Circuitos Digitales » Electrónica Completa

En la entrega anterior analizamos algunos conversores A/D que nos permitan pasar del mundoanalgico al digital. En el mundo digital procesbamos las seales hasta lograr la seal de salidadeseada. Pero los rganos del ser humano son analgicos, no pueden entender el smil elctrico de unnmero binario con sus ocho o mas lneas en estado alto o bajo. En efecto, en algn punto denuestro equipo debemos intercalar un circuito conversor D/A que nos devuelva al mundo analgicoque entienden nuestros ojos y nuestros odos.

Conversores D/AComo con los conversores A/D solo vamos a ver un conversor D/A porque por lo general soncircuitos totalmente internos a un CI al que no podemos acceder. Es decir que solo veremos losconversores mas simples que son los llamados R/2R porque funcionan con resistores que son siempredel doble del valor del que lo precede. Y para simplificar la tarea solo vamos a analizar un conversorde 4 bits.

Qu tiene que hacer nuestro conversor?

Debe recibir 4 lneas de seal con estados alto o bajo que son la representacin elctrica (bits) de unnmero binario de 4 bits. Y debe generar una salida analgica por un solo conductor, que representetodos los nmeros posibles de formar con esos 4 bits, que son precisamente 24=16. Esarepresentacin ocurre en forma de una tensin analgica, aunque por el principio de la conversin,de los infinitos nmeros posible de la salida analgica solo se pueden formar 16.

En la figura se puede observar un posible circuito pero que no es el real sino un circuito didctico.

Me gusta A 6 personas les gusta esto. S el primero de tus amigos.

Circuitos digitales Electrnica completa http://electronicacompleta.com/lecciones/circuitos-digitales/

1 de 12 05/01/2013 21:31

(http://electronicacompleta.com/lecciones/circuitos-digitales/attachment/circuitos-digitales-01/)

Fig.1 Conversor D/A tipo R/2R

XWG1 es nuestro generador digital que fue programado para generar el equivalente elctrico a losnmeros binarios correspondientes a un diente de sierra descendente. Debajo del mismo se puedeobservar el programa del mismo que comienza con todas las salidas en alto para luego apagar el bitmenos significativo y as sucesivamente hasta que en el paso de programa 16 todos los bits estn encero.

Cada paso de programa se mantiene por 1/16 de mS de modo que todo el ciclo dure 1 mS lo quecorresponde a una frecuencia de repeticin de 1 KHz para el diente de sierra completo.

Por supuesto que los bits se pueden programar para generar cualquier forma de seal. Nosotroselegimos esta simplemente porque existe memorizada en el generador de palabras y porque permitevisualizar simplemente la linealidad del sistema.

En la misma figura se puede observar el frente ampliado del generador de palabras con lapredisposicin adecuada para nuestro caso. En la seccin Controls (controles) se predispone en elmodo ciclo que significa que las salidas van a pasar por los 16 estados posibles y a volver a empezarpor 1111. En el modo burst pasa por los 16 estados posible y se detiene. En el modo step se avanzapaso por paso cada ves que se pulsa el botn izquierdo del Mouse. Esto nos permite investigar elcircuito con todo detalle y medir las corrientes por el resistor R5 en cada uno de los 16 casos.

En es sector frecuencia colocamos la frecuencia del bit menos significativo. La frecuencia de todo elciclo ser igual a este valor dividido 2n. En nuestro caso n=16 y frecuency deber colocarse en 16KHz para obtener un diente de sierra de 1KHz. Este generador se puede enganchar desde el exteriorpor el terminal de Trigger que en nuestro caso dejamos sin conectar.

Analicemos como se produce la conversin D/A. Realmente es muy simple; observe que el resistorR1 es la mitad del R2 y el R2 la mitad del R3 y el R3 la mitad del R4. Y que R4 est conectado albit menos significativo generando el salto ms pequeo posible sobre R5. Y que R1 esta conectado albit mas significativo. Abriendo el osciloscopio de 4 canales XSC1 se pueden observar las formas deseales de los 4 bits perfectamente correlacionados entre si y con la forma de seal de tensin sobreR5 y la salida sobre R10.

del-tv-plasma-3/index.htm


2 de 12 05/01/2013 21:31


Fig.2 Salidas binarias y analgica

Teniendo la simulacin lista podemos provocar algunas fallas en la seccin del conversor para que eltcnico reparador pueda observar la influencia de los diferentes bits sobre la salida. En la figura 3observamos como se ven los oscilogramas si abrimos el resistor R4 (bit menos significativo).


Fig.3 Oscilograma sin el bit menossignificativo

Observe que realmente no hay una distorsin importante de la seal solo se nota que los escalonesson mas largos. Si se trabaja a 8 o 16 bit le podemos asegurar que hay que tener un excelente odopara darse cuenta de la diferencia. Si se trata de video se observar una minima diferencia dedefinicin de la imagen.

En la figura 4 se observan los oscilogramas con el bit mas significativo cortado.



3 de 12 05/01/2013 21:31


Fig.4 Oscilogramas con el bit massignificativo daado

Aqu si notamos un evidente error. En principio en este caso especial la forma de seal se mantienepero se produce un cambio de frecuencia que ahora es de 2 KHz. Adems se reduce la amplitud a lamitad. Con otras seales se podran producir distorsiones de otro tipo sin cambio de frecuencia.

Por qu este conversor no se emplea con masfrecuencia?

Porque su construccin es absolutamente analgica con la distorsin altamente dependiente de laprecisin de los resistores R/2R. La diferencia entre este conversor y el realmente utilizado seencuentra a nivel del amplificador de salida y el sumador de entrada que se basan en realidad en lautilizacin de amplificadores operacionales que no utilizan los capacitores C1 y C2 muy difciles deintegrar. Pero nosotros utilizamos amplificadores a transistor y sumadores resistivos porque noconocemos aun los amplificadores operacionales.

La distorsin de cuantificacin

En la figura 1 se puede observar que la seal de salida tiene una clara distorsin aun con todos loscomponentes funcionando perfectamente bien. En efecto la intensin era generar una rampa y el resultado esevidentemente la generacin de una escalera. Esta es la conocida distorsin de cuantificacin.

La solucin obvia es hacer los escalones mas pequeos y usar mayor cantidad de escalones. Peroesta solucin implica transmitir una mayor cantidad de datos por segundo (reducir el tiempo demuestreo) y eso es el equivalente a aumentar el ancho de banda de la transmisin o el tamao deldisco de una grabacin.

Pero existe una solucin ampliamente utilizada que es la realizacin de un filtro llamado filtro decuantificacin o de muestreo. El mas simple es un capacitor agregado sobre el colector de Q1 de unvalor tal que una los cantos de los escalones formando la rampa que estamos buscando.



4 de 12 05/01/2013 21:31


Fig.5 Filtro de muestreo de una celda

Aqu podemos observar que el simple filtro capacitivo soluciona el problema de los escalones perogenera un problema en el flanco ms alto. Por otro lado no sabemos realmente mucho con observaruna escalera de 1 KHz. Lo ms conveniente, es levantar la curva de respuesta en frecuencia delamplificador y comprobar cuanto se pierde a 20 KHz.


Fig.6 Cada de la respuesta en 20 KHz porel filtro de muestreo

Como podemos observar resolvimos un problema generando otro. Si nuestro equipo es de audio nodebera tener una cada tan grande a 20 KHz. Nuestro capacitor debera disearse al revs. Es decirque solo podemos colocar un capacitor que no produzca una cada apreciable en la respuesta a altasfrecuencias. Esto ocurre con un capacitor de unos 820 pF. Tal como se observa en la figurasiguiente.

(http://electronicacompleta.com/lecciones



5 de 12 05/01/2013 21:31

/circuitos-digitales/attachment/circuitos-digitales-07/)

Fig.7 Capacitor de filtro elegido para que nocorte en 20 KHz

Como podemos observar el corte en 20 KHz es muy pequeo pero ahora debemos observar si estecapacitor corrige los escalones de la seal de 1 KHz. En la figura siguiente podemos observar elfuncionamiento con 820 pF.


Fig.8 Correccin con el filtro capacitivo de820 pF

Como podemos observar la accin correctiva es muy pequea as que debemos encontrar un filtro demejor calidad. El Worbench posee una seccin de clculo de filtros que nos permite calcular un filtroLC cuya respuesta se puede observar en la figura siguiente.


Fig.9 Filtro de muestreo compuesto

Como se puede observar este tipo de filtro mejora la pendiente pero no se puede evitar que generenalgunas oscilaciones despus de las transiciones. Por esa razn la solucin empleada en la mayora delos equipos modernos es utilizar un conversor D/A basado en un microprocesador que realiza susfunciones con una enorme precisin y hasta parece generar datos que realmente no fuerontransmitidos.



6 de 12 05/01/2013 21:31

Filtros de sobremuestreoNo existen ms datos que los que estn guardados en el disco o los que son transmitidos por unaemisora. Si el tiempo entre muestras original duraba 60 uS no hay modo de obtener nuevos datosentre dos datos transmitidos. Pero el sonido en general no suele tener cambios bruscos de amplitud.Si una muestra es de 0,8V y la siguiente es de 1,2V podemos decir, sin temor a equivocarnosdemasiado, que la muestra intermedia que no se transmiti es de 1V.

Disear un microprocesador que lea los estados (para nuestro ejemplo) de 4 lneas de entrada y losguarde en la posicin 1 de una memoria es algo muy sencillo (guardamos el dato 1). Conseguir queel microprocesador vuelva a leer el dato 2 y lo guarde en la posicin 3 tiene la misma complejidad.Lograr que la unidad aritmtica y lgica (ALU) realice el promedio de esos dos nmeros y guarde elresultado en la posicin de memoria 2 tambin es muy simple. Por ultimo solo basta con leer esosvalores guardados en orden para obtener un falso dato que probablemente se aproxime a la realidad.

Con todo esto repetido constantemente disminuimos la duracin de los escalones y generamos datosintermedios a los 16 valores de rigor. Esto se llama sobremuestrear una seal y no solo se trabajacon el promedio entre dos datos sino que se llegan a calcular muchas posiciones intermedias. Aveces tantas como 256 o ms aun en un centro musical moderno.

Esto hace que prcticamente desaparezca la escalera y que un pequeo capacitor realice un filtradoperfecto evitando los filtros compuestos mencionados anteriormente. Con toda seguridad el alumnodebe estar pensando como hace un microprocesador para realizar una cantidad tan grande deoperaciones en un tiempo tan corto.

El microprocesador ms conocido, el PIC16F84 que nosotros utilizamos en uno de los primeroscaptulos de este curso puede procesar una sentencia cada 250 nS. La velocidad de muestreo en losCD es de unos 24 uS es decir 24.000 nS. Si dividimos ambos valores llegamos a que entre dato ydato un PIC puede realizar una 100 operaciones. Los microprocesadores utilizados en los conversoresD/A modernos pueden trabajar aun a mayor velocidad porque no necesitan adaptarse a diferentestrabajos. Solo realizan el trabajo para el que fueron creados: convertir

ConclusionesCon esta entrega terminamos nuestra primera incursin por los circuitos digitales. Evidentementequeda mucho por analizar aun pero nuestro criterio de apoyarse sobre conceptos claros fue cumplido.

En la prxima entrega entraremos de lleno en el receptor superheterodino comenzando por explicarel funcionamiento de una radio de AM clsica con tndem para luego explicar el concepto modernocon microprocesador.

Posteriormente encararemos el tema de las transmisiones de FM estereofnicas y por ultimo el de losreceptores de TV. Es un largo camino pero que estamos recorriendo paso a paso para evitar



7 de 12 05/01/2013 21:31

vicisitudes. Si el lector desea obtener mayor conocimiento sobre el tema de las nuevas normas deTDT le recomendamos que lea los TIPs gratuitos sobre LCD y Plasma.

Apndice: Reflexiones sobre la electrnicadigitalCuando digo que los equipos se digitalizan cada vez ms muchos alumnos piensan que la electrnicadejar de usar los circuitos analgicos y que no tiene mayor sentido estudiarlos. De ningn modo esas. Otra creencia equivocada es considerar que los circuitos digitales son rpidos.

La realidad es que los circuitos analgicos son miles de veces ms rpidos que los digitales. Paraentender esto voy a dar un ejemplo de un dispositivo sobre el cual trabaj. Este dispositivo era elTANQ; el tanque de guerra Argentino. En un tanque se aprecia mucho la posibilidad de mantener lapuntera con el tanque en movimiento. Todos los tanques producidos en el mundo basaban sucapacidad de seguir un blanco utilizando una computadora digital muy rpida, que mova los motoresde la torreta en funcin de los parmetros cinemticos del movimiento del tanque y del blanco. ElTANQ hacia lo mismo, pero con una computadora analgica inspirada en un tanque Ruso 100 vecesms rpida que la digital. Y as es como el TANQ ganaba todas las competencias militares enterrenos desparejos, acertando al blanco inclusive mientras el tanque pasaba una zanja. Por qu nose usan entonces las computadoras analgicas con mayor asiduidad? Porque no son verstiles, debidoa que no son programables. Se disean para una funcin y no sirven para otras.

En el momento actual las compuertas lgicas ms rpidas solo llegan a los 100 MHz y condificultades. Pero entonces para que sirven los microprocesadores que forman parte de todos losequipos modernos. TVs, radios, DVDs, etc. etc. sabemos que contienen por lo menos unmicroprocesador. Ya lo dijimos anteriormente; el microprocesador coordina y controla elfuncionamiento de los circuitos analgicos que lo rodean. Uno de los primeros libros que escrib sellama El Rey Micro y es una descripcin del funcionamiento de un microprocesador en losdispositivos de electrnica de entretenimiento modernos, escrito en forma de novela. En ese libroaseguro que el microprocesador opera como un rey de su comarca (el equipo). El no realiza ningntrabajo fsico con las seales; solo ordena y controla que los dispositivos analgicos cumplan con sufuncin.

Yendo a un ejemplo conocido. Antes, el usuario deba mover el tndem de la radio para sintonizaruna emisora. Ahora oprime un pulsador (que inclusive puede ser remoto) y la radio sintoniza laemisora siguiente sin la menor ayuda; o el usuario teclea la frecuencia de una emisora y el centromusical la sintoniza con toda precisin.

Apndice: Emisoras de radio y TV pasado,



8 de 12 05/01/2013 21:31

presente y futuroEn la prxima entrega vamos a comenzar a explicar el funcionamiento del receptor superheterodino.Pero algunos alumnos me preguntan que sentido tiene estudiarlo si en poco tiempo mas comienzanlas transmisiones digitales de TV llamadas TDT (televisin digital terrestre) que involucran tambin alas transmisiones de radio. Es tal la confusin generada que considero oportuno explicarle a misalumnos que es la TDT y cuando y como, se desarrollar en las diferentes regiones del mundo.

Los canales de TV que Ud. acostumbra a ver estn transmitidos bsicamente por unaportadora modulada en amplitud como la que nosotros estudiamos al construir nuestro radioreceptor. Este sistema de transmisin adolece de grandes dificultades y requiere un elevadoancho de banda aun para transmisiones de definicin normal. En America se asignan 6 MHzpara cada canal de TV. Con este sistema una transmisin de TV de alta definicin (HDTV)requerira tres canales comunes de TV. Las dificultades mencionadas son que las ondas solo sepropagan en lnea recta (alcance limitado por el horizonte) y que se reflejan en edificios ymontaas generando molestos fantasmas.Las transmisiones de radio se pueden dividir entre las viejas emisiones de amplitud moduladaque abarcan la banda comercial de 530 a 1650 KHz con una asignacin de 10 KHz para cadaemisora (lo que implica que pueden transmitir solo hasta 5 KHz de audio). Las bandas de OCtienen caractersticas similares y las transmisiones estereofnicas de FM en la banda de 88 a108 MHz moduladas en frecuencia.

Digitalizando las transmisiones se logra un mayor aprovechamiento de la banda electromagntica, unmayor alcance (algo ms del horizonte) y la ausencia de fantasmas. Pero sobre todo se logra unaextraordinaria flexibilidad de servicio. En efecto tanto audio como video lo que se transmites sondatos, lase nmeros generalmente binarios. Y el dato de audio no se diferencia del dato de video, sepueden tratar del mismo modo y por un canal de 6 MHz se puede propagar dos emisiones de TV dedefinicin normal y unas 30 radios estereofnicas o un canal de HDTV. Y tambin se puede darservicio combinado de TV y radio etc. etc.

El mejor aprovechamiento del espectro es un tema de enorme inters econmico para los gobiernosde todo el mundo, porque el espacio radioelctrico es pago y cuanto mas informacin se puedetransmitir mayor es la recaudacin.

Silencio Analgico

Todos los pases del mundo decretaron o van a decretar un da en que se producir el SilencioAnalgico. Ese da cesan todas las transmisiones analgicas y solo se transmiten seales digitales.Por lo general todos los canales de aire de la banda baja y alta de VHF (50 a 220 MHz) que se sueledenominar TV abierta pasan a transmitir en la banda de UHF con un servicio de dos o tres canalesde definicin mejorada (tipo DVD) durante todo el da y con algunas transmisiones de HDTV enhorarios centrales.

Los viejos receptores analgicos de TV y radio quedan obsoletos salvo que se les agregue unsintonizador digital que est preparado para las nuevas emisiones. De cualquier modo aun con el



9 de 12 05/01/2013 21:31

sintonizador especial no es posible observar las transmisiones de HDTV que requieren por lo menosuna pantalla boba (sin sintonizador) que tenga la definicin y el formato de pantalla alargado (16/9).Es evidente que si el receptor de HDTV tiene sintonizador digital no requiere el receptor externo.

EEUU es el nico pas que posee una fecha cercana para el silencio analgico (mayo del 2009)aunque vale decir que esa fecha ya fue prorrogada tres veces. Para ayudar a los habitantes demenores recursos repartieron sintonizadores a la tercera parte de su valor real aunque en el momentoactual los mismos estn agotados.

Los diferentes pases de Europa tienen fechas que parten de fines del 2009 hasta el 2013 pero nadiesabe a ciencia cierta como pueden ser afectadas estas fechas por la actual crisis econmica mundial.En America latina son pocos los pases que ya pusieron una fecha concreta como Brasil y Chile.

Hasta el momento existen tres normas de TDT que por supuesto involucran a la norma de HDTV. LaAmericana, la Europea y la Japonesa. Expliquemos las caractersticas particulares de cada una comouna informacin general a nuestros alumnos antes de introducirnos en el tema de los receptorescomerciales de radio y TV.

Qu es la televisin digital terrestre TDT?

Es una tecnologa que permite redefinir el uso del espacio readioelectrico para transmitir seales detelevisin y radio mediante el reemplazo de una seal analgica por una digital y as enviar ms informacinpor el mismo ancho de banda. Hasta 6 canales donde hoy solo es posible enviar uno.

Las transmisiones contemplan 3 alternativas de calidad: definicin estandar SDTV, definicinmejorada EDTV y alta definicin HDTV.

La SDTV es equivalente a la actual pero con mejor recepcin ya que la transmisin digitalsoporta mejor las condiciones de ruido del medio (aire).La EDTV es equivalente a la definicin de un DVD.HDTV o alta definicin, que tiene una definicin de calidad superior ya que aumenta laresolucin de la imagen de las 625 originales a 720 lneas o 1080 de acuerdo al TV. Al hacer elcambio siempre ser necesario tener un sintonizador que reciba la nueva seal digital, laprogramacin transmitida puede ser decodificada por un receptor y ser convertida a analgicapara ser vista en un televisor actual.

Cada canal puede ser utilizado para otro tipo de transmisiones como de radio o informacin tipoInternet.

Qu alternativas existen para las transmisiones de TDT?

Existen 3 Normas de TDT; la ATSC o norma americana la DVB-T o norma europea y la ISDB-T onorma japonesa. No podra haber un acuerdo para que exista una sola norma. Por supuesto pero yahay millones de TV fabricados en esas tres normas y las mismas no son compatibles. Europa y Japn



10 de 12 05/01/2013 21:31

deberan pagar regalas a EEUU si pretendieran usar su norma y por eso es que en realidadgeneraron normas nuevas; claro que al hacerlo incorporaron mejoras sobre todo de compatibilidadcon otros servicios y de versatilidad de las transmisiones.

La seal ATSC se adapta pobremente a los cambios del tipo de transmisiones futuras como ser elservicio de radiodifusin. Incorpora poca proteccin contra la piratera de los contenidos. Requieremayor potencia para transmitir en reas de malas condiciones de propagacin. Inicialmente nocontemplaba la encriptacin pero fue modificada y las nuevas versiones la contemplan dando lugar ala TDT paga codificada (en Argentina lo explota Antina TV). Contempla la transmisin a receptoresmviles pero no est optimizada para ello, lo que resulta un exceso de consumo de batera de losmismos.

Las ventajas de esta norma es que requiere menos potencia de transmisin que las otras en reascercanas. Es el estndar ms adoptado a nivel mundial y obtiene la misma calidad de recepcin quela DVB-T o la ISDV-T. Por supuesto que soporta las transmisiones de alta definicin y ofrece unaexcelente recepcin en zonas difciles tanto urbanas como a dispositivos mviles que no tenganmayor problema con su fuente de energa como el transporte urbano de pasajeros (omnibus).

La norma DVB-T y la ISDV-T son variantes de la ATSC y muy similares entre si. Solo sediferencian en su adaptabilidad a los servicios mviles y a la incorporacin de nuevos servicios. Perofueron cambiados algunos parmetros fundamentales para que puedan considerarse normas diferentesy evitar de este modo el pago de regalas.

Lo importante para nosotros es que en las tres normas la informacin de datos se enva comomodulacin de una portadora que fue dejada en las mismas frecuencias actuales. Eso significa quelos receptores funcionan de un modo similar hasta que se llega al demodulador en donde si comienzala diferencia. Es decir que nuestra prxima etapa de estudio; el receptor superheterodino que tienevigencia desde hace 100 aos seguir vigente por mucho tiempo ms y se impone su estudio como sifuera la ms moderna innovacin tecnolgica.

Siga aprendiendo Electrnica CompletaVisite http://electronicacompleta.com

Dejar un comentario

Mensaje



11 de 12 05/01/2013 21:31

Nombre

E-Mail (El E-mail no se publicar)

cargando



12 de 12 05/01/2013 21:31

Circuitos Digitales » Electrónica Completa

Documents

Transcript of Circuitos Digitales » Electrónica Completa