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ESCUELA POLITECNICA DEL EJRCITO SEDE - LATACUNGA
MATERIA:
Control digital
Tema
Conversores a/d y d/a
Carrera:
Ing. Mecatrnica
Nivel: 7 B
FECHA:
13-05-2015
alumnos:
Guamushig Jos Luis
Jerez miguel
Navas Joel
Pazmio esteban
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CAD DE ARRASTRE O SERVO CONVERTIDOR
Tambin llamados de tipo tracking, estos circuitos integrados
presentan tambin una configuracin con realimentacin.
Fig. 1 Servo convertidor o CAD de arrastre.
En ella se aprecia el contador ascendente-descendente, que
determina la aproximacin digital de la tensin analgica de entrada.
FUNCIONAMIENTO En principio se pone el contador a cero. El contador
se incrementa segn le llegan impulsos de reloj. La cuenta digital
se va convirtiendo en analgica en el CDA y es comparada con la
entrada. Mientras el resultado de la conversin D/A sea menor que la
entrada, el comparador ofrece salida de nivel alto y contina la
cuenta ascendente. Cuando la salida del CDA supera a la entrada, la
salida del comparador pasa a nivel bajo, la cuenta disminuye en una
unidad. Ahora la salida del comparador ser otra vez un nivel alto,
la cuenta aumenta una unidad, la salida del CDA supera a la entrada
y, as sucesivamente. Es decir, el circuito entra en un ciclo de
indecisin digital, oscilando la cuenta en 1, en torno al valor
correcto. Es decir, una vez la salida del CDA haya alcanzado a la
entrada, cualquier pequeo cambio que se produzca en sta es seguido
con rapidez por el circuito, contando o descontando; de ah la
analoga con el funcionamiento de un servosistema.
Fig. 2 Formas de onda del conversor de arrastre
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El tiempo de conversin aumenta proporcionalmente al nmero de
cuentas. Es decir, existe un compromiso entre resolucin y rapidez.
Sin embargo, para pequeas variaciones en la entrada, el circuito es
rpido; por ello suele emplearse como CAD de arrastre. La mxima
velocidad de la seal de entrada que puede seguir el circuito (SR;
Slew Rate) viene limitada por el periodo del reloj (Tclk) y
responde a la siguiente expresin: Caractersticas
Necesidad de un contador reversible No hay necesidad de seal de
borrado para conversin continua Tiempo de conversin pequeo para
pequeos cambios de la tensin de
entrada
CONVERSOR A/D CON CONTADORES
Usa el circuito ms sencillo de los conversores A/D y consta
de:
Fig. 3 Conversor A/D con contadores
Fig. 4 Forma de onda del conversor A/D con contadores
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FUNCIONAMIENTO
Este convertidor tiene dos inconvenientes:
Escasa velocidad. Tiempo de conversin variable.
El segundo inconveniente puede comprenderse fcilmente con la
ayuda de la siguiente figura, en la que se aprecia que el nmero de
impulsos de reloj (tiempo), precisos para alcanzar el valor Vi en
el conversor D/A depende del valor de Vi. Dicho tiempo de conversin
viene dado por la expresin:
El circuito decaptura ymantenimiento(S/H) muestrea laseal
analogica
El contador cuentalos impulsosprocedentes delreloj
El resultado setransforma en unaseal analogica atraves de una
D/Aproporcional alnumero deimpulsos
La seal analogicaingresa alcomparardor
Se compara laseal de entrada yla seal digitalconvertida
enanalogica
Al alcanzar la sealdigital convertida aanalogica el valorde la
seal deentrada elcomprarador oscilay se detiene elcontador.
El valor delcontador pasa a losbuffers y seconvierte en unaseal
digital.
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CONVERSOR ANLOGO DIGITAL PARALELO (FLASH) Es la arquitectura que
convierte seales analgicas a mayor velocidad y son muy adecuados
para aplicaciones que requieren un gran ancho de banda.
Fig. 5 Conversor Anlogo Digital Paralelo
FUNCIONAMIENTO Se compara la seal de tensin de referencia que se
obtiene mediante un divisor de tensin con una tensin de entrada
lgica, cuando esta ltima sobrepasa la tensin de referencia de un
determinado comparador se genera un nivel alto. Esta seal se
conecta a un encoder el cual la muestrea y la proyecta como una
seal binaria. Caractersticas:
La velocidad de procesamiento llega en algunos casos hasta 5 ns,
por lo cual son muy requeridos cuando se necesita altsimas
velocidades y su coste y consumo energtico no son relevantes.
Mientras ms bits se requieran comienza a perder precisin ya que
necesita 2 1 comparadores, donde n es el nmero de bits.
El tiempo de conversin se mantiene constante al aumentar la
resolucin, pero por la gran cantidad de elementos la resolucin se
ve limitada a unos 8 bits.
Estos tipos de conversores son muy utilizados en radares,
satlites, osciloscopios de muestreo, etc. Fuentes de error
Capacidad de carga a la entrada Debido a la gran cantidad de
comparadores conectados al voltaje de entrada se genera un
capacitor parsito que mientras ms grande sea limitar la velocidad
de nuestro conversor.
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Una manera de eliminar o reducir este capacitor se lo puede
realizar mediante el uso de una arquitectura de interpolacin. Ruido
de sustrato y ruido de alimentacin Para un Vref =2V y un
convertidor de 8 bits, 7.8mV de ruido son capaces de producir un
error de 1 bit menos significante. El ruido de alimentacin se puede
acoplar rpidamente por la circuitera o el substrato dando lugar a
errores. Una medida para reducir este problema es mediante la
incorporacin de relojes diferenciales. Tambin se puede hacer un
rutado de los cables en el chip Errores de tensin en la escalera de
resistencias Debido a las tolerancias y propiedades de cada
resistencia puede existir mayor cada de tensin en una u otra
resistencia por lo cual como medida preventiva se verifica que la
corriente en la escalera sea mucho mayor que la corriente de los
comparadores.
CONVERTIDORES DE APROXIMACIONES SUCESIVAS Es la arquitectura
comnmente utilizada para aplicaciones de media y alta
resolucin.
Fig. 6 Convertidor de aproximaciones sucesivas
FUNCIONAMIENTO Utiliza un algoritmo de bsqueda binaria, con lo
cual los circuitos internos trabajan a alta velocidad. Realiza
comparaciones tanto de manera ascendente como descendente hasta
llegar a un voltaje que entrega el convertidor digital anlogo casi
de manera estable.
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Fig. 7 Formas de onda del convertidor de aproximaciones
sucesivas
Caractersticas:
El tiempo de conversin aumenta linealmente con la resolucin. Por
cada bit que se tenga de resolucin los componentes utilizados
se
duplican. Tienen un bajo consumo de potencia. Tiene un buen
comportamiento frente al ruido.
Entre las aplicaciones se puede mencionar la adquisicin de
datos, instrumentos porttiles, control industrial, etc.
CONVERSORES A/D POR INTEGRACIN Conversor de rampa simple.- El
principio de funcionamiento de este conversor se basa en la
comparacin de la seal analgica de entrada con un circuito
integrador que genera una rampa de pendiente constante. Cuando la
rampa, que va incrementndose con el tiempo, alcanza a la seal
analgica de referencia, la integracin cesa. El circuito encargado
de generar la rampa es el que se muestra en la figura 1; la
pendiente de la rampa vara al modificar los valores de resistencia
y capacitancia de dicho circuito.
Fig. 8 Circuito generador de rampa
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Para la mejor comprensin del funcionamiento del conversor ADC de
rampa simple, es necesario analizar su esquema de componentes y
conexiones, el mismo que se muestra en la figura 8. El ciclo
empieza con el contador en estado de CLEAR y con la salida del
generador de rampa en 0V. Al ser la entrada analgica mayor que la
tensin de referencia, la salida del comparador proporciona un nivel
lgico alto, accin que habilita la seal del reloj para el contador y
a la vez arranca el generador de rampa. A medida que pasa en
tiempo, la seal de la rampa se incrementa y eventualmente llega a
igualar a la seal analgica. Cuando esto sucede, el comparador
entrega una salida lgica baja, lo que causa que la integracin se
resetee y que el reloj deje de recibir pulsos, quedndose as con su
cuenta retenida; la combinacin mostrada en la salida del contador
corresponde a la tensin analgica de entrada convertida a un valor
digital. Este valor se almacena en un retenedor y, al reiniciarse
la generacin rampa, el proceso se vuelve a repetir nuevamente. Este
tipo de conversin analgica a digital es aplicable cuando se desee
realizar una conversin de alta resolucin y alto rechazo al ruido,
pero a costo de una baja velocidad de conversin; debido a estas
caractersticas han sido utilizados extensivamente en aplicaciones
de instrumentacin de medida y sistemas de adquisicin de baja
velocidad. Otra ventaja de este mtodo es que, a diferencia de los
anteriores conversores (seguidor, rampa en escalera aproximaciones
sucesivas), no requiere un conversor D/A . Un inconveniente del
convertidor A/D de rampa simple es su dependencia de la linealidad
de la rampa, y en consecuencia, de la tolerancia de los componentes
que integran el circuito generador de rampa (condensador y
resistencia).
Fig. 9 Diagrama del conversor de rampa simple
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Como conclusin, este mtodo de conversin anloga-digital es
eficiente cuando se requiera un conversor de alta resolucin, bajo
consumo y buena relacin seal-ruido.
CONVERSOR ANALOGO DIGITAL POR TENSION - FRECUENCIA En este
conversor el voltaje continuo que ingresa en la entrada es
convertido en un conjunto de pulsos cuya frecuencia es proporcional
a la magnitud de voltaje de alimentacin. Los pulsos son contados
mediante un contador en un intervalo de tiempo, siendo mostrada al
final una representacin digital de voltaje. Otra configuracin en la
que se puede encontrar un conversor tensin-frecuencia utiliza un
oscilador lineal controlado por voltaje, denominado tambin VCO
FUNCIONAMIENTO. Un conversor tensin- frecuencia de baja frecuencia
y linealidad puede ser representado por un integrador y un
comparador pero en su forma simple. Al ingresar un voltaje en el
operacional con configuracin de integrador se
genera un voltaje de salida de rampa proporcional al voltaje
aplicado a este. El voltaje de rampa se aplica a un generador
monoestable el cual genera un pulso
de amplitud definido por el voltaje de entrada rampa, el cual es
realimentado.
Existen conversores de alta linealidad y precisin para diversos
intervalos de frecuencia como se muestra a continuacin: de 1-10
KHz, 10-100 KHz y 100KHz-1MHz.
Fig. 10 Conversor tensin frecuencia
En la figura se muestra la representacin de entrada en forma
triangular y a su salida una seal cuadrada en donde los tiempos de
subida y bajada son distintos con lo cual nos a un valor
proporcional de entre la tensin y su frecuencia.
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Fig. 11 Formas de onda de un conversor tensin frecuencia
Mediante la utilizacin de zener nos permite una mayor precisin
en la tensin de disparo con una buena linealidad y cuya precisin
esta expresada en en la relacin del RC presente en el
integrador.
Fig. 12 Conversor tensin frecuencia con buena linealidad.
La frecuencia de un tiempo de medicin generado por un generador
de impulsos puede ser demasiado elevad0. Por eso se reduce la
frecuencia en un divisor de frecuencia para poder regular la
duracin de los impulsos tao. ERRORES EN LOS CONVERTIDORES A/D El
error fundamental en una conversin es llamado error de cuantizacin.
Este se debido a la resolucin del convertidor y no puede ser menor
de LSB. Hay tres fuentes de error en una conversin A/D:
Ruido, Traslapamiento (Aliasing) y tiempo de apertura
El RUIDO: todas las seales tienen ruido, lo deseable es que el
valor de pico a pico del ruido sea menor que +- LSB. Esto significa
que debemos escoger la resolucin del convertidor apropiadamente o
reducir el ruido de la seal
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Fig. 13 Ruido
Traslapamiento (Aliasing): los errores debidos al traslapamiento
son difciles de cuantificar. Dependen de amplitud relativa de la
seal a frecuencias abajo y arriba de la frecuencia de Nyquist. El
diseo del sistema debe incluir un filtro paso bajo para atenuar las
frecuencias de la seal arriba de la frecuencia de Nyquist. Error de
tiempo de apertutra: un error significativo en un sistema
digitizador es debido a la variacin de la seal durante el tiempo de
apertura. Un buen diseo deber tener un incertidumbre, V, menor que
un bit menos significativo. El tiempo de apertura necesario para
reducir el error a +- LSB es:
Fig. 14 Tiempo de apertura
CONVERSORES D/A
Se llaman as a los sistemas que convierten seales digitales a
seales analgicas,
esto es una palabra digital a una tensin o corriente
continua.
CONVERSORES DIGITALES/ANALGICOS DE RESISTENCIAS PONDERADAS
Es el ms simple de los convertidores D/A. Construido a partir de
un circuito bsico
de resistencias en paralelo. Donde la corriente se aade en un
punto en comn, a
travs de una resistencia de carga, creando de ese modo una
salida analgica.
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Fig. 15 Conversores Digitales/Analgicos de Resistencias
Ponderadas
Los valores de la resistencia se incrementan en un factor de 2
para cada bit. Se
necesita de un voltaje de referencia estable.
Es necesario la utilizacion de conmutadores, uno por cada
bit.
El momento del despliegue de los datos el bit menos
significativo esta representado
por la resistencia de mayor valor, el siguiente por una de la
mitad del valor de la
primera y asi sucesivamente.
CONVERSOR D/A TIPO ESCALERA R-2R
Se dise el conversor D/A tipo escalera que involucra
resistencias de igual orden
de magnitud para cada dgito.
En este conversor cada llave conectada contribuye con una
corriente entregada al
amplificador operacional, tales contribuciones que poseen pesos
ponderados de
acuerdo con sus posiciones en el cdigo binario. La franja de
tolerancia baja es el
factor ms importante del circuito siendo que el valor absoluto
de las resistencias
no es relevante.
En cualquier nodo de la escalera, mirando tanto a derecha como a
izquierda o abajo,
la resistencia es de 2R. Por lo tanto la corriente se divide por
igual para izquierda,
derecha y para las direcciones de las llaves.
Considerando el nodo N-1 y suponiendo que el MSB est conectado,
la tensin en el
nodo ser Vref/3. Dado que la resistencia equivalente del
circuito es siempre 2R, la ganancia del amplificador operacional
(A= -R2/R1) ser de 3/2.
De esta manera la tensin entregada por el amplificador
operacional ser.
-
= (3) (
3
2) = (
2)
Similarmente si el segundo MSB est conectado, Va = Vref/4, para
el tercer MSB, Va
= Vref/8 y as siguiendo.
Fig. 16 Conversor D/A usando circuito escalera R-2R
La resistencia equivalente en cada nodo es 2R hacia cada lado.
Luego la corriente se
divide en dos partes iguales y con ello la informacin que porta.
As
= (3) (
3
2) = (
2)
Similarmente si el segundo MSB est conectado, Va = Vref/4, para
el tercer MSB, Va
= Vref/8 y as siguiendo.
Caracterizacin
Cubanizacin - Estticos - Dinmicos:
RESOLUCIN:
Entrada: Numero de bits de la palabra digital de entrada.
Salida: Incremento de la tensin en la salida motivado por dos
cdigos sucesivos a
la entrada
ESTTICOS:
Offset: Se puede cancelar
Ganancia: Se puede cancelar
Linealidad: Limita las prestaciones.
DINAMICOS:
Tiempo de establecimiento: Tiempo de respuesta a un cambio en la
entrada (1-
100s).
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BILBIOGRAFIA:
http://www.iuma.ulpgc.es/~armas/asignaturas/sel/contenido/adconv.pdf
http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/Instrumentacion%20II/Documentos/AD%20y%20DA.pdf
http://www.electronicafacil.net/tutoriales/convertidores-analogicos-digitales.php
http://www.info-ab.uclm.es/labelec/solar/Otros/Domotica(2005)/Principal/Conversor%20A-D.htm
http://www.ifent.org/lecciones/digitales/secuenciales/converta_d.htm
Circuitos Lgicos y Conversin de A/D y D/A, Arthur B. Williams,
Editorial McGraw-Hill, 1989.
http://www.dea.icai.upcomillas.es/romano/sp/sisper_adc.pdf
http://e-spacio.uned.es/fez/eserv/tesisuned:IngInd-Cquintans/Documento.pdf
http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/11237/fichero/PROYECTO+FIN+DE+CARRERA%252FCAPITULO02.pdf
Graa, Camilo Quintns. Estructuras avanzadas de convertidores
analgico-digital: Metodologas de diseo, simulacin y enseanza. Diss.
Universidad Nacional de Educacin a Distancia, 2008. Ogata,
Katsuhiko, and Jos Guillermo Aranda Prez. Sistemas de control en
tiempo discreto. Pearson educacin, 1996. Peter Bastian,
Electrotecnia, Ediciones AKAL, 2011
http://diec.cps.unizar.es/~tpollan/libro/Apuntes/digT5.pdf
https://profejuandotcom.files.wordpress.com/2014/02/24_adc.pdf
http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3/da-ad.pdf
http://www.exa.unicen.edu.ar/catedras/edigital/teorias/c11_conversores_ad-da.pdf
http://www.sites.upiicsa.ipn.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_proceso/POLILIBRO_ADQUISICION_DE_DATOS/POLILIBRO/UMD/umd%206/informacion/6.2.html
