• Author / Uploaded
• Marco Chahuayo García

Citation preview

CONVERTIDORES D/A Y A/D ING. JOSÉ L. MENDOZA RODRÍGUEZ

CONVERTIDOR DIGITAL / ANALÓGICO Los procesos del mundo real producen señales analógicas que varían constantemente. La velocidad puede ser muy lenta, como la variación de la temperatura ambiente o muy rápida, como sucede en un sistema de audio. los

procesos analógicos se describen mejor por medio de números decimales y letras del alfabeto. En cambio, en los microprocesadores y las computadoras utilizan patrones binarios para representar números, letras y símbolos.

En la tecnología analógica no es fácil almacenar, manipular, comparar, calcular o recuperar información con exactitud. En cambio mediante las computadoras se puede realizar todos esos procesos con precisión en una cantidad ilimitada de datos.

CONVERTIDOR DIGITAL / ANALÓGICO

DAC

D2

D1

Vsal

D0

Tensión analógica de salida Vsal

CARACTERÍSTICAS DEL CONVERTIDOR D/A Fondo de escala (Fe)

7 Línea punteada tensión de salida vs entrada digital

6 5 4

3

Valor de salida para una entrada de 1 LSB

2 1

0

111

110

101

100

011

010

001

000

CONVERTIDOR DIGITAL / ANALÓGICO RESOLUCIÓN

La resolución se define de dos formas:

1.

Es el numero de valores distintos de salida analógica que pueden ser

suministrados por un convertidor D/A. en el caso de uno de n bits, se tiene: resolución = 2n

2.

Se define también como la razón del cambio de voltaje de salida producido

por un cambio del bit menos significativo en la entrada digital. resolución = Vsec/(2n-1) Vsec: Tensión de salida a escala completa

n: número de entradas digitales

CONVERTIDOR DIGITAL / ANALÓGICO ECUACIÓN DE ENTRADA-SALIDA La función de transferencia o la ecuación de entrada-salida tiene que ver con el cambio de tensión de la salida analógica producido por una palabra digital de entrada. Esta ecuación se obtiene al multiplicar la resolución por el cambio en la entrada digital dada en bits menos significativos. Vs = resolución . D Vs: tensión analógica de salida D: valor decimal de la entrada digital

CONVERTIDOR ANALÓGICO / DIGITAL 111

Código de salida digital

110

ADC

Tensión de entrada Ve

D2

D1

D0

101 100 011

010 001 000

0

1

2

3

4

5

6

Voltaje de entrada analógica

7 Voltios

CONVERTIDOR ANALÓGICO / DIGITAL RESOLUCIÓN De forma análoga al convertidor D-A se define de dos formas:

1.

El numero de códigos de salida digital es:

resolución = 2n

2.

Se define también como la razón del cambio del valor de la tensión de entrada (Ve) que se necesita para cambiar en 1 LSB la salida digital.

resolución = Veec/(2n-1) Veec: Tensión de entrada a escala completa que produce una salida digital de solo unos. n: número de salidas digitales

CONVERTIDOR ANALÓGICO / DIGITAL ECUACIÓN DE ENTRADA-SALIDA La salida digital de un convertidor analógico a digital ideal de 4 bits se grafica en función de la tensión de entrada analógica. En su forma mas simple, la ecuación de un convertidor A/D está dada por: Código de salida digital = equivalente binario de D Donde D es igual al valor decimal de la salida digital; o sea, D es igual al número de bits menos significativos en la salida digital y se calcula a partir de: D = Ve/resolución

Ve: tensión de entrada analógica

CONVERTIDOR ANALÓGICO / DIGITAL ERROR DE CUANTIFICACIÓN La figura muestra que la salida binaria es 0101 para todos los valores de Vi entre 4,5 y 5,5 V. existe una incertidumbre inevitable respecto al valor exacto de Vi cuando la salida es 0101, dicha incertidumbre se especifica como error de cuantificación, su valor es de ±½ LSB. Si se incrementa la cantidad de bits se

Códigos de salida digital

logra una mejor resolución y el error de cuantificación es menor. 0110 0101 0100

4 5 6 Tensión de entrada analógica

CONVERTIDOR DIGITAL / ANALÓGICO RED DE ESCALERA R-2R R

3 Iref =Vref/R

Vref

I3 =Iref/2

2R

I3 =Iref/2

I2 =I3/2

0

MSB

1

R

1

2R

I0 =I1/2

2R

I1 =I2/2

D2 0

0

I1 =I2/2

I2 =I3/2

2R

D3

R

2

I0 =I1/2

D1 1

0

2R

D0 1

0

Isal =I0 . D

LSB

1

Tierra virtual

Red en escalera que convierte el código digital de entrada en una corriente de salida analógica Isal

CONVERTIDOR DIGITAL / ANÁLOGO CORRIENTE DE ESCALERA La corriente de referencia es: Iref = Vref/R Las corrientes de escalón se evalúan a partir de: I3 = Iref/2 I2 = I3/2 = Iref/4 I1 = I2/2 = Iref/8 I0 = I1/2 = Iref/16

Donde I0 es la corriente controlada por el interruptor del bit menos significativo.

CONVERTIDOR DIGITAL / ANÁLOGO ECUACIÓN DE ESCALERA Se observa que la Isal es la suma de todas las corrientes de escalera dirigidas hacia el conductor de salida por dichos interruptores, entonces la ecuación de entrada-salida correspondiente a la red escalera es: Isal = I0 . D D: valor decimal de entrada digital I0: mínimo valor de corriente en la red de escalera Si definimos I0 como resolución de escalera la ecuación será: Isal = resolución . D Iref 1 Vref resolución = I0 = n = n ∙ R 2 2

CONVERTIDOR DIGITAL / ANÁLOGO RED DE ESCALERA R-2R R

3 Iref =Vref/R

Vref

I3 =Iref/2

2R

I3 =Iref/2

I2 =I3/2

0

MSB

1

R

1

2R

I0 =I1/2

2R

I1 =I2/2

D2 0

0

I1 =I2/2

I2 =I3/2

2R

D3

R

2

I0 =I1/2

D1 1

0

2R

D0 1

0

LSB

1

Rf Isal

Vsal =-resolución . D

CONVERTIDOR DIGITAL / ANÁLOGO SALIDA DE TENSIÓN DEL CONVERTIDOR DIGITAL A ANALÓGICO Con la incorporación un Opam y una resistencia de retroalimentación la tensión de salida está dado por:

Vsal = -Isal . Rf Vsal = -(resolución actual . D) . Rf Ordenando la ecuación se tiene:

Vsal = -(resolución actual . Rf) . D En términos del circuito, Vsal se expresa como: Vref 1 Vsal = ∙ n Rf ∙ D R 2

CONVERTIDOR DIGITAL / ANALÓGICO DE 8 BITS: DAC-08

CONVERTIDOR DAC-08 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES Dos salidas de corriente complementarias: Isal e Isal . Para cualquier palabra de entrada se cumple que: Isal + Isal = Iref·255/256

donde Iref=Vref/Rref.

Dos entradas de referencia: Vref (+) y Vref (-). Una entrada VLC (pin 1) que permite fijar los niveles lógicos requeridos en las entradas digitales. Esto facilita la conexión con circuitos digitales de diferentes familias lógicas (TTL, CMOS, NMOS, ECL, etc.) Alimentación simétrica ± Vcc (pines V+ y V-) en un amplio margen (de ± 4,5 V a ± 18 V) Un terminal de compensación (pin 16). El fabricante recomienda conectar un condensador de 10 nF entre este terminal y el de alimentación negativa (pin 3).

CONVERTIDOR DAC-08 CON SALIDA UNIPOLAR

Escala completa Escala completa−LSB Media escala+LSB Media escala Media escala−LSB Cero escala+LSB Cero escala

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

Isal mA

Isal mA

VO

VO

1 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 0 1 0 1 1 0

1.992 1.984 1.008 1.000 0.992 0.008 0.000

0.000 0.008 0.984 0.992 1.000 1.984 1.992

−9.960 −9.920 −5.040 −5.000 −4.960 −0.040 0.000

0.000 −0.040 −4.920 −4.960 −5.000 −9.920 −9.960

CONVERTIDOR DAC-08 CON SALIDA UNIPOLAR Corriente de escalera: El usuario puede ajustar la corriente de escalera de 4 μA a 4 mA, siendo el valor típico 2 mA. Vref Iref = Rref Corriente de salida analógica: El valor de corriente de 1 LSB (resolución) se calcula por medio de: Vref 1 Resolución= valor del LSB = ∙ n Rref 2 Isal = valor del LSB ∙D Corriente de salida a plena escala: Iec = valor del LSB ∙255 Isal = Iec − Isal

CONVERTIDOR DAC-08 CON SALIDA UNIPOLAR Tensión de salida: Mediante el Opam se convierte Isal en una salida de tensión Vo. Esta salida de tensión presenta una resolución de: Vref 1 Resolución = ∙ Rf ∙ n Rref R y Vo está dado por: Vo = resolución · D = Isal · RF

CONVERTIDOR DAC-08 Con salida bipolar

Escala completa positiva Escala completa positiva−LSB Cero Escala+LSB Cero Escala Cero Escala−LSB Escala completa negativa+LSB Escala completa negativa

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0

VO

VO

1 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 0

1 0 1 0 1 1 0

−9.920 −9.840 −0.080 0.000 +0.080 +9.920 +10.000

+10.000 +9.920 +0.160 +0.080 0.000 −9.840 −9.920

CONVERTIDOR DAC-08 Con salida bipolar El Opam y los dos resistores convierten la diferencia entre Isal e Isal en una tensión: Vo = Isal − Isal ∙Rf

CONVERSOR A/D FLASH O PARALELO Vref

Vent

8V S7

R

S6

R

S5

R

S4

6,5 V 5,5 V 4,5 V 3,5 V

R

S3

2,5 V

R

S2

R

S1

1,5 V ½ LSB 0,5 V R/2

Vent > Vref → S = 1

CODIFICADOR DE 8 A 3 LÍNEAS

3R/2

Vent < Vref → S = 0 Vent = Vref → S = Valor previo

D2

Entrada Analógica (V)

Salida Digital

D1

0-0,5

0 0 0

0,5-1,5

0 0 1

1,5-2,5

0 1 0

2,5-3,5

0 1 1

3,5-4,5

1 0 0

4,5-5,5

1 0 1

5,5-6,5

1 1 0

> 6,5

1 1 1

D0

CONVERTIDOR ADC-0804 Cuenta con un solo canal de entrada analógica con una salida digital de ocho bits que puede mostrar 256 valores de medidas diferentes. El tamaño de paso se ajusta mediante el establecimiento de la tensión de referencia en pin9 la entrada de referencia de voltaje puede ser ajustado para permitir que codificar cualquiera rango de tensión analógica más pequeña para la totalidad de 8 bits de resolución. Cuando en el ADC0804 no se conecta el pin tensión de referencia, la tensión de referencia por defecto es la tensión de funcionamiento, es decir, Vcc. El tamaño del paso a 5V es 19,53mV (5V/255), es decir, por cada aumento de 19.53mV en la entrada analógica, la salida varía por 1 unidad. Para establecer un nivel de tensión determinado como valor de referencia, esta clavija está conectada a la mitad de la tensión. Por ejemplo, para establecer una referencia de 2V (Vref), pin9 está conectado a 1V (Vref / 2), reduciendo de este modo el tamaño del paso a 7,84mV (2V/255).

CONVERTIDOR ADC-0804 Necesita un reloj para operar. El tiempo de conversión del valor analógico a un valor digital depende de la fuente de reloj. Podemos conectar un reloj externo en el pin 4 o podemos hacer uso de su reloj incorporado, colocando de un circuito RC. Se puede derivar de una fuente externa como el reloj de la CPU o una red RC externa pueden ser añadirse para proporcionar el reloj interno. El CLK IN (pin 4) hace el uso de un disparador de Schmitt, como se muestra en la Figura . Debe evitarse una alta carga capacitiva o alta carga DC del R pin CLK ya que esto perturba el funcionamiento normal del convertidor.

CONVERTIDOR ADC-0804 • • • • • • • • • • • • •

Pin1 Activa ADC; activo bajo Pin2 Pin de entrada; De mayor a menor pulso trae los datos de los registros internos de los pines de salida después de la conversión Pin3 Pin de entrada; menor a mayor impulso se dio para iniciar la conversión Pin4 Pin de entrada del reloj, para darle reloj externo Pin5 Pin de salida, pasa a nivel bajo cuando la conversión se ha completado Pin6 Entrada no inversora analógica Vin (+) Pin7 Entrada de inversión analógica, normalmente tierra Vin (-) Pin8 Tierra (0 V) Pin9 Pin de entrada, define la tensión de referencia para la entrada analógica Vref / 2 Pin10 Tierra (0 V) Pin11 al Pin18 (D7 al D0) Pin19 Utilizado con el reloj en pin cuando se utiliza fuente de reloj interno Pin20 Tensión de alimentación (5V)

CONVERTIDOR ADC-0804