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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CERRO AZUL
CARRERA: ING. EN SISTEMAS COMPUTACIONALES
4TO SEMESTRE
MATERIA: PRINCIPIOS ELECTRICOS Y APLICACIONES DIGITALES
ALUMNO: LIMA RAMIREZ EMANUEL
PROFESOR: ZAMORA GARZA SALVADOR
Instituto Tecnológico de Cerro Azul, Ver. Introducción
El desarrollo de los microprocesadores y procesadores digitales de señal (DS!, "a permitido realizar tareas #ue durante años $ueron "ec"as por sistemas electrónicos analógicos. or otro lado, como #ue el mundo real es an%logo, una $orma de enlazar las &aria'les analógicas con los procesos digitales es a tra&s de los sistemas llamados con&ersores de analógico - digital (ADC) Analogue to Digital Con&erter! y con&ersores digital - analógico (DAC) Digital to Analogue Con&erter!.
El o'*eti&o '%sico de un ADC es trans$ormar una señal elctrica an%loga en un n+mero digital e#ui&alente. De la misma $orma, un DAC trans$orma un n+mero digital en una señal elctrica an%loga. Esta $unción eige #ue los pasos intermedios se realicen de $orma óptima para no perder in$ormación. Seg+n el tipo de componente y su aplicación eisten distintos par%metros #ue lo caracterizan, stos pueden ser- la &elocidad de con&ersión, la resolución, los rangos de entrada, etc. or e*emplo, una mayor cantidad de 'it, implica mayor precisión, pero tam'in mayor comple*idad. n incremento en un solo 'it permite disponer del do'le de precisión (mayor resolución!, pero "ace m%s di$/cil el diseño del circuito, adem%s, la con&ersión podr/a &ol&erse m%s lenta.
Dentro de las de aplicaciones de estos sistemas est% el mane*o de señales de &/deo, audio, los discos compactos, instrumentación y control industrial.
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3.1 Analógico / Digital
0a salida de los sensores, #ue permiten al e#uipo electrónico interaccionar con el entorno, es normalmente una señal analógica, continua en el tiempo. En consecuencia, esta in$ormación de'e con&ertirse a 'inaria (cada dato analógico decimal codi1cado a una pala'ra $ormada por unos y ceros! con el 1n de adaptarla a los circuitos procesadores y de presentación. n con&ertidor analógico)digital (CAD! es un circuito electrónico integrado cuya salida es la pala'ra digital resultado de con&ertir la señal analógica de entrada. 0a con&ersión a digital se realiza en dos $ases- cuanti1cación y codi1cación. Durante la primera se muestrea la entrada y a cada &alor analógico o'tenido se asigna un &alor o estado, #ue depende del n+mero de 'its del CAD. El &alor cuanti1cado se codi1ca en 'inario en una pala'ra digital, cuyo n+mero de 'its depende de las l/neas de salida del CAD. Estos dos procesos determinan el diseño del circuito integrado. En la pr%ctica, el proceso de con&ersión est% su*eto a numerosas limitaciones resultado de los procesos de $a'ricación. 0as m%s rele&antes son el tiempo de con&ersión y la 1nitud del n+mero de estados de salida. 0a con&ersión in&olucra un tiempo y, en consecuencia, supone una incertidum're #ue limita la &elocidad m%ima de la entrada. 0os &alores discretos del proceso de cuanti1cación lle&an consigo un error y una limitación de resolución del circuito. 0a elección del CAD en un diseño electrónico depender% de la adaptación de sus rasgos a los re#uerimientos de la aplicación. A ni&el de elemento de circuito, el A2D se caracteriza por una entrada analógica, una salida digital y &arias señales de control y alimentación.
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0as señales de control m%s importantes y caracter/sticas son- SC (Start Con&ersion! y EOC (End 3$ Con&ersion!. 0a primera es una entrada #ue re#uiere el circuito para #ue comience la con&ersión #ue durar% un tiempo #ue a &eces es conocido de antemano y otras &eces no. 0a señal E3C es la #ue indica al circuito o microprocesador donde est%n entrando las señales digitales, cu%ndo "a terminado la con&ersión. Es por tanto una señal de salida. El elemento de salida del A2D es un latc" o registro donde se almacena el dato. Este permanecer% almacenado o cam'iar% controlado por unas entradas de Ena'le y C"ip Select del latc". 3.1.1 Tios
0os con&ertidores A2D m%s usuales son los siguientes tipos
De aro!i"aciones sucesi#as$ Es el empleado m%s
com+nmente, apto para aplicaciones #ue no necesitan grandes resoluciones ni &elocidades. De'ido a su 'a*o coste se suele integrar en la mayor/a de microcontroladores permitiendo una solución de 'a*o coste en un +nico c"ip para numerosas aplicaciones de
control. El con&ersor
realiza una
'+s#ueda dicotómica
del &alor
presente en la
entrada. Su
principal carencia es el
ele&ado tiempo
de con&ersión
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necesario.
%las&- este con&ersor destaca por su ele&ada &elocidad de
$uncionamiento. Est% $ormado por una cadena de di&isores de tensión y comparadores, realizando la con&ersión de manera inmediata en una +nica operación. Su principal des&enta*a es el ele&ado costo.
Sig"a-delta- Tienen una &elocidad m%ima de con&ersión 'a*a
pero a cam'io poseen una relación señal a ruido muy ele&ada, la mayor de todos.
3tros tipos de con&ersores igualmente utilizados son- rampa, do'le)rampa, etc.
3.1.' E(e"los ) alicaciones
El $uncionamiento de un A2D es muy simple- se inicia la con&ersión cuando la señal SC pasa a 4. El A2D comienza la con&ersión y a&isa cu%ndo termina mediante una 'a*ada a 5 del E3C. 6eneralmente esta señal E3C est% directamente conectada a una señal de interrupción del microprocesador lo #ue permite 7desatenderla8. Si no es as/, "a'r% #ue utilizar una tcnica para la lectura continua de la l/nea E3C #ue permita detectar el momento de la 'a*ada. 0a $orma m%s sencilla de conectar el A2D al circuito #ue &a a recoger los datos es cuando ste es un microcomputador #ue consta de puertos de entrada2salida.
na de las l/neas de un puerto es con1gurado como salida y sir&e para la señal SC. 3tra es con1gurada como entrada y reci'e la señal E3C. 0as l/neas de salida de los datos son conectadas a otro puerto. ero
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dependiendo del n+mero de salidas #ue tenga el A2D, as/ tendr% #ue ser el puerto de entrada. uede ocurrir #ue tenga 9 salidas y entonces entrar%n en un puerto de 9 l/neas del microcomputador. ero si por e*emplo tiene 4: l/neas "a'r% &arias $ormas en #ue se podr% "acer la coneión #ue no est% normalizada y depende por tanto del $a'ricante. 3.' Digital / Analógico
En el mundo real las señales analógicas &ar/an constantemente, pueden &ariar lentamente como la temperatura o muy r%pidamente como una señal de audio. 0o #ue sucede con las señales analógicas es #ue son muy di$/ciles de manipular, guardar y despus recuperar con eactitud. Si esta in$ormación analógica se con&ierte a in$ormación digital, se podr/a manipular sin pro'lema. 0a in$ormación manipulada puede &ol&er a tomar su &alor analógico si se desea con un DAC (con&ertidor Digital a Analógico!. n DAC contiene normalmente una red resisti&a di&isora de tensión, #ue tiene una tensión de re$erencia esta'le y 1*a como entrada. ;ay #ue de1nir #ue tan eacta ser% la con&ersión entre la señal analógica y la digital, para lo cual se de1ne la resolución #ue tendr%. En la siguiente 1gura se representa un con&ertidor Digital ) Analógico de < 'its. cada entrada digital puede ser sólo un 758 o un 748. D5 es el 'it menos signi1cati&o (0S=! y D> es el m%s signi1cati&o (?S=!.
El &olta*e de salida analógica tendr% uno de 4@ posi'les &alores dados por una de las 4@ com'inaciones de la entrada digital.
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0os procesos de con&ersión de señales digitales a analógicas (D2A! y &ice&ersa (A2D! son esenciales en inter$aces de e#uipos electrónicos para medida y control 'asados en microprocesadores. 0a siguiente 1gura muestra un e#uipo en l/nea en el #ue se aprecia la situación de los con&ertidores.
Esta cadena capta las señales de inters (en su mayor/a analógicas! por mediación de los sensores. n multipleor analógico conduce sus señales "acia los 'lo#ues de acondicionamiento y 1ltrado. osteriormente se realiza el 1ltro paso)'a*a del ruido de $recuencias superiores a las de inters, y despus se produce el proceso de con&ersión a digital. A partir de la señal 'inaria, el microprocesador en&/a datos, señales de control y salidas (todos en $orma 'inaria!. stas +ltimas suelen con&ertirse en analógicas si as/ lo re#uiere la aplicación. n multipleor analógico de salida permite disponer de ellas seg+n las señales de control aplicadas. En primer lugar "ay #ue decir #ue en la ar#uitectura interna de algunos A2D es necesario un D2A. ero adem%s el con&ertidor D2A tiene por s/ sólo una utilidad importante en los sistemas de tele$on/a digital o cuando se #uieren procesar señales mediante un procesado digital para manipularlas de alguna $orma- por e*emplo cam'iar el tono de una señal de &oz. El sistema completo (menos los 1ltros! ser% el siguiente-
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El A2D y D2A pueden &enir *untos en un sólo circuito #ue se le llama C3DEC e igualmente, si la B3? es pe#ueña puede &enir en el DS. 3tra aplicación de un D2A es en generación de señales. En esta aplicación se trata de o'tener una señal de salida #ue siga un patrón determinado. El es#uema de un generador de señal con un D2A es el siguiente-
En cada posición de la B3? est% guardado de $orma digital un 7pedazo8 de la señal de $orma #ue con el contador se &a a cada una de las posiciones de la memoria #ue son lanzados al D2A de $orma secuencial gener%ndose la señal. Esta puede ser de cual#uier tipo (seno, de &oz, etc!. En el caso de la generación de señal de &oz se le llama sintetizador de &oz programada. 3tras aplicaciones de los D2A son las tar*etas gr%1cas de los ordenadores y como elemento de control en aplicaciones de tipo industrial, para elementos de control continuo. 0a estructura general #ue presenta un con&ertidor D2A es la siguiente-
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En donde el 0ATC; es necesario para #ue el &alor digital de la entrada permanezca en sta el tiempo necesario para #ue la con&ersión se lle&e a ca'o con normalidad. Sin em'argo, no siempre es sta la estructura necesaria. En algunas ocasiones los con&ertidores no poseen el 0ATC;, o por el contrario no tienen el ampli1cador de salida, o la red de resistencias no tiene $uente de alimentación de re$erencia, etc., en esos casos "a'r% #ue coloc%rselo eternamente. ES*ECI%ICACIO+ES DAC
Se dispone de una amplia &ariedad de DAC como circuitos integrados o 'ien como pa#uetes encapsulados autocontenidos. no de'e estar $amiliarizado con las especi1caciones m%s importantes de los $a'ricantes a 1n de e&aluar un DAC en una determinada aplicación.
esolución Como se mencionó antes, la resolución porcentual de
un DAC depende +nicamente del n+mero de 'its. or esta razón, los $a'ricantes por lo general especi1can una resolución de DAC como el n+mero de 'its. n DAC de 45 'its tiene una resolución m%s sensi'le (mayor eactitud! #ue uno de 9 'its.
*recisión 0os $a'ricantes de DAC tienen &arias maneras de
especi1car la precisión o eactitud. 0as dos m%s comunes se las llama Error de Escala Completa y Error de 0inealidad, #ue normalmente se epresan como un porcenta*e de la salida de escala completa del con&ertidor (S!.
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El error de escala completa es la m%ima des&iación de la salida del DAC de su &alor estimado (teórico!.
E4 error de linealidad es la des&iación m%ima en el tamaño de etapa del teórico. Algunos de los DAC m%s costosos tienen errores de escala completa y de linealidad en el inter&alo 5.54 ) 5.4.
Tie"o de resuesta 0a &elocidad de operación de un DAC se
especi1ca como tiempo de respuesta, #ue es el tiempo #ue se re#uiere para #ue la salida pase de cero a escala completa cuando la entrada 'inaria cam'ia de todos los ceros a todos los unos.
Volta*e de 'alance En teor/a, la salida de un DAC ser% cero &oltios cuando la entrada 'inaria es todos los ceros. En la pr%ctica, "a'r% un &olta*e de salida pe#ueño producido por el error de des'alance del ampli1cador del DAC. Este desplazamiento es com+nmente 5.5 S. Casi todos los DAC con &olta*e tendr%n una capacidad de a*uste de 'alance eterno #ue permite eliminar el error de des'alance.
3.'.1 Alicaciones •
0os DAC se utilizan siempre #ue la salida de un circuito digital tiene #ue o$recer un &olta*e o corriente analógico para impulsar o
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acti&ar un dispositi&o analógico. Algunas de las aplicaciones m%s comunes se descri'en a continuaciones. •
Control- la salida digital de una computadora puede con&ertirse en una señal de control analógica para a*ustar la &elocidad de un motor, la temperatura de un "orno o 'ien para controlar casi cual#uier &aria'le $/sica.
•
An%lisis autom%tico- las computadoras pueden ser programadas para generar las señales analógicas (a tra&s de un DAC! #ue se necesitan para analizar circuitos analógicos. 0a respuesta de salida analógica del circuito de prue'a normalmente se con&ertir% en &alor digital por un ADC y se alimentar% a la computadora para ser almacenada, e"i'ida y algunas &eces analizada.
•
Control de amplitud digital- un DAC multiplicati&o se puede utilizar para a*ustar digitalmente la amplitud de una señal analógica. Becordemos #ue un DAC multiplicati&o produce una salida #ue es el producto de un &olta*e de re$erencia y la entrada 'inaria. Si el &olta*e de re$erencia es una señal #ue &ar/a con el tiempo, la salida del DAC seguir% esta señal, pero con una amplitud determinada por el código de entrada 'inario. na aplicación normal de esto es el 7control de &olumen8 digital, donde la salida de un circuito o computadora digital puede a*ustar la amplitud de una señal de audio.
•
Con&ertidores A2D- &arios tipos de con&ertidores A2D utilizan DACFs #ue son parte de sus circuitos.
