Tarjetas de Adquisición de Datos y Acondicionamiento de Señal

1. Presentación del tema

Los sistemas de adquisición de datos (DAQ, data acquisition) basados en PC se usan en laboratorios, en validación de diseño, en el campo y en el piso de manufactura. En esencia, un dispositivo DAQ es un instrumento de propósito general diseñado para medir y generar señales de voltaje, sincronizadas con un reloj de muestreo, y entregarlas a un software que las procesa.

El problema es que la mayoría de los sensores y transductores no entregan una señal que el convertidor analógico-digital (ADC) pueda leer directamente con exactitud: generan microvoltios (termopares), requieren excitación (galgas extensiométricas, RTD), trabajan con potenciales de modo común peligrosos o vienen acompañados de ruido. El procesamiento al frente que resuelve esto se conoce como acondicionamiento de señal e incluye amplificación, atenuación, filtrado, aislamiento eléctrico, excitación y multiplexeo.

En un sistema de prueba automatizado (ATE) se suma un tercer elemento: el switching, que decide qué señal llega a qué instrumento y en qué momento. Este artículo recorre los tres bloques —adquisición, acondicionamiento y switching— con criterios de ingeniería para seleccionarlos y errores típicos que conviene evitar.

2. Arquitectura de un dispositivo DAQ

Un dispositivo DAQ multifunción integra en una sola tarjeta o módulo varios subsistemas que comparten un motor de temporización. Entender su arquitectura interna explica la mayoría de las limitaciones que aparecen en el banco de pruebas.

2.1 Subsistemas

• Entrada analógica (AI). Multiplexor, amplificador de ganancia programable (PGA), filtro y ADC. Su configuración de terminales —diferencial (DIFF), referenciada a tierra (RSE) o no referenciada (NRSE)— determina el rechazo de modo común.
• Salida analógica (AO). DAC con FIFO propio; puede regenerar una forma de onda desde la memoria del dispositivo o recibirla en flujo continuo desde el host.
• E/S digital (DIO/PFI). Líneas estáticas o temporizadas por hardware; las líneas PFI enrutan relojes y triggers entre subsistemas y entre dispositivos.
• Contadores. Miden frecuencia, periodo, ancho de pulso y posición de encoders, y generan trenes de pulsos o PWM.
• Motor de temporización. Genera el reloj de muestreo (sample clock, un evento por barrido de todos los canales) y el reloj de conversión (convert clock, un evento por cada canal convertido). En la Serie X lo implementa el ASIC NI-STC3.
• Interfaz de bus. Transfiere los datos por DMA (PCIe/PXIe) o por streaming USB. Su ancho de banda limita la tasa sostenida, no la tasa instantánea.

3. Muestreo multiplexado y simultáneo

La decisión de arquitectura más importante al elegir un DAQ es si los canales comparten un ADC (multiplexado) o tienen uno cada uno (simultáneo). Afecta la tasa por canal, la relación de fase entre canales y el error por asentamiento.

3.1 Tasa por canal y desfase

En un DAQ multiplexado la tasa del ADC se reparte entre los canales del barrido:

y entre dos canales consecutivos existe un desfase temporal Δt = 1/f_conv. Para una señal sinusoidal de frecuencia f, ese desfase equivale a un error de fase:

3.2 Asentamiento y «ghosting»

Al conmutar el multiplexor, la entrada del PGA debe cargarse al nuevo voltaje a través de la impedancia de la fuente. Modelando el circuito como un sistema de primer orden con constante τ = (R_fuente + R_MUX)·C_entrada, el tiempo para que el error caiga por debajo de ε es:

Si el intervalo de conversión es menor que t_s, el canal leído conserva parte del voltaje del canal anterior. Este efecto se conoce como ghosting o diafonía por multiplexeo.

Tabla 1. Comparación de arquitecturas de muestreo.

Criterio	Multiplexado	Simultáneo	Sigma-delta por canal
ADC	Uno compartido (SAR)	Uno por canal (SAR)	Uno por canal, sobremuestreo
Fase entre canales	Desfase Δt por canal	≈ 0	≈ 0, retardo de grupo fijo
Tasa típica	250 kS/s – 2 MS/s agregados	1 – 2 MS/s por canal	≤ 100–200 kS/s por canal
Resolución típica	16 bits	16 – 20 bits	24 bits
Anti-aliasing	Externo o limitado	Externo o limitado	Integrado (filtro digital)
Aplicación	Monitoreo multicanal, voltajes DC/lentos	Potencia, transitorios, pruebas funcionales rápidas	Sonido y vibración, IEPE, análisis espectral
Costo por canal	Bajo	Medio	Medio – alto

Rangos típicos de mercado; confirmar siempre en la hoja de datos del modelo.

4. Cómo leer las especificaciones

Los fundamentos de resolución (LSB = rango / 2^N), rango de entrada y teorema de Nyquist se desarrollan en Introducción a la Instrumentación. Aquí interesa cómo convertir las especificaciones de un DAQ en un presupuesto de error útil para una prueba.

4.1 Especificaciones garantizadas y típicas

Los fabricantes distinguen entre especificaciones garantizadas (warranted), cubiertas por la garantía dentro del intervalo de calibración y en las condiciones indicadas, y especificaciones típicas, que cumple la mayoría de las unidades pero que no están garantizadas. Para fijar límites de prueba en manufactura solo deben usarse las garantizadas.

4.2 Exactitud absoluta

NI y otros fabricantes expresan la exactitud absoluta de la entrada analógica como la suma del error de ganancia, el error de offset y la incertidumbre por ruido:

Los coeficientes dependen de la temperatura, del tiempo transcurrido desde la última autocalibración y del número de muestras promediadas.

4.3 Filtrado anti-aliasing

Cualquier componente de la señal por encima de f_s/2 se «pliega» dentro de la banda de interés y no puede eliminarse después por software. Para que una componente alias quede por debajo de ½ LSB, el filtro debe atenuarla:

5. Acondicionamiento de señal

El acondicionamiento adapta la salida del sensor al rango, la impedancia y el nivel de aislamiento que requiere el ADC. La Tabla 2 resume qué necesita cada tipo de sensor.

Tabla 2. Funciones de acondicionamiento por tipo de sensor.

Sensor / señal	Amplif.	Atenuac.	Aislam.	Filtrado	Excitación	Linealiz.	CJC	Compl. de puente
Termopar	✔		✔	✔		✔	✔
RTD / termistor	✔			✔	✔ (corriente)	✔
Galga extensiométrica	✔			✔	✔ (voltaje)			✔
Celda de carga / presión (puente)	✔			✔	✔
Acelerómetro / micrófono IEPE	✔			✔ (AA)	✔ (corriente 2–4 mA)
Lazo 4–20 mA			✔	✔
Alto voltaje (> ±10 V)		✔	✔	✔

Adaptada de las guías de acondicionamiento de NI; criterio general, no exhaustivo.

5.1 Amplificación

Amplificar la señal antes del ADC aprovecha su rango completo y mejora la resolución efectiva en unidades de ingeniería. La resolución en temperatura de un termopar es:

5.2 Aislamiento

El aislamiento galvánico rompe los lazos de tierra, permite medir con potenciales de modo común elevados y protege al operador y al equipo. Se especifica de dos maneras distintas que no deben confundirse:

• Voltaje de trabajo continuo (p. ej., 300 V_rms CAT II canal a canal): el voltaje que el sistema soporta indefinidamente.
• Voltaje de prueba dieléctrica (p. ej., 1 390 V_rms durante 5 s): una prueba de tipo, no un valor de operación.

La categoría de medición (CAT II, III, IV, según IEC 61010) indica el nivel de transitorios de la red que el aislamiento resiste. En pruebas de baterías, inversores y cargadores de vehículo eléctrico, el aislamiento canal a canal es obligatorio: cada celda o fase tiene un modo común distinto. Ejemplo de producto: el módulo SC Express PXIe-4300 mide hasta 300 V con aislamiento CAT II canal a canal y muestreo simultáneo.

5.3 Excitación y puentes

Galgas, celdas de carga y RTD necesitan una fuente de excitación estable. La práctica recomendada es la medición ratiométrica: el ADC usa el propio voltaje de excitación como referencia, de modo que sus variaciones se cancelan. Para galgas de cuarto y medio puente, el módulo aporta las resistencias de complemento de puente y, en sistemas de cable largo, la detección remota (remote sense) compensa la caída en los conductores de excitación.

5.4 Acondicionamiento externo e integrado

El acondicionamiento externo —un bloque independiente cableado a la tarjeta DAQ— solo se justifica para necesidades muy específicas, como circuitos a la medida en un fixture o niveles de voltaje fuera del alcance de los módulos comerciales. En la mayoría de los sistemas se usan módulos de 8 a 32 canales que combinan acondicionamiento, conector y ADC. Las ventajas son concretas: menos conexiones intermedias, calibración del módulo completo (y no por partes) y sincronización por el backplane del chasis.

6. Switching y multiplexeo en sistemas de prueba

Los sistemas de switcheo al frente incrementan la funcionalidad del sistema de medición y automatización. El switching de propósito general proporciona control digital sobre la presencia o ausencia de una señal, como la alimentación a un motor o a un DUT. Las configuraciones de multiplexor y de matriz de relevadores controlan la fuente y la ruta de las señales, o permiten que un solo instrumento costoso —un DMM de 6½ dígitos, un osciloscopio, una SMU— atienda decenas o cientos de puntos de prueba.

6.1 Topologías

• Propósito general: relevadores SPST/SPDT (forma A/C) independientes, para conmutar alimentación, cargas o señales de control.
• Multiplexor: conecta un común a uno de N canales. Puede configurarse a 1, 2 o 4 hilos; la configuración a 4 hilos permite medir resistencia por el método Kelvin a través del switch.
• Matriz: conecta cualquier fila con cualquier columna. El número de puntos de cruce es filas × columnas y define el costo; es la topología natural del ATE.
• Especializadas: RF (50 Ω, con terminación), inserción de fallas (fault insertion) para ECU automotrices, resistencias programables para simular sensores.

Muchos módulos PXI actuales son reconfigurables por software: el mismo hardware se usa como multiplexor 128×1 de 1 hilo, 64×1 de 2 hilos o 32×1 de 4 hilos, o como matrices de distintas dimensiones (por ejemplo, de 4×128 a 16 bancos de 2×16 en un mismo módulo).

6.2 Tipos de relevador

Tabla 3. Comparación de tecnologías de relevador para switching de prueba (valores típicos).

Característica	Electromecánico (EMR)	Reed	Estado sólido (FET / SSR)
Corriente / voltaje	Alta: 1–5 A, hasta 300 V	Baja: 0.5–1.5 A, ≤ 150 V	Baja a media; depende del dispositivo
Tiempo de operación	3–15 ms	0.25–1 ms	10 µs – 1 ms
Vida mecánica	10⁶ – 10⁸ operaciones	≈ 10⁹ operaciones	Sin desgaste mecánico
Resistencia de contacto	< 100 mΩ	< 200 mΩ	Ω a decenas de Ω; fuga en estado abierto
Uso típico	Potencia, cargas, señales de propósito general	Matrices de alta velocidad para ICT/funcional	Escaneo muy rápido de señales de bajo nivel

Rangos orientativos; la vida útil eléctrica a plena carga es órdenes de magnitud menor que la mecánica. Consultar la hoja de datos del módulo.

6.3 Reglas de diseño para switching en ATE

• Cold switching siempre que sea posible: apagar la fuente o deshabilitar la salida antes de abrir o cerrar un relevador.
• Romper antes de conectar (break-before-make) para que dos fuentes nunca queden en corto a través de la matriz.
• Esperar el asentamiento del relevador (rebote) antes de disparar la medición. En PXI esto se sincroniza por hardware: el switch emite una señal «scan advanced» que dispara al DMM.
• Medición a 4 hilos cuando la resistencia del camino (relevadores, cables, pistas) es comparable con la tolerancia de la medición.
• Fuerza electromotriz térmica: en mediciones de microvolts, preferir relevadores de baja EMF térmica y esperar el equilibrio térmico.
• Mantenimiento predictivo: registrar el número de ciclos por relevador. Herramientas como NI Switch Health Center miden la resistencia de cada relevador y señalan cuáles reemplazar.

7. Plataformas DAQ actuales

Tabla 4. Plataformas DAQ vigentes de NI y su aplicación típica.

Plataforma	Ejemplos	Características	Aplicación típica
USB de nivel de entrada	USB-6001/6002/6003, USB-6421	14–16 bits, hasta 250 kS/s; bajo costo	Docencia, bancos simples, registro de sensores de ±10 V
mioDAQ (USB-C)	USB-6421/6423 (16 bits, 250 kS/s); USB-6451/6453 (20 bits, 1 MS/s por canal, simultáneo)	Hasta 32/16 AI, 4 AO, 16 DIO; conector USB-C con tornillo de fijación	Validación electromecánica, transitorios, monitoreo de fuentes
Serie X (PCIe / PXIe / USB)	PCIe/PXIe-6363: 32 AI, 16 bits, 2 MS/s; PXIe-6358/6368: 16 canales simultáneos	Motor NI-STC3, 4 contadores de 32 bits, DMA	ATE de producción, control y pruebas funcionales de alta velocidad
SC Express (PXIe)	PXIe-4300 (8 ch, 16 bits, 250 kS/s, 300 V aislado)	Acondicionamiento integrado para alto voltaje, termopares y puentes	Baterías, celdas de combustible, pruebas de potencia
CompactDAQ (USB / Ethernet TSN)	cDAQ-9185 (4 ranuras, Ethernet con TSN)	Más de 70 módulos C Series de 1 a 32 canales; −40 a 70 °C	Medición distribuida, pruebas en campo y en vehículo
CompactRIO / controladores	CompactRIO con NI-DAQmx	Procesador + FPGA programable; determinismo	Control embebido, HIL, monitoreo de condición

Datos de las páginas de producto de NI. Los modelos y su disponibilidad cambian; verificar antes de especificar un sistema.

Criterio de selección rápida

1. ¿Qué sensores? Si requieren excitación, CJC o aislamiento, comience por un módulo con acondicionamiento integrado (C Series, SC Express).
2. ¿Se necesita fase entre canales? Si la respuesta es sí, elija muestreo simultáneo.
3. ¿Dónde está el DUT? En el banco, USB o PCIe; en un rack ATE, PXIe; distribuido o en campo, CompactDAQ por Ethernet/TSN.
4. ¿Qué exactitud exige la prueba? Calcule el TUR con la Ec. 4. Si no alcanza 4:1, combine el DAQ con un DMM por medio de switching.
5. ¿Cuántos años debe operar el sistema? Prefiera plataformas con soporte vigente y un driver común (NI-DAQmx) para facilitar la migración.

8. Software: del driver a la aplicación

Todo el hardware DAQ actual de NI se programa con un solo driver, NI-DAQmx, que ofrece la misma API para USB, PCIe, PXIe y CompactDAQ. Sobre él se construyen distintas capas: FlexLogger (gratuito en su versión Lite) para registro sin programación, LabVIEW y LabWindows/CVI para aplicaciones de prueba, y el paquete nidaqmx para Python. El switching se programa con NI-SWITCH y, en sistemas grandes, con Switch Executive, que gestiona rutas por nombre en lugar de relevadores individuales.

El siguiente ejemplo en Python aplica los conceptos de este artículo: adquiere 8 canales de bajo nivel en modo diferencial, en el rango de ±0.1 V, y fija explícitamente la tasa de conversión para dar tiempo de asentamiento entre canales (sección 3.2).

# Adquisición multiplexada con control explícito del asentamiento
# Requiere: NI-DAQmx y el paquete nidaqmx (pip install nidaqmx)
import nidaqmx
from nidaqmx.constants import TerminalConfiguration, AcquisitionType

CANALES   = "Dev1/ai0:7"     # 8 canales diferenciales
F_CANAL   = 1_000            # muestras/s por canal
F_CONV    = 20_000           # conversiones/s -> 50 µs entre canales
N_MUESTRAS = 1_000

with nidaqmx.Task() as tarea:
    tarea.ai_channels.add_ai_voltage_chan(
        CANALES,
        terminal_config=TerminalConfiguration.DIFF,
        min_val=-0.1, max_val=0.1)            # el driver elige la ganancia del PGA
    tarea.timing.cfg_samp_clk_timing(
        rate=F_CANAL,
        sample_mode=AcquisitionType.FINITE,
        samps_per_chan=N_MUESTRAS)
    # Por defecto el driver usa la conversión más rápida posible;
    # aquí se alarga para fuentes de impedancia alta (ver Ejemplo 2).
    tarea.timing.ai_conv_rate = F_CONV
    datos = tarea.read(number_of_samples_per_channel=N_MUESTRAS)

for i, canal in enumerate(datos):
    prom = sum(canal) / len(canal)
    print(f"ai{i}: {prom*1e3:8.4f} mV")

9. Buenas prácticas de integración

• Presupueste el error de toda la cadena (sensor + acondicionamiento + ADC + switch + cableado) antes de comprar hardware, y verifique que el TUR sea al menos 4:1 frente a la tolerancia de la prueba.
• Use entradas diferenciales para señales de bajo nivel o cables largos, y referencie las fuentes flotantes a tierra con resistencias de polarización (10–100 kΩ) para que no se salgan del rango de modo común.
• Par trenzado y blindaje con el blindaje aterrizado en un solo extremo (del lado del sistema de medición).
• Filtre antes de muestrear, no después. El aliasing no se corrige por software.
• Autocalibre el DAQ tras el calentamiento y cuando la temperatura cambie más de lo que indica la especificación, y mantenga la calibración externa trazable dentro de su intervalo.
• Documente la configuración (rangos, terminal config, tasas, rutas de switch) como parte de la especificación de prueba. Un cambio de rango altera la exactitud aunque el código «siga funcionando».
• Planee la obsolescencia: separe el código de prueba del hardware mediante una capa de abstracción (HAL) para que reemplazar una tarjeta no obligue a reescribir la secuencia.

10. Resumen

• Un dispositivo DAQ integra AI, AO, DIO y contadores alrededor de un motor de temporización común; su interfaz de bus limita la tasa sostenida.
• En el muestreo multiplexado la tasa se reparte entre canales y aparece un desfase Δt entre ellos; el simultáneo lo elimina a mayor costo por canal.
• La impedancia de la fuente fija el tiempo de asentamiento; si no se respeta aparece ghosting (Ec. 3).
• Resolución no es exactitud: la exactitud absoluta (Ec. 4) y el TUR deciden si un DAQ sirve para una prueba.
• El anti-aliasing debe aplicarse antes del ADC; para 16 bits se requieren ≈ 102 dB de atenuación en la banda de alias.
• El acondicionamiento (amplificación, aislamiento, excitación, CJC, filtrado) depende del sensor y suele venir integrado en módulos específicos.
• El switching permite que un instrumento atienda muchos puntos de prueba; la topología, el tipo de relevador y el cold switching determinan la velocidad y la vida útil del sistema.
• CompactDAQ y SC Express integran el acondicionamiento en el módulo; la Serie X y mioDAQ cubren la adquisición multifunción. Todo se programa con NI-DAQmx.

11. Glosario ES / EN

Adquisición de datos

Data acquisition (DAQ): medición de señales físicas y su conversión a datos digitales en una computadora.

Acondicionamiento de señal

Signal conditioning: procesamiento analógico previo al ADC.

Aliasing

Aliasing: plegado de componentes por encima de f_s/2 dentro de la banda medida.

Amplificador de ganancia programable

Programmable gain amplifier (PGA): amplificador cuya ganancia selecciona el software según el rango.

Asentamiento

Settling: tiempo para que la entrada alcance su valor final dentro de un error dado.

Compensación de unión fría

Cold-junction compensation (CJC): corrección por la temperatura de la conexión del termopar.

Conmutación en caliente / en frío

Hot / cold switching: operar un relevador con o sin corriente circulando.

Diafonía por multiplexeo

Ghosting, crosstalk: influencia del canal previo por asentamiento insuficiente.

Excitación

Excitation: voltaje o corriente que alimenta a un sensor pasivo.

Exactitud absoluta

Absolute accuracy: error máximo de la lectura respecto al valor verdadero.

Matriz de switches

Switch matrix: arreglo de filas y columnas con un relevador en cada cruce.

Muestreo simultáneo

Simultaneous sampling: un convertidor por canal, todos disparados al mismo tiempo.

Multiplexor

Multiplexer (MUX): conmutador de N entradas a una salida común.

Reloj de conversión

Convert clock: reloj que dispara cada conversión individual del ADC.

Reloj de muestreo

Sample clock: reloj que inicia cada barrido de canales.

Relación de exactitud de prueba

Test accuracy ratio (TAR) / Test uncertainty ratio (TUR): tolerancia del DUT entre la incertidumbre del sistema de medición.

Romper antes de conectar

Break-before-make: secuencia que abre una ruta antes de cerrar la siguiente.

Sigma-delta

Delta-sigma ADC: convertidor de sobremuestreo con filtro digital integrado.

TSN

Time-Sensitive Networking: estándares IEEE 802.1 para sincronización y temporización determinista sobre Ethernet.

12. Referencias

1. Topete Samaniego, D. «Tarjetas de Adquisición de Datos y Acondicionamiento de Señal», serie Instrumentación Virtual, FFTLab.com.
2. Topete Samaniego, D. Instrumentación virtual: del PC con tarjeta de adquisición a las plataformas de prueba definidas por software, davidtopete.com.
3. Topete Samaniego, D. Introducción a la Instrumentación, davidtopete.com.
4. NI. Specifications Explained: NI Multifunction I/O (MIO) DAQ.
5. NI. NI mioDAQ USB Data Acquisition Devices.

Por: David Topete Samaniego