precisión absoluta que cumple con las necesidades de su aplicación.

 

Pasos siguientes: