Conversión analógico-digital

Transcripción

1 Diapositiva Conversión analógico-digital Hasta ahora hemos tratado principalmente señales continuas (analógicas), pero hoy en día, tanto en computación como en medición se usan principalmente sistemas digitales. Por ello, necesitamos algún modo de tomar la señal analógica y digitalizarla. señal reloj ADC entrada } Q 3 Q 2 Q Q 6.7 Semiconductores Para digitalizar una señal se necesita una base de tiempo y un convertidor A/D que proporcione una aproximación digital de la señal original. Esta aproximación digital se registra en N - bits (4 en este caso) y la variación se puede registrar con una exactitud de parte en 2^N, como máximo. La base de tiempo determina cuánto se tarda en muestrear la forma de onda y varía más con tipo de convertidor A/D. Se puede obtener una exactitud de 24 bits y frecuencias de GHz, pero no de manera simultanea. En general, cuanto mayor es le número de bits, más lento funciona el dispositivo. El bit más significativo (BMS) es el que registra la variación de voltaje más alta y el bit menos significativo (BMS) registra la menor variación de voltaje.

2 Diapositiva 2 Conversión analógico-digital (cont.) Posiblemente, la conversión A/D más fácil de comprender es la conversión rápida. Utiliza un conjunto de comparadores analógicos muy similar a lo hemos visto en la clase sobre amplificadores operacionales. 5V alto bajo codificador de octal a binario 48 Q 2 Q Q datos de retención bajos retención permitir 75 Q 2 Q Q 6.7 Semiconductores 2 El digitalizador rápido se usa sólo en contadas ocasiones, pero es el más sencillo de entenderd. Consiste sólo en una serie de comparadores y la salida simplemente indica en qué gama de voltaje aparece la entrada. El truco está en tener un conjunto de resistencias precisas para que haya una escala de voltajes bien definida. La salida de los comparadores tiene que convertirse a un número binario y almacenarse temporalmente hasta que lo lea una computadora. En próximas clases se tratará el cambio del código.

3 Diapositiva Semiconductores 3 Tabla de convertidor rápido OA 7 OA 6 OA 5 OA 4 OA 3 OA 2 OA OA < >4.375 Esta tabla ilustra en mayor detalle las salidas como funciones del voltage de entrada. Nótese que la única información es Cuál es el bit más significativo en este conjunto?.

4 Diapositiva 4 Convertidor rápido (cont.) Ventaja de la alta velocidad Sin embargo, muchos comparadores de 8 bits precisan amplificadores operacionales 255 en un chip gran disipación de potencia Ejemplo: Datel ADC-28 solo 5ns o 2,. de muestras por segundo Los convertidores rápidos se usan más a menudo con muestreo y retención y desmultiplicación de impulsos Dispositivos analógicos AD733A 5ns con sólo amplificadores operacionales Semiconductores 4 Este es el mejor dispositivo si se quiere ir muy rápido posible y no importa ni el consumo ni los costes.

5 Diapositiva 5 Convertidor D/A La mayoría de los convertidores A/D incluyen también un comparador V ref f MSB LSB Semiconductores 5 Para comprender como funcionan la mayoría de los convertidores A/D útiles, primero hay que considerar el problema opuesto de cómo tomar una palabra digital y convertirla en una señal analógica Esto se puede hacer fácilmente con un solo paso, usando también una red en cascada de ressitencias, que servirá para crear un divisor de voltaje. ecuérdese que la importancia de una señal que entra en una amplificador operacional depende de la impedancia del generador (lo que importa es la corriente que entra). Así, estableciendo los conmutadores determinamos la importacia de cada etapa. Por supuesto, los conmutadores están controlados por la lógica y son, sobre todo, algún tipo de FET.

6 Diapositiva 6 Convertidor D/A (cont.) Series La corriente se divide en dos trayectorias hacia cada nodo. ecuérdese que la salida del amplificador operacional es proporcional a la corriente. 6.7 Semiconductores 6 Esta red en cascada tiene la propiedad de parecer siempre un divisor por dos, lo que resulta muy útil, ya que estamos usando un código binario.

7 Diapositiva 7 Convertidor D/A (cont.) La corriente total que fluye al amplificador operacional es I total = S N + S N 2 + S N 2 4 +L+ S V ref 2 N 2 S conmutador para el bit menos significativo S N conmutador para el bit más significativo. Sustituyamos la escala por. 2 N 2 N I total = [ S N 2 N + S N 2 N 2 + S N 2 2 N 3 +L+ S ] V ref 2 N econocemos que S N S corresponde simplemente a la representación binaria de V ref. 6.7 Semiconductores 7 Dada una cascada de redes divididas por dos, la opción más clara es un código binario de información

8 Diapositiva 8 Problema Demuéstrese que si se desea medir una corriente más que un voltaje C LSB 2 2 MSB f aquí hay que diseñar un sistema en el que la red de resistencias no hace caer el generador de corriente (la impedancia del generador tiene que ser alta en compración con la carga). 6.7 Semiconductores 8

9 Diapositiva 9 Conversión A/D mediante aproximaciones sucesivas D a A lógica de control borrar registro establecer MSB = comparar < > puesta a alcanzado LSB Sí completado establecer siguiente bit = 6.7Semiconductores 9 Un enfoque más antiguo sobre la conversión A/D es por aproximacines sucesivas, empezando por el bit más significativo y bajando hasta el menos significativo. El comparador sólo informa de si la aproximación es demasiado alta. Esto se puede considerar como un bucle de retroalimentación que busca su punto de operación pero que en realidad no se encontrará nunca, porque la aproximación no es igual a Vin.

10 Diapositiva Convertidor A/D de rampa continua D/A contador abajo arriba reloj control Si V + > V - ( ), luego V out es alto y contamos hacia abajo. Si V + < V - ( ), luego V out es alto y contamos hacia arriba. Cuanto más cerca de, más lento va el reloj; mejor es la aproximación. 6.7 Semiconductores El A/D de rampa continua funciona mediante la salida de un comparador que conduce la dirección del contador. El contador produce una palabra digital que el D/A convierte a V+. La señal de control establece la frecuencia de reloj para que el contador rebote adelante y atrás entorno al binario de Vin y el reloj se frena para obtener una mejor representación. La característica del A/D de rampa continua que más nos beneficia es que seguirá a un blanco móvil.

11 Diapositiva Conversor carga-balance ma C monoestable -.6V Con fijado la integración genera una cascada negativa. V C = C dt V C es igual a V - del comparador, por tanto, cuando V - < -.6V, la salida del comparador sube y actúa el monoestable. El monoestable activa el generador de corriente que que extrae la corriente del condensador. q = ma τ monoestable. El proceso completo se repite y el sistema se mantiene equilibrado si V f = in frecuencia de pulso I S τ one shot 6.7 Semiconductores El diseño del equilibrio de carga es el más frecuente para dispositivos lentos y de bajo precio (pero puede ser muy exacto). La idea consiste en controlar o cargar un condensador mediante la señal integrada Vi Se usa para activar un monoestable que envíe un breve impulso activador a un generador de corriente determinado. La frecuencia del generador de corriente cancelará la acumulación de carga en el acumulador debida al integrador, y por tanto la frecuencia proporciona una medida del voltaje de entrada. La frecuencia se mide con un contador que no aparece en el diagrama.

12 Diapositiva 2 Convertidor de doble pendiente (+) (-) V ref control V C reloj tiempo contador n.º de ciclos de reloj arriba y abajo pendiente: C pendiente: V ref C = n ref V ref ; exactitud es = V ref ; n in n in 6.7 Semiconductores 2 El convertidor A/D de doble pendiente no es más que una versión del dispositivo de equilibrio de carga, pero aquí la referencia cuenta hacia atrás y la entrada hacia delante (por supuesto, el conmutador es un FET). Midiendo la escala de las pendientes se puede aproximar el voltaje de entrada, estando relacionada la amplitud con el número de cicloscontados para la medida.

13 Diapositiva 3 Muestreo y retención Objetivos: muestrear y almacenar un voltaje el tiempo suficiente para realizar repetidas mediciones (comparaciones con). Durante el muestreo: ganancia unitaria; ritmo limitado suficientemente alto. Muestreo y retención: hay un transitorio antes de poder realizar una buena medición (5 ns) etención: evitar la disminución V = I fuga C t C es en pf (respuesta rápida) e I fuga en pa (tecnología MOSFET) V es en V t Alimentación directa: una pequeña parte de la entrada se pierde a través aunque el dispositivo esté en estado de retención. 6.7 Semiconductores 3

14 Diapositiva 4 Circuitos de muestreo y retención V out C C V out mejor para frecuencias bajas C V out 6.7 Semiconductores 4 Tres versiones de circuitos de muestreo y retención. Los dos primeros se parecen a los que ya hemos visto, seguidores de tensión intermedios que separan un condensador de almacenamiento. El tercero tiene un condensador de almacenamiento en el bucle de retroalimentación.

15 Diapositiva 5 Circuitos de muestreo y retención (cont.) C 2 V out V + = V - = V out 2 V out2 = V +2 =gnd V -2 = V out + V out2 -V C V + out V out2 -V C = V out = = V C C V out 6.7 Semiconductores 5 Análisis sencillo de un circuito de muestreo y retención con condensador de almacenamiento en el bucle de retroalimentación. Nótese que la salida tiene que ir a una alta carga de impedancia.

16 Diapositiva 6 Ficha técnica n.º del TC Semiconductores 6

17 Diapositiva 7 Ficha técnica n.º 2 del TC Semiconductores 7