Conversores analógicos-digitales

Electrónica industrial. Circuitos digitales. Técnicas analógicas, digitales. Microprocesador. Impulso. Clasificación. Características

  • Enviado por: Seolpo
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Introducción

El desarrollo de los circuitos digitales, especialmente con la aparición de los microprocesadores, ha impulsado la sustitución de muchas técnicas analógicas por otras digitales.

Sin embargo, las magnitudes que se obtienen del mundo en que vivimos son parámetros físicos como la temperatura, la presión, etc. , que vienen determinados por señales analógicas, mientras que en nuestros circuitos están procesadas por señales digitales. De ahí la necesidad de tener unos circuitos que nos permitan esta transformación de señales.

Conversores analógicos / digitales.

Los conceptos de analógico y digital se conocen desde hace bastantes años. Como ya hemos mencionado, la mayoría de la información existente es la analógica, lo que significa que sufre una variación continua en amplitud a lo largo del tiempo.

No ocurre lo mismo con la información digital, ya que es bastante difícil encontrarla en la naturaleza y, posiblemente los pocos pasos que encontremos pueden llevar a confusión. Sin embargo, podemos poner como ejemplos “lleno y vacío”, “vida y muerte”, que son valores perfectamente diferenciados y solo admiten un numero finito de estados en un intervalo finito de tiempo.

Siguiendo con los ejemplos de diferenciación entre lo analógico y lo digital, podemos mencionar los relojes que, como bien sabemos, pueden pertenecer a una u otra familia. Así, los analógicos se caracterizan por su capacidad de reflejar los infinitos valores del variable tiempo en su recorrido. De manera que para un intervalo finito de tiempo él numero de valores que se han visualizado es infinito.

Los relojes digitales nos darán un numero determinado de valores que, dependiendo de la precisión del reloj, será diferente. Si por ejemplo, únicamente tiene horas y minutos en un intervalo de sesenta segundos, solo nos visualizara dos valores: el anterior y el siguiente a este. Si, por el contrario, el reloj tuviera también segundos en el mismo intervalo que el anterior, nos mostraría 61 valores.

De este modo comprobamos que, según la precisión del reloj, tendremos mas o menos cantidad de valores visualizados. Pero, de lo que sí estamos seguros es de que los relojes digitales siempre tendrán un numero finito de valores en un intervalo de tiempo completo.

Por lo tanto, la información digital es una forma practica de reflejar el comportamiento de la naturaleza de una manera sencilla. El proceso de lo que sí estamos seguros, es de los relojes digitales siempre tendrán un numero finito de valores en un intervalo de tiempo completo.

Por lo tanto, la información digital es una forma practica de reflejar el comportamiento de la naturaleza de una manera sencilla. El proceso de extraes la información digital de la analógica es la denominada conversión analógico / digital. Y como va a ser una información digitalizada vendrá expresada con 0 y 1, ya que los encargados de tratarla serán los microprocesadores de un ordenador.

La conversión analógico / digital viene ya de tiempos remotos, aunque no entendida como lo hacemos actualmente; por ejemplo, cuando nos pregunta el medico como nos encontramos, siempre espera una respuesta que se ajusta a tres contestaciones: bien , mal o regular.

Trasladando este sencillo ejemplo a la electrónica , podemos definir una variable X , que es el estado de nuestra salud en ese instante , el cual , dentro de nuestro esquema de convertidor analógico / digital , se denominara muestreo .

A continuación , nosotros decidimos en cual de las tres respuestas nos encontramos en ese instante , que en el convertidor será la llamada cuantificación.

Finalmente , asignamos el valor antes considerado al nivel que mas se aproxima : bien , mal , o regular , siendo esta la llamada codificación.

El funcionamiento de la conversión analógico / digital estriba en que la información analógica no es directamente manipulable , ni procesable , mediante sistemas digitales o a través de un ordenador , pero si lo son las señales digitales que pueden almacenarse indefinidamente y , mas aun , pueden incluso reproducir la señal analógica sin error apreciable . Como ejemplo mas destacable en la actualidad , es la técnica de grabación digital , donde la señal analógica que es la voz , en un proceso previo , será sometida a muestreo y transformada en lenguaje binario. Los unos y ceros que se obtienen en esta acción serán los que , posteriormente , se grabaran sobre un disco compacto ( compac-disc ) esto gracias a la tecnología láser , podrán ser reproducidos con una calidad de sonido increíblemente igual a la original.

En resumen , aunque existe gran diversidad de tipos o familias de conversores analógicos / digitales y todos ellos han de cumplir las tres fases citadas anteriormente :

  • Muestreo.

  • Cuantificación.

  • Codificación.

Clasificación de conversores A/D.

La conversión analógico / digital se puede dividir en dos grandes grupos :

  • De bucle abierto.

  • De realimentación.

El convertidor de bucle abierto genera un código digital directamente bajo la aplicación de una tensión en la entrada . Dentro de esta familia , podemos distinguir los siguientes tipos :

  • Analógico a frecuencia.

  • Analógico a anchura de impulso.

  • Conversión en cascada.

El convertidor de realimentación, sin embargo, genera una secuencia de números digitales, los convierte en un valor analógico y los compara con la entrada. La salida digital resultante será el valor más cercano al hacer la comparación. En este grupo , los tipos mas importantes son :

  • Rampa de diente de sierra.

  • Rampa binaria.

  • Conteo continuo.

  • Aproximaciones sucesivas.

  • Conversión no lineal.

  • Doble rampa.

Características de los convertidores A/D.

Las principales características que podemos encontrar a la hora de seleccionar un convertidor son las siguientes:

  • Resolución.

  • Lineabilidad.

  • Precisión.

  • Impedancia.

  • Sensibilidad.

Sin embargo , caben destacar otras no mencionadas :

  • El error de cuantificación: Este aparece como consecuencia de que un convertidor la continuidad de la señal analógica es dividida en una potencia de dos. De esta manera, todos los valores analógicos dentro de un rango están representados por lo único digital, normalmente asignado al valor medio del mismo.

  • Tiempo de conversión : Es el tiempo requerido por el conversor para entregar la palabra digital equivalente a la entrada analógica .

Familias de convertidores analógico / digitales.

Existe una gran variedad de conversores analógico / digitales y, por consiguiente, dependiendo del grado de exactitud que requiera nuestro circuito, se utilizaran unos u otros.

Antes de analizar los distintos tipos de convertidores A/D, recordaremos las diversas fases de su funcionamiento, así como cual era su misión dentro del circuito integrado.

Las fases principales de un convertidor son tres:

  • Muestreo.

  • Cuantificación.

  • Monitorización.

El muestreo se realiza a intervalos de tiempos determinados, extrayéndose los valores de la señal estudiada. La frecuencia de este se determina según el teorema de Shannon que lo fija en, al menos, el doble de la frecuencia a reconstruir.

La función de muestreo es desarrollada por circuitos de captura y mantenimiento, cuya función consiste en extraer un valor de la señal analógica y mantenerlo hasta que ha finalizado la conversión de la muestra. Entre estos circuitos y el convertidor A/D se requiere un sincronismo que puede conseguirse mediante una señal que envía este ultimo, avisando a los circuitos de captura de que ha finalizado y puede tomar otra muestra.

La fase de cuantificación consiste en la asignación, al valor de la muestra, de otro discreto e idéntico para el conjunto de aquellos valores de la señal original que se encuentran dentro de un intervalo concreto.

Si tenemos un numero de intervalos reducido, el error puede ser bastante apreciable. De manera que, a medida que aumentemos el numero de estos, el error ira disminuyendo hasta incluso desaparacer. Por lo cual, tendremos que saber elegir la relación adecuada entre el manejo de los datos y el error producido.

Así que a mas intervalos menos error, aunque necesitaremos mas precisión y ello, directa o indirectamente, repercutirá en el tiempo de conversión, la capacidad de almacenamiento y el coste.

La fase de codificación se encargará de asignar un numero binario al valor obtenido en el proceso de cuantificación. El numero de dígitos necesarios para un numero determinado de niveles será tal que el numero de intervalos resulte menor que la potencia de 2 correspondiente al numero de dígitos.

Por ultimo, y aunque no se considere como fase principal de la conversión analógico-digital tenemos la operación de almacenamiento. En esta, el dato codificado se guardara en un dispositivo de memoria junto al resto de las muestras, compilada previamente y de una manera ordenada.

Hasta aquí hemos analizado cada una de las tres fases de funcionamiento de un convertidor A/D pero, como hemos mencionado anteriormente, existe una gran variedad de estos dispositivos.

Las razones que nos llevan a seleccionar uno u otro son principalmente tres: economicas, tiempo de respuesta y requerimientos de almacenamiento.

Con respecto a las razones económicas, resulta obvio que cuanto mayor sea el numero de componentes que lleva el convertidor mas se encarecerá el circuito integrado.

Basándonos en estas tres presimas, analizaremos algunas de las familias de convertidores A/D.

Convertidor con comparadores.

Nos encontramos ante el único caso en que los procesos de cuantificación y descodificación aparecen claramente separados. El primer caso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un numero finito de niveles de tensión. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica de entrada, junto con una tensión de referencia distinta para cada una de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada se halla por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá saber el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación, necesitaremos un codificador que nos entregue la señal digital.

Asimismo, cabe señalar que se trata de un convertidor de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo. Sin embargo su utilidad queda reducida en los casos de baja resolución, pues se necesitan bastantes comparadores, lo que lleva a encarecer el circuito si se desea obtener una resolución alta.

Convertidor a anchura de impulso.

Este convertidor transforma la tensión desconocida en un intervalo de tiempo que es medido mediante un reloj y un contador. Al recibir por la entrada de control la orden de iniciar la conversión, el circuito comienza la generación de una rampa y pone a 1 la salida del biestable. Este nivel se mantiene hasta que la rampa supere el valor en la entrada analógica, instante en que la salida del biestable volverá a 0 y el contador dejara de contar los impulsos de frecuencia fija del reloj. De manera que, al ser la duración del impulso en la salida del biestable función de la tensión de entrada, las salidas del contador serán una representación digital de la misma.

Las limitaciones de este convertidor son varias:

Falta de linealidad del generador de rampa, lo cual hace que la duración del impulso no sea la adecuada.

El tiempo de conversión no es fijo sino que esta en función de la entrada analógica.

Convertidor de doble rampa.

Algunas limitaciones mencionadas anteriormente se pueden evitar con este convertidor. Es uno de los mas utilizados en la practica, especialmente en el caso de aplicaciones que requieran gran precisión.

La base de funcionamiento de este circuito es también un integrador. El proceso de conversión se inicia conectando la tensión de entrada al integrador durante un tiempo fijo, en el cual la salida del integrador se va haciendo negativa hasta alcanzar un valor mínimo en el instante en que termina ese tiempo fijo; momento en que la información de desbordamiento ( overflow), aplicada al circuito de exitacion del conmutador, provoca la aplicación de una tensión de referencia a la entrada dl integrador, lo que hace que la salida de este tienda a 0 voltios.

Durante el intervalo en que se mantiene constante la pendiente de la rampa son contados de nuevo los impulsos del reloj, y la cuenta que se alcance en el instante de cruce por 0 de la salida del integrador es el numero digital equivalente buscado.

Como característica más importante de este convertidor podemos destacar la precisión, gracias a al independencia de su salida respecto a la estabilidad del valor del condensador o de la frecuencia del reloj, con tal de que se mantengan constantes durante el proceso de conversión; Por lo cual, la precisión solo será función de la linealidad de las rampas que entregue el integrador y de la precisión de la referencia.

Finalmente, y como desventaja, cabe mencionar la necesidad de un tiempo de conversión muy largo y variable.

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