At this point it is necessary to refresh what we have been doing during all the articles belonging to the #electronica-ie series in which we are addressing in an orderly manner the topics that can provide us in a simple way the basic knowledge to understand and design electronic systems.
Some of these articles written in the past have laid the groundwork to get into the topics to be written so it is necessary to refresh this knowledge to improve future understanding of the articles that will take a higher level of complexity if the reader is not familiar with certain concepts.
Then in this same article we focus on the main topic which is Analog-to-Digital Converter, ADC.
Llegados a este punto se hace necesario refrescar lo que hemos estado haciendo durante todos los artículos pertenecientes a la serie #electronica-ie en la cual estamos abordando de forma ordenada los temas que nos puedan brindar de forma sencilla los conocimientos básicos para entender y diseñar sistemas electrónicos.
Algunos de estos artículos escritos en el pasado han sentado las bases para adentrarnos en los temas que deben ser escritos por lo que se hace necesario refrescar estos conocimientos para mejorar la comprensión futura de los artículos que tomarán un mayor nivel de complejidad si el lector no está familiarizado con ciertos conceptos.
Luego en este mismo artículo nos centramos en el tema principal que es Analog-to-Digital Converter, ADC
srcThe displays have presented a very interesting and useful content but we must focus on our basic electronic system raised in the first articles which consists of 3 blocks: Sensor, Controller, Actuator. The Displays are clearly components that are activated by the outputs of a controller however they are not actuators that modify a variable in a process.
In fact the displays can exist in any of the three blocks of our system since their purpose is only to indicate to humans information regarding the process, they are also part of an interface that besides helping us to read data allows us to configure the system (when combined with data input devices) forming a Human Machine Interface (HMI). A process system can be carried out without a display and would not have any impact on it, however a display would facilitate process monitoring and error detection among other data.
Los displays han presentado un contenido muy interesante y útil pero debemos enfocarnos en nuestro sistema electrónico básico planteado en los primeros artículos el cual consta de 3 bloques: Sensor, Controlador, Actuador. Los Displays claramente son componentes que se activan con las salidas de un controlador sin embargo no son actuadores que modifican una variable en un proceso.
De hecho las pantallas pueden existir en cualquiera de los tres bloques de nuestro sistema ya que su propósito es únicamente el de indicar a los humanos información referente al proceso, también forman parte de una interfáz que además de ayudarnos a leer datos nos permite configurar el sistema (cuando se combina con dispositivos de entrada de datos) formando una Interfaz Humano Máquina (HMI). Un sistema proceso se puede llevar a cabo sin una pantalla y no repercutiría en él, sin embargo una pantalla nos facilitaría el monitoreo del proceso y la detección de errores entre otros datos.
Simple electronic control system src:Sistemas electrónicos
After having known many aspects of the control block through the study of microcontrollers is now necessary to go back to the Sensor block with the information obtained because now we will study how to attach the sensors to our controller. However it is necessary to review what we have seen about the types of signals that can emit a sensor.
- Discrete signals: They are those that can only have one of two possible values in time, these can be interpreted as logic 0 or 1, high or low, on or off. Their nature is the same as digital signals so that making an adaptation in voltage levels are very easy to interpret by a digital controller.
Luego de haber conocido muchos aspectos del bloque de control a través del estudio de microcontroladores es necesario ahora retroceder al bloque Sensor con la información obtenida porque ahora estudiaremos la forma de acoplar los sensores a nuestro controlador. Sin embargo es necesario repasar lo que hemos visto sobre los tipos de señales que puede emitir un sensor.
- Señales discretas: Son aquellas que solo pueden tener uno de dos valores posibles en el tiempo, estos pueden ser interpretados como 0 o 1 lógicos, alto o bajo, encendido o apagado. Su naturaleza es la misma que las señales digitales por lo que haciendo una adaptación en los niveles de voltaje son muy fáciles de interpretar por un controlador digital.
Example of a discrete signal src:Conmutación Electrónica
Analog signals: These are the ones that can take a considerable amount of values in time within a specific range (infinitecimal within this range), these in turn can be divided into two classes.
- Periodic analog signal: This is a signal that presents a waveform whose period is repeated in time at a certain frequency, this means that the signal will take repetitive values in repetitive cycles which makes it easy to predict its behavior with certain calculations related to its properties. An example of these is the sinusoidal signal which is one of the most used of this type.
Señales analógicas: Estas son las que pueden tomar una cantidad considerable de valores en el tiempo dentro de un rango específico (infinitecimal dentro de este rango), estas a su vez podemos dividirlas en dos clases.
- Señal analógica períodica: Se trata de una señal que presenta una forma ondulatoria cuyo periodo se repite en el tiempo a cierta frecuencia, esto significa que la señal tomará valores repetitivos en ciclos repetitivos lo que hace fácil predecir su comportamiento con ciertos cálculos relacionados a sus propiedades. Un ejemplo de estas es la señar sinusoidal que es una de las más usadas de este tipo.
Example of a sinusoidal current Src: Corriente eléctrica en el dominio del tiempo - Non-periodic analog signals: These are signals that take many values over time but do not do so periodically, i.e. they are unpredictable. An example of this can be a temperature sensor, its signal will depend on the temperature to which it is exposed but no one can accurately predict what the temperature will be in a process at all times as it will depend on several factors (including the weather), most sensors related to physical variables are of this type.
- Señales analógicas no periodicas: Son aquellas que toman muchos valores en el tiempo pero no lo hacen de forma periódica, es decir, son impredecibles. Un ejemplo de esto puede ser un sensor de temperatura, su señal dependerá de la temperatura a que esté expuesto pero nadie puede predecir con exactitud cual será la temperatura en un proceso en todo momento ya que dependerá de varios factores (incluyendo el clima), la mayoría de los sensores relacionados con variables físicas son de este tipo.
Example of a non-periodic analog signal src: Temporizadores y explicación de la base de tiempo RC Signal interpretation in a digital controller |
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A microcontroller can only handle digital signals, when the data inputs are of the discrete or digit type not much conditioning is needed because the microcontroller will use its clock frequency to interpret the position changes, these are interpreted as bits and can be easily manipulated with a near zero margin of error.
can be easily manipulated with a near-zero margin of error.
But... How would we use sensors that emit analog signals in a digital controller? It seems that we are talking about different languages or forms of communication in which case the solution is always "an interpreter or translator". In short, we need a device or component capable of understanding the analog communication and translating its content into a digital communication that the controller can read and interpret. This is where ADCs come into play.
Un microcontrolador solo puede manejar señales digitales, cuando las entradas de datos son del tipo discretas o dígitales no se necesita mucho acondicionamiento porque el micro usará su frecuencia de reloj para interpretar los cambios de posición, estos son interpretados como bits y
pueden ser manipulados con facilidad con un márgen de error casi nulo.Pero... ¿cómo haríamos para usar sensores que emitan señales analógicas en un controlador digital? parece que estamos hablando de distintos lenguajes o formas de comunicación en cuyo caso la solución siempre suele ser "un interprete o traductor". Resumiendo necesitamos un dispositivo o componente capaz de entender la comunicación analógica y traducir su contenido a una comunicación digital que el controlador pueda leer e interpretar. Es ahí donde entran en juego los ADCs.
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An Analog-to-Digital Converter is a device capable of receiving an analog signal and converting it into a digital signal that is equivalent to the analog signal and can be interpreted by digital systems. To do this it uses a resolution that is measured in bits, these bits determine a number of samples that are taken from the analog signal and serve to recreate its digital equivalent, the more bits the higher the resolution and lower the margin of error.
The analog signal associates the different combinations of bits in time generating sample points that are representative of the original signal, then these data are sent as bits to the digital controller which can interpret them and know what magnitude presents the analog signal at all times and may even be able to recreate it from the digital data.
Un Analog-to-Digital Converter es un dispositivo capaz de recibir una señal analógica y convertirla en una señal digital que es equivalente a la analógica y puede ser interpretada por sistemas digitales. Para hacer esto se usa una resolución que se mide en bits, estos bits determinan una cantidad de muestras que se toman de la señal analógicas y sirven para recrear su equivalente en digital, mientras más bits mayor será la resolución y menor el margen de error.
La señal analógica asocia a las diferentes combinaciones de bits en el tiempo generando puntos de muestras que son representativos de la señal original, luego estos datos son enviados en forma de bits al controlador digital el cual puede interpretarlos y saber que magnitud presenta la señal analógica en todo tiempo e incluso puede ser capaz de recrearla partiendo de los datos digitales.
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If we observe in detail the amount of samples taken is limited so the digital signal obtained is not 100% faithful to the original signal, however it is close enough to be interpreted successfully when the margin of error is acceptable, there are more demanding applications in which some ADCs are no longer useful because their low resolution presents a margin of error that can not be allowed.
An advantage of an ADC is that changes in the analog signal are detected almost instantaneously in the microcontroller, it is also possible to interpret the magnitudes and make decisions based on these.
Si observamos detalladamente la cantidad de muestras tomadas es limitada por lo que la señal digital obtenida no es 100% fiel a la señal original, sin embargo es lo suficientemente cercana para ser interpretada con éxito cuando el márgen de error es aceptable, existen aplicaciones más exigentes en las que algunos ADCs dejan de ser útiles ya que su baja resolución presenta un márgen de error que no se puede permitir.
Una ventaja de un ADC es que los cambios en la señal analógica son detectados casi de forma instantánea en el microcontrolador, también se pueden interpretar las magnitudes y tomar decisiones en base a estas.
