Sistemas Electrónicos Digitales. PRACTICA nº 1

Transcripción

1 PRACTICA nº 1 Convertidor Analógico-Digital (A/D). Convertidor Digital- Analógico (D/A). Muestreo de una señal analógica. Reconstrucción de una señal analógica a partir de la señal digitalizada. Objetivos: Análisis de convertidores de datos que se utilizan para el acoplamiento o interface entre dispositivos analógicos y sistemas digitales para procesado de señal. Diseño, análisis y caracterización de un circuito para reconstruir señales analógicas a partir de señales digitales (convertidor D/A). Diseño, análisis y caracterización de un circuito para digitalizar señales analógicas (convertidor A/D). Construcción de un bloque analógico. Primera parte de una práctica más amplia que muestra cómo utilizar circuitos digitales para el control de otros dispositivos analógicos o digitales. Herramientas CAD:CircuitMaker. Instrumentación: -. Material fungible: -. Parte 1:Análisis de un convertidor D/A. Diseño, captura del diseño y simulación de un circuito convertidor de señales digitales en señales analógicas. a) Análisis de un convertidor D/A basado en un amplificador operacional. Analizar el circuito de la figura 1. El circuito dispone de una red de resistencias que permiten convertir una palabra digital de 4 bits S3S2S1S0 en una señal de tensión analógica cuyo valor es proporcional al número binario representado por la citada palabra (señal digital). Los dígitos binarios de la palabra digital activan los interruptores, de tal modo que si el bit asociado al interruptor es 1 (5V) el interruptor está cerrado, mientras que si es 0 (0V) el interruptor se encuentra abierto. En este circuito se considerarán interruptores ideales. Obtener la expresión de la ganancia del amplificador (vo/v +), comprobando que su valor en este caso es 4. b)captura del diseño y simulación analógica del convertidor D/A. Utilizando el editor de CircuitMaker, instanciar e interconectar los diferentes elementos del circuito de la figura 1, con la red R/2R indicada, con R=12kΩ, y un amplificador operacional µa741 polarizado como indica la figura, con Vcc=12V. Probar el funcionamiento del circuito simulando su comportamiento para distintas posiciones de los conmutadores. 1 de 7

2 Figura 1 Para la captura de esquemáticos, antes de ir más adelante seleccionar: Para los conmutadores seleccionar: Switches -> Toggle -> SPDT Switch Para el amplificador operacional seleccionar: OPAMPs -> Op-Amp5 -> Subcircuit Selections: UA741 Para los ajustes de simulación: Simulation: Analog Mode Analyses Setup: Transient/Fourier Analyses Setup: Wave Display: Keep last setup Enabled. Start Time S, Stop Time: 4.000mS, Step Time 20.00nS, Max Step: 20.00nS. OK. Default Timing: Number of Cycles: 5, Points Per Cycle: 50. OK. Analyses Setup -> Analog Options: Analog Options - Spice Variables: Option Variables: Comprobar/Modificar: ABSTOL 1.000p, CHGTOL: 10.0e-15, GMIN: 1.000p, ITL1,2,3,4,5: 100.0, 50.00, 4.000, 40.00, 5.000k; PIVREL: 1.000m, PIVTOL: 100e-15; RELTOL: 1.000m Analyses Setup -> Analog Options: Analog Options - Spice Variables: Digital PowerPower Supply Bus Data - Value or Bus Name: Fijar: DVCC: 5V; DVDD: 5V; DGND: GND Analyses Setup -> Analog Options: Analog Options - Spice Variables: Collect Data For: Node Voltage, Supply Current, Device Current and Power Analyses Setup -> Analog Options: Analog Options - Spice Variables: Integration Method: Trapezoidal; OK. 2 de 7

3 -> Run Analyses Los ajustes ( settings ) de simulación anteriores no requerirán probablemente modificación a lo largo de la práctica (excepto el Stop Time). c) Conversión de una señal digital en analógica. Mediante CircuitMaker, editar el circuito de la figura 2 utilizando el contador digital 4029 como generador de la señal digital. Utilizar el generador de funciones para aplicar al contador como señal de reloj una señal cuadrada de amplitud 5V y frecuencia 10KHz. La salidas del contador Q3Q2Q1Q0 deben conectarse respectivamente a las entradas S3S2S1S0 del convertidor D/A del apartado anterior, en sustitución de los conmutadores. Comprobar que el contador digital se encuentra adecuadamente polarizado, operando en modo de cuenta binaria y ascendente. Para obtener la señal de reloj se utilizará un generador de tipo pulso periódica. Mediante simulación analógica, observar la salida Vo del circuito convertidor D/A. Modificar el valor de la resistencia de valor 3R hasta que en la salida se observe la misma duración temporal en todos los intervalos de tensión constante (escalones). Figura 2 Para la captura de esquemáticos, en primer lugar seleccionar: Para el contador seleccionar: Digital by Function -> Counters-> 4029 Mediante doble click en el contador: Edit/Select Model, seleccionar el modelo deseado -> Properties -> Device Properties: marcar/comprobar que se encuentra marcada la casilla Analog. OK. Edit/Select Model: Select. Exit. Para el generador de la señal CLK seleccionar: freq): 100.0uS, Width: 50.00uS, Rise Time: 1.000nS, Fall Time: 1.000nS, 3 de 7

4 -> Run Analyses Parte 2:Análisis de un convertidor A/D. Diseño, captura del diseño y simulación de un circuito digitalizador de señales analógicas. En este apartado se trata de construir un convertidor A/D capaz de: - Cuantificar una señal analógica (continua) de entrada, transformándola en un conjunto de valores (discretos) de salida. - Codificar cada uno de los valores discretos de salida en un conjunto único de bits o palabra distintiva. El primer paso se lleva a cabo mediante un comparador que discrimina entre un número finito de valores de tensión escalonados. Para ello toman como entradas la tensión analógica y una señal fija o nivel de referencia diferente para cada uno de los distintos valores de tensión. Si los niveles de referencia se encuentran separados por intervalos de tensión regulares, es posible encontrar la cuantificación que corresponde al valor de tensión la señal de entrada. a) Se pretende utilizar el diseño del apartado anterior para construir un convertidor A/D. Se utilizará un convertidor D/A y un contador digital. Editar en primer lugar un circuito comparador como muestra la figura 3, utilizando un amplificador operacional µa741 polarizado con +12V y -12V. Conectar a Vref una tensión continua de 5V como señal de referencia. La señal VIN debe ser una señal sinusoidal sin nivel de continua y de amplitud 6V. Mediante simulación analógica, observar la tensión de salida VOUT, caracterizando su modo de funcionamiento. Figura 3 Para la captura de esquemáticos, en primer lugar seleccionar: Para el amplificador operacional seleccionar: OPAMPs -> Op-Amp5 -> Subcircuit Selections: UA741 Para el generador de señal sinusoidal seleccionar: 4 de 7

5 Mediante doble click en este: Edit Sine Wave Data: DC Offset V, Peak Amplitude: V, Frequency: Hz, Start Delay: S, Damping Factor 0.000, Output: Volts. OK. Para los ajustes de simulación (modificar): Enabled. Start Time S, Stop Time: 25.00mS, Step Time 20.00nS, Max Step: 20.00nS. OK. -> Run Analyses b) Captura del diseño y simulación analógica del convertidor A/D. Editar el circuito mostrado en la figura 4. Obsérvese que los dos bloques contador y convertidor D/A corresponden diseño realizado en la Parte 1 de la práctica. El comparador es el del apartado a) de esta Parte 2; la entrada VIN en este caso será la señal analógica a muestrear. La salida del comparador debe conectarse a la entrada Up/Down del contador. Una vez realizado el montaje, utilizar en primer lugar como VIN (Vanalógica) una señal de tensión continua que pueda ser variada entre 0V y 6V. Observar las salidas del circuito (salidas del contador) para distintos valores de VIN. Figura 4 Utilizar como señal analógica a muestrear (Vanalógica) una señal sinusoidal de frecuencia 50 o 100 veces inferior a la de la señal de reloj del contador, con amplitud de 4V y 4.5V de nivel de continua (offset), de tal modo que la señal se encuentre siempre por encima de 0V. Simular el circuito, visualizando Vanalógica y la señal de salida del convertidor D/A (entrada del comparador). Visualizar individualmente las salidas del contador (salidas del convertidor A/ D), reconstruyendo los valores de salida del mismo (codificación de la señal de entrada digitalizada). Para la captura de esquemáticos, en primer lugar seleccionar: 5 de 7

6 Para los amplificadores operacionales seleccionar: OPAMPs -> Op-Amp5 -> Subcircuit Selections: UA741 Para el generador de señal de tipo pulso seleccionar: freq): 100.0uS, Width: 50.00uS, Rise Time: 1.000nS, Fall Time: 1.000nS, Para el generador de señal sinusoidal seleccionar: Mediante doble click en este: Edit Sine Wave Data: DC Offset V, Peak Amplitude: V, Frequency: Hz, Start Delay: S, Damping Factor 0.000, Output: Volts. OK. Para los ajustes de simulación: Enabled. Start Time S, Stop Time: 25.00mS, Step Time 20.00uS, Max Step: 20.00uS. OK. Analyses Setup -> Run Analyses c) Construir un macrocircuito con el convertidor A/D. Realizar una simulación del macrocircuito comprobando su correcto funcionamiento. Para la creación del macrocircuito: Con el circuito diseñado abierto: Macro -> New Macro : NOTE: SI; Define New Macro-> Introducir un nombre para el macrocircuito; OK. Symbol Editor: Add Package: DIP; Pins per package: 10 -> Add Package; Mover pines (Element Type: Select; seleccionar y arrastrar el pin), Eliminar pines (Element Type: Select; seleccionar pin; Element List: Delete), Añadir pines (Element Type: PinDown, PinLeft, PinRigth~, ), colocar el pin en la posición deseada del símbolo del macrocircuito, un click y en la ventana emergente poner la etiqueta del pin; OK), Etiquetar pines (Element Type: select; seleccionar el pin y doble click; en la ventana emergente poner la etiqueta del pin; OK). Una vez realizados todos los cambios: OK. El símbolo aparece en la pantalla junto con el diseño de partida. Conectar los terminales de entrada y de salida del circuito con los correspondientes pines de entrada y de salida del símbolo. Doble click en el símbolo del macrocircuito: Edit Macro -> Properties: Analog. A continuación: 6 de 7

7 Finalmente: Macro -> Save Macro. En la ventana emergente: Macro Utilities -> Major Device Class -> User Defined; Minor Device Class -> Macro; Save Macro. El macrocircuito quedará disponible para su utilización (User Defined -> Macro -> Nombre del macro) en otros diseños. Para comprobar el funcionamiento del macrocircuito, editar un nuevo esquemático con el macrocircuito y los generadores de señales: Un generador de señal de tipo pulso para la inicialización del macrocircuito (del contador interno, mediante carga en paralelo del dato 0000 ): freq): 10.00mS, Width: 100.0uS, Rise Time: 1.000uS, Fall Time: 1.000uS, Un segundo generador de señal de tipo pulso para la señal de reloj del macrocircuito (del contador interno): freq): 100.0uS, Width: 50.00uS, Rise Time: 1.000nS, Fall Time: 1.000nS, Para el generador de señal sinusoidal (señal de entrada a muestrear) seleccionar: Mediante doble click en este: Edit Sine Wave Data: DC Offset V, Peak Amplitude: V, Frequency: Hz, Start Delay: S, Damping Factor 0.000, Output: Volts. OK. Para aplicar la señal de habilitación del macro (del contador interno) puede emplearse otro generador, o un conmutador como el del apartado 1-b con conexión a Vdd o Gnd. Considerar esta última posibilidad y realizar simulaciones con ambas posiciones del conmutador: Switches -> Toggle -> SPDT Switch Para los ajustes de simulación: Enabled. Start Time S, Stop Time: 25.00mS, Step Time 20.00uS, Max Step: 20.00uS. OK. -> Run Analyses Simulación: View: All Cells; Scaling: Fit X. 7 de 7