INSTITUTO TECNOLOGICO DE ACAPULCO
CARRERA: INGENIERIA EN SISTEMAS COMPUTACIONALES SEMESTRE: 4º MATERIA: PRINCIPIOS ELECTRICOS Y APLICACIONES DIGITALES
UNIDAD No.3: CONVERTIDORES
CATEDRÁTICO: ING. FELIPE SÁNCHEZ ABARCA
ALUMNO NAVARRO RAYO ADAIR
HORARIO: 10:00-11:00 hrs.
No. DE CONTROL 10320933
25 de mayo de 2012
Índice 3. Convertidores Introducción………………………………………………………… 3 3.1 Analógicos / Digital
A/D…………………………………… 4
3.1.1 Tipos …………………………………………………………
5
3.1.2 Ejemplos y aplicaciones …………………………………… 5 3.2. Digital / Analógico
D/A…………………………………… 8
3.2.1 Ejemplos y aplicaciones …………………………………… 11 Conclusiones ………………………………………………………
14
Bibliografía…………………………………………………………. 15
Introducción El desarrollo de los microprocesadores y procesadores digitales de señal (DSP), ha permitido realizar tareas que durante años fueron hechas por sistemas electrónicos analógicos. Por otro lado, como que el mundo real es análogo, una forma de enlazar las variables analógicas con los procesos digitales es a través de los sistemas llamados conversores de analógico - digital (ADC- Analogue to Digital Converter) y conversores digital - analógico (DAC- Digital to Analogue Converter).
El objetivo básico de un ADC es transformar una señal eléctrica análoga en un número digital equivalente. De la misma forma, un DAC transforma un número digital en una señal eléctrica análoga.
Esta función exige que los pasos intermedios se realicen de forma óptima para no perder información. Según el tipo de componente y su aplicación existen distintos parámetros que lo caracterizan, éstos pueden ser: la velocidad de conversión, la resolución, los rangos de entrada, etc. Por ejemplo, una mayor cantidad de bit, implica mayor precisión, pero también mayor complejidad. Un incremento en un solo bit permite disponer del doble de precisión (mayor resolución), pero hace más difícil el diseño del circuito, además, la conversión podría volverse más lenta.
Dentro de las de aplicaciones de estos sistemas está el manejo de señales de vídeo, audio, los discos compactos, instrumentación y control industrial.
3.1 Analógico / Digital
A/D
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 (CAD) es un circuito electrónico integrado cuya salida es la palabra digital resultado de convertir la señal analógica de entrada. La conversión a digital se realiza en dos fases: cuantificación y codificación. Durante la primera se muestrea la entrada y a cada valor analógico obtenido se asigna un valor o estado, que depende del número de bits del CAD. El valor cuantificado se codifica en binario en una palabra digital, cuyo número de bits depende de las líneas de salida del CAD. Estos dos procesos determinan el diseño del circuito integrado. En la práctica, el proceso de conversión está sujeto a numerosas limitaciones resultado de los procesos de fabricación. Las más relevantes son el tiempo de conversión y la finitud del número de estados de salida. La conversión involucra un tiempo y, en consecuencia, supone una incertidumbre que limita la velocidad máxima de la entrada. Los valores discretos del proceso de cuantificación llevan consigo un error y una limitación de resolución del circuito. La elección del CAD en un diseño electrónico dependerá de la adaptación de sus rasgos a los requerimientos de la aplicación. A nivel de elemento de circuito, el A/D se caracteriza por una entrada analógica, una salida digital y varias señales de control y alimentación.
Las señales de control más importantes y características son: SC (Start Conversion) y EOC (End Of Conversion). La primera es una entrada que requiere el circuito para que comience la conversión que durará un tiempo que a veces es conocido de antemano y otras veces no. La señal EOC es la que indica al circuito o microprocesador donde están entrando las señales digitales, cuándo ha terminado la conversión. Es por tanto una señal de salida. El elemento de salida del A/D es un latch o registro donde se almacena el dato. Este permanecerá almacenado o cambiará controlado por unas entradas de Enable y Chip Select del latch.
3.1.1 Tipos Los convertidores A/D más usuales son los siguientes tipos:
De aproximaciones sucesivas: Es el empleado más comúnmente, apto para
aplicaciones que no necesitan grandes resoluciones ni velocidades. Debido a su bajo coste se suele integrar en la mayoría de microcontroladores permitiendo una solución de bajo coste en un único chip para numerosas aplicaciones de control. El conversor realiza una búsqueda dicotómica del valor presente en la entrada. Su principal carencia es el elevado tiempo de conversión necesario.
Flash: este conversor destaca por su elevada velocidad de funcionamiento. Está
formado por una cadena de divisores de tensión y comparadores, realizando la conversión de manera inmediata en una única operación. Su principal desventaja es el elevado costo.
Sigma-delta: Tienen una velocidad máxima de conversión baja pero a cambio
poseen una relación señal a ruido muy elevada, la mayor de todos.
Otros tipos de conversores igualmente utilizados son: rampa, doble-rampa, etc.
3.1.2 Ejemplos y aplicaciones El funcionamiento de un A/D es muy simple: se inicia la conversión cuando la señal SC pasa a 1. El A/D comienza la conversión y avisa cuándo termina mediante una bajada a 0 del EOC. Generalmente esta señal EOC está directamente conectada a una señal de interrupción del microprocesador lo que permite “desatenderla ”. Si no es así, habrá que utilizar una técnica para la lectura continua de la línea EOC que permita detectar el momento de la bajada. La forma más sencilla de conectar el A/D al circuito que va a recoger los datos es cuando éste es un microcomputador que consta de puertos de entrada/salida.
Una de las líneas de un puerto es configurado como salida y sirve para la señal SC. Otra es configurada como entrada y recibe la señal EOC. Las líneas de salida de los datos son conectadas a otro puerto. Pero dependiendo del número de salidas que tenga el A/D, así tendrá que ser el puerto de entrada. Puede ocurrir que tenga 8 salidas y entonces
entrarán en un puerto de 8 líneas del microcomputador. Pero si por ejemplo tiene 12 líneas habrá varias formas en que se podrá hacer la conexión que no está normalizada y depende por tanto del fabricante.
Ejemplo # 1 de convertidor Analógico - Digital Si se tiene un convertidor entrada es de 0 a 15 voltios.
analógico - digital (CAD)
de 4 bits y el rango de voltaje de
Con n = 4 y ViFS = 15 Voltios
La resolución será = ViFS / [2n -1] = 15 / [24 - 1] = 15 / 15 = 1 voltio / variación en el bit menos significativo. Esto significa que un cambio de 1 voltio en la entrada, causará un cambio del bit menos significativo (LSB) a la salida. En este caso este bit es D0. Ver la siguiente tabla. De esta manera se construye una tabla de que muestra la conversión para este ADC: Entrada analógica Voltios 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Salida digital de 4 bits D3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
D2 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1
D1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
D0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
Ejemplo # 2 de convertidor Analógico - Digital Un ADC de 8 bits genera solo “1” (las 8 salidas en 1), cuando en la entrada hay un voltaje de 2.55 voltios (entrada analógica máxima).
La resolución es = ViFS / [2n -1] = 2.55 / [2 8 - 1] =10 miliVoltios / variación en el bit menos significativo. Se puede ver que mientras más bits tenga el convertidor más exacta será la conversión. Si se tiene una señal de valor máximo de 15 voltios y aplicamos esta señal analógica por diferentes convertidores analógico digital se puede tener una idea de la variación de la resolución con el aumento del número de bits del convertidor. # de bits del ADC 4 bits 8 bits 16 bits 32 bits
Resolución 15 voltios / 15 = 1Voltio 15 voltios / 255 = 58.8 miliVoltios 15 voltios / 65536 = 0.23 milivoltios 15 voltios / 4294967296 = 0.0000035 milivoltios
Esto significa que a mayor número de bits del ADC, un cambio más pequeño en la magnitud analógica causará un cambio en el bit menos significativo (LSB) de la salida, aumentando así la resolución. El CAD es un dispositivo no lineal, por lo que no tiene sentido la consideración de función transferencia. Su relación entrada-salida viene dada por una característica escalonada. La figura 3 representa característica ideal de un CAD de 3 bits. En ella se consideran los puntos de decisión situados en el centro de cada intervalo de cuantización (1/2 LSB).
3.2 Digital / Analógico
D/A
En el mundo real las señales analógicas varían constantemente, pueden variar lentamente como la temperatura o muy rápidamente como una señal de audio.Lo que sucede con las señales analógicas es que son muy difíciles de manipular, guardar y después recuperar con exactitud. Si esta información analógica se convierte a información digital, se podría manipular sin problema. La información manipulada puede volver a tomar su valor analógico si se desea con un DAC (convertidor Digital a Analógico). Un DAC contiene normalmente una red resistiva divisora de tensión, que tiene una tensión de referencia estable y fija como entrada. Hay que definir que tan exacta será la conversión entre la señal analógica y la digital, para lo cual se define la resolución que tendrá. En la siguiente figura se representa un convertidor Digital - Analógico de 4 bits. cada entrada digital puede ser sólo un “0” o un “1”. D0 es el bit menos significativo (LSB) y D3 es el más significativo (MSB).
El voltaje de salida analógica tendrá uno de 16 posibles valores dados por una de las 16 combinaciones de la entrada digital. Los procesos de conversión de señales digitales a analógicas (D/A) y viceversa (A/D) son esenciales en interfaces de equipos electrónicos para medida y control basados en microprocesadores. La siguiente figura muestra un equipo en línea en el que se aprecia la situación de los convertidores.
Esta cadena capta las señales de interés (en su mayoría analógicas) por mediación de los sensores. Un multiplexor analógico conduce sus señales hacia los bloques de
acondicionamiento y filtrado. Posteriormente se realiza el filtro paso-baja del ruido de frecuencias superiores a las de interés, y después se produce el proceso de conversión a digital. A partir de la señal binaria, el microprocesador envía datos, señales de control y salidas (todos en forma binaria). Éstas últimas suelen convertirse en analógicas si así lo requiere la aplicación. Un multiplexor analógico de salida permite disponer de ellas según las señales de control aplicadas. En primer lugar hay que decir que en la arquitectura interna de algunos A/D es necesario un D/A. Pero además el convertidor D/A tiene por sí sólo una utilidad importante en los sistemas de telefonía digital o cuando se quieren procesar señales mediante un procesado digital para manipularlas de alguna forma: por ejemplo cambiar el tono de una señal de voz. El sistema completo (menos los filtros) será el siguiente:
El A/D y D/A pueden venir juntos en un sólo circuito que se le llama CODEC e igualmente, si la ROM es pequeña puede venir en el DSP. Otra aplicación de un D/A es en generación de señales. En esta aplicación se trata de obtener una señal de salida que siga un patrón determinado. El esquema de un generador de señal con un D/A es el siguiente:
En cada posición de la ROM está guardado de forma digital un “pedazo” de la señal de forma que con el contador se va a cada una de las posiciones de la memoria que son lanzados al D/A de forma secuencial generándose la señal. Esta puede ser de cualquier tipo (seno, de voz, etc). En el caso de la generación de señal de voz se le llama sintetizador de voz programada. Otras aplicaciones de los D/A son las tarjetas gráficas de los ordenadores y como elemento de control en aplicaciones de tipo industrial, para
elementos de control continuo. La estructura general que presenta un convertidor D/A es la siguiente:
En donde el LATCH es necesario para que el valor digital de la entrada permanezca en ésta el tiempo necesario para que la conversión se lleve a cabo con normalidad. Sin embargo, no siempre es ésta la estructura necesaria. En algunas ocasiones los convertidores no poseen el LATCH, o por el contrario no tienen el amplificador de salida, o la red de resistencias no tiene fuente de alimentación de referencia, etc., en esos casos habrá que colocárselo externamente. ESPECIFICACIONES DAC
Se dispone de una amplia variedad de DAC como circuitos integrados o bien como paquetes encapsulados autocontenidos. Uno debe estar familiarizado con las especificaciones más importantes de los fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada aplicación.
Resolución Como se mencionó antes, la resolución porcentual de un DAC
depende únicamente del número de bits. Por esta razón, los fabricantes por lo general especifican una resolución de DAC como el número de bits. Un DAC de 10 bits tiene una resolución más sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits. Precisión Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de especificar la precisión o exactitud. Las dos más 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 máxima desviación de la salida del DAC de su valor estimado (teórico). E1 error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de etapa del teórico. Algunos de los DAC más costosos tienen errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%. Tiempo de respuesta La velocidad de operación 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.
Voltaje de balance En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando la entrada binaria es todos los ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida pequeño producido por el error de desbalance del amplificador del DAC. Este desplazamiento es comúnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrán una capacidad de ajuste de balance externo que permite eliminar el error de desbalance.
3.2.1 Ejemplos y aplicaciones Ejemplo:
Se tiene un convertidor digital - analógico de 8 bits y el rango de voltaje de salida de 0 a 5 voltios. Con n = 8, hay una resolución de 2N = 256 o lo que es o mismo: El voltaje de salida puede tener 256 valores distintos (contando el “0”) También: resolución = VoFS / [ 2n - 1] = 5 / 28-1 = 5 / 255 = 19.6 mV / variación en el bit menos significativo. Con n = 4 bits, se consiguen 2n = 16 posibles combinaciones de entradas digitales La salida analógica correspondiente a cada una de las 16 combinaciones dependerá del voltaje de referencia que estemos usando, que a su vez dependerá del voltaje máximo que es posible tener a la salida analógica. Si el voltaje máximo es 10 Voltios, entonces el Vref. (voltaje de referencia) será 10 / 16 = 0.625 Voltios. Si el voltaje máximo es 7 voltios, Vref = 7 / 16 = 0.4375 Voltios. Se puede ver estos voltajes de referencia serán diferentes (menores) si se utiliza un DAC de 8 o más bits. Con el de 8 bits se tienen 256 combinaciones en vez de 16. Esto significa que el voltaje máximo posible se divide en mas partes, lográndose una mayor exactitud. Si el Vref = 0.5 Voltios:
Se puede ver que mientras más bits tenga el convertidor más exacta será la conversión. Si se tiene diferentes tipos de DAC y todos ellos pueden tener una salida máxima de 15 voltios, se puede ver que la resolución y exactitud de la salida analógica es mayor cuando más bits tenga. Ver siguiente cuadro:
APLICACIONES DE LOS DAC’s
Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente analógico para impulsar o activar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones más comunes se describen a continuaciones. Control: la salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para controlar casi cualquier variable física. Análisis automático: las computadoras pueden ser programadas para generar las señales analógicas (a través de un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida analógica del circuito de prueba normalmente se convertirá en valor digital por un ADC y se alimentará 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 señal analógica. 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 señal que varía con el tiempo, la salida del DAC seguirá esta señal, pero con una amplitud determinada por el código de entrada binario. Una aplicación normal de esto es el “control de volumen” digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede ajustar
la amplitud de una señal de audio. Convertidores A/D: varios tipos de convertidores A/D utilizan DAC’s que son parte de sus circuitos.
Conclusión Al realizar este trabajo de investigación, me pude dar cuenta de la importancia que tienen los dos tipos de convertidores aquí mencionados: El
analógico/digital
y el
digital/analógico. Estas son operaciones de entrada y salida de mucha importancia en la
vida cotidiana, sin ellas no podríamos tener todas funcionalidades que nos permiten diversos aparatos que en su estructura los contienen. Hasta ahora desconocía la importancia de convertir señales digitales y viceversa. En algunas ocasiones es necesario trabajar con señales digitales para poder crear cosas más eficientes y solo contamos con señales analógicas, o viceversa, aquí es donde actúan los convertidores. Si una señal es convertida de analógica a digital se obtienen muchas ventajas, por ejemplo, si esta pierde la intensidad puede ser reconstruida y simplificada, es más fácil detectar los problemas y errores y además de que es más fácil procesar las señales digitales. En fin, la señal digital ofrece muchas ventajas para trabajar, sobre todo en la calidad de ésta, ya que puede ser restaurada con mayor facilidad. Pero no siempre será suficiente trabajar con señales digitales, habrá ocasiones en las que será necesario convertir éstas en señales analógicas debido a que las señales digitales no serán las idóneas para lo que se necesita. A la conversión analógica – digital también se le llama digitalización ,
que consiste en medir la amplitud de una señal, redondear
sus valores y registrarlos correctamente. Esto se hace por ejemplo convirtiendo la señal proveniente de un micrófono, un sismógrafo que detecta las vibraciones, etc.
Bibliografía
Sánchez L., Rafael. “ Sistemas electrónicos digitales. Fundamentos para procesamiento y transmisión de datos” . Editorial Alfaometa, S.A. de C.V. México
1992. ISBN: 968-6223-77-0
Páginas de Internet consultadas:
http://lc.fie.umich.mx/~azm/ad03.pdf
http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%208.%20Convertidores%20AD.pdf
http://www.unicrom.com/tut_ADC_ejemplos.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/Conversor_digital-anal%C3%B3gico
http://www.unicrom.com/Tut_DAC.asp
http://www2.uca.es/grupinvest/instrument_electro/ppjjgdr/Electronics_Instrum/Electronics_Instrum_Files/te mas/T10_CDA.pdf
