Convertidores digital-analgico DAC:

Bsicamente, la conversin D/A es el proceso de tomar un valor representado en cdigo digital (cdigo binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analgica, ya que puede tomar diferentes valores de cierto intervalo. DAC de 4 bits. A es el LSB y D es el MSB.

Esquema bsico de un DAC

Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 24 = 16 diferentes nmeros binarios representados por estos 4 bits se enlistan en la tabla siguiente. Por cada nmero de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida analgico Vout es igual en voltios al nmero binario (no es as en todos los casos). Tambin podra tener dos veces el nmero binario o algn otro factor de proporcionalidad. La misma idea sera aplicable si la salida del D/A fuese la corriente out.

Entrada digital D C B 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 Existe una gran 1 0 0 cantidad de circuitos 1 0 0 convertidores: 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 De cdigo de termmetro

A 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Salida analgica Vout en voltios 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Mtodos conmutacin redes ponderadas

de de

Mtodo de redes de escalera (ladder) Redes escalera R-2R Convertidores de tensiones o corrientes segmentadas Convertidores Sigma-Delta Resolucin de un DAC: Se define como la mnima variacin que puede ocurrir en la salida analgica como resultado de un cambio en la entrada digital. En el caso anterior, se observa que la resolucin es de 1V. Aunque la resolucin puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente por etapa, resulta ms til expresarla como un porcentaje de la salida de escala completa. El DAC descrito en la tabla tiene una escala de 15 - 0 = 15V, el tamao de la etapa es de 1V (la etapa es el cambio de la seal de salida ante un cambio de la seal de entrada de un valor a otro consecutivo). La expresin que describe la operacin de un DAC es la siguiente: Vout = -(Rf/R1 Vd + Rf/R2 Vc + Rf/R3 Vb + Rf/R4 Va )

Especificaciones de un DAC: - Resolucin Como se mencion antes, la resolucin porcentual de un DAC depende nicamente del nmero de bits. Por esta razn, los fabricantes por lo general especifican una resolucin de DAC como el nmero de bits. Un DAC de 10 bits tiene una resolucin ms sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits. - Precisin Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de especificar la precisin o exactitud. Las dos ms 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 mxima desviacin de la salida del DAC de su valor estimado (terico). El error de linealidad es la desviacin mxima en el tamao de etapa del terico. Algunos de los DAC ms costosos tienen errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%. - Tiempo de respuesta. La velocidad de operacin de un DAC se especifica como 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 variarn de 50ns a 10s. En general, los DAC con salida de corriente tendrn tiempos de respuesta ms 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 2.5s cuando se emplea salida de voltaje. El DAC 1280 es un convertidor D/A construido con un amplificador sumador. - Voltaje de balance. En teora, la salida de un DAC ser cero voltios cuando la entrada binaria es todos los ceros. En la prctica, habr un voltaje de salida pequeo producido por el error de desbalance del amplificador del DAC. Este desplazamiento es comnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrn una capacidad de ajuste de balance externo que permite eliminar el error de desbalance. Aplicaciones de los DACs: Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente analgico para impulsar o activar un dispositivo analgico. Algunas de las aplicaciones ms comunes se describen a continuacin: - Control: la salida digital de una computadora puede convertirse en una seal de control analgica para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para controlar casi cualquier variable fsica.

- Anlisis automtico: las computadoras pueden ser programadas para generar las seales analgicas (a travs de un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analgicos. La respuesta de salida analgica del circuito de prueba normalmente se convertir en valor digital por un ADC y se alimentar a la computadora para ser almacenada, exhibida y algunas veces analizada. - Control de amplitud digital: un DAC multiplicativo se puede utilizar para ajustar digitalmente la amplitud de una seal analgica. Recordemos que un DAC multiplicativo produce una salida que es el producto de un voltaje de referencia y la entrada binaria. Si el voltaje de referencia es una seal que vara con el tiempo, la salida del DAC seguir esta seal, pero con una amplitud determinada por el cdigo de entrada binario. Una aplicacin normal de esto es el control de volumen digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede ajustar la amplitud de una seal de audio. Figura de un convertidor digital a analgico de 8 bits

Convertidores analgico-digital ADC: Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analgico y despus de cierto tiempo produce un cdigo de salida digital que representa la entrada analgica. El proceso de conversin A/D es generalmente ms complejo y largo que el proceso D/A, y se han creado y utilizado muchos mtodos. Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como parte de sus circuitos. La operacin bsica de los convertidores A/D de este tipo consta de los siguientes pasos:

-

El comando START pasa a alto dando inicio a la operacin.

A una razn determinada por el cronmetro, la unidad de control modifica continuamente el nmero binario que est almacenado en el registro. El nmero binario del registro es convertido en un voltaje analgico, Va, por el convertido D/A. El comparador compara Va con la entrada analgica Va. En tanto que Va < Va, la salida del comparador permanece en alto. Cuando Va excede a Va por lo menos en una cantidad Vt (voltaje umbral), la salida del comparador pasa a bajo y suspende el proceso de modificacin del nmero del registro. En este punto, Va es un valor muy aproximado de Va y el nmero digital del registro, que es el equivalente digital de Va es asimismo el equivalente digital de Va, en los lmites de la resolucin y exactitud del sistema. Las diversas variaciones de este esquema de conversin D/A difieren principalmente en la forma en que la seccin de control modifica continuamente los nmeros contenidos en el registro. De lo contrario, la idea bsica es la misma, con el registro que contiene la salida digital requerida cuando se completa el proceso de conversin. Los sistemas ADC por lo general utilizan un DAC dentro de su Circuitera. Un diagrama a bloques de forma general nos indicara que est provisto de: 1. 2. a) b) 3. 4. Un comparador Una unidad de control Una orden de arranque Una seal de reloj Una unidad de registro Un convertidor Digital Anlogo

Diagrama general de un convertidor ADC

La operacin bsica de un convertidor de este tipo consiste en: 1. Una orden de arranque.- cuando se hace un nivel alto la operacin empieza. 2. La seal de reloj.- esta seal modifica continuamente el nmero binario de la unidad de control para a su vez modificar continuamente el que est almacenado en la unidad de registro. Este nmero binario en el registro es convertido a un voltaje digital que es en proporcin al voltaje Va que sale del convertidor DAC. 3. El comparador.- este compara un voltaje anlogo que es un voltaje de entrada Vin y siempre que el voltaje anlogo sea menor que el voltaje de entrada. La salida del comparador permanecer en un nivel alto, proporcionando que la unidad de conteo siga teniendo un nivel de salida, cuando el voltaje Va sea igual o exceda el voltaje de entrada, en ese momento la salida del comparador cae a un nivel bajo, en este momento la unidad de control dejara de modificar su estado y detendr el proceso. El diagrama anterior pertenece a un convertidor ADC de una rampa y se llama as porque el reloj utilizado permite incrementar el contador un paso cada vez que Va sea menor a Vin y, realmente est formando una escalera que avanza de 1 en 1, este convertidor es el ms simple y econmico, sin embargo, su rapidez de conversin es pequea. Con este sistema, la precisin depende enormemente de la estabilidad del oscilador y de la linealidad de la rampa, esta sera una limitacin para trabajar en rangos dinmicos de variacin grande. El ruido crea serios errores en las medidas debidas a que algunas veces ocasiona coincidencias falsas. Convertidores de Red Resistivo de Peso Binario R 2R: El convertidor D/A por red de resistencias R-2R, soluciona los problemas del convertidor D/A de resistencias ponderadas, utiliza resistencias con nicamente dos valores, "R" y "2R", la corriente que circula por las resistencias

2R, se encuentra en progresin geomtrica con una razn debido a que en cada punto de unin de las resistencias R-R, la impedancia del circuito es igualmente a R. Se selecciona cada canal en funcin del bit correspondiente, como se muestra en la figura inferior, se obtiene una corriente a la entrada del amplificador operacional, que es la suma de las corrientes de cada rama, la cual produce una tensin de salida (Vsal) analgica. Una red R-2R o tambin llamada escalera de resistencias es un circuito electrnico formado por resistencias alternando dos valores posibles, donde un valor debe ser el doble del otro. Varias configuraciones son posibles. Una red R-2R permite de una forma simple y econmica implementar un convertidor digital-analgico (DAC), enlazando grupos de resistencias de precisin alternando los dos valores posibles en una escalera. Los convertidores digital-analgico (DAC) de escalera o red R-2R hacen uso de la red R-2R para generar una seal analgica a partir de los datos digitales que se presenten en sus entradas. A diferencia del DAC de pesos ponderados, el de red R-2R solo necesita dos valores de resistencias. Lo que lo hace mucho ms sencillo. Al igual que el modelo de resistencias ponderadas, consta de una red de conmutadores, una referencia estable de tensin y la red o escalera R-2R de precisin. La salida se conecta a un circuito aislador que permite conectarlo sin carga a la siguiente etapa. El anlisis de la escalera se realiza evaluando los equivalentes de Thevenin desde los puntos sealados. Desde cualquiera de estos puntos la resistencia equivalente resulta ser R. En efecto, por ejemplo, desde P0 es trivial ver que el equivalente paralelo es 2R//2R=R. Desde P1 hay que hacer algo ms pero tambin es fcil ver que vale R. En los DAC multiplicados, la escalera R-2R usa el voltaje de referencia como una entrada. Este puede variar sobre el rango mximo de voltaje del amplificador y es multiplicado por el cdigo digital.

Caractersticas Ventajas

Alta velocidad de conversin Funcionamiento sencillo Slo dos valores de resistencia necesarios

Inconvenientes

Los valores de las resistencias tienen que ser precisos, sobretodo los de las resistencias de los bits MSB Son necesarios muchas resistencias Convertidores de Tipo Rampa.

Una de las versiones Convertidor analgico digital general de la figura que se presentara utiliza un contador binario como registro y permite que el reloj incremente el contador de un intervalo a la vez, hasta que VaxVa.A este ADC se conoce como ADC de rampa digital debido a que la forma de onda en Vax es una rampa de intervalo por intervalo (en realidad una escalera). Tambin se le conoce como ADC tipo contador.

Se hace la conversin en un slo paso. Disponemos de un integrador y la tensin VIN debe ser positiva (unipolar). Cuando SC=1, entonces: 1. Se cierra el interruptor cortocircuitando el condensador C, de manera que se descarga a travs de la RON del interruptor. 2. Se resetea el contador colocndolo a cero. 3. La unidad de control permite que la seal de reloj llegue al contador. Para ello coloca a 1 la tercera entrada de la puerta AND. Tras estos pasos el integrador comienza en cero y como VIN es positivo, la salida del amplificador estar en saturacin positiva. Con ello, a la salida del comparador tendremos un 1 lgico, lo cual permitir que la seal de reloj CLK alcance al contador. A medida que se carga el condensador aumenta el valor de salida del integrador VI. Esto continua igual hasta que en un momento determinado VIN es mayor o igual que VI lo que hace que el comparador se

sature negativamente, y por tanto, VC = 0. En ese momento el resultado de la puerta NAND es un uno lgico, con lo cual impedimos que la seal CLK llegue al contador, terminando as el proceso de conversin. Convertidores de aproximaciones sucesivas. Es el ms usado, tiene circuitos ms complejos que el ADC con rampa digital y su tiempo de conversin es mucho ms corto que es fijo y no depende del valor de la entrada analgica. 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 lgica de control. La tcnica de aproximaciones sucesivas es popular porque puede combinar resoluciones tiles hasta 12 bits y ms all, con un tiempo bastante breve de conversin (menos de 12 ps para la conversin de 12 bits). Otra ventaja adicional es que el tiempo de conversin es fijo e independiente de la magnitud de la entrada, permitiendo una interfaz eficiente con los microprocesadores. Sus inconvenientes principales son su propensin a los cambios de entrada durante la conversin (incluyendo ruidos) y el costo ms alto por bit que en el caso de las tcnicas de integracin. Las aproximaciones sucesivas son similares a sopesar una masa en una balanza de precisin, utilizando pesas bien conocidas y cuyos valores forman una progresin binaria (O BCD).

Conversor de aproximaciones sucesivas:

En otras palabras es una tcnica de conversin ms efectiva y se utiliza ampliamente debido a su combinacin de alta resolucin y velocidad. El esquema es prcticamente el mismo, dieren en que e l 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 inuencia del bit de mayor peso (SAR). De esta manera n o es necesario contar con 2 veces como lo hacia el contador tipo rampa, ahora la cuenta mxima solo es de n veces. El esquema de la Fig. , muestra este convertidor. El SAR pone el bit MSB en1 y todos los restantes en0. La cantidad es tomada por el DAC de tal manera que su equivalente analgico se compara con la seal de entrada. Si la salida del DAC es mayor que la entrada, se elimina el1 del bit MSB y se pone a1 el bit inmediatamente anterior, con todos los dems bit e n0, y as sucesivamente hasta que se logre encontrar una secuencia anloga pero que resulta ser menor que la entrada de la seal, cuando ocurra esto, el bit mantendr su valor y se pone a 1 el bit inmediatamente anterior. El procedimiento anterior se repite hasta terminarse de probar 1 en cada bit del contador. Lo anterior equivale a un tanteo digital, a medida que se avanza, el procedimiento se va estabilizando hasta llegar un valor estable y que corresponder con e l valor de la medicin. En la gura siguiente, se muestra la salida caracterstica de este tipo de conversor.

Curva de salida del DAC El ADC de aproximaciones sucesivas es de los ms utilizados, es posible encontrar modelos capaces de suministrar 16 bits en la salida y realizar la conversin en un tiempo de unas decenas de microsegundos. Los modelos de 12 y 8 bits, son los ms comunes y ofrecen una elevada velocidad a un precio ajustado.

Convertidores de doble rampa. Es uno de los ms utilizados en la prctica, especialmente en el caso de aplicaciones que requieran gran precisin. La base de funcionamiento de este circuito es tambin un integrador. El proceso de conversin se inicia conectando la tensin de entrada al integrador durante un tiempo fijo, en el cual la salida del integrador se va haciendo negativa hasta alcanzar un valor mnimo en el instante en que termina ese tiempo fijo; momento en que la informacin de desbordamiento (overflow), aplicada al circuito de excitacin del conmutador, provoca la aplicacin de una tensin de referencia a la entrada del integrador, lo que hace que la salida de este tienda a 0 voltios. Durante el intervalo en que se mantiene constante la pendiente de la rampa son contados de nuevo los impulsos del reloj, y la cuenta que se alcance en el instante de cruce por 0 de la salida del integrador es el nmero digital equivalente buscado.

Como caracterstica ms importante de este convertidor podemos destacar la precisin, gracias a la independencia de su salida respecto a la estabilidad del valor del condensador o de la frecuencia del reloj, con tal de que se mantengan constantes durante el proceso de conversin; Por lo cual, la precisin solo ser funcin de la linealidad de las rampas que entregue el integrador y de la precisin de la referencia. Finalmente, y como desventaja, cabe mencionar la necesidad de un tiempo de conversin muy largo y variable.

El sistema funciona en dos partes en el tiempo proporcionando dos rampas distintas. 1. La entrada es la seal analgica VA que se desea digitalizar. Dura un tiempo fijo tF. 2. Tiene como entrada -VREF y el tiempo es variable. Se supone VA>0. Los convertidores de este tipo son lentos: unas 30-40 conversiones por segundo, es decir de 30-40 mseg lo cual permite que el oscilador sea muy sencillo del tipo RC. Este convertidor es til ya que adems de tener una dependencia baja de la salida con la entrada, permite conseguir alta resolucin (24 bits o algo ms). Sin embargo esta alta resolucin puede presentar problemas de deriva o offset que se resuelva mediante una tercera rampa. Su idea bsica es medir la deriva en la primera fase poniendo la entrada a cero y aadiendo esta deriva mediante un sumador en el resto del circuito. Se aade, por tanto, un tiempo previo al primero que es un ajuste de cero del A/D.

Por otra parte, si VA