Instrumentación Electrónica

Transcripción

1 Práctica de Laboratorio Práctica 6 Conversión Digital-Analógica

2 Práctica de laboratorio Instrumentación electrónica Conversión Digital-Analógica En la práctica de hoy vamos a hacer una conversión de una señal digital en una magnitud analógica. Para ello procederemos, en primer lugar, a generar esa señal digital, después aplicaremos la conversión, de la que obtendremos una corriente, y, como final, como no nos gusta trabajar con corrientes, convertimos esta magnitud en tensión, para poder acondicionarla y tenerla como nos parezca más cómodo utilizarla. Uno Generación de una señal digital. Para poder comprobar que la conversión se lleva a cabo de forma correcta, esta señal debe ser variable, con una cadencia que podamos reconocer y predecir, para poder identificar los resultados como correctos o falsos. Una forma de conseguir una señal con estas características es usar una onda cuadrada, con el generador de señales, y conectarla en la entrada de un contador, cuya salida será un dato digital variable, pero perfectamente predecible. Figura 1. HEF4520B: doble contador de 4 bits. Extraemos del generador de señal una onda cuadrada de 17 khz, que inyectamos en la entrada del C.I. HEF4520B, que contiene dos contadores de 4 bits y que nosotros conectamos en cascada, para conseguir un contador de 8 bits, de modo que obtenemos en las 8 salidas una palabra de 8 bits, que varía entre 0 y 255 al ritmo de la entrada. Figura 2. Detalle de cada uno de los contadores del HEF4520B. 1

3 Los contadores integrados en este chip tienen una entrada que se activa por la combinación de dos pines: 1CP0 y /1CP1 para el primer contador y 2CP0 y /2CP1 para el segundo; cada vez que coinciden ncp0 en estado alto y /ncp1 en estado bajo, se produce un flanco ascendente de la entrada y se incrementa la cuenta. Activamos el primer contador conectando la señal del generador en 1CP0, mientras mantenemos /1CP1 conectado a la alimentación (+12 V). El segundo contador recibe la salida del bit más alto del primero (bit 3) en la entrada /2CP1, mientras 2CP0 está conectado a masa. Vemos en el osciloscopio cada uno de los bits que salen del contador y cómo los ciclos van duplicando la duración de los anteriores, a medida que ascendemos desde el LSB (bit 0) al MSB (bit 7). La frecuencia del bit más bajo (LSB) es de 8,5 khz y la del más alto (MSB) de 66,40625 Hz (en realidad, dada la escasa precisión que conseguimos con el generador de señal, tenemos unos 8,37 khz y 65,4 Hz, respectivamente). Dos Conversión analógico- digital (salida en corriente). A continuación conectamos el conversor DAC0808, de 8 bits de entrada, que permite un paso de corriente desde el pin 4 proporcional al dato presente en sus entradas, con un máximo (para I=255) de. Este parámetro se controla con las tensiones de referencia (+ y -) y la resistencia conectada en el pin 14: como vemos en el esquema, la corriente a través de esta resistencia depende de la diferencia de potencial entre su extremo exterior y el pin 15 (la resistencia conectada a este pin tiene la función de minimizar los efectos de la corriente de offset exclusivamente). Figura 3. Diagrama del circuito conversor. Calculamos la corriente que circula desde el exterior, entrando por el pin 4, para el valor de fondo de escala (entrada=255): 2

4 Conectamos el pin 4 a masa, a través de una resistencia de 2k2 para obtener una salida en tensión. Figura 4. Diagrama de bloques del DAC0808 y detalle de Referencia. Conectamos la salida en tensión al osciloscopio. Dado que la corriente entra en el circuito integrado, la corriente fluye desde masa hacia el pin 4, por lo que la tensión en éste es negativa (y proporcional al dato leído en las entradas digitales). Figura 5. Salida (pin 4) del DAC0808. Conocemos también cómo debe evolucionar la salida (porque conocemos la evolución de los datos de entrada) y comparamos el resultado con lo que esperábamos: en la salida tenemos una tensión que va desde 0, decreciendo (negativa) hasta unos -5,7 V. La tensión mínima (en valor asoluto) es nula, como intuíamos, y la máxima se corresponde con la calculada, salvando la imprecisión de la medida visual y la tolerancia de los componentes. 3

5 Tres Acondicionamiento de la señal. Para convertir el rango y amplitud de la señal obtenida del conversor DAC0808, la procesaremos con un amplificador operacional LM358. Puesto que la salida que se corresponde con una entrada nula es también nula, no es preciso añadir ningún offset a la señal original, pero la ganancia es negativa y la salida crece hacia abajo, al crecer la entrada, por lo que usaremos el amplificador en su configuración inversora. Para ello desconectamos la salida (estaba conectada a masa con una resistencia) y la conectamos a la entrada inversora del operacional, mientras que la entrada no inversora va a masa, con una resistencia. Figura 6. Acondicionador de señal. Como la salida del conversor daba su información en corriente, la unimos, por medio de una resistencia, también a la salida del LM358, lo que nos dará la tensión correspondiente (según el valor de las entradas digitales) en bornes de la resistencia; la resistencia que une la entrada no inversora a masa es del mismo valor que la que se encuentra entre la entrada inversora y la salida, para minimizar los efectos de las corrientes de polarización del amplificador operacional. Para que circule la corriente que demanda el conversor, la tensión de salida será proporcional a la entrada (concretamente la parte proporcional de la tensión de fondo de escala, que será igual a la medida antes, pero de signo contrario, es decir, positiva). Figura 7. Salida del acondicionador de señal. 4

6 Ya hemos comprobado la bondad del montaje, que se ajusta correctamente a las especificaciones que le pedíamos. Pero sólo hemos visto una señal triangular, cuando sabemos que la salida de un conversor digital-analógico tiene la característica de la señal digital que lee: la discontinuidad; al estar cuantificada, sólo admite valores múltiplos de su escalón cuántico. En efecto, no puede ser una señal triangular, sino una escalera. Necesitamos calcular el valor del escalón cuántico, para verificar que, ampliando suficientemente la imagen del osciloscopio, aparecen los escalones que conforman la falsa rampa. Este valor se corresponde exactamente con el LSB. Ampliamos la imagen del osciloscopio hasta los 100 mv por división y nos encontramos con una forma de escalera (con ruido), que con 9 escalones casi llega a las dos divisiones (200 mv). La correspondencia entre lo calculado y lo medido es muy grande. En las imágenes del osciloscopio podemos ver las medidas de cada captura. En estas medidas podemos observar las desviaciones entre la teoría (cálculos, calibración del generador de señal ) y la realidad; todas ellas son coherentes con la práctica que estamos realizando excepto en esta última, donde se lee una frecuencia de khz, debida a que el ruido presente, especialmente en los flancos de los escalones, hace visible una alterna sobre la rampa, de frecuencia próxima a la del bit más bajo de la señal digital (medida antes como 8,37 khz). Figura 8. Escalones de la rampa y ruido, al ampliar la imagen. 5