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Introduccion
Un convertidor es un dispositivo que recibe información en determinada manera de un
instrumento y transmite una señal de salida en otra forma.
En la electrónica analógica podemos encontrar diferentes tipos de convertidores como
son: Convertidores Voltaje – Frecuencia (V-F) y Frecuencia – Voltaje (F-V),
Convertidores Digital – Análogo (DAC’s) y Convertidores Análogo – Digital (ADC’s).
El presente trabajo consiste en consultar los diferentes tipos de convertidores ya
mencionados, conocer su funcionamiento, su estructura interna y externa, sus
ecuaciones, características eléctricas, etc.
Con este trabajo podremos diferenciar un DAC de un ADC, así como indicar cuáles
son las necesidades para que un DAC o un ADC sean compatibles con un
microprocesador.
Se podrá mencionar cuales son los tres tipos más comunes de ADC y explicar
brevemente el funcionamiento de cada uno de ellos.
Para así en un futuro poder utilizar los diferentes tipos de convertidores en problemas
de la vida diaria.
Convertidores
Definicion : Los convertidores son aparatos que reciben la señal de entrada y la
convierten en una binaria.
1. CONVERTIDORES VOLTAJE-FRECUENCIA Y FRECUENCIA-VOLTAJE
1.1.- CONVERTIDOR DE VOLTAJE FRECUENCIA
Los convertidores de voltaje a frecuencia, como su nombre lo indica convierte un
voltaje de entrada a una forma de onda periódica cuya frecuencia es directamente
proporcional al voltaje de entrada.
Diagrama de bloques de un convertidor básico voltaje – frecuencia (CVF)
La información digital se obtiene en serie (tren de pulsos) con una frecuencia
proporcional al voltaje de entrada. Si se desea obtenerla como un código binario
(paralelo) es necesario usar contadores y un circuito de control asemejando un
frecuencímetro. Los componentes que forman parte de un ADC de este tipo son los
mismos que la conversión DAC frecuencia a voltaje, por lo que su funcionamiento es
similar.
En este tipo de convertidor el voltaje de cd de entrada se convierte (mediante un
convertidor de voltaje a frecuencia) en un conjunto de pulsos cuya velocidad de
repetición (o frecuencia) es proporcional a la magnitud del voltaje de alimentación .
igual al valor promedio medido durante un intervalo específico de tiempo. Esta
posibilidad de rechazo de ruido es la ventaja principal de ese tipo de convertidores.
La parte primordial de esos convertidores es el circuito de transformar el voltaje de cd
de entrada a un conjunto de pulsos. Se emplea un integrador para llevar a cabo esta
tarea. Esto es, el voltaje de cd de entrada, se integra y la carga se almacena en un
capacitor. Cuando e voltaje en el capacitor es mayor que el voltaje de referencia
aplicado a un comparador, se usa el comparador para descargar el capacito
integrador a cero y al mismo tiempo disparar un generador de pulsos para emitir un
pulso de ancho constante. El pulso se alimenta al contador con frecuencia como el
voltaje de entrada al integrador todavía este presente, se indica el proceso. La
pendiente de la curva de integración depende de la magnitud de la señal de entrada.
Por lo tanto, el número de pulsos producidos por segundo es directamente
proporcional a la amplitud del voltaje de señal a la entrada.
Las frecuencias típicas del convertidor de voltaje a frecuencia (v/f) queda en el rango
de 10 KHz a 1MHz. El convertidor muy utilizado de 10KHz necesita un intervalo de
compuerta de 0.025s para una conversión A/D de 8 bits. Como los convertidores de
voltaje a frecuencia son
baratos y su exactitud es moderada y son resistentes al ruido son seleccionados con
mucha frecuencia para utilizarse en medidores de tablero de tres dígitos.
CIRCUITO Y APLICACIONES DE UN CONVERTIDOR VOLTAJE FRECUENCIA
Circuito de un convertidor voltaje frecuencia
En el diagrama se observa que el generador de carga lo configura un circuito
monoestable que maneja una fuente de corriente referenciada por medio de un
conmutador
La aplicación más importante del convertidor voltaje frecuencia es comunicación y
transmisión de datos
1.2.- CONVERTIDORES DE FRECUENCIA A VOLTAJE
Los convertidores de frecuencia a voltaje son circuitos integrados que convierten un
voltaje de entrada análogo en un tren de pulsos cuya frecuencia de salida es
proporcional al nivel de entrada. Se utilizan en aplicaciones de conversión análogo a
digital donde la velocidad no es un factor crítico, también opera como convertidores de
frecuencia a voltaje y pueden ser utilizados como convertidores de señales digitales a
análogas de baja frecuencia.
Dentro de los convertidores de señales de voltaje a frecuencia o de frecuencia a
voltaje se encuentran: LM331 de National semiconductor, AD650 de Analog Devices,
VFC32 de Burr Brown, XR4151 de Exar (Ver hojas de datos).
Los convertidores de frecuencia a voltaje encuentran su campo de aplicación en
circuitos opto-acoplados, sistemas de telemetría circuitos como tacómetros para el
control de velocidad de motores, etc. Los dos tipos básicos de convertidores de
frecuencia a voltaje más comúnmente utilizados son:
* Convertidores de integración de pulsos. Los cuales integran un pulso de ancho fijo
en una señal a la salida cuyo valor es dependiente de la frecuencia del pulso.
* Convertidores de PLL. Los cuales se amarran a una frecuencia de entrada para
producir un voltaje de error el cual es proporcional a las variaciones de frecuencia de
la señal de entrada.
A continuación mencionaremos un ejemplo de uno de los convertidores anteriormente
mencionados:
El convertidor de integración de pulsos utiliza un temporizador mono-estable ''one-shot
timer''de precisión, el cual cuando es disparado por la señal de entrada, produce a su
salida pulsos de una amplitud y duraciín fijos. Estos pulsos son integrados para
determinar su valor promedio en un intervalo de tiempo, donde el valor promedio será
proporcional a la frecuencia del tren de pulsos.
A continuación se listan algunas referencias de convertidores de frecuencia a voltaje:
* LM331
* AD650
* VFC32
* XR4151
APLICACIONES Y FUNCIONAMIENTO DE LOS CONVERTIDORES FRECUENCIA
VOLTAJE
Aplicaciones del convertidor frecuencia voltaje
Algunas aplicaciones de los convertidores de Frecuencia a Voltaje son:
Control de velocidad de motores
Medición de flujo
Demodulación de FM
Transmisión de datos.
Aislamiento de sistemas
Enlaces ópticos
Interface de transductores con sistemas digitales.
Telemetría de FM de bajo costo.
Aislamiento de señales análogas
Multiplexación análoga.
2. LOS CONVERTIDORES DIGITALES ANALÓGICOS
"Un convertidor Digital/Analógico (DAC), es un elemento que recibe información de
entrada digital, en forma de una palabra de "n" bits y la transforma a señal analógica,
cada una de las combinaciones binarias de entrada es convertida en niveles lógicos
de tensión de salida"
Un convertidor digital analógico transfiere información expresada en forma digital a
una forma analógica, para ubicar la función de este dispositivo conviene recordar que
un sistema combina y relaciona diversos subsistemas que trabajan diferentes tipos de
información analógica, como son; magnitudes eléctricas, mecánicas, etc,.. lo mismo
que un micrófono, un graficador, o un motor y estos deberán interactuar con
subsistemas que trabajan con informaciones digitales, como una computadora, un
sistema lógico, un sistema con microprocesador, con microcontrolador o con algún
indicador numérico.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS
CONVERTIDORES
Las características básicas que definen un convertidor digital analógico son en primer
lugar, su resolución que depende del número de bits de entrada del convertidor, otra
característica básica es la posibilidad de conversión unipolar ó bipolar, una tercera
característica la constituye el código utilizado en la información de entrqada,
generalmente los convertidores digitales analógicos operan con el código binario
natural ó con el decimal codificado en binario (BCD), el tiempo de conversión es otra
característica que definen al convertidor necesario para una aplicación determinada, y
se define como el tiempo que necesita para efectuar el máximo cambio de su tensión
con un error mínimo en su resolución, otras características que definen al convertidor
son; su tensión de referencia, que puede ser interna o externa, si es externa puede
ser variada entre ciertos márgenes, la tensión de salida vendrá afectada por este
factor, constituyéndose éste a través de un convertidor multiplicador, así mismo
deberá tenerse en cuenta, la tensión de alimentación, el margen de temperatura y su
tecnología interna.
2.1.- CONVERSOR D/A CON RESISTENCIAS PONDERADAS EN FORMA
BINARIA ("D/A Converter with Binary-Weighted Resistor")
Es el más simple de los conversores D/A en el que la tensión analógica entregada
es directamente proporcional al número representado en forma binaria (a3,a2,a1,a0)
de la salida digital.
Está formado por un circuito básico de
resistencias en paralelo que están
habilitadas por la tensión de salida de un conversor binario a decimal (BCD) (Ya
explicado en el capítulo de dispositivos combinacionales) unidas entre sí a una
resistencia de carga conectada a tierra sobre la que se mide la tensión de salida.
2.2.- CONVERSOR D/A TIPO ESCALERA R-2R ("Ladder-type D/A Converter")
El conversor D/A anterior tiene la desventaja que depende fuertemente de la precisión
de las resistencias involucradas, dado que los valores varían mucho entre la
resistencia correspondiente al MSB y el LSB (y mas cuando se trata de palabras de
mayor cantidad de bits) el error en una resistencia grande haría que los bits de menor
orden de magnitud tengan mucho error.
En este conversor como en el anterior cada llave conectada contribuye con una
corriente entregada al amplificador operacional, tales contribuciones que poseen
pesos ponderados de acuerdo con sus posiciones en el código binario. La franja de
tolerancia baja es el factor mas importante del circuito siendo que el valor absoluto de
las resistencias no es relevante.
2.3.- DAC-08
VOLTAJE DE SALIDA UNIPOLAR
La corriente de salida del DAC 08, Isal, se convierte a un voltaje de salida, Vo,
mediante un amplificador operacional externo y una resistencia Rf. El voltaje de salida
tiene una resolución de:
Resolución=VrefRref×Rf×12n
y Vo se calcula con la expresión
Vo = resolución × D = IsalRf
VOLTAJE DE SALIDA
BIPOLAR
La versatilidad del DAC 08 se puede observar cuando se conecta de manera que con
el se obtenga un voltaje de salida analógico bipolar como respuesta a una palabra de
entrada digital, como se muestra en la figura. El amplificador operacional y dos
resistencias convierten la diferencia entre Isal e Isal en un voltaje Vo:
Vo= (Isal - Isal ) Rf
Isal impulsa a Vo a un valor positivo, en tanto que Isal lo impulsa a un valor negativo.
Si la palabra de entrada digital aumenta en 1 bit, Isal aumenta en 1 LSB. Por otra
parte, Isal debe, en consecuencia, disminuir en u1 LSB. Por lo tanto, la corriente de
salida diferencial cambia en 2 LSBs; es decir, es de esperarse que el rango del voltaje
de salida bipolar sea el doble del de una salida unipolar.
En la figura Vref se aumenta ligeramente, de manera que Iref aumenta a 2.048 mA. Lo
anterior provoca el aumento del valor de la corriente de 1 LSB a un valor de 8µA
uniforme. Mediante un ejemplo se mostrara como responde el voltaje de entrada a las
entradas digitales.
2.4.-COMPATIBILIDAD CON MICROPROCESADORES
PRINCIPIOS DE INTERFASE
El programador ve la dirección de(los) registro(s) del DAC, o cualquier otro registro de
los circuitos periféricos como una dirección en el espacio total de la memoria. Los
DAC tienen registros “solo de escritura”. Lo anterior significa que un DAC tiene un
registro al cual envía al microprocesador dígitos binarios a través del canal de datos.
Los registros del ADC son registros “solo de lectura”. Estos dispositivos tienen
registros
cuyo contenido puede “leer” el microprocesador a través del canal de datos. Tanto los
DAC como los ADC cuentan con una lógica que permite seleccionarlos a través del
canal de direcciones.
REGISTROS TEMPORALES DE MEMORIA
Los registros “solo de lectura” o “solo de escritura” tienen dos estados de operación:
transparente y de retención. Un registro que se encuentre desocupado siempre
recuerda (retiene) la ultima palabra digital que se haya escrito en el; es posible
desconectar este registro del canal de datos. Concretamente, existe la posibilidad de
que la interfaz entre el canal de datos y el registro este en el estado de la impedancia
Z alta, esencialmente, en circuito abierto.
Cuando un registro es transparente, este se encuentra conectado al canal de datos.
Por ejemplo, un registro de 8 bits de un DAC permitirá que sus 8 bits de datos, del D7
al D0, “lean” el dato digital, y/o 0 lógico, presentes en cada cable correspondiente al
canal de datos puesto ahí por el microprocesador.
EL PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN
Los registros de un DAC o de un ADC cuentan con una dirección, tal como sucede
con la memoria del microprocesador. Para escribir en un DAC determinado, el
microprocesador proporciona la dirección de dicho DAC en el canal de direcciones.
Una de las salidas de un decodificador local va a un nivel bajo con el que se habilita la
terminal de selección de circuito integrado, CS, del DAC seleccionado. Los registros
del DAC todavía no son transparentes. El DAC solo esta
seleccionado parcialmente.
Para seleccionar íntegramente el DAC, el microprocesador envía, por una línea, una
señal de nivel bajo a una terminal de habilitación de circuito integrado, CE. Esta línea
se controla mediante la línea lectura/escritura del microprocesador, también conocida
como MRW, MEMW o R/W. Cuando las terminales CS y CE tienen una señal baja,
solo un DAC puede comunicarse con el microprocesador. Su registro interno se
vuelve transparente y acepta los datos del canal de datos. El DAC inmediatamente
convierte estos datos digitales en un voltaje de salida analógico, Vo. Con esto se
completa la operación “solo de escritura”. Cuando CS o CE adquieren un valor alto, el
registro del DAC inicia el estado de retención y recuerda el ultimo dato escrito. Y, en
consecuencia, Vo se mantiene al valor del voltaje analógico equivalente.
El procedimiento para la selección de un ADC es similar. Es decir, el nivel de voltaje
presente en las líneas CS y CE del ADC de interés va a un nivel bajo. Hecho lo
anterior, el registro de salida del ADC esta en modo transparente y el microprocesador
puede “leer” su contenido a través del canal de datos.
2.5.- AD558
INTRODUCCION
En la figura se muestra un ejemplo de un convertidor D/A compatible con un
microprocesador de 8 bits. El AD558 puede funcionar de manera continua, o se puede
controlar con un microprocesador. Se complementa con un voltaje de referencia de
precisión en la misma tarjeta del circuito impreso, entradas digitales
de retención y terminales de selección. Cuenta también con un amplificador
operacional que sirve para obtener un voltaje de salida analógico programable a
través de una terminal y con el cual se obtienen rangos de salida de 0 a 2.56 V o de 0
a 10 V. Para estudiar el funcionamiento del AD558 se analizan las diversas funciones
que llevan a cabo sus terminales.
ALIMENTACION
En la figura, la terminal 11 es de la alimentación Vcc. Requiere como mínimo de +4.5
V y su rango máximo es de +16.5 V. Las terminales 12 y 13 son las tierras digital y
analógica, respectivamente. Lo anterior permite al usuario mantener tierras analógicas
y digitales independientes en todo el sistema y unirlas solo en un punto. Por lo
general, las terminales 12 y 13 están unidas y hay que conectar un capacitor de
desvío de 0.1 µF entre Vcc y la terminal 12 o 13.
ENTRADAS DIGITALES
Las terminales de la 1 a la 8 son las entradas digitales, de la D0 a la D7,
correspondiendo D0 al LSB y D7 al MSB. Son compatibles con TTL estándar o con
CMOS de bajo voltaje. El 1 lógico corresponde a 2.0 V como mínimo para obtener un
bit “1”. El 0 lógico es de 0.8 V como máximo para obtener un bit “0”.
Al seleccionar el AD558, las terminales de entrada digital conectan el canal de datos
con el registro de retención interno del AD558. A esta condición se le conoce como
transparente. Cuando no esta seleccionado, el registro de retención esta
desconectado del canal de datos y recuerda la ultima palabra escrita. A lacondición
anterior se le conoce como “retención”.
CIRCUITOS LOGICOS
El microprocesador ejecuta un comando de escritura en el canal de direcciones a
través de un decodificador de direcciones y una línea de escritura en las terminales de
control lógico 9 y 10 del AD558. A estas terminales se les conoce como de selección
de circuito integrado (CS) y de habilitación de circuito integrado (CE),
respectivamente.
Si en CS o en CE hay un “1”, las entradas digitales se encuentran en modo de
“retención”. Están desconectadas del canal de datos. Los circuitos de retención de la
entrada recuerdan la última palabra escrita por el microprocesador a través del canal
de datos. Si tanto CS como CE son “0”, las entradas del AD558 son “transparentes” y
conectan el registro de retención de la entrada con el canal de datos. Ahora el
procesador ya puede escribir datos en el DAC. Se lleva a cabo de inmediato la
conversión digital/analógica; la cual se ejecuta aproximadamente en 200ns.
SALIDA ANALOGICA
Como se muestra en la figura, el voltaje de salida analógica (Vo) aparece entre las
terminales 16 y 13 (tierra analógica). A la terminal 14 se le conoce como “selección”
(ganancia Vo). Se conecta con las terminales 15 y 16 para definir el rango de voltaje
de salida de 0 a 2.56 V, como se observa en la figura. El rango de salida analógica
real es de 0 a 2.55 V, o 10mV/bit para una entrada digital que va de 00000000 a
11111111. En la figura se muestra una conexión para un rango de salida de 0 a 10V.
El rango real va de 0 a 9.961 V o 38.9mV/bit (la fuente de alimentación de voltaje debe
exceder al valor máximo de Vo en 2 V como mínimo). Mediante la terminal de
detección 15 se detecta remotamente el voltaje de carga a fin de eliminar los efectos
de las caídas de IR cuando la longitud de la conexión con la carga es larga. También
se utiliza para reforzar la corriente , como en la figura.
CIRCUITO PARA PRUEBA DINAMICA
Mediante el circuito autónomo y unas cuantas componentes se puede probar
dinámicamente un AD558, sin necesidad de contar con un microprocesador. Las
terminales 9 y 10 del AD558 están conectadas a tierra. De esta manera, se conecta el
registro de entrada del AD558 (transparente) con un contador síncrono de 8 bits
mediante el cual se simula l canal de datos.
El circuito de prueba esta formado por tres circuitos integrados. Un temporizador 555
se conecta de manera que funcione como reloj de 1kHz. Este hace avanzar un
contador binario síncrono de 8 bits construido con dos CD4029. Las salidas del
contador se conectan con las entradas digitales del DAC. Se conecta un osciloscopio
(acoplado a cd) para observar Vo. Hay que enviar una señal de disparo externa a
partir del flanco negativo del MSB (terminal 8 del AD558 o terminal 2 del CD4029 de la
derecha de la figura). La forma de onda del voltaje analógico que aparece en Vo se
asemeja a una escalera.
Cada pulso del reloj avanza el contador una unidad de conteo e incrementa Vo en 10
mV. Es decir, cada
paso es de 10 mV y la “escalera” de salida consta de 256 escalones, que van de 0 a
2.55 V. Cada paso dura aproximadamente 1 ms. Es decir, cada 256 ms se genera la
forma de onda de toda la escalera. Las imperfecciones, alinealidades o cualquier
anormalidad resultan bastante evidentes. Si se desea, se puede cambiar el capacitor
CT a fin de producir frecuencias de reloj más rápidas o más lentas, como se indica en
la figura. Si bien es posible reducir al mínimo imperfecciones visibles, no es posible
eliminarlas totalmente. Sin embargo, existe la posibilidad de conectar en Vo un
amplificador de muestreo y retención o bien un amplificador de seguimiento y
retención. Este espera hasta que la imperfección se estabiliza, muestrea Vo y
conserva este valor correcto.
3. CONVERTIDORES ANALOGICO A DIGITAL
INTRODUCCIÓN
En el mundo real las señales analógicas varían constantemente, pueden variar
lentamente como la temperatura o muy rápidamente como una señal de audio. Lo que
sucede con las señales analógicas es que son muy difíciles de manipular, guardar y
después recuperar con exactitud.
Si esta información analógica se convierte a información digital, se podría
manipular sin problema. Y por eso las características fundamentales de un convertidor
AD son la precisión y la velocidad. Para poder de nuevo recuperar una señal
analógica despues de las operaciones lo mas exacto posible
Una conversión analógica-digital (CAD) (o ADC) consiste en la
transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar
su procesamiento (codificación, compresión, etc.) y hacer la señal resultante (la
digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las
señales analógicas.
Las principales características que podemos encontrar a la hora de seleccionar un
convertidor son las siguientes:
* Resolución.
* Linealidad.
* Precisión.
* Impedancia.
* Sensibilidad.
Sin embargo, cabe destacar otras no mencionadas:
* El error de cuantificación: Este aparece como consecuencia de que un convertidor la
continuidad de la señal analógica es dividida en una potencia de dos. De esta manera,
todos los valores analógicos dentro de un rango están representados por lo único
digital, normalmente asignado al valor medio del mismo.
* Tiempo de conversión: Es el tiempo requerido por el conversor para entregar la
palabra digital equivalente a la entrada analógica.
3.1.- TERMINOLOGIA
RESOLUCIÓN
Hay que definir con que exactitud será la conversión entre la señal analógica y la
digital, para lo cual se define la resolución que tendrá.
Primero se define el número máximo de bits de salida (la salida digital). Este dato
permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este
número máximo está dado por: 2n donde n es el número de bits.
También la resolución se entiende como el voltaje necesario (señal analógica) para
lograr que en la salida (señal
digital) haya un cambio del bit menos significativo.(LSB)
Para hallar la resolución se utiliza la fórmula: Resolución = ViFS/[2n - 1]
Donde:
- n = número de bits del ADC
- ViFS = es el voltaje que hay que poner a la entrada del convertidor para obtener una
conversión máxima (todas las salidas son "1")
Ejemplo
Si se tiene un convertidor analógico - digital (CAD) de 4 bits y el rango de voltaje de
entrada es de 0 a 15 voltios
Con n = 4 y ViFS = 15 Voltios
La resolución será = ViFS / [2n -1] = 15 / [24 - 1] =
15 / 15 = 1 voltio / variación en el bit menos significativo
Esto significa que un cambio de 1 voltio en la entrada, causará un cambio del bit
menos significativo (LSB) a la salida. En este caso este bit es D0. Ver la siguiente
tabla. De esta manera se construye una tabla de que muestra la conversión para este
ADC:
Entrada analógica | Salida digital de 4 bits |
Voltios | D3 | D2 | D1 | D0 |
Con su grafica entrada salida
Existen seis formas comunes de implementar un ADC electrónico:
* ADC de conversión directa o ADC Flash, tiene un comparador que lo enciende para
cada
rango de voltaje decodificado. El banco comparador introduce un circuito lógico que
genera un código para cada rango de voltaje. La conversión directa es muy rápida,
pero usualmente solamente tiene 8 bits de resolución (256 comparadores) o menos, y
necesita un circuito caro y grande. Los ADCs de este tipo son fisicamente grandes,
tienen una alta entrada de capacitancia, y son propensos a producir fallos en las
salidas (Al poner en las salidas un código fuera de secuencia). Hay muchos de estos
utilizados para señales de video u otras rápidas.
* ADC de Aproximación Sucesiva, utiliza un comparador para rechazar rangos de
voltajes, eventualmente establecidos en los rangos de voltaje final. Por ejemplo, la
primera comparación debe decidir cual bit más significativo de la salida, la siguiente
comparación decide el siguiente bit más significativo, etcétera. Esto también es
llamado conversión bit-weighting (Bit de mayor peso), y es similar a la búsqueda
binaria. Los ADCs de este tipo convierten muy rápido, y tienen buenas resoluciones y
rangos muy amplios y completos. Son más complejos que algunos de otros diseños.
* ADC Delta-Encoded (Codificación Delta), tiene un contador arriba abajo que provee
un convertidor digital analógico (DAC). Tanto la señal de entrada como el DAC ambos
van a un comparador. El comparador controla el contador. El circuito utiliza
retroalimentación negativa del comparador para ajustar el contador mientras la salida
del DAC está lo suficientemente
cerca de la entrada de la señal. El número es leído del contador. Los convertidores
Delta tienen rangos muy amplios, y una alta resolución, pero el tiempo de conversión
depende del nivel de la señal de entrada, por lo que siempre tendrá una garantía aún
en el peor de los casos. Los convertidores Delta son muchas veces buenas opciones
para leer señales del mundo real. Muchas señales de sistemas físicos no cambian
abruptamente. Algunos convertidores combinan las aproximación delta y la de
aproximación sucesiva, Esto trabaja bien con altas frecuencias que son conocidas
para ser pequeñas en magnitud.
* ADC Comparador de Tipo Rampa, (También llamado ADC Integrador, ADC Doble
rampa, o ADC Multi rampa). Produce una señal de tipo diente de sierra que se eleva,
luego rápidamente cae a cero. Cuando la pendiente inicia, el contador inicia a contar.
Cuando la pendiente encuentra la entrada, un comparador inicia, y el valor del timer
(temporizador) se almacena. Los convertidores de pendientes en tiempo requieren el
menor número de transistores. El tiempo de la rampa es sensible a la temperatura por
que el circuito que genera la rampa es muchas veces un oscilador simple. Hay dos
soluciones: Utilizar un contador de reloj para manejar el DAC y después utilizar el
comparador para preservar el valor del contador, o calibrar el tiempo de la rampa. Una
ventaja especial del sistema comparador de rampas es que compara una segunda
señal solo requiere otro comparador, y otro registro para
almacenar los valores de voltaje.
* ADC Pipeline (Tipo tubería), también llamado cuantizador de subrangos, utiliza dos o
más etapas de sub rangos. Primero, una conversión amplia es hecha. Como segundo
paso, la diferencia de la señal de entrada es determinada con un convertidor digital
analógico (DAC). La diferencia es el convertidor fijo, y los resultados son combinados
en un último paso. Este tipo de ADC es rápido, tiene una alta resolución y solo ocupa
un tamaño pequeño.
* ADC Sigma-Delta, muestrea la señal deseada con un factor grande y filtros
deseados de la banda de señal. Generalmente un número más pequeño de bits que
requiere y convierte utilizando un ADC tipo Flash después del filtro. La señal
resultante, junto con el error generado por la discretizacion de niveles del Flash, es el
resultado y substracción de la entrada al filtro. Esta retroalimentación negativa ha
afectado la forma ruido de error debido al Flash así que si no aparecen las señales de
frecuencias deseadas. Un filtro digital (Filtro de conversión digital) sigue el ADC que
reduce el tiempo de muestreo, los filtros apagan la señal de ruido no deseada e
incrementan la resolución de la salida.
3.2.- CONVERTIDOR TIPO INTEGRADOR
En los convertidores de rampa se convierte la tensión analógica de entrada en el
intervalo temporal que dura la descarga de un condensador, para luego convertir esta
magnitud en una salida digital. Este circuito es muy lento pero muy preciso; se utiliza
generalmente
en medidas lentas que requieran precisión, como por ejemplo en los multímetros
digitales.
FUNCIONAMIENTO
Veamos el funcionamiento para una entrada analógica unipolar, para Va>0 y -
Vref<0.
Inicialmente se pone el contador en modo decreciente con todas sus salidas a 1 y el
integrador se pone a cero (cortocircuitando el condensador mediante un circuito
adicional que se omite para mayor sencillez), y se conecta el interruptor S a la tensión
analógica que se va a convertir, Va. La salida de la puerta NOR es 0 y Q=1. La salida
del integrador es una rampa de ecuación:
Esta salida se mantiene hasta que todos los bits del contador hayan caído a cero,
según muestra la figura. Como la rampa es decreciente, la tensión diferencial en el AO
comparador es positiva, y su salida es un nivel alto, que habilita el paso de la señal de
reloj por la puerta AND. En consecuencia, esta rampa decreciente tiene siempre la
misma duración, T1=2NTclk, para cualquier tensión analógica a convertir.
La rampa descendente siempre dura lo mismo y determina el punto de comienzo de la
rampa ascendente. La duración de esta está relacionada con el valor analógico a
convertir
Cuando todas las salidas del contador son nulas (cuando ha finalizado la cuenta
decreciente) la salida de la puerta NOR se pone a 1 y Q=0; pasándose a integrar la
tensión de referencia, para cualquier tensión a convertir. La ecuación del integrador es
en este caso:
Esta rampa
creciente termina en el instante T2, cuando la salida del integrador es nula, la tensión
diferencial del comparador se anula y su salida pasa a cero, inhibiéndose el reloj. En
este instante:
Esto significa que el intervalo de tiempo T2-T1 es proporcional al periodo de reloj. La
constante de proporcionalidad es el número de impulsos o cuentas transcurridas hasta
que se anula la salida del integrador. Este número decimal permite obtener la palabra
digital al codificarlo en binario:
3.3.- CONVERTIDORES DE APROXIMACIONES SUCESIVAS
Es el más común en convertidores integrados cuando la exactitud requerida no es
determinante, ya que su diseño supone un equilibrio entre velocidad y complejidad. Se
caracteriza por incluir un registro de aproximaciones sucesivas (SAR; Sucesive
Approximation Register) que contiene las distintas aproximaciones de la palabra
digital. La figura 7 muestra el esquema interno de un CAD de aproximaciones
sucesivas de 8 bits. En ella se aprecia el SAR y la cadena de biestables tipo “D”,
encargados de propagar un “1” de forma cíclica, desde que D8 recibe el impulso de
disparo que inicializa la conversión.
El funcionamiento se ilustra convirtiendo a digital una tensión analógica de 3,7 V sobre
un fondo de escala en la entrada de 10 V. Inicialmente se pone a 1 el bit más
significativo,
Q7=1, manteniendo a cero el resto, y antes de llegar el impulso de disparo a D8, todos
los
flip-flop “D” ofrecen salida nula. Se convierte a analógica la palabra
digital resultante
(10000000) y se compara con la señal a convertir (3,7 V). Como la tensión equivalente
a la
palabra digital (5 V) es superior, la salida del comparador es un “1”; C7=1 como
resultado
de la propagación del “1” por la cadena D. Entonces Q7=0 y Q6=1; se convierte a
analógica
la palabra digital y así sucesivamente hasta que el “1” se ha propagado 8 veces por la
cadena D. La tabla 1 muestra el proceso completo de conversión en los 8 ciclos de
reloj que transcurren hasta el fin de conversión. Éste se suele anunciar por un terminal
dispuesto a tal efecto.
Este método de conversión es útil cuando la resolución no es un parámetro que limite
en exceso el diseño, ya que ofrece velocidad a bajo coste con resoluciones de 8, 10,
12, 14 y 16 bits. El tiempo de conversión resulta de multiplicar el número de bits más 1
por el periodo del reloj, que suele ser interno al circuito integrado, aunque existen
modelos que permiten emplear reloj externo. Esto se debe a que la palabra digital final
no pasa al registro de salida hasta el siguiente flanco de reloj, en el que también se
informa del fin de la conversión. Por ejemplo, para un periodo de reloj de 1ms, los
tiempos de conversión son de 9 ms y 13 ms para resoluciones de 8 y 12 bits,
respectivamente.
El proceso de conversión es propio de un circuito realimentado, en el que se compara
la señal a convertir con los distintos acercamientos de la palabra digital; por lo que a
veces se le denomina “convertidor con
realimentación”.
.
3.4.- CONVERTIDOR A/D DE COMPARADOR EN PARALELO O FLASH
El convertidor A/D flash o paralelo destaca por su elevada velocidad de
funcionamiento. Está formado por una cadena de divisores de tensión y
comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación.
Es el de más fácil compresión, Pertenece al grupo de convertidores de transformación
directa.
Una de sus desventajas son: es el elevado costo, el gran número de comparadores
necesarios para un número binario de tamaño razonable.
En la siguiente figura se muestra un diagrama de bloques general de un convertidor
tipo paralelo o flash.
Diagrama a bloques de un ADC tipo paralelo simple
Este convertidor consiste básicamente en un arreglo de 2n–1 comparadores e igual
número de referencias de tensión, donde n es el número de bits de la información
digital entregada por el convertidor. Estas referencias van conectadas a los terminales
de los comparadores dejando el otro terminal para la señal análoga de entrada. Las
salidas de los comparadores se pasan a una red codificadora para determinar la
palabra digital de salida.
Un convertidor A/D tipo paralelo puede hacer la conversión de una señal análoga a
una palabra digital en un ciclo de reloj. Durante el primer semiciclo la señal análoga es
cargada y comparada. En el segundo semiciclo, la red digital codifica la palabra
correspondiente y la almacena en un registro o buffer. La implementación de un
convertidor de alta velocidad
necesita de una gran área de silicio.
ADC flash de 3 bits
En la figura anterior tenemos un circuito de ejemplo del convertidor A/C tipo paralelo o
flash de 3 bits. Cuando la señal analógica de entrada Va exceda el voltaje (constante)
de cualquier comparador, éste reflejará en su salida dicho cambio con una palabra
digital.
3.5.- COMPATIBILIDAD CON MICROPROCESADORES
Para conectar un convertidor de datos a un microprocesador es necesario un latch
externo para construir un puerto de E/S. Pero debido a la gran demanda de la
necesidad de conectar los ADC´s a un microprocesador, en la actualidad hay ADC´s
construidos especialmente compatibles con microprocesadores. Sin embargo, hay
muchos microprocesadores que no cuentan con unos de estos convertidores
integrados, por lo que hay que agregarle a un dispositivo externo para llevar a cabo la
conversión analógica digital como inicialmente se había comentado.
El microprocesador ve un AD C simplemente como la dirección de un periférico “solo
de lectura” en el mapa de memoria del microprocesador. En la figura siguiente,
muestra el digrama de bloques de cómo el ADC debe contar con un registro temporal
de memoria de tres estados (memory buffer register, MBR). Cuando está desocupado,
el MBR contiene un código digital producido en la ultima conversión realizada por el
ADC. Además, el MBR se desconecta, del canal de datos.
Para poder ser compatible con los microprocesadores el convertidor análogo-digital
requiere de una lógica
de selección y de un registro interno.
Mediante el canal de direcciones y los decodificadores el microprocesador selecciona
un ADC de entre varios, para lo cual envía un nivel de voltaje bajo en la terminal de
selección de circuito integrado.
3.6.- ADC670
El AD670 es compatible con un microprocesador de 8 bits, es un convertidor análogo
– digital de aproximaciones sucesivas. Es un encapsulado de 20 terminales y se
compone de un amplificador de instrumentación delantera junto con un ADC, el
comparador, aproximación sucesiva registro (RAE), el voltaje de referencia y búffer de
salida todo integrado en un microchip. El convertidor analógico digital ADC670 es un
convertidor con en el cual se puede omitir incluir un microprocesador.
El AD670 operará en el sistema de suministro de +5 V. La etapa de entrada dispone la
diferencia de los insumos con excelente rechazo de modo común y permite la interfaz
directa a una variedad de transductores.
El dispositivo está configurado con las resistencias de entrada para permitir la
ampliación dos gamas de entrada: 0 mV a 255 mV (1 mV / LSB) y 0 a 2,55 (10 mV /
LSB).
El AD670 incorpora avanzado diseño de circuito y probada tecnología de
procesamiento.
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS MÁXIMAS
* VCC (Pin 20) a Tierra (Pin 10). . . . . . . . . . . 0 V to +7.5 V
* Entradas digitales (Pins 11–15). . . . . –0.5 V to VCC +0.5 V
* Salidas (digitales) (Pins 1–9) - Momentáneamente en corto con VCC o tierra.
* Entradas
análogas (Pins 16–19). . . . . . . . . –30 V to +30 V
* Potencia de disipación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 mW
* Rango de temperatura. . . . . . . . . . . . . –65°C to +150°C
RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO
* Mediante un nivel de las terminales CS, CE se selecciona al AD670. Lo que da
después dependerá del nivel de la terminal R/W.
* Si la terminal R/W tiene un nivel bajo, se lleva a cabo la conversión y se describe en
el registro. Las salidas tienen impedancia alta. Para efectuar la conversión se
necesitan 10µA.
* Si R/W tiene un nivel alto, la última conversión queda guardada en el registro y las
salidas son transparentes. No se hacen y mas conversiones. El microprocesador
ahora ya puede leer el contenido del registro a través del canal de datos.
* El nivel de la terminal de estado informa el microprocesador que está sucediendo en
el AD670. Estado = alta significa que se está llevando a cabo la conversión. Estado =
bajo indica el microprocesador que los datos son validos. El microprocesador puede
leer los datos del AD670 elegido poniendo un valor alto en R/W.
CONCLUSIONES
Esta investigación se trató diversos temas de mucha importancia en la electrónica
como son los convertidores voltaje-frecuencia, frecuencia-voltaje, analógico-digital y
digital analógico los cuales son muy utilizados.
Aprendimos las características principales de cada uno de ellos, de la misma manera
se vio su funcionamiento lo cual implicaba conocer las
ecuaciones de entrada-salida estos mismos, dando a conocer algunas de sus
aplicaciones más comunes.
También se vieron varios tipos de los mismos convertidores conociendo de sus
ventajas o desventajas, como son la velocidad de conversión, costos, complejidad,
precisión (resolución), error de cuantizacion, etc. Las cuales varias definiciones
relacionados con los convertidores que fueron comprendidas.
Y en el caso de los convertidores análogos-digitales y digital-análogos vimos las
características necesarias para ser compatibles con un microprocesador y dando
ejemplos de algunos de ellos lo que hace este tema de mayor importancia por la
necesidad del procesamiento de señales y datos los cuales cada día exigen una
mayor velocidad y precisión.
BIBLIOGRAFIA
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http://iie.fing.edu.uy/investigacion/grupos/microele//iberchip/pdf/34.pdf
http://www.exa.unicen.edu.ar/catedras/edigital/teorias/c11_conversores_ad-da.pdf
http://books.google.com.mx/books?
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microprocesadores+de+los+convertidores+analogos+digital&source=bl&ots
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