CONVERTIDORES
En la electrónica podemos encontrar dos clases de convertidores
3.1 Analógico/ Digital A/D
Los conversores A/D son dispositivos cuya función es transformar una señal
analógica en una digital. Señales Analógicas. Son variables eléctricas que
evolucionan en el tiempo en forma análoga a alguna variable física. Estas
variables pueden presentarse en la forma de una corriente, una tensión o
una carga eléctrica. Varían en forma continua entre un límite inferior y un
límite superior.
Ésta corresponde a la evolución de la temperatura en un tiempo de 50 minutos medida por un sensor de temperatura.
Señales digitales. Son variables eléctricas con dos niveles bien diferenciados que se alternan en el tiempo transmitiendo información según un código previamente acordado. Cada nivel eléctrico representa uno de dos símbolos: 0 ó 1. Los niveles específicos dependen del tipo de dispositivos utilizado. Por ejemplo, si se emplean componentes de la familia lógica TTL (transistor-transistor-logic) los niveles son 0 V y 5 V, aunque cualquier valor por debajo de 0,8 V es correctamente interpretado como un 0 y cualquier valor por encima de 2 V es interpretado como un 1.
Conversión Analógica-Digital. La conversión Analógico-digital consiste en la transformación de señales analógicas a señales digitales, el objetivo de esta conversión es permitir el procesamiento de las señales por dispositivos digitales, como puede ser un procesador o un microcontrolador.
| Las tasas o frecuencias de muestreo más utilizadas para audio digital son las siguientes: |
|
3.1.1 Tipos:
Los conversores A/D se pueden clasificar como:
Un típico conversor Sigma-Delta es mostrado:
Conversores doble rampa: Este tipo de conversor se basa en el proceso de carga y descarga del condensador para realizar la conversión Analógica-Digital de las señales. Durante un determinado tiempo el conversor muestrea la señal de entrada y después conmuta con la señal realimentada. El condensador se carga con el valor de la señal de entrada y se produce la descarga hasta llegar a 0 V, mediante un comparador a 0 se cambia el signo de la señal realimentada, y se produce la oscilación de la señal realimentada. El número de pulsos que se produce corresponde con el valor de la conversión. En la figura 7 se muestra el diagrama de un convertidor de doble rampa.
Conversores de aproximaciones sucesivas:
Este tipo de convertidor es el más utilizado cuando se requieren velocidades de conversión entre medias y altas del orden de algunos microsegundos a décimas de microsegundos. El diagrama de bloque puede verse en la figura 8. En este convertidor se cambia el contador y el circuito de control por un sistema de conteo de aproximaciones sucesivas que, básicamente, está formado por un registro de desplazamiento de n bits controlados por un circuito digital. Estos circuitos suelen suministrarlos los fabricantes de Circuitos Integrados.
El proceso de conversión para este tipo de convertidores se basa en la realización de comparaciones sucesivas de manera descendente o ascendente, hasta que se encuentra la combinación que iguala la tensión entregada por el D/A y la de entrada.
Convertidor Analógico/Digital Flash o Paralelo.
El método flash utiliza comparadores que comparan una serie de tensiones de referencia con la tensión de entrada analógica. Cuando la tensión analógica sobrepasa a la tensión de referencia de un comparador determinado, se genera un nivel Altota.
muestra un convertidor de 8 bits que usa 7 convertidores, no se requiere convertidor para el caso en que todas las comparaciones sean cero En general se requieren 2 n -1 comparadores para la conversión a un código binario de n bits. La salida de cada convertidor se aplica un circuito codificador de prioridad, en el cual el código binario queda determinado por la entrada de mayor orden que se encuentre a nivel alto. Su principal ventaja de este comparador es su alta velocidad de muestreo que se puede alcanzar
ADC de aproximaciones sucesivas.
Este tipo de convertidor es el que sigue en menor tiempo de conversión al convertidor con método Flash. La figura 11 muestra el diagrama a bloques básico de un convertidor ADC por aproximaciones sucesivas de 4 bits.
Descripción del circuito. Está formado por un DAC, un registro de aproximaciones sucesivas y un comparador. Los bits de entrada al DAC se habilitan a ALTO, de uno en uno sucesivamente. Comenzando
por el bit más significativo (bMs). Cada vez que se habilita un bit, el comparador produce una salida que indica si la tensión analógica de entrada es mayor o menor que la salida del DAC. Si la salida del DAC es mayor que la entrada analógica, la salida del comparador está a nivel BAJO, haciendo que el bit en el registro pase a cero. Si la salida es menor que la entrada analógica el bit 1 se mantiene en el registro. El sistema realizara esta operación primero con en bMs, luego con el siguiente bit más significativo, después con el siguiente, y así sucesivamente. Después de que todos los bits del DAC hayan sido aplicados, el ciclo de conversión está completo.
ADC de contador de rampa en escalera.
El método de rampa en escalera para la conversión A/D se conoce también como método de Rampa digital o método contador. Se emplea un DAC y un contador binario para generar el valor digital correspondiente a una entrada analógica. La figura 12 presenta u n diagrama de este tipo de convertidor.
El método de rampa en escalera es más lento que el método flash porque, en caso de entrada máxima, el contador debe pasar a través del número máximo de estados antes de realizar la conversión.
ADC de rastreo o seguimiento.
El método de seguimiento utiliza un contador ascendente / descendente y es más rápido que el método de rampa digital, porque el contador no se pone a cero después de cada muestreo sino que sigue a la entrada analógica La figura 14 muestra un típico ADC de seguimiento de 8 bits.
ADC de pendiente simple. A diferencia de los métodos de rampa en escalera y seguimiento, el convertidor de pendiente simple no requiere un DAC. Se utiliza un generador de rampa lineal para generar una tensión de referencia de pendiente constante. En la figura 16 se muestra el diagrama del ADC de pendiente simple. Al comienzo del ciclo de conversión, el contador está en estado RESET y la salida del generador de rampa es 0 V. En esta situación, la entrada analógica es mayor que la tensión de referencia y, por tanto, se produce un nivel ALTO en la salida del comparador. Este nivel alto habilita la señal del reloj para el contador y arranca el generador de rampa.
ADC de doble pendiente.
El funcionamiento del ADC de doble pendiente es similar al de pendiente simple, excepto en que se utiliza una rampa de pendiente variable y otra de pendiente fija. Este tipo de convertidor se utiliza comúnmente en voltímetros digitales y otros tipos de instrumentos de medida. Se utiliza un generador de rampa (integrador), A1, para generar las características de pendiente doble. En la figura 17 se presenta el esquema de un ADC de pendiente doble como referencia.
3.1.2 APLICACIONES:
Los conversores analógico-digital tienen una gran cantidad de aplicaciones.
Están presentes en todo tipo de sistemas como pueden ser sistemas de
telecomunicaciones, sistemas de control, medidas, etc. También tiene
aplicaciones en sistemas donde es necesario medir señales analógicas, como
pueden ser sensores de temperatura, proximidad o en sistemas donde hay que
realizar el procesamiento y/o almacenamiento de audio o cualquier otro tipo
de información.
Como estas señales no pueden ser analizadas directamente por un procesador, es necesaria la utilización de conversores A/D. La elección del convertidor está directamente relacionado con la velocidad a la que cambia la señal analógica que se quiere modular, es decir, la frecuencia de la misma, por ejemplo, para muestrear la temperatura no será necesario el uso de un convertidor con una frecuencia de muestreo alta ya que la temperatura no varía con rapidez en el tiempo, por otra parte, será necesario un conversor de gran rapidez cuando se requiera muestrear una señal de alta frecuencia como puede ser la señal de telecomunicaciones.
Como se puede ver en la figura los convertidores sigma-delta son los que tienen mayor resolución, mientras que los de mayor frecuencia de conversión se consiguen con los convertidores de tipo paralelo como lo es el Flash pero, por lo contrario, tienen menor resolución. De la figura 18 se puede sacar como conclusión que una mayor frecuencia de muestreo implica a su vez una disminución de la resolución.
Los conversores A/D se basan en el teorema de Nyquist, que dice que la frecuencia de muestreo del convertidor tiene que ser de al menos dos veces la frecuencia de la señal analógica de entrada, para que esta pueda ser representada correctamente.
3.2 Digital/ Analógico D/A
La conversión digital-analógica (D/A) es el proceso de tomar un valor
representando en código digital (como binario directo o BCD) y convertirlo
en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Como
ejemplo, a continuación se ilustra el diagrama a bloques, su tabla de
valores y sus formas de onda de salida de un contador de 4 bits, para
convertir de digital a analógica, su señal en código digital. En general:
Salida analógica= K * entrada digital
Donde: K= resolución, factor de proporcionalidad o tamaño de escalón (tiene un valor constante, puede estar en unidades de voltaje o corriente).
Un convertidor digital analógico transfiere información expresada en forma digital a una forma analógica, para ubicar la función de este dispositivo conviene recordar que un sistema combina y relaciona diversos subsistemas que trabajan diferentes tipos de información analógica, como son; magnitudes eléctricas, mecánicas, etc,.. Lo mismo que un micrófono, un graficado, o un motor y estos deberán interactuar con subsistemas que trabajan con informaciones digitales, como una computadora, un sistema lógico, un sistema con microprocesador, con microcontrolador o con algún indicador numérico.
3.2.1 TIPOS.:
La diferencia fundamental entre unos convertidores y otros reside en el
tipo de red resistiva utilizada y en la fuente de referencia que puede ser
de tensión o de corriente. Desde el punto de vista de la red empleada
existen 3 tipos principales de convertidores Digital/Analógico:
Convertidores D/A con resistencias ponderadas.
- Convertidores D/A con red R-2R en escalera.
- Convertidores D/A con escalera invertida.
Convertidor D/A con resistencias ponderadas.
Este tipo de convertidor, responde al esquema de la figura siguiente. La
red de resistencias está formada por un conjunto de valores que se obtienen
a partir de una de ellas, R, dividiéndolas sucesivamente por potencias
crecientes de 2. Todas las resistencias se conectan a la entrada de un
amplificador operacional, conectado en modo sumador.
La tensión de salida del amplificador operacional será:
V0 = -RL.Vref (1/R0.S0 + 1/R1.S1 +..+ 1/Rn-1.Sn-1)
Donde Si tomará el valor 0 ó 1, según sea el valor del bit correspondiente.
La exactitud de este sencillo convertidor, depende de la precisión de las resistencias, siendo además necesario que el valor de dichas resistencias no varíe con la temperatura. Un grave problema de este convertidor es tener que disponer de un gran número de resistencias de mucha precisión, que además deberán tener valores bastantes elevados.
Convertidor D/A con Red R-2R en Escalera.:
El principio de este conversor consiste en dividir en dos la corriente que
hay en cada nudo. Por ejemplo, si nos fijamos en el nudo A de la figura, la
mitad de la corriente que fluye a la derecha del nudo es aportada a través
de la resistencia de valor 2R correspondiente al MSB y la otra mitad es
aportada a través de la resistencia de valor R, por la que circula la
corriente asociada a los bits de un peso menor al MSB.
La red está construida de tal forma que el efecto de la puesta a "1" de una línea de entrada provoca, en la entrada del amplificador operacional, una intensidad de corriente proporcional al peso del bit.
Conversores D/A con Escalera Invertida.
La configuración de los conversores con red R-2R en escalera poseía una
desventaja frente al nuevo modelo de escalera invertida. Si retrocedemos a
la figura del esquema del conversor anterior podemos observar que la red
R-2R está conectada directamente a la entrada del amplificador operacional,
mientras que los interruptores conectan el extremo de cada resistencia bien
a la tensión de referencia VREF, bien a masa. Si ahora nos fijamos en la
siguiente figura podemos observar que la red R-2R se ha invertido.
Así se ha conectado la salida de dicha red a la tensión de referencia, mientras que ahora cada una de las resistencias se conecta bien a masa o bien a la entrada del amplificador operacional.
3.2.2. APLICACIONES:
Las aplicaciones más significativas del DAC son:
· En instrumentación y control automático, son la base para implementar diferentes tipos de convertidores analógico digitales, así mismo, permiten obtener, de un instrumento digital, una salida analógica para propósitos de graficación, indicación o monitoreo, alarma, etc.
· El control por computadora de procesos o en la experimentación, se requiere de una interface que transfiera las instrucciones digitales de la computadora al lenguaje de los actuadores del proceso que normalmente es analógico.
· En comunicaciones, especialmente en cuanto se refiere a telemetría o transmisión de datos, se traduce la información de los transductores de forma analógica original, a una señal digital, la cual resulta más adecuada para la transmisión.
Externamente. Nos centramos ahora en el estudio de la red de resistencias. Sabemos que el convertidor nos va a facilitar una salida que será proporcional al dato digital de entrada y a la tensión de
Referencia
V0 = DxV ref
Donde Dx es el valor digital normalizado a la unidad, y por tanto está comprendido en [0,1).
Si tenemos 8 bits para Dx, el valor mínimo será 1/28 = 1/256 y Dx será siempre un múltiplo de
Este valor mínimo. Por tanto, los valores posibles son:
0, 1/256, 2/256, 3/256,....., 255/256. Que se puede expresar en la forma:
D x= k.1/2n
Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analógica, ya que puede tomar diferentes valores de cierto intervalo.
Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 24 = 16 diferentes números binarios representados por estos 4 bits se enlistan en la tabla siguiente. Por cada número de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida analógico Vout es igual en voltios al número binario (no es así en todos los casos). También podría tener dos veces el número binario o algún otro factor de proporcionalidad. La misma idea sería aplicable si la salida del D/A fuese la corriente Iout.
| Entrada digital | Salida analógica | |||
| D | C | B | A | Vout en voltios |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 0 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 8 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 9 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 10 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 11 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 12 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 13 |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 14 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 15 |