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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, Decana de América

FACULTAD DE ELÉCTRONICA, ELÉCTRICA Y TELECOMUNICACIONES INFORME PREVIO N°4

MATERIA: Laboratorio de Circuitos Digitales II

TEMA: Circuitos ADC y DAC

PROFESOR(A): Casimiro

ALUMNO:

 Levano Vilca Willy Paolo

2018

INFORME PREVIO Cuestionario: 1. Explicar el concepto de señal analógica. Explicar el concepto de señal digital. Señal Analógica: Una señal analógica es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo (representando un dato de información) en función del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, mecánicas, etc. La magnitud también puede ser cualquier objeto medible como los beneficios o pérdidas de un negocio. Señal Digital: Su forma característica es ampliamente conocida: la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se realizan en el dominio del tiempo. Las señales digitales no se producen en el mundo físico como tales, sino que son creadas por el hombre y tiene una técnica particular de tratamiento, y como dijimos anteriormente, la señal básica es una onda cuadrada, cuya representación se realiza necesariamente en el dominio del tiempo. Resumiendo, las señales digitales sólo pueden adquirir un número finito de estados diferentes, se clasifican según el número de estados (binarias, ternarias, etc.)y según su naturaleza eléctrica(unipolares y bipolares). En pocas ideas se muestra lo que se da a entender en la siguiente figura:

2. Explicar los conceptos de muestreo, cuantificación y codificación.

Muestreo: El muestreo digital es una de las partes del proceso de digitalización de las señales. Consiste en tomar muestras de una señal analógica a una frecuencia o tasa de muestreo constante, para cuantificarlas posteriormente. El muestreo está basado en el teorema de muestreo, que es la base de la representación discreta de una señal continua en banda limitada. Es útil en la digitalización de señales (y por consiguiente en las telecomunicaciones) y en la codificación del sonido en formato digital.

Cuantificación: Básicamente, la cuantificación lo que hace es convertir una sucesión de muestras de amplitud continua en una sucesión de valores discretos preestablecidos según el código utilizado. Durante el proceso de cuantificación se mide el nivel de tensión de cada una de las muestras, obtenidas en el proceso de muestreo, y se les atribuye un valor finito (discreto) de amplitud, seleccionado por aproximación dentro de un margen de niveles previamente fijado. Los valores preestablecidos para ajustar la cuantificación se eligen en función de la propia resolución que utilice el código empleado durante la codificación. Si el nivel obtenido no coincide exactamente con ninguno, se toma como valor el inferior más próximo (Conversión por medio de las Aproximaciones Sucesivas). Así pues, la señal digital que resulta tras la cuantificación es diferente a la señal eléctrica analógica que la originó, algo que se conoce como Error de cuantificación. El error de cuantificación se interpreta como un ruido añadido a la señal tras el proceso de decodificación digital. Si este ruido de cuantificación se mantiene por debajo del ruido

analógico de la señal a cuantificar (que siempre existe), la cuantificación no tendrá ninguna consecuencia sobre la señal de interés.

Codificación: En ese contexto la codificación digital consiste en la traducción de los valores de tensión eléctrica analógicos que ya han sido cuantificados (ponderados) al sistema binario, mediante códigos preestablecidos. La señal analógica va a quedar transformada en un tren de impulsos de señal digital (sucesión de ceros y unos). Esta traducción es el último de los procesos que tiene lugar durante la conversión analógica-digital. El resultado es un sistema binario que está basado en el álgebra de Boole. Todo se resume en el siguiente diagrama de bloques:

Procesos de la conversión A/D.

3. ¿Con 8 bits, cuantos niveles de cuantificación se podrían manejar? Bueno fundamental debemos recordar que estamos hablando de una transición de analógico al sistema digital, lo que nos indica que siempre estaremos hablando de ceros y unos. Entonces: 2𝑛 = 28 = 256 Ya que debemos recordar que usamos 8 bits lo que nos da la posibilidad de obtener 256 niveles de cuantificación de la señal analógica. 4. Describa el propósito de la conversión A/D y D/A. 

CONVERTIDORES ANALÓGICO – DIGITAL

Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica. El proceso de conversión A/D es generalmente más complejo y largo que el proceso D/A, y se han creado y utilizado muchos métodos. Fundamentalmente busca “digitalizar” cualquier fenómeno

físico existente en la naturaleza para guardarlo y procesarlo de manera que siempre estemos informaciones de las variaciones del medio. 

CONVERTIDORES DIGITAL – ANALÓGICO

Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analógica, ya que puede tomar diferentes valores de cierto intervalo. Fundamentalmente es usado para producir salidas “cuasi-analógicas” pero que pueden mostrar con un determinado grado de fiabilidad la señal analógica inicial.

En la siguiente figura se muestra los siguientes diagramas de bloques que resumen todo lo anteriormente dicho:

5. Describa brevemente los diferentes métodos de conversión análogo/digital. Bueno los más conocidos y relevantes son:  CONVERTIDOR A/D CON RAMPA DIGITAL: Una de las versiones más simples del convertidor A/D hace uso de un contador binario como registro y permite que el cronómetro incremente a un paso a la vez hasta que Va’ ≥ Va. A este se lo llama convertidor A/D con rampa digital ya que la forma de onda en Va’ es una rampa que funciona paso por paso (en realidad es escalón por escalón). El siguiente grafico muestra eso:

 ADC DE APROXIMACIONES SUCESIVAS: Es el más usado, tiene circuitos más complejos que el ADC con rampa digital y su tiempo de conversión es mucho más corto que es fijo y no depende del valor de la entrada analógica. En vez de utilizar un contador como el ADC con rampa digital, utiliza un registro que alimenta al DAC y que a su vez manejado por una lógica de control. En la siguiente figura se muestra la idea fundamentalmente:

 ADC DE RÁFAGA: También llamado “paralelo o flash”, es el más rápido pero requiere de una circuitería mucho más compleja, por ejemplo, un ADC de ráfaga de 6bits requiere de 63 comparadores mientras que, otro de 10bits requiere 1023 comparadores, es decir, que para N bits de salida se requieren (2N - 1) comparadores. Los comparadores son

amplificadores operacionales cuyas entrada inversora es común a la señal analógica de entrada y las entradas no inversoras están dispuestas ordenadamente en un divisor de tensión; sus salidas alimentan a un codificador cuya salida es el equivalente digital de la entrada. El siguiente gráfico muestra la circuitería que abarca formalmente:

 INTEGRADOR O V VS. F: 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. 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.

6. Definir las especificaciones más importantes de un DAC: resolución, precisión, tiempo de respuesta y voltaje de balance. o

Resolución: La resolución viene determinada por la longitud de la palabra digital (número de bits), es decir por las agrupación de ceros y unos con que se va componiendo (codificando) la señal. En otras el mínimo valor de cuantificación que puede obtenerse.

o

Precisión: Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de especificar la precisión o exactitud. Las dos más comunes se las llama Error de Escala Completa y Error de Linealidad, que normalmente se expresan como un porcentaje de la salida de escala completa del convertidor (%FS).El error de escala completa es la máxima desviación de la salida del DAC de su valor estimado (teórico). El error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de etapa del teórico. Algunos de los DAC más costosos tienen errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%.

o

Tiempo de respuesta: La velocidad de operación de un DAC se especifica cómo tiempo de respuesta, que es el tiempo que se requiere para que la salida pase de cero a escala completa cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variarán de 50ns a 10ms. En general, los DAC con salida de

corriente tendrán tiempos de respuesta más breves que aquellos con una salida de voltaje. Por ejemplo, el DAC 1280 puede operar como salida de corriente o bien de voltaje. Su tiempo de respuesta a su salida es 300ns cuando se utiliza salida de corriente 2.5ms cuando se emplea salida de voltaje. El DAC 1280 es un convertidor D/A construido con un amplificador sumador. o

Voltaje de balance: En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando la entrada binaria es todos los ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida pequeño producido por el error de desbalance del amplificador del DAC. Este desplazamiento es comúnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrán una capacidad de ajuste de balance externo que

permite eliminar el error de desbalance. Todo lo dicho se halla en el siguiente circuito interno del DAC:

7. Presentar las hojas de datos (datasheet) de los integrados ADC y DAC que se utilizaran en la práctica.

8. Defina cada uno de los pines de los integrados ADC y DAC que se utilizaran en la práctica.

El pin 1, denominado CS (Chip Select - Seleccionar Chip) es el habilita al chip a ser utilizado. Si este pin está a nivel alto (5V, o un "1" lógico) el chip se encuentra deshabilitado, sus salidas se comportan como si estuvieran desconectadas del bus de datos (en nuestro caso, de la PC). Si ponemos este pin a masa (0 Volt o "0" lógico) el chip queda seleccionado. El segundo pin, RD, es el que permite la lectura de los datos convertidos. WR activado durante al menos 100 µseg es el que le pide al chip que comience con la conversión. Esto le lleva aproximadamente unos 200 µseg, durante los cuales INTR pasa a nivel alto. El chip informa que se completó poniendo en bajo nuevamente el pin 5 (INTR). Los pines 6 y 7 son los que "leen" el valor analógico a convertir. Estas entradas analógicas Vin (+) y Vin (-), están protegidas contra sobrecargas, pero para un correcto funcionamiento, las señales aplicadas deben estar comprendidas entre 0V y la tensión de alimentación. El dato en forma binaria se hará presente en las salidas, pines 11 al 18 (D7 a D0). El pin 11 es el que contiene el MSB (Most Significative Bit - Bit más significativo). Estas salidas tienen un latch que mantienen su valor hasta que se pida una nueva conversión. Si se deja el pin 9 (Vref / 2) en circuito abierto, la tensión de referencia que se obtiene internamente es la mitad de la tensión de alimentación, en nuestro caso serían 2.5v (5V / 2). Para el caso del DAC 0806, es muy parecida la cosa solo que para este chip se tiene: el pin 1 no tiene uso alguno, el 2 es el GND, 3 y 13 son fuente CC de diferente valor, el pin 4 nos arroja la corriente de salida deseada, del 5 al 12 ingresaremos la palabra digital en donde el LSB es el pin 12 y el MSB es el pin 5, los pines 14 y 15 dan los voltajes de referencia positivo y negativo respectivamente estos son importantes para los comparadores que posee internamente nuestro chip y finalmente el pin 16 se usa para compensar algún problema de desbalance en el cero analógico en la salida o las posibles formas de ruido existentes que afecten a nuestras sensibles entradas digitales.

9. ¿Hasta cuantos valores puede suministrar una señal binaria de 10bits que se convierte a analógica? Explique. Es muy análogo a lo dicho anteriormente para el ADC, solo que aquí son aún más valores de sondeo: 210-1 = 1023 valores analógicos posibles dentro de un determinado rango de salida “cuasi-analógica”. Lo que se da entender que se tendrá una salida parecida a la siguiente figura:

Solo que nuestra salida DAC será mucho más densa; es decir, de alta resolución lo que hace más caro al chip. 10. ¿Cuál es la resolución de un conversor DAC de 3 bits que trabaja con una fuente Vcc = 5 Voltios? Recordemos lo fundamentalmente conocido como “error de cuantificación”:

𝑘=

𝑉𝐶𝐶 (𝐵)

Donde Vcc es la fuente de voltaje que casi llega intacta a la salida, también se le conoce como Voltaje de referencia y (B) es la máxima palabra digital posible es decir que todos sus bits sean “1” lógicos, para nuestro caso: 5𝑣 5𝑣 𝑘= = = 0.7143 = 71.43 𝑚𝑉 1112 7 11. Con ayuda de algún programa de simulación, realice la implementación del diagrama de bloques presentado en la figura 1. Los planos esquemáticos de cada uno de estos circuitos se muestran en la Figura 2. Presentar las gráficas de la simulación.

Bueno en nuestro software de simulación Proteus 7.7 en la parte del ISIS armamos el siguiente circuito virtual: