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Calculadora de resolución de un ADC

Con qué finura un convertidor analógico-digital resuelve la señal de un sensor, en la unidad que usted mide.

Convertidor

Sensor

Resultado

0,00298N por código

El span amplificado del sensor usa el 51,2 % del rango de entrada del convertidor.

Tamaño del LSB
38,147 µV2,5 V en 2^16 códigos
LSB en el sensor
298,02 nVreferido a la entrada, ganancia 128
Códigos que usa el sensor
33554,4de 65536
Resolución sobre el span
15,03 bitlog₂ de los códigos usados
Rango de entrada usado
51,2 %span amplificado del sensor / rango de entrada
Códigos por N
335,54convertidor ideal, sin ruido
Resolución sin ruido
—introduzca los bits sin ruido de la hoja de datos
Mayor señal en el convertidor
1280 mVsalida del sensor × ganancia

Esquema

Sensor0 … 10 mVAmplificador× 128ADC16 bitLSB 38,147 µVCódigos usados33554,40 V … 1,28 V0 V2,5 VRango de entrada del ADCSeñal fuera del rango de entrada
Dibujado a partir de los datos de arriba; sin escala.
Fórmulas y normas
LSB = (Vhigh − Vlow) / 2N   codes = |Vs,high − Vs,low| × G / LSB
resolución = |fin del rango − inicio del rango| / códigos

N es la resolución en bits y G la ganancia entre el sensor y el convertidor. Un convertidor ideal divide su rango de entrada en 2^N códigos iguales. El sensor solo usa los códigos que cubre su span amplificado, así que su resolución en la unidad medida es el rango de medida dividido entre esos códigos. En una medida ratiométrica de un puente, el rango de entrada lo fija la referencia, que suele ser la tensión de excitación.

Esto es solo la cuantificación. Un convertidor real añade ruido, offset, error de ganancia y no linealidad, y los últimos bits de un convertidor de alta resolución suelen parpadear. Introduzca la resolución sin ruido de la hoja de datos, para la velocidad y la ganancia que use, para ver qué queda estable sin promediar. Resolución no es exactitud: la fijan el sensor, la referencia y el amplificador.

¿Necesita un transmisor o amplificador con la resolución adecuada?

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Cómo funciona la calculadora de resolución de ADC

Un convertidor analógico-digital divide su rango de entrada en 2^N pasos, donde N es su resolución en bits. Un paso, el bit menos significativo o LSB, es el rango de entrada dividido entre 2^N. Un convertidor de 16 bits con un rango de 2,5 V tiene un LSB de 38,1 µV; uno de 24 bits con el mismo rango tiene un LSB de 0,149 µV.

El LSB por sí solo dice poco de una medición. Lo que importa es cuántos de esos pasos cubre la señal del sensor. Un sensor que entrega de 0 a 10 mV usa 262 de los 65 536 códigos de ese convertidor de 16 bits si se conecta directamente. Con una ganancia de amplificador de 128, la misma señal pasa a ser 1,28 V y usa 33 554 códigos. La calculadora divide el rango de medida entre los códigos usados y da el resultado en la unidad del sensor: 0,003 N por código para un sensor de fuerza de 100 N en este ejemplo.

Los pasos del cálculo

  1. LSB = rango de entrada / 2^N.
  2. Span amplificado del sensor = (salida al final del rango − salida al inicio del rango) × ganancia.
  3. Códigos usados = span amplificado / LSB.
  4. Resolución = rango de medida / códigos usados.

La parte del rango de entrada que se usa indica si la ganancia es adecuada. Por debajo de un 10 % aproximadamente, el convertidor está casi ocioso y la calculadora lo advierte; por encima del 100 %, la señal se recorta y el resultado se marca como fuera de rango.

Bits libres de ruido

Un convertidor de alta resolución no entrega todos sus bits como un número estable. El ruido térmico hace parpadear los últimos bits, más aún con velocidades de datos y ganancias altas. Las hojas de datos lo indican como resolución libre de ruido, o como resolución efectiva, para cada velocidad de datos y ganancia. La resolución libre de ruido es la cifra pico a pico: el número de bits que no parpadean. La resolución efectiva se basa en el ruido eficaz y es unos 2,7 bits mayor para el mismo convertidor.

Introduzca los bits libres de ruido de su configuración para ver la resolución que puede leer sin promediar. En un convertidor de 24 bits suele estar entre 16 y 20 bits, lo que cambia la respuesta en un factor de 16 a 256.

Puentes y medición ratiométrica

Un puente de galgas o una célula de carga suele medirse de forma ratiométrica: la tensión de excitación es también la referencia del convertidor. El rango de entrada queda entonces ligado a la excitación, y un cambio de la excitación se anula. Para 5 V de excitación y una entrada bipolar de ±2,5 V, introduzca −2,5 y 2,5 como rango de entrada. La calculadora de puentes de galgas y la calculadora de células de carga dan la salida del sensor que hay que introducir aquí.

Lazos de corriente

Una señal de 4–20 mA medida sobre una resistencia de 250 Ω da de 1 a 5 V. Introduzca 1000 y 5000 mV como salidas del sensor y el rango del transmisor como rango de medida; el convertidor 4–20 mA se encarga del escalado.

Resolución no es exactitud

La resolución es el cambio más pequeño que produce un código distinto. La exactitud es lo cerca que está el código del valor real, y la determinan el sensor, la tensión de referencia, los errores de ganancia y offset del amplificador y la no linealidad del convertidor. Un convertidor de 24 bits detrás de un sensor con un 0,1 % de error sigue midiendo al 0,1 %. Use la resolución para decidir si un cambio pequeño será visible, no para declarar una incertidumbre.

Preguntas frecuentes

¿Por qué 2^N y no 2^N − 1?

Un convertidor de N bits tiene 2^N códigos, y su función de transferencia se define con un LSB igual al rango de fondo de escala dividido entre 2^N. Dividir entre 2^N − 1 da la separación entre los centros del primer y el último código; la diferencia está muy por debajo de cualquier otro error.

¿Más ganancia siempre es mejor?

Hasta que la señal amplificada alcanza el rango de entrada, sí en cuanto a la cuantificación. Pero el ruido del amplificador también se amplifica, y la resolución libre de ruido de la mayoría de los convertidores baja al subir la ganancia. Compare el resultado con los bits libres de ruido de la ganancia que elija.

¿Puedo mejorar la resolución promediando?

Promediar reduce el ruido, a la mitad por cada cuadruplicación del número de muestras cuando el ruido es aleatorio, a costa del tiempo de respuesta. No elimina el offset, la deriva ni la no linealidad.

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