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• Jessy Kath

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8.3 Conversión Análogo Digital (ADC) El objetivo básico de un ADC es transformar una señal eléctrica análoga en un número digital equivalente. Esta función exige que los pasos intermedios se realicen de forma óptima para no perder información. Según el tipo de componente y su aplicación, existen distintos parámetros que lo caracterizan, éstos pueden ser: la velocidad de conversión, la resolución, etc. La principal razón de la conversión analógico / digital se debe a que la información analógica no es tan sencilla de manipular, ni de procesar, mediante sistemas digitales o a través de un ordenador. La conversión analógica-digital de forma muy básica consiste en realizar de forma constante o periódica medidas de la amplitud del voltaje de una señal analógica, redondear sus valores a un conjunto de niveles preestablecidos de voltaje y capturarlos o tomarlos como números enteros.

Fig. 1 Evento analógico y digital

Para que dicha señal ingrese al convertidor análogo - digital, debe ser muestreada, es decir, se toman valores discretos en instantes de tiempo de la señal análoga, lo que recibe el nombre de sampling. Matemáticamente es el equivalente a multiplicar la señal análoga por una secuencia de impulsos de periodo constante. Como resultado se obtiene un tren de impulsos con amplitudes limitadas por la envolvente de la señal analógica.

Fig. 9 Forma de digitalizar una señal analógica

8.3.1 Exactitud y Resolución de un convertidor ADC Exactitud será la conversión entre la señal analógica y la digital, para lo cual se define la resolución que ésta tendrá. Primero se define el número máximo de bits de salida. Este dato permite determinar el número máximo de combinaciones en la salida digital. Este número máximo está dado por: 2n donde n es el número de bits. También la resolución se entiende como el voltaje necesario para lograr que en la salida haya un cambio del bit menos significativo. Para hallar la resolución se utiliza la fórmula: Resolución = ViFS / [2n – 1], donde: •

n = es el número de bits que tiene el Convertidor Analógico Digital

•

ViFS = es el voltaje que hay que poner a la entrada del convertidor ADC, para obtener una conversión máxima (todas las salidas serán iguales a “1”)

La Resolución del ADC es igual a la resolución de DAC que contiene.

8.3.2 ADC de Rampa Digital La conversión de analógico a digital implica de forma inherente una acción de comparador, donde en algún momento se compara el valor de la tensión analógica con un estándar. Una forma común de hacerlo es aplicar el voltaje analógico a un terminal de entrada del comparador y disparar un contador binario que accione un DAC. La salida del DAC se aplica a la otra entrada del comparador. Puesto que la salida del DAC está aumentando con el contador, en algún momento se activará el comparador cuando su tensión exceda la entrada analógica. La transición del comparador detiene el contador binario, que en ese punto tiene el valor digital correspondiente a la tensión analógica.

Fig. 10 ADC de Rampa Digital

El proceso de este tipo de conversores ADC comienza activando un pulso de inicio en la lógica de control, con esta acción el contador se inicializará en cero, entregando en sus salidas el código binario del cero digital. La secuencia pasa directamente como entrada paralela al DAC que responde con 0 [V] a la salida. Esta señal es usada como entrada de referencia a un comparador, el cual compara la magnitud de la señal analógica de entrada con el valor entregado por el conversor. Del valor que proporcione el comparador dependerá que el contador continúe contando o bien, se detenga, pues si el comparador entrega un ”1”, entonces el reloj continuará alimentando al comparador. De lo contrario el contador se detendrá. La lógica del comparador es si la señal de entrada es mayor que la referencia, entonces el comparador responderá con un ”1” y se incrementa la cuenta en 1 digital, y así sucesivamente, sólo la cuenta se detendrá cuando la respuesta del DAC sea mayor que la entrada de la señal analógica. En este caso, el reloj se detendrá y se tendrá la salida digital del valor de cuenta anterior.

8.3.3 ADC de Aproximaciones Sucesivas El ADC de aproximación sucesiva es mucho más rápido que la rampa digital, porque usa la lógica digital para converger con el valor más próximo al voltaje de entrada. En el proceso se usan un comparador y un DAC.

Se utiliza ampliamente debido a su combinación de alta resolución y velocidad. El esquema es prácticamente el mismo, difieren en que el contador dentro del registro no es un contador secuencial de uno en uno, sino un contador programable que se incrementa o decrementa de acuerdo a la influencia del bit de mayor peso. El ADC de aproximaciones sucesivas es de los más utilizados, es posible encontrar modelos capaces de suministrar 16 bits en la salida y realizar la conversión en un tiempo de unas decenas de microsegundos.

Fig. 21 ADC de Aproximaciones Sucesivas

8.3.4 Circuito Convertidor Analógico- Digital con comparadores Los comparadores reciben en sus entradas la señal analógica Vin de entrada junto con otra señal de referencia, distinta para cada uno de ellos. Al estar las señales de voltaje en niveles diferentes y escalonados, es posible conocer si la señal de entrada sobrepasa o no a cada una de ellas, lo cual permitirá que estos comparadores entren en modo de saturación y nos arroje una señal cuadrada. A continuación, será necesario un codificador que nos entregue la salida en forma binaria.

Fig. 32 Comparadores del convertidor analógico- digital

Al circuito de comparadores hay que aumentarle otro circuito que transforme su salida en un código de dos bits que será el resultado final. Lo que hace el grupo de comparadores mostrado es censar la entrada analógica y dar una salida que indicará cual es el dato digital más cercano a la señal analógica de entrada. Este tipo de circuito convertidor pertenece al grupo de convertidores de transformación directa. Es probablemente, el de más fácil compresión, pues consiste básicamente en detectar cuando una determinada tensión de entrada pasa por unos controles comparadores previamente establecidos, su esquema puede verse así:

Fig. 43 Convertidor analógico- digital con comparadores con salida digital

Este tipo de convertidor es el más rápido, alcanzando los tiempos de conversión el orden de nanosegundos. La comparación la realiza de forma simultánea y no secuencial. Por el contrario, el principal inconveniente de este convertidor es el gran número de comparadores que se requiere, cuando aumenta el número de bits en la salida digital.

8.3.5 Tensión-Frecuencia El ADC de tensión a frecuencia es más sencillo que los otros ADCs, debido a que no hace uso de un DAC. En su lugar, emplea un oscilador lineal controlado de voltaje (VCO), el cual produce como salida una frecuencia que es proporcional al voltaje aplicado a su entrada. En este caso, el voltaje analógico que se desea convertir se conecta a la entrada del VCO para generar una frecuencia de salida. Esta frecuencia, se envía a un contador que cuenta, durante un intervalo de tiempo fijo. El conteo final es proporcional al valor del voltaje analógico Aunque este método de conversión es muy sencillo, resulta difícil alcanzar alto grado de exactitud dada la dificultad de diseñar un VCO con una exactitud mayor que 0.1%.

Fig. 145 Conversor voltaje- frecuencia

Cuando se aplica un voltaje de entrada el integrador genera un voltaje de salida de rampa con una pendiente proporcional al voltaje aplicado. Esta rampa se aplica a un generador monoestable el cual genera un pulso de amplitud definido por el voltaje de entrada rampa. El pulso es realimentado a un conmutador que descarga el condensador integrador, terminando así la rampa. Su utilización es adecuada en ambientes ruidosos, por su alta inmunidad al ruido y exactitud. Las frecuencias típicas del convertidor voltaje frecuencia son entre 10 KHz a 1 MHz.

Ejemplos 1. Si se tiene un convertidor analógico – digital de 4 bits y el rango de voltaje de entrada es de 0 a 15 voltios. La resolución será = ViFS / [2n -1] = 15 / [2^4 -1] = 15/15 = 1 voltio / variación en el bit menos significativo. Esto significa que un cambio de 1 voltio en la entrada, causará un cambio del bit menos significativo a la salida. En este caso este bit es D0. Ver la siguiente tabla:

Fig. 15 Tabla de conversión ADC ejemplo 1

Fig. 16 Señal ejemplo 1

2. Supongamos por ejemplo que tenemos un convertidor ADC de 3 bits. Este convertidor podrá tener solo 8 valores diferentes a su salida. Esto significa que nuestros voltajes al ser convertidos podrían tener más o menos la siguiente distribución (asumiendo un voltaje máximo de 5V)

Fig. 17 Tabla de conversión ADC ejemplo 2

Bibliografía Juan, D. (Febrero de 2014). Convertidores DAC/ADC. Obtenido de https://profejuandotcom.files.wordpress.com/2014/02/convertidor-adc.pdf Nave, M. O. (2019). Conversión Analógica a Digital. Obtenido de http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/Electronic/adc.html#c3 WordPress, M. (11 de Agosto de 2010). Convertidores analogico-digital y digital-analogico (ensayo). Obtenido de https://boniwilly.wordpress.com/2010/08/11/hello-world/