CONVERSORES ANALÓGICOS DIGITALES Y DIGITALES ANALÓGICOS Diego Gabriel Chano Tomarima
[email protected].
Cristian David Chimbo Tamami
[email protected]
Ingeniería Mecatrónica. 6 nivel, Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE-Extensión atacunga, M!r"uez de Maenza S#$ atacunga. Ecuad%r Mi&rc%les, '' de (e)rer% del *+'
RESUMEN:
En el siguie siguiente nte escrit escrit% % se da a c%n%cer l%s c%ncet%s )!sic%s de l%s c%nvertid%res analógic%s analógic%s digitales digitales digitales digitales analógic%s, analógic%s, ara l% cual se descri)ir! las características de cada un% de l%s c%nvers%r c%nvers%res es exlicand% exlicand% su (unci%nam (unci%namient% ient%,, al igual igual "ue su estruc estructur tura a intern interna a l%s integr integrad% ad%s s c%rres%ndientes a est%s c%nvers%res exlicand% su resectiva distri)ución de ines. a (unción )!sica de est%s est%s c%nvers%r c%nvers%res es es c%nvertir c%nvertir una se/al a sea de analógica a digital % viceversa.
PALABRAS CLAVES: Conversor: dispositivo que adapta los ficheros codificados en un determinado programa a otro. agnitudes o valores valores que var!an var!an Analóg!o Analóg!o:: agnitudes con el tiempo en forma continua. Dg"al: Cantidades discretas. "iglas las que que hac hace refer efere enci ncia a los ADC: "ig conversores #nal$gicos Digitales. "iglas las que que hac hace refer efere enci ncia a los DAC: "ig conversores Digitales #nal$gicos.
El conver nverttido idor D/A D/A se enc encarga de transforma transforma un número número digital digital en en una señal electrica análoga.
%$ CONVERSOR DIGITAL
AN ALÓGICO
*l conversor anal$gico digital toma un volta+e de entrada anal$gico , despu-s de cierto tiempo prod produc uce e un c$di c$digo go de sal salida digi digittal que repr repres esent enta a a la entr entrad ada a anal anal$g $gic ica a con con una una precisi$n , resoluci$n determinada. *l diagrama de bloques de la figura 1 indica la secuencia desde que la variable f!sica hasta que es transformada a seal digital.
#$ INTRODUCCIÓN$ 0Un c%nvertid%r A#1 t%ma un v%lta2e de entrada analógica desu&s de ciert% tiem% r%duce un códig% códig% de salid salida a digit digital al "ue reres reresent enta a la entrada analógica.3 %Tocci& 1''()
El conve convert rtid idor or A/D A/D tran transf sfor orma ma una señal électrica électrica análoga en un número digital equivalente. 0a c%nversión c%nversión 1#A es el r%ces% de t%mar un val%r reresentad% reresentad% en el códig% digital digital 4c%m% )inari% direct% % 517 c%nvertirl% en v%lta2e % c%rriente "ue sea r%%rci%nal al val%r digital3 %Tocci& 1''()
Figura 1: Conversión analógica a digital
%$# TIPOS DE ADC$ "e puede decir que el n/mero de bits que se obtienen de un convertidor es finito por lo tanto el c$di c$digo go de sali alida debe debe ser siem siempr pre e el corr corres espo pond ndie ient nte e al valo valorr ms ms cerc cercan ano o que que puede puede repres represent entars arse e median mediante te los bits bits por lo cual la conve nversi$n dig digital efect/a una cuantificaci$n en la entrada anal$gica indicando entre dos niveles consecutivos cu,a distancia es precisamente el grado de resoluci$n obtenido.
*l proceso de conversi$n de #D es completo , largo que el de D# para lo cual se han creado , utili2ado los siguientes m-todos de conversi$n #D que son los de tipo paralelo& apro3imaciones sucesivas , por seguimiento.
%$% ADC TIPO PARALELO 4os conversores de tipo paralelo parten de una concepci$n radicalmente opuesta ,a que la velocidad es el ob+etivo bsico de este , el costo que es pagado por ello es un circuito mu, comple+o aunque sencillo a nivel de concepto. Dos seales participan en la etapa de una entrada como la propia seal anal$gica que se debe convertir , una seal de referencia. *n la configuraci$n bsica de la seal anal$gica se aplica las puertas no inversoras de un cierto n/mero de amplificadores operacionales que son utili2ados como compradores , estn dispuestos en paralelo a la entrada de un codificador. *n la entrada inversora de cada comparador se aplica la tensi$n de referencia ,a que a su ve2 ataca una red de resistencia de valor id-ntico , su estn dispuestas en serie. 5ara su resultado se puede decir que es la diferencia de tensi$n entre dos comparadores sucesivos de 1 4"6. *ste tipo de conversor por su velocidad es utili2ado en telecomunicaciones& los instrumentos de medida , en el tratamiento de seales rpidas como la de video.
Figura 2: Esquema interno de un ADC de comparadores en paralelo.
*stos #DC suelen denominarse de tipo flash por la velocidad que suelen alcan2ar hasta cientos de 78.
%$& ADC POR SUCESIVAS
APRO'IMACIONES
*ste conversor es utili2ado ampliamente debido a su combinaci$n de alta resoluci$n , velocidad. *n el esquema se difiere que el contador dentro del registro no es un contador secuencial de uno en uno ,a que es un contador programable que se incrementa o decrementa de acuerdo a la influencia del bit de ma,or peso. 5ara lo cual no es necesario contar con
2
n
veces ,a que la
cuenta m3ima solo es de n veces. *n el siguiente esquema podemos observar el conversor #D de apro3imaci$n sucesiva. *l convertidor #D de ap ro3imaciones sucesivas es el que sigue en menor tiempo de conversi$n al convertido con m-todo flash. *n la figura 9 podemos observar el diagrama de bloques bsico de un #DC por aproi3imaciones sucesivas de bits.
digital en c$digo binario de 1 b,te o& lo que es lo mismo& ; bits.
Figura 3: Diagrama de bloques básico de un ADC por aproimaciones sucesiva de ! bits.
%$( ADC DE SEGIMIENTO *ste m-todo de seguimiento utili2a un contador ascendente descendente , es mu, rpido ,a que el contador no se pone en cero despu-s de cada muestreo sino que sigue a la entrada anal$gica. *n la figura podemos observar un #DC de seguimiento de ; bits.
Figura %: Circuito integrado ADC &$&!
&$ CONVERSOR ANALÓGICO
DIGITAL
4os conversores digital anal$gico %D#C)& se basan en el proceso de tomar un valor representado en c$digo digital %como binario directo o 6CD) , convertirlo en un volta+e o corriente proporcional al valor digital. %Tocci& Conversor Digital=#nalogico& 1''() *ste volta+e o corriente representa un valor anal$gico& en el siguiente grafico se puede apreciar el proceso de conversi$n digital anal$gico de bits.
Figura !: "#pico ADC de seguimiento de $ bits.
4a salida del comparador se aplica al modo del control del contador cuando est ba+o es decir en 0 l$gico hace que el contador cuente progresivamente , rec!procamente& cuando esta alto es decir en 1 l$gico hace que el contador cuente en forma descendente.
%$)$ ADC DE CIRCUITO INTEGRADO$ *ste circuito integrado es parte anal$gico , parte digital. "u funci$n es convertir la seal anal$gica que viene del "
Figura ': (epresentación de un conversor Digital)Analógico de ! bits
V ref
*l volta+e de referencia
sirve para
determinar la salida a escala completa que puede el convertidor D#& donde las entradas D& 4
2
C& 6 , # representan
=16
*ntonces:
K =
n/meros
binarios en el cual para cada n/mero de entrada le corresponde un /nico valor de volta+e. *l volta+e de salida o la salida anal$gica es igual a:
Salida Analogica= K ∗entradadigital ( 1) Donde viene a ser el factor de proporcionalidad , es un valor valor constante para un D#C& la salida anal$gica puede ser volta+e o corriente. "abla 1: *alida analógica de un conversor D+A de ! bits
D
C
B
A
Vsal
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 > 9 ? (
1 1 1 1 1 1 1 1
0 0 0 0 1 1 1 1
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1
; ' 10 11 1> 19 1 1?
E*e+,lo: An D#C de ( bits tiene un salida de corriente. 5ara una entrada digital de 111010 una corriente de ;0m#. BCul sera el valor de
I SAL= K ∗entrada digital
K =
I SAL Entadadigital 80 mA 58
K =1,38 mA *l valor m3imo para una entrada de ( bits es:
Entradadigital maxima =111111= 63 5or lo tanto:
I SAL= K ∗entrada digital I SAL=1,38 mA ∗63 I SAL=86,94 mA
&$# TIPOS DE CONVERSORES DIGITALANALOGICO *3isten dos tipos de m-todos o tipos de conversores Digital #nal$gico que son: D#C con ponderaci$n binaria , D#C en escalera E>E& por el momento solo vamos anali2ar el D#C tipo E>E.
&$#$#$ CONVERTIDOR DIGITAL - ANALÓGICO EN ESCALERA R.%R Ano de los m-todos para reali2ar la conversi$n Digital #nal$gica es mediante la utili2aci$n de red escalonada E>E& este requiere /nicamente dos valores de resistencias.
I SAL
ma3imo para una entrada digital de ( digitos "abemos que 111010=58
I SAL=80 mA 5ero:
Figura ,: DAC tipo (+2(
*l volta+e que se suministra a las entradas se le conoce como volta+e de referencia
V REF . "i
consideramos una entrada alto como F? en
D3 & , las dems a tierra& que representa el numero en binario 0001& a trav-s de la resistencia equivalente >E prcticamente no circula corriente& ,a que la entrada inversora esta en tierra virtual& luego la corriente
(
I =
5 V 2 R
)
& que circula por R7 pasa por
encapsulados. %Tocci& #nalogico& 1''()
Conversor
Digital=
&$%$# RESOLUCIÓN$ 4a resoluci$n de un D#C depende del n/mero de bits de entrada , es el reciproco del n/mero de escalones discreto de salida& por e+emplo un D#C de ? bits tiene un resoluci$n de 1 entre 5
2
−1
& si e3presamos en porcenta+e seria
( )∗ 1
31
100 =3,22
.
Rf , la tensi$n es de =?& el amplificador operacional mantiene la entrada inversora %=) a casi 0 voltios debido a la realimentaci$n negativa. %Hlo,d& Conversores Digital=#nalogico& >00() 5or lo tanto el volta+e de salida en este circuito vendr a ser igual a:
V SAL =
−V REF 16
± 0.5 del bit menos significativo.
An error lineal es una desviaci$n de la salida
E*e+,lo: V REF =15 V
"uponga que
para un D#C
cul ser el volta+e de salida para una entrada de 6I0101.
−V REF 16
*s una comparaci$n entre la salida real , la sal!a esperada de un D#C. Jdealmente la precisi$n de un D#C debe ser a lo mucho de
&$%$& LINEALIDAD$
∗B ( 2)
Donde: 6 representa la entrada binaria& esta entrada var!a de 0000 a 1111.
V SAL =
&$%$% PRECISIÓN$
∗B
ideal& el caso especial es el error
offset & que
es la tensi$n de salida cuando los bits de entrada son todos ceros. %Hlo,d& Conversores Digital=#nalogico& >00()
&$%$( MONOTONICIDAD$ An D#C es monot$nico si no produce escalones invertidos cuando cuando se le aplica en forma secuencial un rango completo e bits de entrada. %Hlo,d& Conversores Digital=#nalogico& >00()
&$%$) TIEMPO DE ASENTAMIENTO$ V SAL =
−15 V 16
∗5
V SAL =−4,69 V
&$%$ ESPECI/ICACIONES DE UN DAC 4a selecci$n de un D#C debe hacerse mediante el conocimiento de ciertas especificaciones del dispositivo debido a que en la actualidad ha, m/ltiples D#Cs como CJs o paquetes
Eepresenta el tiempo que tarda un D#C en quedar en
± 0.5 LSB del valor final.
&$&$ DAC DE CIRCUITO INTEGRADO$ Tenemos como e+emplo el #D?> un circuito D#C de ; bit que utili2a una red de escalera E>E.
&$&$& /UNCION DE PINES DE UN AD0)%( "abla 3: 4unciones de lo ines del integrad AD,%2!
N2+ero 3e Pn
Des!r,!ón
1 > 9 ? ( ; ' 10 11 1> 19 1 1? 1(
"alida 1 "alida > GKD *ntrada Digital "6 *ntrada Digital ( *ntrada Digital ? *ntrada Digital *ntrada Digital 9 *ntrada Digital > *ntrada Digital 1 *ntrada Digital 0 "elecci$n de Chip Datos *scritos "uministro positivo olta+e de Eeferencia Eesistencia de Eealimentaci$n
Figura $: Circuito -ntegrado DAC AD,%2! de $ bits
&$&$# ESPECI/ICACIONES DEL AD0)%( "abla 2: Especicaciones de un AD,%2! /"occi0 Conversor Digital)Analogico0 1'
Es,e!1!a!ones
De"alle
Tiempo de estabili2aci$n. 5recisi$n
100 ns
V REF Vara "alida anal$gica
)$ CONCLUSIONES •
± 0.2 F . S 0 a >?
4os conversores #DC , D#C permiten el ne3o entre ambos espacios el real , el digital& permitiendo m/ltiples aplicaciones en sistemas de instrumentaci$n , adquisici$n de datos. *l
#mbas polaridades
ms
efica2
de
los
conversores #DC es el de las apro3imaciones sucesivas puesto que se fundamenta en conseguir una resoluci$n , una velocidad aceptable para una gran variedad de aplicaciones.
&$&$% DISTRIBUCIÓN DE PINES DE UN AD0)%(
5ara
•
Figura : Distribución de ines de AD,%2! DAC
m-todo
que
el
convertidor
Digital
#nal$gico tipo E>E tenga un correcto funcionamiento , alta velocidad de conversi$n se requiere que las resistencias sean sumamente precisas& sobre todo las resistencias de los bits "6. Cada inversor #DC o D#C est determinado por una funci$n de transferencia ideal de entrada salida&
que muestra la equivalencia entre el mundo digital , el anal$gico.
4$ RECOMENDACIONES Cada uno de los tipos de conversores
•
•
•
#DC , D#C tienen sus caracter!sticas , parmetros de funcionamiento& por lo que se recomienda revisar el datasheet de cada uno de los conversores con la finalidad de facilita el uso de las misma. *s recomendable plasmar la teor!a mediante la reali2aci$n de e+ercicios con el prop$sito de afian2ar , entender de me+or manera el tema consultado. 5ara conocer el funcionamiento de los equivalentes integrados de los conversores se recomienda mostrar mediante un grfico la distribuci$n de pines de los de los integrados al igual de la funci$n que e+ecutan cada uno. *s recomendable reali2ar la consulta de fuentes bibliogrficas confiables para
evitar informaci$n err$nea sobre los temas de consulta.
0$ RE/ERENCIAS L1M Floyd, T. . !"##$%. Conversores
Digital)Analogico. &adrid' (m)reso en Es)aña. *"+ Floyd, T. . !"##$%. 5apas de 6arnaug7. &adrid' (m)reso en Es)aña. *+ Tocci, -. !$%. Analógico)Digital. &é0ico' 1rentice 2all. *3+ Tocci, -. !$%. Contador tipo 8o7nson. &é0ico' 1rentice42all. *5+ Tocci, -. !$%. Conversor Digital) Analogico. &é0ico' 1rentice42all.
