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Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de la Región Carbonífera Electrónica Digital Ing. Oscar Jesús Escalera Rodríguez

Convertidores ADC y DAC Integrantes.-

Magaly Celeste Ortiz Alejandra Cano Fava Alfredo Zarate Moreno

Convertidores ADC y DAC Existe la necesidad de reunir dos tecnologías que habían hecho camino en el campo de la computación en forma aislada, la digital: constante, sensible y puntual, y la análoga: fuerte, voluminosa y general. Al reunir estas dos tecnologías la digital y la análoga se ha fortalecido la ciencia. Existen dos maneras de representar el valor numérico; las cantidades analógicas que pueden variar gradualmente sobre un intervalo continúo de valores y las cantidades digitales que pueden variar en valores discretos dentro de ciertos rangos especificados. Por esta separación existen dos tipos de sistemas los cuales ocupan estos tipos de cantidades que son el Sistema digital que es una combinación de dispositivos diseñada para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma digital y el Sistema analógico que es una combinación de dispositivos diseñada para manipular cantidades físicas o información que estén representadas en forma analógica.

La tecnología híbrida ha logrado combinar perfectamente la computación digital con el mundo natural, la programación en tiempo real, el uso de las redes neuronales, la inteligencia artificial, la computación de las últimas generaciones, el micro-controlador y sistemas automáticos de desarrollo.

La mayoría de los conversores que se utilizan hoy en día para codificar las señales analógicas de voz, audio y video son los de aproximación sucesiva: toman la muestra, la almacenan y la compararan con la salida que se obtiene en el conversor D/A al fijar sucesivamente los bits de su registro en 1, desde el más al menos significativo. Si la muestra resulta de mayor amplitud que el valor de prueba, entonces se mantiene el bit en 1, si resulta menor, se cambia su valor por un 0.

Características Estáticas Resolución:

Expresada en unidades de tensión, dependerá del escalón tomado como referencia con respecto a los niveles de tensión dado por el número de bit.

La linealidad integral y el de linealidad diferencial: Analizando la gráfica de transferencia entrada-salida en el caso ideal, el resultado es una línea recta formada por los puntos de transición de los valores de entrada que determinan cambios de nivel en la salida. Mientras más se ajuste el comportamiento real a esta recta, más preciso se considera al convertidor.

Monotonicidad: Un conversor es monotónico cuando un incremento de tensión en la entrada le corresponda un incremento en la salida, y para una disminución de la entrada, el correspondiente descenso. Si un convertidor no es monotónico, el resultado es la pérdida del código. Si para una determinada combinación de bit no hay un aumento en función de un incremento de la entrada, sino un descenso, se identificará el valor analógico con el código que viene a continuación lo que provoca la no monotonicidad.

El error de ganancia, el error de Desplazamiento (offset) y el error de cuantificación:

En términos generales corresponden a la comparación y diferencia máxima entre la curva de transferencia ideal y la real en todo el margen de medidas. El error de ganancia es un parámetro que muestra la precisión de la función de transferencia del convertidor respecto a la ideal y se expresa en LSB (% FSR- font scale range).El error de offset, se toma cuando todos los bit de entrada son ceros en el caso de un DAC, gráficamente se representa como un desplazamiento constante de todos los valores de la curva característica.

Velocidad: En algunas aplicaciones, es necesario disponer de un convertidor capaz de tratar señales de elevada frecuencia. Siempre es importante disponer de una velocidad de muestreo que garantice la conversión de forma correcta, teniendo en cuenta el teorema de muestreo, según el cual la frecuencia de muestreo debe ser, como mínimo el doble que el ancho de banda de la señal muestreada para que sea posible su digitalización.

Características Dinámicas Tiempos de conversión:

Es el tiempo desde que se aplica la señal a convertir hasta que la señal (análoga o digital) esté disponible en la salida.

Tiempo de adquisición:

En el caso de conversores Análogo-Digital, es el tiempo durante el cual el sistema de muestreo y retención (Sample & Hold) debe permanecer en estado de muestreo (sample), para asegurarse que el consiguiente estado retención (hold) este dentro de la banda de error especificada para la señal de entrada.

Tiempo de asentamiento:

Es el intervalo de tiempo entre la señal de retención y el definitivo asentamiento de la señal (dentro de la banda de error especificada).

Slew rate:

Es la velocidad a la cual el valor de la salida del S&H converge al valor muestreado deseado. El proceso de conversión análoga-digital requiere que la señal análoga de entrada permanezca en un valor constante de tal forma que el ADC pueda realizar su tarea en forma adecuada. Aparece aquí, un elemento llamado sample & hold, que toma una muestra de la señal seleccionada y mantiene su valor durante el tiempo que dura la conversión análoga digital ó T&H (track & hold), que se limita a detectar puntualmente el nivel de la señal analógica.

Convertidor Digital Análogo (DAC) La resolución depende del número de bits por lo tanto un DAC que tenga mayor cantidad de bits tiene una resolución más fina (pequeña). Los fabricantes pueden especificar de varias formas la precisión, las más comunes son el error a escala completa y el error de linealidad, que por lo general se expresan como un porcentaje de la salida a escala completa del convertidor (%FS). El error a escala completa es la desviación máxima de la salida del DAC de su valor esperado (Ideal), lo cual se expresa como un porcentaje de la escala completa. Suponga un DAC que tenga una salida a escala completa de 9.375V y tiene una precisión de ±0.01%, esto quiere decir que en cualquier momento en sus salida puede desviarse hasta ±0.9375V ±0.01% x 9.375V = ±0.9375V. El error de linealidad es la máxima desviación en el tamaño del escalón, en base al tamaño de escalón ideal. Por ejemplo si el tamaño del escalón esperado por un DAC es de 0.625V. Si este convertidor tiene un error de linealidad de ±0.01%, esto significa que el tamaño del escalón actual podría desviarse hasta 0.625V x ±0.01% En teoría la salida de un DAC será cero volts cuando todos los bits de la entrada binaria sean 0. No obstante, en la práctica habrá un voltaje de salida muy pequeño para este caso; a esto se le conoce como error de desplazamiento. Si este error de desplazamiento no se corrige se agregara a la salida esperada del DAC para todos los casos de entrada.

El tiempo de estabilización es el tiempo requerido para que la salida del DAC cambie de cero a escala completa a medida que la entrada binaria se cambie de todos los bits en 0 a todos los bits en 1. En realidad el tiempo de estabilización se mide como el tiempo que tarda la salida del DAC en estabilizarse dentro de un intervalo no mayor a ±1/2 del tamaño del escalón (resolución de su valor final). Los valores típicos para el tiempo de estabilización varían entre 50ns y 10µs. Hablando en general los DACs con una salida de corriente tendrán tiempos de estabilización más cortos que los DACs con salidas de voltajes.

La salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógico para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura o para controlar una variable física. Las computadoras pueden programarse para generar señales analógicas (a través de un DAC) necesarias para probar circuitos analógicos. La respuesta analógica de estos circuitos se convierte de nuevo en un valor digital mediante un ADC para que la información se pueda almacenar, visualizar y analizar.

Una señal analógica se digitaliza tomando puntos sucesivos en la señal los cuales se convierten en sus equivalentes digitales y se almacenan en memoria. Esta conversión se realiza mediante un ADC después se puede utilizar un DAC para convertir los datos digitalizados en datos analógicos con lo cual se reconstruye la señal original. Pueden utilizarse para reducir la amplitud de una señal analógica de tal forma que un sistema digital puede controlar cosas tales como el volumen de un sistema de audio o la amplitud de un generador de funciones.

Un ejemplo básico de un convertidor digital a análogo, en en las puntas de las resistencias están las entradas digitales en forma ordenada del bit más significativo al menos significativo y la salida el voltaje Vo.

Los elementos básicos de un DAC completo son la referencia; una red de resistencias para proporcionar un conjunto de voltajes, corrientes o ganancias sopesadas, un conjunto de interruptores para determinar que “bits” contribuirán a la salida y un transductor para proporcionar una salida que tenga el formato deseado (voltajes o corrientes), el nivel y la impedancia adecuados. Además (lo que no se muestra) el convertidor requiere un impulsor de interruptor u una traducción lógica de los niveles y el formato de entrada digital.

Convertidor Análogo Digital (ADC) La siguiente figura muestra la secuencia desde que la variable física entra al sistema hasta que es transformada a señal digital (código binario). Para dicha señal ingrese al convertidor análogo - digital, ésta 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.

Un convertidor analógico – digital toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa a la entrada analógica. Por lo general el proceso de conversión A/D es más complejo y consume mucho más tiempo que el proceso D/A. Estos convertidores tienen como misión la obtención de una representación digital de la magnitud analógica que se presente a su entrada. Los procesos que deben llevar a cabo son los de cuantificación, por el que la señal analógica continua de entrada se transforma en un conjunto e bits a cada una de dichos estados.

El proceso mediante el cual la computadora adquiere datos analógicos digitalizados se llama adquisición de datos. Al proceso de adquirir el valor de un solo punto de datos se le conoce como muestreo de la señal analógica y por lo general a ese punto se le conoce como muestra.

Convertidor Análogo - Digital De Rampa De Escalera. Se basa en la comparación de la señal analógica de entrada con una señal de rampa definida con precisión.

Convertidor Análogo - Digital Por Aproximaciones Sucesivas

Es una técnica de conversión más efectiva que la anterior. 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 (SAR). De esta manera no es necesario contar con 2n veces como lo hacia el contador tipo rampa, ahora la cuenta máxima solo es de n veces.

Convertidor De Doble Rampa

Los de tipo rampa tienen como punto fuerte la precisión, y al mismo tiempo, sólo pueden aplicarse a señales cuyo nivel oscile de forma muy lenta (un valor típico de velocidad de muestreo es de 10 muestras por segundo). Este dispositivo consiste en un integrador basado en un amplificador operacional.

Convertidor Voltaje Frecuencia En este tipo de conversores, el voltaje continuo de entrada se convierte en un conjunto de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la magnitud del voltaje de alimentación. Los pulsos se cuentan mediante un contador electrónico, durante un intervalo de tiempo específico y la cuenta resultante se exhibe como una representación digital del voltaje.

Varios tipos importantes de ADCs utilizan un DAC como parte de sus circuitos. La sincronización para la operación se proporciona mediante la señal de reloj de entrada. La unidad de control contiene los circuitos lógicos para generar la secuencia apropiada de operaciones en respuesta a la señal de inicio, el cual inicia el proceso de conversión. El amplificador operacional comparador tiene dos entradas analógicas y una salida digital que cambia de estado, dependiendo de cuál de las entradas analógicas sea mayor.

La operación básica de los ADCs de este tipo consiste en los siguientes pasos: 1. Pulsar SEÑAL DE INICIO inicia la operación. 2. A una velocidad determinada por el reloj, la unidad de control modifica en forma continua el número binario que se almacena en el registro. 3. El DAC convierte el número binario del registro en un voltaje analógico VAX. 4. El Comparador compara VAX con la entrada analógica VA. Mientras que VAX