Ajustar señal para ADC y aprovecha el ADC al completo

Cuando se trata de obtener los datos una señal analógica para introducirlos en un circuito digital, sin duda vamos a necesitar un ADC (conversor analógico a digital). En muchas ocasiones, conectaremos nuestra señal analógica directamente a la entrada del conversor analógico a digital, como el caso de usar un potenciómetro. Sin embargo otras veces suele ser interesante modificar un poco la señal antes de entrar en el ADC para aprovecha el ADC al completo.

Características del ADC

Los ADC tienen distintos parámetros y características que los hacen especiales y que los diferencian entre sí. Un ejemplo ya clásico es el ADC integrado en el microcontrolador Atmega328 de Arduino Uno el cual es de 10 bits y en la placa funciona con un rango de entrada de 0 a 5v (aunque puede ser cambiado).

Que tenga un rango de entrada de 0 a 5 voltios implica que la señal que se inyecte en el conversor analógico a digital, nunca debe ser inferior a 0v ni superior a 5v.

Como norma general esta condición se cumple ya que probablemente si se usa el ADC para obtener la lectura de un sensor, la alimentación del mismo casi nunca superará la alimentación del micro.

Sensores y sus salidas

En ocasiones cuando el objetivo es medir una señal procedente de un sensor, este proporcionará una salida de tensión que variará entre un máximo y un mínimo que serán muy cercanos a los límites de alimentación.

Un ejemplo es considerar un potenciómetro que se puede estar usando para medir la posición o el ángulo de giro de un objeto o de la articulación de un robot. Aunque no es la mejor técnica para medir ángulos o posiciones, para este ejemplo es útil. Los terminales extremos del potenciómetro se encuentran conectados a +5v y a masa, que son las tensiones de alimentación del circuito. La patilla del cursor es la salida del potenciómetro y se conecta al ADC.

Si el potenciómetro se encuentra girado totalmente a la izquierda, la salida de tensión será 0v y si se encuentra a la derecha, la salida de tensión se encontrará a 5 voltios.

Sin embargo, en raras ocasiones ocurre que la salida del sensor recorra todas las posiciones de tensión desde el principio hasta el final.

Un ejemplo de esto último es el uso del sensor de temperatura LM335 el cual proporciona, una vez calibrado, una sensibilidad de 10 mV / K. En este transductor de temperatura, al variar la temperatura, varía la tensión de salida, pero nunca llegará a acercarse a los límites del conversor analógico a digital y por tanto nunca aprovecha el ADC.

Ajustar señal de sensor para un ADC

En el vídeo vemos como si queremos aplicar este sensor para medir la temperatura de una habitación, la variación de tensión a la salida es muy pequeña. Considerando que la mínima temperatura que se alcanzará en la habitación es de 10ºC y que la máxima es de 30ºC, se aprecia que la tensión de salida del sensor variará entre 2.832 v para 10ºC y 3.032 v para 30ºC.

La resolución de un ADC

Todo este proceso está basado en que en la mayoría de aplicaciones se debe optimizar la resolución del sistema de medida. La resolución es el número que nos indica cual es la mínima variación de tensión que el ADC puede medir a su entrada. La calculamos como:

(1)  

Siendo n el número de bits del conversor. De esta manera suponiendo que el conversor es de 10 bits, la resolución en tensión será de 0.00489 v, es decir 4.89 mv. Teniendo en cuenta que el sensor tiene una sensibilidad de 10 mV/K, esto implica que la mínima variación de temperatura que se puede registrar con el ADC es de 0.489 K.

Supongamos que esto es mucho y que para la aplicación en la que estamos trabajando, necesitamos una resolución menor, entonces tenemos dos posibilidades, o reducir el intervalo de tensión de entrada del ADC o amplificar la ganancia del sensor.

Juega con la ganancia y el offset y aprovecha el ADC

La clave, es jugar jugar con la ganancia y el offset del sensor ya que de esta manera se puede llegar a convertir el mínimo del sensor en el mínimo del ADC y el máximo del sensor en el máximo del ADC.

Siguiendo con el ejemplo anterior, realizar esta conversión implica que los 2.832 voltios del sensor deben convertirse en 0 v tras salir del circuito acondicionador y los 3.032 v deben convertirse en 5 v.

Para llevar a cabo esta heroica tarea se necesita un circuito acondicionador en el cual se introduzcan ganancia y offset en la señal. El offset ayudará a convertir el mínimo del sensor (2.832 v) en 0v y la ganancia ayudará a convertir los 3.032 en los 5v.

Existen distintos circuitos que permiten realizar esta tarea, para este artículo se usará uno basado en un amplificador no inversor.

En el esquema del circuito se aprecia dos amplificadores operacionales. El de la derecha es el que lleva a cabo el proceso de conversión. En la patilla no inversora se conecta la entrada del sensor y en la inversora se conectan las resistencias de entrada (R1) y de realimentación (R2). A la resistencia de entrada, se conecta una tensión de Offset, procedente de un potenciómetro.

Para evitar efectos de carga, entre el potenciómetro y la resistencia de entrada (R1) se coloca un amplificador operacional en configuración de buffer también conocido como seguidor de tensión. Si no conoces que es un buffer, te animo a que veas este vídeo.

Este circuito funciona solo si calculamos cual debe ser el valor de las resistencias R1 y R2 así como el valor de offset, es decir, la tensión a la salida del potenciómetro. Para ello recurrimos a la ecuación que caracteriza este circuito, la cual no me voy a detener a explicar de dónde viene, pero si te interesa, házmelo saber en los comentarios.

(2)  

Lo cual se puede simplificar como:

(3)  

A partir de la ecuación (3) podemos plantear un sistema de ecuaciones evaluando las tensiones del sensor y las tensión de salida que deseamos

La solución a este sistema de ecuaciones es: G = 25.44 y Voffset = 2.943 v. Considerando que G = R2 / R1 hacemos una aproximación y usamos G = 24, de esta manera podemos usar R2 = 24 KΩ y R1 = 1 KΩ.

Para configurar la tensión de offset, se puede colocar un polímetro en la salida del seguidor de tensión y ajustar el potenciómetro hasta alcanzar los 2.943 voltios.

Calculo de la tensión real

Hemos hecho una conversión de tensiones y por tanto la tensión que mide el ADC no es realmente la tensión que hay a la salida del sensor. Para calcular la tensión en el sensor debemos resolver la ecuación del circuito despejando la tensión de entrada.

(4)  

Donde Voffset es 2.943 voltios y G es la aproximación que habíamos hecho, es decir, G = 24.

Imagina que el ADC está midiendo 1 voltio en su entrada, eso significa que la salida del sensor será de 2.865 v.

Al aplicar este método en un circuito, por ejemplo al leer con un microcontrolador, se debe incluir la ecuación en el programa del microcontrolador para revertir el efecto y poder saber la tensión real en el sensor.

Que se gana y que se pierde

Al introducir este circuito, se aprovechan las mayoría de combinaciones del conversor ADC ya que se usa casi todo el rango disponible.

Por contra perdemos estabilidad ya que siempre que se introducen circuitos analógicos existe la posibilidad de distorsionar la señal y que la salida de tensión no sea exactamente la que debe por efecto de la realidad.

Otras configuraciones

En ejemplo hemos usado una configuración no inversora con offset, sin embargo también se puede usar otras configuraciones, como cambiar la posición de la señal, conectandola a la entrada del buffer y conectado el potenciómetro a la entrada no inversora del amplificador.

Otra posibilidad puede ser usar un amplificador inversor con offset.

Sea cual sea la configuración que uses, debes resolver la ecuación correspondiente para cada circuito. La que hemos visto un poco más arriba solo sirve para esa configuración, si cambias de posición las señales o usas un amplificador inversor, la ecuación cambiará.