ESCUELA POLITECNICA NACIONAL

SISTEMAS DIGITALES

CONVERSION ANALGICA DIGITAL Y CONVERSION DIGITAL ANALGICA

Edison Garca

Conversin analgica-digital (ADC)OBJETIVO: Con el desarrollo de esta prctica se pretende conocer la forma en la que se pueden realizar conversiones analgicas-digitales utilizando el circuito integrado ADC0809. Adems de comprobar la utilidad en todos los procesos de automatizacin, en donde la mayora trabaja con variables fsicas cuyo comportamiento varia de manera analgica, es decir variante en el tiempo.

INTRODUCCION:En el control automtico resulta conveniente efectuar las funciones de regulacin de sistemas mediante tcnicas digitales, sin embargo en la gran mayora de los procesos la seal disponible es analgica, ya que son muchos los transductores que poseen una salida elctrica de tipo analgica, correspondiente a la magnitud de la variable de medicin como pueden ser las seales de audio, video, los puentes de medicin, las celdas extensiomtricos, los termopares, etc. Estas caractersticas nos obligan a tener que efectuar una conversin analogicadigital (ADC), por otro lado puede ser necesario actuar analgicamente sobre un controlador o elemento de control final, o efectuar una representacin analgica sobre un registrador, una pantalla, etc. lo que nos obliga a realizar la conversin inversa, esto es, digital analgica (DAC), es necesario pues disponer de estos elementos capaces de efectuar esta conversin en uno u otro sentido, con unas caractersticas de velocidad adecuadas a cad caso. Con la practica del ADC se conocer algo muy bsico de lo que es la instrumentacin digital, a.C., el primer paso es construir e diseo de un circuito que use como dispositivo analgico digital el integrado ADC0809, el cual nos permitir relacionar las mediciones analgicas con las salidas digitales codificadas en binario natural, para realizar esto, el ADC0809 utiliza el mtodo de aproximaciones sucesivas, si se desea utilizar un microprocesador o microcontrolador con un ADC se necesita implementar como principio, el circuito de esta practica la salida del ADC se acopla directamente a un puerto de entrada del sistema mnimo, adems se debe de cumplir la tabla de calibracin que relacione la entrada analgica con la salida digital. TEORIA BASICA DE LOS ADC'S. Un convertidor analgico-digital toma un voltaje de entrada analgico y despus de cierto tiempo produce un cdigo con salida digital que representa a la entrada analgica con una precisin y resolucin determinada. TIPOS DE ADC'S Dado que el numero de bits que se avienen de un convertidor es finito, el cdigo de salida deber ser siempre deber ser siempre el correspondiente al valor mas cercano que puede representarse mediante los bits, la conversin digital efecta una cuantificacin en la entrada analgica, acotndola entre dos niveles consecutivos cuya distancia es precisamente el grado de resolucin obtenido. Existen diversos tipos de convertidores en igual forma utilizados para efectuar la conversin, en unos casos se efecta la conversin directa, por comparacin contra una tensin de referencia, en otros casos se efecta una transformacin a una variable intermedia, como puede ser el tiempo, tambin puede efectuarse la conversin AD efectuando una conversin inversa DA, usando al mismo tiempo una estructura de retroalimentacion, si se usa lazo cerrado reciben entonces el nombre de servoconvertidores, segn sea el mtodo utilizado se obtienen distintas Caractersticas de precisin, rapidez de conversin y costo.

El proceso de conversin AD es generalmente mas completo y largo que el proceso inverso DA, se han creado y utilizado muchos mtodos de concesin AD como son:

1.- Escalera 2.- Rampa Digital Simple 3.- Doble Rampa 4.- Rampa Digital Bipolar 5.- Rafaga 6.- Conversion Serie Paralelo 7.- Aproximaciones suscecivas

Se discute nicamente el mtodo de aproximaciones sucesivas ya que el que usa el ADC 0809, el mtodo AD de aproximaciones sucesivas es uno de los tipos mas ampliamente utilizados ya que tiene circuitos ms complejos que el AD de rampa digital, cuenta con un tiempo de conversin mas corto. Los convertidores de aproximaciones sucesivas contienen un valor fijo en su tiempo de conversin que no depende del valor de la entrada analgica, la disposicin bsica es semejante a la de ADC de rampa digital, sin embargo, el convertidor de aproximaciones sucesivas no utiliza ningn contador para dar la entrada en el bloque del convertidor DAC, pero en cambio usa un registro con lgica de control que modifica el contenido del registro bit a bit hasta que los datos del registro son el equivalente digital de la entrada analgica. El tiempo de concesin de los convertidores de aproximaciones sucesivas de "n" bits requieren "n" ciclos de reloj para realizar su conversin sin importar la magnitud del voltaje que esta presente en su entrada, esto se debe a que los circuitos de control tienen que ensayar un 1 lgico en cada posicin del bit para ver si se necesita o no, es por esto que los convertidores de aproximaciones sucesivas tienen tiempos de conversin muy rpidos, su uso en aplicaciones de sistems con adquisicin de datos permitirn que se adquieran mas valores de datos en un intervalo de tiempo dado. Esto puede ser muy importante cuando los datos analgicos cambian su valor rpidamente. METODO DE APROXIMACIONES SUCESIVAS. En el mtodo de conversin AD por "Conversion Inversa", utiliza un convertidor DA y tiene la ventaja de su simplicidad, pero se obtiene el inconveniente del retardo de tiempo de conversin que se precisa para realizar el contaje de los "n" bits, la adicin de un comparador adicional, para acelerar el contaje cuando e error es mayor que un cierto nivel, nos permite reducir apreciablemente el tiempo de conversin del orden de 2n al de orden 2n/2+1 ; tiempo que aun es posible de acotar si se efectan "n" comparaciones sucesivas entre la tensin de entrada Vd. y la tensin Vd. generada durante la conversin, para esto se substituye el contador de "convertidor inverso" por una unidad logica de comparacion que determina la secuencia de conversion del diagrama de converision de un convertidor ADC de aproximaciones sucesivas. La primera comparacion se debera efectuar entre la tension de entrada Vx y la tension Vh=Vmax/2, correspondiente a la palabra 1000, se Vh es mayor o igual a Vx, se determina que el bit de mayor

peso debe ser uno, pero si VhVAX, la salida del comparador, FDC' es ALTO. 4.- Cuando el INICIO regresa al estado BAJO, se habilita la compuerta AND, y entonces los pulsos de reloj pasan hacia el contador. 5.- A medida que el contador avanza, la salida del DAC, VAX , aumenta un paso a la vez, como se muestra en la figura 5.12(b) 6.- Cuando VAX " VA (VT; 10 a 100V). Este momento FDC' cambia hacia el estado BAJO e inhibe el flujo de pulsos hacia el contador, motivo por el cual ste deja de contar. 7.- El proceso de conteo est finalizado, lo cual es sealado por la transicin de ALTO hacia BAJO de la seal de FDC', el conteo del contador es la representacin digital de VA. 8.- El contador retiene el valor digital hasta que el siguiente pulso INICIO da comienzo nuevamente al proceso de conversin:

FIG 5.12 CONVERTIDOR ADC DE RAMPA DIGITAL IEMPO DE CONVERSIN, TC. En la Fig. 5.12 se muestra el tiempo de conversin como el intervalo de tiempo entre final del pulso Inicio y la Activacin de la salida FDC'. El contador comienza a contar desde o hasta que el voltaje VX exceda VA, donde FDC, pasa a BAJO para terminar el proceso de conversin. Para un convertidor de n bits, el tiempo de conversin ser. Tc(mx.)= 2n - 1 ciclo de reloj ------------------------------------ (5.6) Algunas veces se especifica el tiempo promedio de conversin; es la mitad del tiempo mximo de conversin. Para el convertidor de rampa digital, esto ser. Tc(prom.)= Tc (mx.) = 2 N-1 ciclo de reloj-------------------------(5.7) DAC

En electrnica, dispositivo que convierte una entrada digital (generalmente binaria) a una seal analgica (generalmente voltaje o carga elctrica). Los conversores digital-analgico son interfaces entre el mundo abstracto digital y la vida real analgica. La operacin reversa es realizada por un conversor analgico-digital (ADC). Este tipo de conversores se utiliza en reproductores de sonido de todo tipo, dado que actualmente las seales de audio son almacenadas en forma digital (por ejemplo, MP3 y CDs), y para ser escuchadas a travs de los altavoces, los datos se deben convertir a una seal analgica. Los conversores digitalanalgico tambin se pueden encontrar en reproductores de CD, reproductores de msica digital, tarjetas de sonidos de PC, etc.

IntroduccinEl mundo real es bsicamente analgico. La medida directa de una magnitud fsica (sonido, temperatura, presin, etc.) es convertida por el correspondiente transductor (sensor) a un valor de tensin analgica capaz de ser procesada por un sistema electrnico. Asimismo, el sistema electrnico proporcionar a los correspondientes efectores (altavoces, motores, calefactores, etc.) una tensin analgica que determine su actuacin. Los sistemas digitales emplean los valores numricos codificados en binario, en palabras digitales compuestas por ceros y unos; ello proporciona a los sistemas digitales alta fiabilidad y precisin, conseguidas por la perfecta distincin fsica entre el 0 y el 1, y una gran potencia de clculo, derivada de la utilizacin de un sistema de numeracin y de la capacidad de integracin de funciones booleanas de altsima complejidad. En la frontera (interfase) entre las seales analgicas procedentes del medio fsico o destinadas a interferir con l y las seales digitales que procesa el sistema electrnico se requieren conversores que pasen los valores numricos del campo analgico al digital y viceversa: conversores A/D y D/A.

Funcionamiento de un D/AMediante una suma ponderada de los dgitos de valor 1 se consigue, en forma muy simple, un conversor digital-analgico rpido; la ponderacin puede hacerse con una serie de resistencias en progresin geomtrica (cada una mitad de la anterior), lo cual obliga a utilizar un amplio rango de resistencias, o bien mediante una red R-2R que efecta sucesivas divisiones por 2. Puede convertirse una tensin en nmero binario utilizando un conversor opuesto D/A, a travs de la comparacin entre la tensin de entrada y la proporcionada por dicho conversor D/A aplicado a un generador d nmeros binarios; se trata de aproximar el nmero-resultado a aquel cuya correspondiente tensin analgica es igual a la de entrada. La aproximacin

puede hacerse d unidad en unidad, mediante un simple contador, o dgito a dgito mediante un circuito secuencial especfico En los sistemas digitales la precisin viene dada por la utilizacin de dos smbolos 1/0 y por la separacin entre las tensiones que los representan. En cambio, en el tratamiento de tensiones analgicas y, por tanto, en los conversores D/A y A/D, hemos de preocuparnos de la precisin y de las diversas causas de error que le afectan: desplazamiento del origen, linealidad, resolucin,... Se incluye en este captulo, por amplitud, a conversin tensin-frecuencia (V f), que puede servir tambin (aadindole un frecuencmetro) con conversin A/D. Conceptualmente la conversin analgica-digital consiste en realizar la suma ponderada de los diversos dgitos que configuran el nmero binario; el valor relativo de cada uno de ellos viene dado por la correspondiente potencia de 2:

Esta suma puede realizarse mediante un sencillo circuito sumador con resistencias ponderadas (segn la relacin R, R/2, R/4, R8, R/16...) como el de la figura: Supuesto que las tensiones que corresponden a los valores booleanos sean 0 y +V: Vo = - (R' / R). (+V). (D0 + 2.D1 + 4.D2 + 8.D3 +... ) El ltimo parntesis de la expresin anterior expresa el valor del nmero binario ... D3 D2 D1 D0 y el factor inicial V.R'/R determina el valor de tensin asignado a cada unidad; las resistencias R' y R permiten ajustar dicho valor a la tensin unitaria que se desee. Resulta un circuito sumamente sencillo para obtener una tensin analgica a partir de las tensiones de los dgitos binarios del nmero que se desea convertir. Habida cuenta de que la etapa sumadora es inversora, se obtendr una tensin negativa, que puede transformarse fcilmente en positiva mediante una segunda etapa amplificadora inversora de ganancia unidad. Las tensiones booleanas que presentan los diversos dgitos de un nmero binario (salidas de los correspondientes terminales del circuito digital, generalmente salidas de circuitos integrados) no ofrecen adecuada precisin: ambas tensiones, VoL 0 V y VoH +V, no son valores muy precisos. Por ello, para aumentar la precisin del conversor, no se utilizan directamente las tensiones de los dgitos a convertir sino una tensin nica de referencia de alta precisin, la cual se conecta (caso de dgito de valor 1) o no (valor 0) a las correspondientes resistencias sumadoras mediante interruptores; adems, para disminuir los efectos capacitivos propios de los conmutadores y aumentar la

velocidad de conmutacin, sta se efecta entre dos posiciones de igual tensin. Cada conmutador se conecta hacia la entrada del amplificador cuando el valor del correspondiente dgito es 1; en otro caso, se conecta directamente hacia la lnea de 0 V. Vo = - (R' / R). Vref.. (D0 + 2.D1 + 4.D2 + 8.D3 +... ) La precisin de este conversor depende de la precisin de las resistencias y de la tensin de referencia as como de las caractersticas del amplificador operacional, especialmente en lo relativo a tensin y corrientes de offset. Ahora bien, esta red sumadora requiere resistencias de valores muy diferentes (por ejemplo para 12 bits ha de llegarse desde R hasta R/4096), siendo extremadamente difcil integrar tal diversidad de resistencias con la precisin necesaria. Por ello, resulta preferible utilizar una red de resistencias R-2R en escalera o red divisora de tensin, que posee la propiedad de que la resistencia de carga vista desde cualquier nudo de la red hacia adelante es de idntico valor: 2R.

Equivalencia resistiva. Esta red de resistencias tiene la propiedad de que en cada nudo se encuentran en paralelo sendas resistencias de igual valor 2R, una de las cuales es la equivalente del resto del circuito; de forma que en cada nudo la intensidad de divide en dos partes iguales y, de esta forma, cada nudo realiza una divisin de la tensin del nudo anterior por 2. Utilizando este tipo de red como sumadora, mediante conmutadores entre dos posiciones (ambas con tensin de referencia 0 V) segn el esquema siguiente, puede obtenerse un conversor D/A que solamente utiliza dos valores de resistencias R y 2R. La segunda etapa amplificadora sirve para que la tensin de salida sea positiva e introduce la amplificacin con el factor R'/R. Habida cuenta la sucesiva divisin de tensiones e intensidades que se produce en cada nudo:

Con este tipo de red sumadora se configura una amplia gama de conversores D/A integrados, de alta precisin, ya que es posible conseguir gran precisin en la red de resistencias y en la tensin de referencia (utilizando un zener de alta precisin bien estabilizado). Ello permite asegurar una fuerte linealidad en la

conversin, con errores inferiores a la mitad del paso en tensin correspondiente a una unidad. Los conversores D/A ms comunes de este tipo son de 8 y de 12 bits; un conversor de 8 bits permite una resolucin de 256, es decir, para un intervalo de conversin 0-10 V a cada unidad le corresponden aproximadamente 40 mV; la resolucin de un conversor de 12 bits es de 4096 pasos, 2.5 mV. En tecnologa MOS los conmutadores se realizan mediante transistores NMOS alternativos, entre cuyos terminales de puerta se conecta un inversor; se consiguen tiempos de respuesta globales (desde que se presenta el valor digital, hasta que aparece el correspondiente valor analgico) inferiores al microsegundo. Adems, en aplicaciones relativas a la generacin de ondas, en las cuales la salida va siguiendo sucesivamente valores prximos de la onda a generar, el tiempo de transicin entre un valor y otro resulta mucho menor, pudindose alcanzar frecuencias superiores a 10 MHz. En el caso bipolar se configuran generadores de intensidad ponderados, mediante redes R-2R incluyendo transistores en las mismas; la configuracin en amplificador diferencial permite conmutar tales intensidades entre las dos posiciones con altas velocidades de respuesta, consiguindose tiempos de conmutacin del orden de 10 ns. La utilizacin de una referencia de tensin negativa evita la necesidad de utilizar el segundo amplificador inversor. En todos los conversores D/A anteriormente considerados la tensin de salida es proporcional al nmero binario aplicado a sus entradas: Vo = Vu.N, siendo Vu el paso en tensin correspondiente a una unidad; a veces (por ejemplo en la generacin digital de ondas senoidales o de otras formas de onda) interesa otro tipo de funciones Vo = f(N) distintas de la simple proporcionalidad. Para ello puede efectuarse una transformacin digital previa del nmero N a un nmero N' tal que f(N) = Vu.N', de manera que un conversor D/A proporcional aplicado sobre N' servir para generar la tensin analgica deseada; la conversin intermedia (de N a N') puede ser realizada por un conversor de cdigo o codificador ROM. Cuando no se requiere gran precisin en la tensin de salida, puede obtenerse directamente la funcin Vo = f(N) mediante un multiplexor analgico (formado por puertas de transmisin) controlado por el nmero N, segn el esquema siguiente.

DAC con multiplexor.

A un valor concreto N le corresponder una tensin Vo = R'.Vref./ RN, que puede ser ajustada al valor deseado mediante la resistencia RN; caso de que la funcin f(N) adopte tambin valores negativos, bastar conectar las resistencias correspondientes a una tensin de referencia positiva +Vref..