ADC Dual Slope

SIMULACIÓN ADC - DUAL SLOPE Moyón Llamuca Jhonny Escuela de Ingeniería Electrónica en Control y Redes Industriales, ESPOCH   Riobamba, Ecuador [email protected]

 Resumen —  En este reporte se presenta el diseño y pruebas experimentales de un ADC (Conversor analógico digital) en Dual Slope o doble rampa, el cual consta de un microcontrolador que actúa como un contador ascendente de 8 bit y controla un switch electrónico conformado con transistores. Se utiliza la herramienta virtual PROTEUS para la simulación del circuito y el IDE MikroC para  programar el controlador del conversor. Como entradas del conversor se utiliza un generador de funciones y para mostrar que la conversión haya sido de forma correcta de transforma nuevamente a una señal analógica por medio de una red R/2R.  Abstract —   This report presents the design and experimental tests  —  This

of an ADC (Dual Digital Analog Converter) in Dual Slope, which consists of a microcontroller that acts as an upstream 8  bit counter and controls an electronic switch made up of transistors. It uses the PROTEUS virtual tool for circuit simulation and the MikroC IDE to program the drive controller. As converter inputs a function generator is used and to show that the conversion has been correctly converted back to an analog signal via an R / 2R network.  Índice de términos —  ADC,  ADC, R/2R, doble pendiente, bits. .

 Index Terms —  ADC, R/2R, dual slope, bits. I. INTRODUCCIÓN

La salida de los sensores, que permiten al equipo electrónico interaccionar con el entorno, es normalmente una señal analógica, continua en el tiempo. En consecuencia, esta información debe convertirse a binaria (cada dato analógico decimal codificado a una palabra formada por unos y ceros) con el fin de adaptarla a los circuitos procesadores y de presentación. Un convertidor analógico-digital (ADC) es un circuito electrónico integrado cuya salida es la palabra digital resultado de convertir la señal analógica de entrada. [1] Un ADC toma un voltaje de entrada analógico, y despues de cierto tiempo produce un código de salida que representa a la entrada analógica. Por lo general, el proceso de conversión A/D es más complejo y consume mas tiempo que el proceso de D/A,  por lo cual se han desarrollado y utilizado varios métodos sien do uno de los más utilizados el conversor de doble pendiente. [2] II. CONVERSOR DE DOBLE PENDIENTE

El voltaje analógico que se va a convertir se aplica por medio de un interruptor electrónico a un integrador o circuito generador de rampa (en esencia una corriente constante que carga un capacitor  para producir un voltaje de rampa lineal). Un contador operado

durante los intervalos tanto de pendiente positiva como negativa del integrador genera la salida digital.

 Figura 1: Diagrama en en bloques de un ADC

Durante un intervalo de tiempo fijo (en general el intervalo de conteo completo del contador) el voltaje analógico conectado al integrador eleva el voltaje en la entrada del comparador a un nivel positivo. La figura siguiente muestra que al final del intervalo de tiempo fijo el voltaje del integrador alcanza su valor máximo para el voltaje de entrada máximo. Al final del intervalo de conteo fijo, el conteo se pone en cero y el interruptor electrónico conecta el integrador a un voltaje de entrada fijo. La salida del integrador (o entrada del capacitor) se reduce entonces a un ritmo fijo. [3] El contador avanza durante este tiempo, mientras que la salida del integrador se reduce a un ritmo fijo hasta un nivel por debajo del voltaje de referencia del comparador, momento en el cual la lógica de control recibe una señal (la salida del comparador) de detener el conteo. El valor digital guardado en el contador es entonces la salida digital del convertidor. [3]

 Figura 2: Intervalos de tiempo del del conversor ADC

El uso del mismo reloj y el integrador para realizar la conversión durante los intervalos de pendiente positiva y negativa, tiende a compensar la variación de la frecuencia del reloj y las limitaciones de precisión del integrador. Al fijar el valor de entrada de referencia y la frecuencia del reloj se puede ajustar la salida del contador como se desee. El contador puede ser binario, BCD, u otra forma de contador digital, si se desea. [3]

III. SIMULACIÓN

Para la simulación del conversor analógico digital se utilizó el método de la doble entrada en la cual para el ingreso de la señal se utiliza un seguidor de tensión con el fin de garantizar de que no exista caidas de corriente al ingreso del convertidor.

 Figura 5: Circuito integrador y comparador de nivel

 Figura 3: Seguidor de tensión de la señal de ingreso.

La parte del interruptor electrónico se la realiza con un transistor  NPN y yn optoacoplador con el fin de separar etapas en el circuito. El optoacoplado ractua como un switch entre la señal a convertir y una fuente negativa de -5vcd.

Como la señal del circuito integrador es invertida se utiliza un comparador de nivel con voltaje de referencia de 0vcd inversor, de este modo la señal que salga del comparador estará en fase con la señal de ingreso. La alimentación de los aplificadores operacionales es de ±12vdc lo que implica que la salida del comparador variará desde -12vcd en un estado bajo y +12 en estado alto, como se utiliza circuitos de tecnología TTL en la  parte de control se coloca transistores BJT tipo NPN que cambien su estado lógico de 0 a 5vcd.

 Figura 6: Reloj y comparación AND

 Figura 4: Switch electrónico

La base del transistor astá conectada a un microcontrolador 16F877A, que conmuta a un intervalo de tiempo fijo de 1 milisegundo. Este tiempo está determinado por:

Luego la señal entra a una compuerta AND que oerará con una señal de reloj, dependiendo de la duración en estado alto de la señal proveniente del transistor la salida de la compuerta AND tendra en tren de pulsos generados por la señal de reloj que serán contados por un microcontrolador 16F877A.

 = . = (1000Ω)(1µ) = 1 Donde R y C son la resistencia y el capacitor del circuito integrador. Conociendo el tiempo de computación se tiene que el voltaje de salida del condensador estará dado por:

 110−3 1 0 = − . ∫0  () = −1000 ∫0 () 

() será el voltaje de la señal que ingrese y esta será variable

en el tiempo. A continuación se puede apreciar el circuito integrador y comparador del ADC.

 Figura 7: Conexiones del microcontrolador 16F877A

El microcontrolador recibe la señal de reloj y del comparador, controla el swtch electrónico y muestra en el puerto C el resultado de la conversión ADC a 8 bits. IV. PROGRAMACIÓN DEL CONTROLADOR

El controlador inicia con un estado lógico alto la salida de la base del transistor que controla el switch electrónico de tal forma que el condensador del circuito integrador comienza a descargarse

 permitiendo que se de el intervalode conteo. Si el conteo llega a 255 o el estado del comparador es bajo, se resetea el contador y se cambia de estado el switch electrónico aal estado de tiempo fijo. Este proceso esta dentro de una condición while(1) lo que implica que estará repitiendose indefinidamente. El código en el IDE MikroCes el siguiente: #define control PORTA.RA0 #define and PORTA.RA1 #define switch1 PORTB.RB0 #define out PORTC int i,cont,acum; void main() { ADCON1=7; CMCON=7; TRISA=0b011; PORTA=0; TRISB=0; PORTB=0; TRISC=0; PORTC=0; cont=0; while(1){ switch1=1; while(cont<=255 && control==1){ if(and==1){ cont ; } } if(cont>255){ out==255; }else{ out=cont; cont=0; switch1=0; delay_ms(1); } } }

 Figura 9: Resultado ante una señal cuadrada de 20Hz a 8voltios de amplitud  .

V. RESULTADOS

Para poder visualizar el resultado de la conversión ADC se utilizó en la simulación una red tipo R/2R y los resultados mostrados mediante un oscliscopio son los siguientes:

 Figura 10: Respuesta ante una señal triangular de 20Hz a 8voltios de amplitud.

 Figura 11: Ante una señal tipo rampa de 20Hz a 8voltios de amplitud  Figura 8: Resultado ante una señal sinusoidal de 20Hz a 10Vpp

VI. CONCLUSIONES

Con el uso de un controlador en la parte que muestra la conversión final en lugar de un contador o registro paralelo, se garantiza que la conversión de la señal tenga muy poco cambio en la conversión.

Si la señal se va a transmitir por un medio que tenga atenuación es necesario amplificar la señal para evitar la pérdida de potencia en el medio por el que se transmita. El circuito ADC resulta mucho mas complejo que el conversor DAC por lo que es necesario la simulación para su correcta implementación. VII. RECOMENDACIONES Para realizar el convertidor ADC y garantizar su correcto funcionamiento es recomendable ir armando por partes y ver como la señal se comporta en cada parte del circuito. Para la simulación en la herramienta virtual PROTEUS cierre otros programas o procesos en el computador, puesto que sule marcar errores al trabajar a frecuencias mayores a 100Hz si la memoria y o el procesador de la PC entán trabajando al límite. REFERENCIAS

[1] JJGDR-UCA. “CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL” [2] J. Ronald. (2007) ” SISTEMAS DIGITALES PRINCIPIOS Y  APLICACIONES ”. Décima edición. México [3] L. Boylestad. (2009). ” Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos Electrónicos”. Décima edición, México.