Conversores Analógico – Digital y Digital - Analógico.
Simón Bedoya Valencia.Facultad Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad Del Cauca,
Popayán, Cauca, [email protected]
I. RESUMEN
En el siguiente trabajo investigativo se va a tatar el tema de los conversores tanto analógico – digital como digital – analógico, empleados en la actualidad.
Se llegara a mostrar y distinguir los diferentes tipos de conversores que existen, realizaremos el estudio de sus diagramas circuitales, como su funcionamiento interno, los DAC (conversor digital analógico) y los ADC (conversor analógico digital) son los dispositivos a tratar en la investigación, donde estos son una gran herramienta en la electrónica para la lectura y procesamiento de diferentes acciones, señales, etc.
II. INTRODUCCION
Los procesos acciones que se dan a menudo en el mundo son señales de tipo analógicas cuya variación es continua, donde su velocidad puede ser diferente como en el caso de las variaciones de un sistema de audio que son elevadas o lentas como la variación de temperatura, la mejor manera de poder describir los procesos analógicos es mediante números decimales y letras del alfabeto, donde estos para ser representados en las máquinas de hoy en día son dictadas o bajo un patrón binario.
No es sencillo guardar, manejar, comparar, calcular o recuperar datos de manera certera utilizando la tecnología análoga, a diferencia de las computadoras que pueden realizar esto de una manera muy eficaz, pero este manejo se realiza digitalmente, debido a esto surgió la necesidad de inventar o crear dispositivos conversores que nos ayudaran a poder vincular entre si a estos dos entornos el digital y el analógico, Para ellos se crearon los conversores analógicos a digital (ADC) para comunicar el entorno analógico con el entorno digital y de manera semejante se crearon los conversores digitales analógicos (DAC) que nos comunicaban el entorno digital con
el entorno analógico y de aquí empieza una gran revolución, unión y comunicación de estos dos entornos.
III. CONVERSORES DIGITAL – ANALOGICO (DAC)
Características:
El conversor DAC convierte las señales digitales en cantidades eléctricas analógicas relacionadas con las entradas de codificado digital. Los DAC realizan sus conversiones recibiendo los datos en forma paralela o serial. La opción de optar por utilizarlo de una u otra manera se basa en el uso final que se le va a dar, como por ejemplo en el proceso de control de válvulas en serie o en instrumentos de medida como los osciloscopios de almacenamiento digital se emplea la conversión de entrada en paralelo.
Los conversores DAC pueden entregar a la salida variación de corriente, voltaje o carga eléctrica esto es escogido por las preferencias del usuario, se tiene en cuenta que en la conversión a corriente se realiza con mayor velocidad que cuando la conversión se manifiesta en voltaje, todo esto recae en las características implícitas del amplificador operacional que se utiliza en el diseño.
Los conversores DAC tienen una características específicas que a continuación se explicaran de una manera más amplia, estas características nos ayudan a determinar si efectividad, su precisión para el uso en que se aplicaran, estas características son basadas en las especificaciones del fabricante, esto es vital para poder realizar la correcta elección del conversor.
Resolución: La resolución es la característica del conversor que nos da la diferenciación que nos ayuda a reconocer el aumento o la disminución en el número binario. Esta característica es dada por el fabricante.
Precisión: Esta propiedad de los conversores DAC se muestra en forma porcentual, esta corresponde a la variación que
se presenta en el puerto de salida del conversor, donde este es proporcional a la polarización aplicada al circuito, al aumentarla es mayor el error por escala.
Motonicidad: Los conversores DAC son monótonos si su salida aumenta a la vez que lo hace su entrada, es decir, un conversor DAC es monótono si no tiene pasos en retroceso.
Tiempo de establecimiento: Este tiempo es el tiempo en que demora el conversor DAC en tomar su valor máximo (cuando sus entradas están en ‘1’ lógicos), empezando desde cero, este valor oscila entre los 50 ns y los 10 us, como se mencionó anteriormente este tiempo puede varias si la salida se toma como variación de voltaje.
Offset: esta característica es la que nos da el error generado por la circuitería interna del dispositivo, ya que cuando ingresamos ceros en la entrada deberíamos esperar en la salida cero voltios, pero no es así, este pequeño voltaje es conocido como voltaje de offset, este problema se debe corregir para que no afecte los resultados obtenidos en la conversión.
Ahora veremos la composición en bloques del conversor DAC:
Tipos:
Para los conversores DAC, sus tipos están basados en diferentes combinaciones o formas de implementación de una red resistiva, podemos ver a continuación las diferentes implementaciones de estas redes en los conversores.
Red escalera R / 2R: Este tipo de conversor consta de un gran juego de resistencias donde estas ramas resistivas están conectadas a un amplificador operacional el cual está en una configuración sumadora, esta configuración nos da una amplia gama a la entrada no nos limita como el tipo de conversor con el arreglo en resistencias ponderadas binarias,
su funcionamiento se basa en la unión de estas entradas a un sistema digital con salida TTL donde cuando se presenta un ‘0’ lógico se toma como la usencia en esa rama entonces esta no aporta nada al sistema.
Podemos ver la configuración circuital del conversor DAC:
Para el montaje se usa una fuente de voltaje común, denominada como voltaje de referencia, y la función del número binario es cerrar los switches y habilitar el paso de corriente por las ramas asociadas a un ‘1’ lógico.
Resistencias de ponderación binaria: En esta configuración de las ramas resistivas se emplea menor número que en el circuito anterior, tienen un defecto que al incluir mayor cantidad de bits se complica su fabricación por la cuestión de la disponibilidad de las resistencias.A medida que se aumenta la cantidad de bits, las resistencias aumentan su valor conforma a los bits a necesitar, al aumentar la cantidad de bits empezamos a tener una menor variación de voltaje o corriente, como ya sabemos por el funcionamiento de la configuración anterior el amplificador operacional está en configuración sumador, así que el voltaje de salida depende de la suma de los voltajes presentes en las ramas.Podemos ver en la siguiente imagen la configuración de este tipo de conversor DAC:
IV. CONVERSOR ANALOGICO – DIGITAL (ADC)
Características:
Los conversores ADC son dispositivos que convierten los niveles de tensión analógica en una combinación binaria correspondiente, si tenesmo n bits tendremos 2n niveles de tensión diferentes. Todo conversor ADC debe tener como fin que la combinación o el conjunto de bits obtenidos sea lo más aproximado a los valores analógicos correspondientes. Hay diferentes tipos de conversores ADC los más utilizados son: Rampa de escalera, Aproximaciones sucesivas, Paralelo (flash), Doble rampa, Voltaje a Frecuencia, Tipo serie.Una característica que tiene muchos conversores ADC es que dentro de ellos implementan conversores DAC. Además del conversor se requiere un reloj para realizar la función y una señal de arranque llamada START o comando de inicio. Acá podemos ver la composición de un conversor ADC:
a. Se envía un pulso indicando el inicio de la conversión, este se envía a la unidad de control.b. A una frecuencia establecida por el reloj interno, el registro empieza aumentar su valor en
una unidad o bit.c. El conversor D/A asociado al ADC traduce el número del registro en una variable circuital
(voltaje o corriente).d. Ese valor arrojado por el conversor D/A es comparado por el A.O con la entrada analógica
que inicialmente se quiere convertir, y arroja ‘1’ mientras el valor del registro sea menor que la entrada.
e. Cuando el valor del DAC es mayor, por una cantidad no más grande que el voltaje de umbral, el comparador arroja un ‘0’ y la conversión se da por terminada.
La variación en el anterior esquema se presenta en que difiere principalmente en el área de control, cambiando por medio del valor alojado en registro, de lo contrario será igual.
Tipos:
Conversor de Rampa: El esquema básico de este conversor es el mismo que se describió anteriormente como el general de los conversores. La diferencia radica en el módulo de control, para este tipo de conversor se hace uso de una compuerta AND como núcleo del control. Una de sus entradas el voltaje que se desea convertir, la otra es la señal de reloj y por último, la tercera señal corresponde a la señal de START negada, que a su vez va conectada al RESET del contador.El funcionamiento es esencialmente el mismo, se genera un pulso de arranque o de START que habilita los pulsos de reloj provenientes de la compuerta AND y a su vez borra el valor actual del contador, por lo que la salida del DAC será igual a cero voltios y por consiguiente menor que la entrada. Los pulsos de reloj aumentan de a uno el valor alojado en el contador, y este es comparado con la entrada, hasta que alcanza un valor mayor o igual al voltaje analógico de entrada (normalmente difieren en 10 a 100µv) y por consiguiente el comparador envía un ‘0’ a la compuerta AND, así que se mantiene el valor de la conversión hasta que haya un nuevo pulso de START.Se le denomina conversor de rampa digital o escalera debido a la onda de salida que genera el DAC. La desventaja de este ADC es el tiempo que requiere para la conversión, pues si queremos aumentar sus bits de resolución tendremos que duplicar el tiempo de conversión, además que el tiempo total para una conversión cualquiera depende directamente del valor analógico a convertir. Cuando hablamos de este tiempo de conversión, nos referimos al tiempo que le tomaría al conversor llegar a su número más alto, el valor más cercano a toda la escala. Este valor
está dado por 2n – 1 ciclos de reloj. Por otra parte, este conversor es muy usado por su sencillez y su relativo fácil uso. Es usado en aplicaciones de baja velocidad y que no requieren mucha precisión.
Conversor Paralelo: También conocido como conversor FLASH, es el conversor más rápido disponible hasta el momento. Su circuitería interna es más complicada y requiere muchos más componentes que sus predecesores, pero en cambio nos recompensa con una velocidad muchísimo mayor.A diferencia de los conversores anteriores este no necesita DAC, ni tampoco señal de reloj. Su funcionamiento radica en una serie de comparadores analógicos a diferentes voltajes de referencia, que van conectados a un codificador de prioridad como vemos en el circuito siguiente.
Como vemos se usan resistencias de diferente valor para establecer los diferentes voltajes de referencia, pero se mantiene una escala constante entre todos ellos, en este caso 1V. Estos valores de referencia van conectados a una entrada del comparador analógico, y el otro terminal es común entre todos y va conectado a la entrada analógica que se desea convertir. Cuando llega un valor de voltaje a convertir este es comparado por los comparadores analógicos, para así saber en qué rango se encuentra. Si suponemos un voltaje de 3,5V y usamos el circuito visto arriba, vemos que la en la salida C1, C2, C3 se reflejara un ‘1’ lógico pues sus voltajes de referencia (1V, 2V y 3V respectivamente) son todos menores que la entrada analógica, así que la salida del codificador (A, B, C) será el numero binario ‘011’ que será el equivalente digital de la señal que entro en ese instante.
Como vemos el conversor no tiene una señal de START, y es poco más que lógico si consideramos que no genera ningún retardo por búsqueda de valores como los conversores anteriores, los únicos retardos con los que se cuentan son los generados por los comparadores, pero estos en términos prácticos no exceden los 20ns, que podemos considerarlo casi instantáneo.
Actualmente se fabrican estos conversores en versiones de 8 y 10 bits, esto debido a su cantidad de componentes, pues dependiendo de la resolución un conversor de este tipo necesita 2n – 1 comparadores (el menos uno es debido a que el voltaje 0 no necesita comparador), uno por cada nivel de voltaje de referencia usado. Esto además hace que estos conversores sean mucho más caros, a pesar de eso son los conversores más usados hoy en día.
Conversor de doble rampa o doble pendiente: Este tipo de conversor es uno de los más lentos en el mercado, con una tasa de muestre significativamente lenta (10 a 100ms), pero la precisión en las conversiones que genera es una gran ventaja, puede llegar incluso a 20 bits de resolución. Además de esto su costo es relativamente bajo, esto ya que no utiliza un DAC ni un codificador.
Su funcionamiento se hace mediante un circuito integrador como veremos en la figura a continuación.
El funcionamiento del conversor radica en los tiempos de carga y descarga brindados por el condensador, esto usando una corriente constante. Primero el condensador se carga hacia el valor de Vin (entrada analógica) con una velocidad establecida por el valor de R y C usados en el integrador, luego de un tiempo de muestreo constante se descarga el condensador por medio de la fuente de precisión que nos entrega el Vref (Voltaje de referencia). Estos tiempo de carga y descarga del condensador con registrados por el paralelo que esta con el condensador, y esto entra en la lógica de control, más exactamente en un contador alojado allí, para llevar a cabo el resto de la conversión.Debido a su baja sensibilidad al ruido, bajo costo y relativa precisión este ADC es usado ampliamente en el desarrollo de voltímetros digitales. Por la naturaleza del integrador, la salida del primer A.O son un par de rampas.
Conversor de Voltaje a Frecuencia: Para el funcionamiento de este conversor es necesario el uso de un VCO (Oscilador Lineal Controlado por Voltaje). El funcionamiento de este dispositivo es convertir una amplitud dada de voltaje en una serie de pulsos, cuya frecuencia es proporcional al valor del voltaje de entrada. Su diagrama de bloques es el siguiente.
Para este conversor primero se hace uso de un circuito integrador, el cual entrega una rampa, y cuya pendiente es proporcional a la amplitud del voltaje inicialmente aplicado. Esta rampa entra en el VCO que genera unos pulsos de frecuencia proporcional a la pendiente de la rampa, una vez se terminan los pulsos del VCO, se aterriza el condensador para descargarlo completamente, y estos pulsos son enviados a un contador. Una vez en el contador, este cuenta el número de pulsos que recibe en un tiempo determinado y constante, por lo que el número que registre seria en definitiva su conversión digital.
A pesar de la sencillez de este método, resulta difícil obtener una alta resolución o exactitud, pues el diseño de un VCO cuya precisión sea mayor al 0.1% es bastante complicado.El uso de estos conversores se da en ambientes industriales de alto ruido, pues por la naturaleza de los componentes, este es bastante inmune al ruido blanco. Normalmente se usa para enviar el valor registrado por un transductor a una computadora que se encuentra en zonas altamente ruidosas. Sus frecuencias típicas de uso oscilan entre los 10Khz y 1Mhz.
Conversor por aproximaciones sucesivas: Este conversor es uno de los más usados, por su combinación de velocidad, precio y resolución. La diferencia más significativa de este conversor frente al conversor anterior (rampa digital) es la velocidad, para este ADC el tiempo de conversión para cualquier valor es igual, quiere decir que no depende del valor a convertir.El funcionamiento de este conversor involucra un registro, y no un contador, aprovechando esto la lógica de control puede manipular bit a bit el valor alojado allí. Cuando se envía el pulso de START la lógica de control pone en ‘1’ el MSB y lo compara con la entrada analógica a convertir, si esta es mayor pone el MSB en ‘0’ nuevamente, hecho esto pasa al siguiente bit, este es inicializado en ‘1’ y comparado nuevamente con la salida analógica, si esta es menor dicho bit se deja en ‘1’ y continuamos con los bits siguientes hasta acabar con la conversión.Debido a la naturaleza de este conversor, el valor arrojado por la conversión siempre es menor que el valor real, además el tiempo de conversión para cualquier valor es constante (N ciclos de reloj), y si se aumenta un bit de resolución, su tiempo no se duplica como en el caso anterior. En promedio estos conversores les toma unas decenas de microsegundo realizar la conversión. Los más usados son los conversores de 8 y 12 bits.
V. APLICACIONES:
DCP (DIGITALLY CONTROLLED POT): Un conversor DAC multiplicativo puede utilizarse como potenciómetro digital, el cual puede ser controlado por un microprocesador.
Se observa que la salida es
Vo=−D2nV ref
Por lo que la tensión de salida es proporcional a D.
RESISTENCIA PROGRAMABLE: Por último se comentará la inclusión de un DAC en un circuito con el fin de implementar una resistencia controlada digitalmente.
Para calcular la resistencia vista, se necesita el cociente Vin/Iin. Por simetría:
V 1=V ¿−DV ¿
2=V ¿( 1−D
2 )En el amplificador en configuración no inversora, se cumple:
V 2=2V 1=V ¿ (1−D )
Luego,
V ¿−V 2=Rx I ¿⇒V ¿−V ¿ (1−D )=Rx I ¿
Entonces:
V ¿
I ¿=RxD
Por lo tanto, el valor de la resistencia vista depende inversamente de D.
Esta configuración permite un control lineal de la resistencia mediante un conversor multiplicativo de 14 bits (AD7538). Las aplicaciones de este circuito incluyen generación de resistores de valores precisos, multivibradores monoestables y cargas de voltaje controlado.
OSCILOSCOPIO DE ALMACENAMIENTO DIGITAL (DSO)
El DSO emplea ambos tipos de dispositivos (D/A-A/D) para digitalizar, almacenar y presentar formas de onda analógicas en la pantalla. Un DSO tiene muchas ventajas sobre el osciloscopio de almacenamiento convencional (CSO). El cual guarda la imagen de forma de onda como cargas eléctricas sobre una malla que se encuentra entre el cañón de electrones del CRT y el recubrimiento del fosforo de la pantalla.
Todo el funcionamiento del aparato está controlado y sincronizado por los circuitos que se encuentran dentro del bloque de control, el cual generalmente contiene un microprocesador que ejecuta un programa almacenado en ROM (memoria solo de lectura). La parte de adquisición de datos del sistema contiene un muestreador/retenedor (S/H) y un ADC que de manera repetitiva muestra y digitaliza la señal de entrada con una frecuencia que está determinada por el RELOJ DE MUESTREO; asimismo, esta parte envía los datos digitalizados hacia la memoria para su almacenamiento. El bloque de CONTROL asegura que los datos correspondientes a los puntos muestreados de manera sucesiva se almacenen también en localidades sucesivas de la memoria. Lo anterior se logra mediante la actualización continua del CONTADOR DE DIRECCIONES DE LA MEMORIA.
Cuando la memoria está llena, el siguiente dato proviene del ADC se guarda en la primera localidad de memoria, reemplazado el dato que originalmente que este contenía y así sucesivamente para los demás puntos. Este proceso de adquisición y almacenamiento continuo hasta que el bloqueo de CONTROL recibe una señal de disparo proveniente ya sea de la forma de onda de entrada (disparo INTERNO) o de una fuente externa (disparo EXTERNO). Cuando se presenta la señal de disparo, el sistema deja de adquirir más datos y cambia al modo de visualización. De este modo se presente en la pantalla CRT, de manera repetitiva, todo o parte del contenido de la memoria.
La operación de visualización emplea dos DACs para generar los voltajes de deflexión vertical y horizontal para el CRT. Los datos que provienen de la memoria producen la deflexión vertical del haz de electrones; el CONTADOR DE BASE DE TIEMPO genera la deflexión horizontal en forma de una señal de barrido escalonada. El bloque CONTROL sincroniza la operación de visualización en la pantalla mediante el incremente, al mismo tiempo, del CONTADOR DE DIRECIONES de memoria y del CONTADOR DE BASE DE
TIEMPO. Así cada cambio de posición horizontal del haz de electrones está acompañado por un nuevo dato proveniente de la memoria que va hacia el DAC vertical. Los contadores repiten esta secuencia una y otra vez; al hacerlo, los datos almacenados en la memoria aparecen de manera repetitiva sobre la pantalla del CRT.
Voltímetro Digital: Un voltímetro digital mide y representa una señal analógica de voltaje con su equivalente en código binario, que después se codifica y se muestra en algún display.
Como vemos en la figura anterior, para este voltímetro se usa el ADC de rampa digital o en escalera. El proceso comienza cuando la señal analógica a medir entra en el puerto no inversor del comparador analógico, lo que genera un ‘1’ lógico a la salida de este y por consiguiente habilita la compuerta AND y conecta los pulsos de reloj a los contadores, el valor hecho por los contadores es convertido en analógico y comparado con el valor de la entrada analógica, si este es mayor o igual la salida de este AO es un ‘0’, lo que desconecta los pulsos de reloj y da por finalizada la conversión.
Los bloques superiores convierten el número binario a 7 segmentos para que el usuario vea el valor en codificación digital del valor que está midiendo. Y por último los flip-flop de la parte inferior tienen como función resetear el valor alojado en los contadores BCD.
Detector de temperatura: Este detector posee unos niveles de temperatura establecidos a los cuales enciende unos leds para informar en que rango de temperatura se encuentra el ambiente.
Como vemos el detector posee un conversor flash o paralelo para realizar la conversión en tiempo real, lo que indica que se puede usar para ambientes con temperaturas variables constantemente.
En cuanto al funcionamiento sabemos que como interactúa con una variable física del mundo real requiere de un transductor para convertir dicha variable en voltaje, y a continuación se encuentran los divisores de tensión característicos de los conversores flash, todos con resistencias iguales, hecho esto solo se debe leer el numero binario con los leds, o ver el margen de temperatura actual.
VI. BIOGRAFIA Y WEBGRAFIA.
[1]. Sistemas Digitales Principios y Aplicaciones. Ronald Tocci, 8° Edición, Capitulo 10 “Interfaz con el mundo analógico”.[2]. Conversores analógico / digital. Dr. Ing. Ariel Lutenberg. Laboratorio de sistemas embebidos. Universidad de Buenos Aires.http://laboratorios.fi.uba.ar/lse/seminario/material-2012/Sistemas_Embebidos-2012_1erC-Conversores_ADC-DAC-Lutenberg.pdf[3].Conversores D/A y A/D. Ing. Raúl Rengel Estevez. Departamento de Electrónica. Universidad de Valladolid.http://ocw.usal.es/eduCommons/ensenanzas-tecnicas/electronica/contenido/electronica/Tema12_convers_AD_DA.pdf[4]. Conversores Análogo – Digital y Digital – Analógico Conceptos Básicos. Juan Ignacio. Universidad de la Frontera. Chile.http://quidel.inele.ufro.cl/~jhuircan/PDF_CTOSII/ad03.pdf[5]. Convertidores Digital Analógico y Analógico Digital. Circuitos Electrónicos e Instrumentación. Universidad de Sonora. México.http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/Instrumentacion%20II/Documentos/AD%20y%20DA.pdf
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