CONVERTIDORES DIGITAL ANALÓGICO Y ANALÓGICO - DIGITAL

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Pilar Redondo Silva
hace 8 años
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1 CONVERTIDORES DIGITAL ANALÓGICO Y ANALÓGICO - DIGITAL CONVERTIDORES DIGITAL ANALÓGICO Las dos operaciones E/S relativas al proceso de mayor importancia son la conversión de digital a analógico D/A y la conversión de analógico a digital A/D. Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analógica, ya que puede tomar diferentes valores de cierto intervalo. DAC de 4bits. A es el LSB y D es el MSB. Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 2 4 = 16 diferentes números binarios representados por estos 4 bits se enlistan en la tabla siguiente. Por cada número de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida analógico Vout es igual en voltios al número binario (no es así en todos los casos). También podría tener dos veces el número binario o algún otro factor de proporcionalidad. La misma idea sería aplicable si la salida del D/A fuese la corriente Iout.

Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor

2 Entrada digital Salida analógica D C B A Vout en voltios RESOLUCIÓN DE UN DAC Se define como la mínima variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital. En el caso anterior, se observa que la resolución es de 1V. Aunque la resolución puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente por etapa, resulta más útil expresarla como un porcentaje de la salida de escala completa. El DAC descrito en la tabla tiene una escala de 15-0 = 15V, el tamaño de la etapa es de 1V (la etapa es el cambio de la señal de salida ante un cambio de la señal de entrada de un valor a otro consecutivo). La expresión que define a la resolución de un DAC es la siguiente:

En el caso anterior, se observa que la resolución es de 1V.

3 DAC construido con un amplificador operacional Existen varios métodos y circuitos para producir para producir la operación D/A que se ha descrito. Uno de ellos es el que se muestra en la figura anterior. Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se suponen tienen valores 0V o 5V. El amplificador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma con valor asignado de estos voltajes de entrada. La expresión que describe la operación de este DAC es la siguiente: Vout = -( Rf/R1 Vd + Rf/R2 Vc + Rf/R3 Vb + Rf/R4 Va ) ESPECIFICACIONES DAC Se dispone de una amplia variedad de DAC como circuitos integrados o bien como paquetes encapsulados autocontenidos. Uno debe estar familiarizado con las especificaciones más importantes de los fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada aplicación. - Resolución Como se mencionó antes, la resolución porcentual de un DAC depende únicamente del número de bits. Por esta razón, los fabricantes por lo general especifican una resolución de DAC como el número de bits. Un DAC de 10 bits tiene una resolución más sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits. - Precisión Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de especificar la precisión o exactitud. Las dos más comunes se las llama Error de Escala Completa y Error de Linealidad, que normalmente se expresan como un

El amplificador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma con valor asignado de estos voltajes de entrada.

4 porcentaje de la salida de escala completa del convertidor (%FS). El error de escala completa es la máxima desviación de la salida del DAC de su valor estimado (teórico). E1 error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de etapa del teórico. Algunos de los DAC más costosos tienen errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%. - Tiempo de respuesta La velocidad de operación de un DAC se especifica como tiempo de respuesta, que es el tiempo que se requiere para que la salida pase de cero a escala completa cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variarán de 50ns a 10 s. En general, los DAC con salida de corriente tendrán tiempos de respuesta más breves que aquellos con una salida de voltaje. Por ejemplo, el DAC 1280 puede operar como salida de corriente o bien de voltaje. Su tiempo de respuesta a su salida es 300ns cuando se utiliza salida de corriente 2.5 s cuando se emplea salida de voltaje. El DAC 1280 es un convertidor D/A construido con un amplificador sumador. - Voltaje de balance En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando la entrada binaria es todos los ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida pequeño producido por el error de desbalance del amplificador del DAC. Este desplazamiento es comúnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrán una capacidad de ajuste de balance externo que permite eliminar el error de desbalance. APLICACIONES DE LOS DAC s

5 Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente analógico para impulsar o activar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones más comunes se describen a continuaciones. - Control: la salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para controlar casi cualquier variable física. - Análisis automático: las computadoras pueden ser programadas para generar las señales analógicas (a través de un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida analógica del circuito de prueba normalmente se convertirá en valor digital por un ADC y se alimentará a la computadora para ser almacenada, exhibida y algunas veces analizada. - Control de amplitud digital: un DAC multiplicativo se puede utilizar para ajustar digitalmente la amplitud de una señal analógica. Recordemos que un DAC multiplicativo produce una salida que es el producto de un voltaje de referencia y la entrada binaria. Si el voltaje de referencia es una señal que varía con el tiempo, la salida del DAC seguirá esta señal, pero con una amplitud determinada por el código de entrada binario. Una aplicación normal de esto es el control de volumen digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede ajustar la amplitud de una señal de audio. - Convertidores A/D: varios tipos de convertidores A/D utilizan DAC s que son parte de sus circuitos.

- Control: la salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para controlar casi

6 CONVERTIDORES ANALÓGICO DIGITAL Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica. El proceso de conversión A/D es generalmente más complejo y largo que el proceso D/A, y se han creado y utilizado muchos métodos. Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como parte de sus circuitos. En la figura siguiente se muestra un diagrama de bloque general para esta clase de ADC. La oportunidad para realizar la operación es ofrecida por la señal del cronómetro de entrada. La unidad de control contiene los circuitos lógicos para generar la secuencia de operaciones adecuada en respuesta al comando START, el cual inicia el proceso de conversión. El comparador tiene dos entradas analógicas y una salida digital que intercambia estados, según qué entrada analógica sea mayor. Diagrama en bloques de un ADC La operación básica de los convertidores A/D de este tipo consta de los siguientes pasos: - El comando START pasa a alto dando inicio a la operación - A una razón determinada por el cronómetro, la unidad de control modifica continuamente el número binario que está almacenado en el registro. - El número binario del registro es convertido en un voltaje analógico, Va, por el convertido D/A. - El comparador compara Va con la entrada analógica Va. En tanto que Va < Va, la salida del comparador permanece en alto. Cuando Va excede a Va por lo menos en una cantidad Vt (voltaje umbral), la salida del comparador pasa a bajo y suspende el proceso de modificación del núero del registro. En este punto, Va es

Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como parte de sus circuitos. En la figura siguiente se muestra un diagrama de bloque general para esta clase de ADC.

7 un valor muy aproximado de Va y el número digital del registro, que es el equivalente digital de Va es asimismo el equivalente digital de Va, en los límites de la resolución y exactitud del sistema. Las diversas variaciones de este esquema de conversión D/A difieren principalmente en la forma en que la sección de control modifica continuamente los números contenidos en el registro. De lo contrario, la idea básica es la misma, con el registro que contiene la salida digital requerida cuando se completa el proceso de conversión. CONVERTIDOR A/D CON RAMPA DIGITAL Una de las versiones más simples del convertidor A/D de la figura anterior hace uso de un contador binario como registro y permite que el cronómetro incremente al un paso a la vez hasta que Va Va. A este se lo llama convertidor A/D con rampa digital ya que la forma de onda en Va es una rampa que funciona paso por paso (en realidad es escalón por escalón) como la que se muestra en la figura siguiente. Convertidor A/D con rampa digital Va puede ser el resultado de un muestreo y retención de las señal analógica original.

De lo contrario, la idea básica es la misma, con el registro que contiene la salida digital requerida cuando se completa el proceso de conversión.

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