Cnversón Dgtal/Analógca. Intrduccón. tuacón en el p en línea de adquscón de señales Ls prcess de cnversón de señales dgtales a analógcas (D/A) y vceversa (A/D) sn esencales en nterfaces de ps electróncs para medda y cntrl basads en mcrprcesadres. La fgura muestra un p en línea en el que se apreca la stuacón de ls cnvertdres. Esta cadena capta las señales de nterés (en su mayría analógcas) pr medacón de ls sensres. Un multplexr analógc cnduce sus señales haca ls blques de acndcnament y fltrad. Psterrmente se realza el fltr pas-baja del rud de frecuencas superres a las de nterés, y después se prduce el prces de cnversón a dgtal. A partr de la señal bnara, el mcrprcesadr envía dats, señales de cntrl y saldas (tds en frma bnara). Éstas últmas suelen cnvertrse en analógcas s así l rere la aplcacón. Un multplexr analógc de salda permte dspner de ellas según las señales de cntrl aplcadas. M U X A A AMPLIFIC. ACODIC. FILTO CAD M U X MICOPOC. CDA A A Fg.. Estructura de un p en línea de adquscón de señales que muestra la stuacón de ls crcuts CAD y CDA. En un p de adquscón de señales el cnvertdr analógc a dgtal (CAD) precede al cnvertdr de dgtal a analógc (CDA), cm muestra la fgura. n embarg, alguns tps de CAD están basads en un CDA. Pr ell, es cnvenente cmenzar estudand ésts. En este capítul se expne en prmer lugar la tería de funcnament del CDA medante un ejempl práctc basad en la reslucón de un prblema. El segund punt muestra la cnversón a analógca de la salda de un cntadr bnar de 8 bts en una smulacón cn PPICE. En el tercer apartad se expnen ls parámetrs y tps de cnvertdres D/A. Fnalmente, el cuart apartad muestra un ejempl de dseñ que JJGD-UCA
Instrumentacón Electrónca. Juan Jsé Gnzález de la sa emplea un CDA de frmat crt; se razna su seleccón empleand crters relacnads cn la aplcacón.. Prncps peratvs de ls cnvertdres dgtal/analógcs (CDAs).. CDA de resstencas pnderadas Un CDA lneal btene nveles de tensón analógca dscrets a partr de la palabra dgtal de entrada de bts según la sguente expresón: FE ( B B B B B ) FE ( B B B B ) La expresón () relacna la tensón de salda del CDA cn la tensón de fnd de escala ( FE ) y ls bts de la palabra dgtal de entrada (B B B - ). Una frma ddáctca de plantearla es relacnar la salda cn la tensón de fnd de escala del cnvertdr a través de una magntud, que es el valr decmal nrmalzad al ttal de estads de cuantfcacón: () FE B B B B 4444444 4444444 valr decmal nrmalzad Obsérvese que el valr máxm de la salda crrespnde a la stuacón de tds ls bts de la palabra de entrada a estad y resulta: ( LB) (), máx FE FE FE En esta expresón queda mplícta la dea de que ls punts de decsón del cuantfcadr se stúan en ls extrems de ls ntervals de cuantfcacón. A cntnuacón se prcede al mntaje del prmer CDA. En ls dseñs más cmunes de crcuts ntegrads CDA cada un de ls bts de la entrada cntrla un nterruptr que determna s dch bt cntrbuye n a la salda, dependend de s su estad es alt baj. La salda es la suma de ls prducts de la tensón de erenca pr cada un de ls bts. De ahí que a veces este tp se denmne CDA multplcadr. Una red de resstencas pnderadas determna el pes de cada bt. A menud este hech determna su denmnacón. La tensón de erenca y las resstencas deben ser de precsón. La fgura muestra el esquema de un de ests crcuts, denmnad cmúnmente CDA de resstencas pnderadas, y que usa un amplfcadr peracnal en cnfguracón nversra cm sumadr de salda. Pr smplcdad, se han reemplazad ls nterruptres semcnductres (transstres de cnmutacón FET) pr sus valentes smbólcs. el AO frma parte del crcut ntegrad, el temp de establecment de la salda es mayr. JJGD-UCA
Cnversón Dgtal/Analógca JJGD-UCA Fg.. CDA multplcadr de resstencas pnderadas. La mayr resstenca crrespnde al bt mens sgnfcatv de la palabra dgtal. El análss del crcut de la fgura se realza aplcand el prncp de suma de crrentes en la entrada nversra del AO, el cual se cnsdera perand en régmen lneal (aplcams crtcrcut vrtual en sus entradas). Cn el sentd seleccnad en la fgura se btene:.. Al susttur cada valr resstv se btene:.. el númer de bts del crcut CDA es 4 la expresón anterr se reduce a: 4 8 Obsérvese que la menr crrente es la que crcula pr el nterruptr mens sgnfcatv (el de mayr resstenca pnderada). En cnsecuenca, la expresón general resultante es la suma pnderada de la tensón de erenca presente en cada entrada: () - - EF MB LB - - - - - -
Instrumentacón Electrónca. Juan Jsé Gnzález de la sa La expresón () puede expresarse de una frma ddáctca, cn el fn de aprecar la tensón de fnd de escala: 44 44 444 4 FE palabra dgtal Pr ejempl, para 4, la palabra dgtal ( en decmal) prducrá la sguente salda analógca ( ; -8 ): 8 8 ( 4 8 ) 4 8 4 8 El prblema fundamental de este crcut cnvertdr es la gran dspardad de las resstencas s el númer de bts es elevad, cm sucede en aplcacnes que reren alta reslucón. Est hace dfícl el apareament térmc de las resstencas. Además, la menr de tdas debe superar a la resstenca en cnduccón del nterruptr de cnmutacón, pr l que la mayr debe ser muy elevada y, en cnsecuenca, aumentan ls temps de cnmutacón, ya que las cnstantes de temp sn mayres. Pr tra parte, tds ls cnvertdres CDA dnde la crrente aprtada pr cada un de ls bts es ndependente, presentan en mayr menr prprcón transtrs (gltches) en su salda debd a la falta de smultanedad en las cnmutacnes de ls nterruptres, que en la práctca sn transstres de cnmutacón FET. Este cnvertdr es del tp de frmat paralel. En ls cnvertdres de tp paralel, ls temps de cnversón suelen superar ls µs en ls mdels lents y suelen ser nferres a ns en ls más rápds. La reslucón estándar es de bts.. CDA de 8 bts. Ejempl práctc: smulacón cn PPICE Cn el fn de mstrar la dnámca de un CDA de frma senclla se realza una smulacón cn PPICE ncluyend un CDA deal de 8 bts, que recbe la señal de un cntadr de 8 bts, smulad pr 8 reljes dgtales. El períd de cada relj duplca al de su precedente. La fgura muestra el esquema del crcut. Cn una tensón de erenca de, la salda máxma (rang dnámc) del CDA es la mstrada en la fgura: - LB (-/56)9,96975. La fgura 4 muestra la señal en frma de dente de serra, resultad de cnvertr la salda bnara del cntadr a analógca. En la stuacón de esta fgura, la tensón analógca de salda se btene a partr del valr decmal de la palabra bnara de entrada: () bn 7 (4) dec. Lueg (4/56) 5,546875. 4 JJGD-UCA
Cnversón Dgtal/Analógca Fg.. Crcut básc que muestra la peracón de un CDA de 8 bts deal en PPICE. Fg. 4. Cnversón a analógca de la salda de un cntadr bnar. En la parte superr fguran ls estímuls dgtales que emulan el cntadr bnar. La línea vertcal establece el nstante de la cnversón, dada pr un cursr..4 Parámetrs Ls prncpales parámetrs que cndcnan la seleccón de un cnvertdr sn el númer de bts y en temp de cnversón. El prmer determna la reslucón de la nterfaz. Así, un CDA de bts psee 496 ntervals de cuantfcacón. Así pr ejempl, en una aplcacón de cntrl de fluj exstrán 496 pscnes de aperturacerre de una válvula cntrladas drectamente pr tensnes analógcas, que prvenene de palabras dgtales. La velcdad del CDA se denmna temp de cnversón y el cas más desfavrable se da cuand tds ls bts de la palabra dgtal de entrada camban de estad JJGD-UCA 5
Instrumentacón Electrónca. Juan Jsé Gnzález de la sa smultáneamente. Este parámetr se mde desde que se prduce un camb en la palabra dgtal de entrada hasta que se prduce un camb aprecable en la salda valente a LB (Least gnfcant Bt; bt mens sgnfcatv). En general se establecen tres grups de parámetrs: de entrada, de salda y de transferenca. Además, el fabrcante ndcará dats sbre cnsum y almentacón, y característcas ambentales..4. Característcas de entrada La más mprtante es el númer de bts, que determna la reslucón del crcut. Ésta se defne cm el menr camb en la entrada que prduce un camb aprecable en la salda. En la práctca es el menr camb analógc en la salda cuand camba el bt mens sgnfcatv en la entrada. Tambén se prprcnan el códg de la entrada (BCD, bnar cn cmplement a ds, etc.), el frmat de ls dats (paralel sere), tensnes de erenca, nveles de tensón alt y baj, temp de permanenca de dats, etc..4. Característcas de salda Interesan el númer de canales (nrmalmente un) y el tp de señal (de tensón de crrente). El valr de la tensón crrente dependen de la tensón de erenca..4. Característcas de transferenca n las relatvas a la exacttud y la velcdad. Las prncpales fuentes de errr sn las dervas térmcas, la precsón cn que se btenen las resstencas ntegradas y las tensnes y crrentes de plarzacón y de ffset de ls amplfcadres peracnales. Est hace que el fabrcante sumnstre errres de temperatura, gananca y n lnealdad. La velcdad está lmtada pr el slew rate (velcdad máxma de camb de la salda) y el settlng tme (temp de asentament) de ls amplfcadres peracnales; suele prprcnarse el temp de establecment de la salda..5 Tps de CDAs: resstencas pnderadas y escalera En el apartad segund hems vst que ls CDA de resstencas pnderadas sn adecuads para cnversnes de pcs bts. Para reslucnes mayres de 8 bts ls valres óhmcs ntegrads sn cmplcads de btener y las dervas térmcas dfícles de cmpensar. De ahí que se empleen mdels de redes -, tambén cn un frmat paralel. Ests pseen sól ds valres dstnts de resstencas y pueden extenderse a cuants bts se quera. La fgura 5 muestra un crcut prttp. Al gual que el mdel de resstencas pnderadas, cnsta de una red de cnmutadres, una erenca estable de tensón y la red escalera - de precsón. La salda se cnecta a un crcut asladr que permte cnectarl sn carga a la sguente etapa. 6 JJGD-UCA
Cnversón Dgtal/Analógca P P P P P - LB - - MB Fg. 5. ed - en escalera. El análss de la escalera se realza evaluand ls valentes de Thêvenn desde ls punts señalads en la fgura 5. Desde cualquera de ests punts la resstenca valente resulta ser. En efect, pr ejempl, desde P es trval ver que el valente paralel es //. Desde P hay que hacer alg más per tambén es fácl ver que vale. L vems en la fgura 6: P // sta desde P Fg. 6. esstencas valentes. Las tensnes valentes vstas desde ls punts sn: Hasta P : Hasta P : Hasta P : Hasta P - : 4 8 4 - - - En efect, desde P se ve una resstenca, y desde P queda una resstenca valente de valr. el rest de las cuentas se realza cn dvsres de tensón. Fnalmente, la tensón de salda es: JJGD-UCA 7
Instrumentacón Electrónca. Juan Jsé Gnzález de la sa Ls CDA de resstencas pnderadas y en escalera se emplean en prcess de cnversón lneales. Cn el sn de mejrar el rechaz a las nterferencas en señales de baj nvel se emplean CDA lgarítmcs. Una aplcacón típca de ests cnvertdres es la transmsón de vz. La mayría de ls CDA cmercales ncrpran retenedres de rden cer (ZOH; Zer Order Hld). Est sgnfca que cnverten la entrada bnara en su nvel analógc y lueg retenen el valr hasta que llega la sguente muestra. El resultad es una señal en frma de escalera. e suele emplear un fltr recnstructr para suavzar la salda del CDA..6 Ejempl de dseñ e rere un CDA cn una reslucón mejr que parte en y una respuesta más velz de 5 µs. Un CDA de 8 bts satsface el prmer rst (reslucón de /56). Ls sguentes CDA cmunes sn de 8 bts y cn temp de respuesta nferr al ndcad: AD 557, Z 45E, Z 46E y Z 49. De entre ells se tma cm ejempl el Z 46E. us especfcacnes y cnsejs práctcs más mprtantes sn: eslucón: 8 bts. Temp de cnversón establecment: µs cn /LB (tds ls bts pasan de un estad a tr smultáneamente). Almentacón: 5 a 9 ma cm máxm. eferenca nterna de,5, que rere resstenca de 9 Ω entre la almentacón del crcut ntegrad y las patas 5 y 6, cn el fn de mantenerla en trn a este valr. ere cndensadr de desacpl entre las patllas 6 y 7. La fgura 7 muestra una cnexón práctca del crcut ntegrad. La salda analógca máxma es de,5. Además, la resstenca de salda suele ser elevada (uns kω). Pr ell, cnvene emplear un amplfcadr cn amplfcadres peracnales que aísle eléctrcamente la salda y la aumente en funcón de la necesdad. El amplfcadr peracnal de este amplfcadr debe ser rápd, cn el fn de satsfacer ls 5 µs de cnversón. 8 JJGD-UCA
Cnversón Dgtal/Analógca 5 µf 9 Ω B 5 B 6 B 7 4 5 6 7 Z46 4 9 C 8 B 4 B B B B Fg. 7. Dagrama práctc de cnexnes del Z 46. eferencas []. Pallás, Adquscón y dstrbucón de señales, Marcmb, Bxareu edtres, 99. [] G.C. Lveday, Dseñ de Hardware Electrónc, Ed. Parannf, Madrd, 995. []. Wlf, y.f.m. mth, Guía para medcnes electróncas y práctcas de labratr, edcón amplada y actualzada. prentce-hall hspanamercana. méxc, etc., 99. [4] acnal emcnductr, pecfyng A/D and D/A cnverters. Applcatn nte 56. [5] C. Marven and G. Ewers, A mple Apprach t Dgtal gnal Prcessng, Texas Instruments, 99. [6] J.J.G. de la sa et al., Crcuts Electróncs Aplcads. mulacón cn PPICE. Lbr electrónc. ervc de Publcacnes de la Unversdad de Cádz,. [7] H. Taub and D. chllng, Dgtal ntegrated electrncs, McGraw-Hll, ew Yrk, 997. JJGD-UCA 9