Electrónica analógica
UNIDAD IV
CONVERTIDORES DAC Y ADC Una cantidad digital digital tiene un valor que se específica como una de dos posibilidades tales como 0 o 1, BAJO o ALTO, verdadero o falso, y así sucesivamente. Para la lógica TTL sabemos que 0 a 0.8V = 0 lógico; 2 a 5V = 1 lógico. Cualquier valor que se encuentra dentro del intervalo de 0 a 0.8V recibe el valor digital de 0, y cualquier voltaje dentro del intervalo de 2 a 5V recibe el valor digital de 1. Los valores de voltajes exactos no son importantes ya que los circuitos digitales responden de la misma forma a todos los valores de voltaje dentro de un intervalo dado. Por el contrario, una cantidad analógica analógica puede tomar cualquier valor sobre un intervalo continúo de valores y, lo que es más importante, su valor exacto es significativo. La mayoría de las variables físicas son analógicas por naturaleza y pueden tomar cualquier valor dentro de un intervalo continúo de valores. Algunos ejemplos son: -
Temperatura Presión Intensidad de luz Señales de audio Posición Velocidad lineal Velocidad de rotación Velocidad de flujo
Los cinco elementos que se involucran cuando una computadora está monitoreando y controlando una variable física que se supone es analógica son:
Transductor , para convertir la variable física en eléctrica. La salida eléctrica del transductor es una corriente o voltaje analógico proporcional a la variable física que está monitoreando. Ejemplos: termistores, fotoceldas, fotodiodos, medidores de flujo, transductores de presión, tacómetros. Es muy importante la etapa de acondicionamiento de señal al momento de trabajar con transductores, la linealización o el factor de proporcional es lo ideal para estos casos. Convertidor Analógico-Digital (ADC). La (ADC). La salida eléctrica analógica del transductor sirve como entrada analógica para el convertidor ADC. En este caso, la sugerencia sería que el acondicionamiento de la señal para el transductor, proporcione un voltaje o corriente analógica equivalente al valor binario en la salida del convertidor, convertidor , por ejemplo, 100 mV=1100100, cada cambio en la salida digital representa un cambio de 1mV en la entrada analógica. Computadora. Procesa Computadora. Procesa la información que llega a través del convertidor ADC, de acuerdo con las instrucciones generadas por el programa en ejecución. Convertidor Digital-Analógico (DAC). (DAC). Este circuito convierte la salida digital de la información de la computadora (resultado de la ejecución del programa) en un voltaje o corriente analógica proporcional. Por ejemplo, la entrada del convertidor podría ser de 00000000 a 11111111, la salida de 0 a 12V. Actuador. Es Actuador. Es el elemento final del proceso, activado por la señal analógica del convertidor DAC, en la mayoría de las veces a través de una interfaz o buffer de corriente. Ejemplos: motores, electroválvulas, solenoides, bobinas de contactores, lámparas, etc.
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Circuito convertidor digital-analógico (DAC) Las operaciones más importantes relacionadas con el proceso de entrada y salida de datos en una computadora o sistema digital son la conversión analógica-digit al y la conversión digitalanalógica. La conversión de una señal digital a su correspondiente señal analógica consiste en transformar la información contenida en código digital (binario) en una señal equivalente de voltaje o de corriente proporcional a su valor digital: un convertidor digital-analógico (D/A) es un dispositivo que convierte datos digitales en señales de corriente o de voltaje analógica. La siguiente figura muestra los componentes básicos de un convertidor D/A; la función del circuito de conmutación es controlar la conexión de la fuente de voltaje utilizada como referencia, con las terminales de entrada apropiadas de la red resistiva de acuerdo al valor digital de cada bit en la entrada.
4 3
TL082CD
Entrada Digital
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Vsal , analógico
D3
D2
D1
D0
Vref =5V
Vref =9V
0
0
0
0
0.000
0.000
0
0
0
1
0.333
0.600
0
0
1
0
0.667
1.200
0
0
1
1
1.000
1.800
0
1
0
0
1.333
2.400
0
1
0
1
1.667
3.000
0
1
1
0
2.000
3.600
0
1
1
1
2.333
4.200
1
0
0
0
2.667
4.800
1
0
0
1
3.000
5.400
1
0
1
0
3.333
6.000
1
0
1
1
3.667
6.600
1
1
0
0
4.000
7.200
1
1
0
1
4.333
7.800
1
1
1
0
4.667
8.400
1
1
1
1
5.000
9.000
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El amplificador operacional se utiliza como un amplificador sumador, las resistencias de la red están ponderadas en forma binaria y cada una se conecta mediante un interruptor electrónico al voltaje de referencia o tierra: cuando aparece un nivel lógico alto en el circuito de conmutación la resistencia queda conectada al circuito de referenc ia y cuando aparece un cero queda conectada a tierra. El voltaje de salida analógico se puede obtener con la ecuación:
= ∕∕∕∕∕∕( + + + )
Parámetros importantes en la operación de los DAC:
Voltaje ( ). Se utiliza para determinar la salida a escala completa o valor máximo que puede producir el convertidor. Resolución o tamaño del escalón: se define como el menor cambio que puede ocurrir en la salida análoga como resultado de un cambio en la entrada digital, se puede representar como la cantidad de voltaje o de corriente por intervalo. La mayoría de los fabricantes de convertidores D/A especifican la resolución como el número de bits, entre mayor sea el número de bits, más fina será la resolución (más pequeño el tamaño del escalón); la resolución es el factor de proporcionalidad del convertidor . Si el voltaje de referencia se incrementa, la resolución disminuye, esto es porque el cambio mínimo en la salida es mayor. En general:
ó =
es el factor de proporcionalidad o resolución del DAC (Volt o Ampere); es un valor constante para un DAC en específico que se conecta a un voltaje de referencia fijo. Si se conocen los datos del circuito DAC, entonces la resolución también se puede calcular con:
= −
Donde:
: ó : ú −: ú
Resolución porcentual. La resolución de un convertidor D/A también se puede expresar como un porcentaje de la salida a escala completa:
También:
ó= ñ ó % ó=( −) %
El valor de la resolución porcentual se vuelve más pequeño a medida que se incrementa el número de bits de entrada. El diseñador del sistema debe decidir qué resolución se necesita con base en el rendimiento requerido del sistema. La resolución limita lo cerca que puede llegar la salida del DAC a un valor analógico dado. En general, el costo de los DACs aumenta con el número de bits, por lo que el diseñador sólo deber á utilizar los bits que sean necesarios.
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Precisión: relaciona la salida real obtenida con la salida esperada y se especifica generalmente como un porcentaje de la salida a plena escala (PE). Tiempo de establecimiento: se define como el tiempo que emplea la salida para alcanzar el 95% de su nuevo valor. Valores típicos de tiempo de establecimiento están en el rango de a .
50 100
EJEMPLOS (TAREA):
1. Calcular el que se requiere conectar en un circuito convertidor D/A de ocho bits, si se requiere un voltaje de salida analógico de cuando la entrada digital es 00110010. Exprese la resolución del circuito en porcentaje.
1
2. Un convertidor D/A de cinco bits con salida analógica en miliamperes, produce una corriente de de 10 mA cuando la entrada digital es 10100. Calcular la resolución ( ) del circuito y determine el valor de la corriente de salida para una entrada digital de 11101.
= 0.2
3. Un convertidor D/A de cinco bits, produce un para una entrada digital de 00001. Encuentre el voltaje de salida para una entrada de 11111, por la ponderación de los bits. ¿Cuál es la resolución (Tamaño del escalón) de este convertidor? 4. Un DAC de 10 bits tiene un tamaño de escalón de 10 mV. Determinar el voltaje de salida a escala completa y la resolución porcentual.
El siguiente circuito puede ser una buena opción para medir el tamaño del escalón en todas las combinaciones posibles para las entradas binarias:
Salida analógica
Entrada Digital 4 bits
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Otros circuitos DAC
Red R-2R Es posible implementar un sencillo pero efectivo convertidor D/A utilizando solo resistencias, tal es el caso de la red escalera R-2R. En muchas aplicaciones es recomendable utilizar un seguidor de voltaje con amplificador operacional en la salida analógica de la red.
Salida Analógica
Entrada Digital Aplicando adecuadamente las reglas de circuitos eléctricos, se puede calcular el voltaje analógico en la salida correspondiente a cada entrada digital:
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Entrada B3B2B1B0
Salida Analógica
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
0V 0.3125 V 0.6250 V 0.9375 V 1.2500 V 1.5625 V 1.8750 V 2.1875 V 2.5000 V 2.8125 V 3.1250 V 3.4375 V 3.7500 V 4.0625 V 4.3750 V 4.6875 V
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Convertidor D/A con CI
Configuración del DAC0800 para un voltaje unipolar
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DACs bipolares Muchos convertidores D/A también pueden producir voltajes negativos al hacer pequeños cambios a los circuitos analógicos en la salida del DAC. En este caso, el intervalo de entradas binarias abarca un intervalo de –Vref hasta un valor aproximado a V ref . Configuración del DAC0800 para un voltaje bipolar
Generación de señal rampa con convertidor DAC MC1408
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Circuito convertidor analógico-digital (ADC) Un convertidor analógico-digital toma un voltaje de entrada analógico, y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa a la entrada analógica. Un circuito convertidor ADC generalmente cuentan con un circuito convertidor digital-analógico. El proceso de conversión A/D es más complejo y consume más tiempo que el proceso D/A, por lo cual se han desarrollado y utilizado varios métodos, dentro de las más conocidas y comerciales están:
Codificación en paralelo (“Flash” ADC). En este método, la señal de voltaje es alimentada simultáneamente a cada uno de los n comparadores. Las otras entradas de los comparadores se conectan cada una a n diferentes niveles de voltaje. Las salidas de los comparadores se conectan a un codificador de prioridad, el cual genera un salida digital correspondiente al comparador más alto activado. -
Es el método más rápido para la conversión A/D: desde 15 a 300 MSPS (millones de muestras por segundo). Comercialmente desde 4 hasta 10 bit
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Codificación en semi paralelo (“Half Flash” ADC) . Es un proceso de dos pasos, primero la señal es convertida a la mitad de la precisión, un D/A interno convierte esta señal otra vez a análoga y la diferencia entra esta y la señal original es convertida otra vez para obtener los bits menos significativos. Es un convertidor de bajo costo y muy rápido.
Aproximaciones sucesivas. Primero todos los bits son cero e iniciando con el más significativo se cambia a 1 y se compara con la entrada analógica por medio de un D/A. Si la salida del D/A no excede la señal de entrada, el bit se deja en 1 o viceversa. Se continúa con el siguiente bit hasta el LSB. La salida digital es puesta en formato paralelo. Este ADC utiliza n siclos de reloj. Es una técnica muy popular, más barata que las anteriores, relativamente precisa y rápida. -
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Tiempo de conversión de 1 a 50 Comúnmente entre 8 a 12 bits
ADC rampa digital
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CI analógico ADC0804 El siguiente circuito corresponde a la configuración más simple para la conversión de señal analógica-digital con el circuito integrado ADC0804, que es un convertidor ADC de aproximaciones sucesivas. Se requiere presionar el botón pulsador para que se realice la conversión del voltaje analógico en la entrada al voltaje digital en la salida, pero si se requiere una conversión inmediata, es recomendable diseñar un circuito generador de señal TTL, a un a frecuencia de 100 HZ y conectar en los pines 3 y 5, sustituyendo el botón pulsador.
Configuración del CI ADC0804 con oscilador RC (R4-C3)
TAREA: Hacer un resumen de las principales características, diagrama a bloques y aplicaciones de los distintos convertidores ADC, realizar un ejemplo para cada uno. Texto: Sistemas digitales, principios y aplicaciones, Autor: Ronald J. Tocci y otros
Editorial: PEARSON, DÉCIMA EDICIÓN, Capítulo 11. “Interface con el mundo analógico”
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