UNIDAD 5.-CONVERTIDORES DIGITAL-ANALÓGICO (D/A)

ANALÓGICO-DIGITAL (A/D)

5.1 INTRODUCCIÓN

Mechas variables físicas son de naturaleza analógica y pueden tomar cualquier valor dentro de un rango continuo de éstos. Como Ejemplos de variable s de este tipo de incluyen la temperatura, presión, intensidad luminosa, señales de audio. Velocidad rotacional y velocidad de flujo entre otras.

Por ejemplo, la salida de voltaje de un amplificador de audio hacia los altavoces. Este voltaje es una cantidad analógica porque cada uno de sus posibles valores produce una respuesta diferente en el altavoz, y por lo tanto su valor exacto si es significativo.

Una cantidad digital tiene un valor que se especifica por una de las posibilidades como un 0 o 1, ALTO o BAJO, falso o verdadero, y así sucesivamente. En la práctica una cantidad digital, como u voltaje, podría tener un valor dentro de cualquiera de los rangos especificados.

Por ejemplo, para la lógica TTL, se sabe que:

De 0.0 V a 0.8 V equivale a un 0 Lógico

De 2.0 V a 5.0 V equivale a un 1 Lógico

Ahora los valores exactos de los voltajes no son significativos, ya que los circuitos digitales responden de la misma manera para todos los voltajes que se encuentran dentro de un rango dado.

Por otra parte, los circuitos analógicos procesan las variables físicas no muy rápidamente, ya que manejan 10 posibles valores y los circuitos digitales procesan variables físicas o señales más rápidamente ya que tienen únicamente dos posibles valores, 0 y 1.

Es por ello que se crearon los convertidores analógico-digital, para poder aumentar la velocidad del procesamiento de las señales, también se crearon convertidores digital-analógico para mostrar el resultado de este proceso. Por lo tanto ambos convertidores sirven para acoplar los sistemas analógicos con los sistemas digitales y viceversa, es decir para que exista compatibilidad

5.2.-PRINCIPIO SE LA CONVERSIÓN D/A Y A/D.

Para conocer los principio básicos de la conversión D/A y A/D, analizaremos un proceso completo de una variable física cualquiera.

La figura 5.1 muestra el diagrama de los cinco elementos que participan cuando una computadora vigila y controla una variable física que se presume es analógica.

Entrada Entradas Salidas Salida

Analógica Digitales Digitales Analógica

Fig. 5.1.- Los convertidores analógico-digital (ADC)y digital-analógico(DAC) se utilizan para conectar la computadora con el mundo analógico de forma que ésta pueda vigilar y controlar una variable Física.

A continuación se explican las funciones de cada uno de los bloque del diagrama de la figura 5.1.

1.-TRANSDUCTOR.- Por lo general, la variable física no es una cantidad eléctrica, un transductor es un dispositivo que convierte una variable física en una eléctrica.

La salida eléctrica de un transductor es una corriente o un voltaje analógico proporcional a la variable física.

Los transductores son en general rodos los tipos de sensores.

2.-CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL (ADC) .- La salida analógica (Eléctrica) del transductor es la entrada al AD. El ADC convierte esta entrada en una salida digital, esta ultima consiste de varios bits que representan el valor de la entrada analógica.

3.-COMPUTADORA.- La representación digital de la variable del proceso se transmite desde el ADC hacia la computadora, quien lo almacena y procesa de acuerdo con las instrucciones del programa en ejecución.

4.-CONVERTIDOR DIGITAL-ANALÓGICO (DAC).- La salida digital de la computadora se conecta a un DAC, que la da a un voltaje o corriente proporcional.

5.-ACTUADOR.- Frecuentemente, la señal analógica que proviene del DAC está conectada a algún circuito o dispositivo que sirve como actuador para el control de la variable física.

Es así como se observa que los ADCs y los DACs funcionan como interfase entre un sistema totalmente digital como lo es una computadora, y el mundo analógico, esta función cada vez tiene mayor importancia a medida que las microcomputadoras de bajo costo entran en áreas de control de procesos donde antes no era factible su uso.

5.3.-ESPECIFICACIONES DE LOS CONVERTIDORES

Se deben de conocer las especificaciones más importantes de los convertidores D/A y A/D. para poder utilizarlos en una aplicación determinada.

Algunas de estas especificaciones son:

1.-RESOLUCIÓN.-La resolución porcentual de un DAC depende únicamente del número de bits que este posea.

2.-PRECISIÓN.-Los fabricantes de DACs tienen varios manearas de especificar la precisión, siendo las dos más comunes las llamadas error de escala completa y error de linealidad .

El error a escala es la máxima desviación de salida del DAC de su valor ideal, expresado como un porcentaje a escala completa.

El error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de paso, esto hablando del paso ideal.

3.-ERROR DE DESPLAZAMIENTO (off-set).-El el caso ideal, la salida de un DAC será de cero volts, pero en la practica habrá un voltaje de caída muy pequeño para esta situación y se llama error de desplazamiento si este error de desplazamiento no se corrige se sumará a la salida del DAC.

4.-TIEMPO DE ESTABLECIMIENTO.-Es el tiempo requerido para que la salida del DAC cambie de 0 a su valor de escala completa, cuando todos los bits de la entrada binaria cambien de 0 a 1.

En la practica el tiempo de establecimiento es de + - ½ del tamaño de paso de su valor final.

5.-MONOTONICIDAD.- Un DAC es monotónico, si su salida aumenta a medida que la entrada binaria se incrementa de un valor a otro.

5.4.-CONVERTIDOR DIGITAL-ANALÓGICO

Primero se examina la conversión D/A dado que muchos métodos de conversión A/D utilizan elm proceso de conversión D/A.

Básicamente la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en el código digital ya sea como código BCD o como binario directo y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital.

La figura 2.2-a muestra el diagrama a bloques de un convertidor D/A común de cuatro bits. No estudiaremos los circuitos internos hasta más adelante, por ahora examinaremos las diversas relaciones de entrada y salida.

D	C	B	A	Vsal
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

Fig 5.2-b Fig 5.2-a

Fig. 5.2.- Convertidor de 4 bits con salida de voltaje.

Las entradas digitales D, C, B, A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital

Los 24=16 diferentes números binarios representados por estos cuatro bits se muestran en la figura 5.2-b. Para cada número de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto; de hecho, el voltaje de salida analógico de VSAL es igual en volts al número binario. 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 Isal en general.

Salida analógica = K X Entrada Digital (5.1)

Donde K es el factor de proporcionalidad y tiene un valor constante para un DAC dado, claro que la salida analógica puede ser un voltaje o una corriente cuando es un voltaje dicha K tiene unidades de voltaje, en tanto que cuando es una corriente K tiene unidades de corriente. Para el DAC de la figura 5.2, K = 1 V, así que:

Voltaje de Salida = (1 V) X Entrada digital

Se puede utilizar la expresión anterior para calcular Vsal para cualquier valor digital de entrada. Por ejemplo, con una entrada digital de 11002 = 1210 obtenemos

Voltaje de salida = (1 V) X 12 V

EJEMPLO No 1.- Un convertidor D/A de cinco bits tiene una corriente de cómo salida. Para una entrada digital de 10100, se produce una corriente de salida de 10 mA ¿Cuál será el valor de Isal para una entrada digital de 11101?

SOLUCIÓN:

101002 = 2010 Isal =K Entrada digital

10 mA =20 K

10mA =K

20

0.5 mA = K

Ahora:

Isal = (0.5 mA) X (111012) = (0.5)X(2910)

Isal = 14.5mA

Por tanto se deduce que K varia de un DAC a otro.

EJEMPLO No 2.-¿Cuál es el valor máximo del voltaje producido por un DAC de 8 bits que genera 1.0 V para una entrada digital de 00110010?

SOLUCIÓN:

001100102 = 5010

1.V = 50K

por tanto K = 1 V =20mV

5

El valor máximo de la salida de obtiene cuando la entrada es 111111112 = 25510

VSAL (Max) =20 mV X 255 = 5.1 V

SALIDA ANALÓGICA

Desde un punto de vista técnico, la salida de un DAC no es una cantidad analógica ya que solo puede tomar valores específicos, como los 16 posibles niveles de voltaje para V SAL en la fig 5.2; de este modo, y en este sentido, la salida en realidad es digital. Sin embargo, como veremos más adelante, se puede reducir la diferencia entre dos valores consecutivos al aumentar el número de diferentes salidas mediante el incremento del número de bits de entrada. Esto nos permitirá producir una salida cada vez mas similar a una cantidad analógica que varía de manera continua sobre un rango de valores: En otras palabras la salida del DAC es una cantidad seudoanalógica.

Continuaremos refiriéndonos a la salida del DAC como analógica, teniendo en mente que ésta es solo una aproximación a una cantidad analógica pura.

FACTORES DE PONDERACIÓN DE ENTRADA

Para el DAC de la figura 5.2 debe observarse que cada entrada digital contribuye con una cantidad diferente a la salida analógica; esto se puede apreciar fácilmente si se examinan los casos donde solo una entrada es ALTA (tabla 5.1): A las contribuciones de cada entrada digital se les asignan factores de ponderación según su posición en el número binario. Por lo tanto, A, que es el LSB tiene un factor de ponderación de 1 V, B de 2 V; C de 4 V y D el MSB, tiene el mayor 8 V.

Los factores de ponderación se duplican sucesivamente para cada bit comenzando con el LSB. Por consiguiente, podemos considerar VSAL como la suma de los factores de ponderación de las entradas digitales. Por ejemplo para hallar VSAL para la entrada digital 0111, podemos sumar los factores de ponderación de los bits C ,B ,A a fin de obtener

4V + 2V + 1V = 7V

D	C	B	A	VSAL (V)
0	0	0	1	1
0	0	1	0	2
0	1	0	0	3
1	0	0	0	4

Tabla 5.1

EJEMPLO No. 3.- Un convertidor D/A de cinco bits produce Vsal = 0.2V para una entrada digital de 00001. Calcule el factor de ponderación de Vsal para una entrada 11111.

SOLUCIÓN:

Evidentemente 0.2V es el factor de ponderación del LSB. Por lo tanto, los de otros bits deben ser 0.4V, 0.8V, 1.6V y 3.2V, respectivamente. Para una entrada digital de 11111, en consecuencia, el factor de ponderación de Vsal será:

Vsal = 3.2V + 1.6V + 0.8V + 0.4V + 0.2V

Vsal = 6.2V.

RESOLUCIÓN (TAMAÑO DE PASO)

La resolución de un convertidor D/A se define como la menor variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital.

La resolución siempre es igual al factor de ponderación del LSB y también se conoce como tamaño de paso ya que es la cantidad Vsal que variará cuando el código de entrada pase de un paso al siguiente.

Estas líneas están mejor ilustradas en la figura 5.3, donde las salidas de un contador binario de cuatro bits son las entradas al DAC. Conforme el contador para por sus 16 estados al aplicarse los pulsos de reloj, se observa que la salida del DAC es una forma de onda en escalera, que cambia un volt por paso. Cuando el estado del contador es 1111, la salida del DAC alcanza su máximo valor, 15V; este valor es la salida a escala completa.

Cuando el contador vuelve de nuevo al estado 0000, la salida del DAC regresa a 0V. La resolución o tamaño de paso es el tamaño de los escalones en la forma de onda en escalera; en este caso, cada paso es de 1V.

Fig. 5.3- Formas de onda de salida del DAC cuando las entradas se obtienen de un cantador binario.

En general, en un DAC de N bits, el número de estados diferentes es 2 mientras que el de pasos es 2 -1.

Por lo tanto:

La resolución = tamaño de pasos = factor de proporcionalidad.

En la ecuación:

Salida analógica = k x entrada digital

Y se dice que la entrada digital es igual al número o tamaño de paso, k es la cantidad de voltaje o corriente y la salida analógica es el producto de los dos.

EJEMPLO No. 4.- ¿Cuál es la resolución (tamaño de paso) del DAC de 5 bits, que produce Vsal = 0.2V para una entrada digital de 00001.

SOLUCIÓN:

El LSB para este convertidor tiene un factor de ponderación de 0.2V.

Por lo tanto esta es la resolución o tamaño de paso.

Fig. 5.4- DAC de 5 bits con salida de 0.2V.

PORCENTAJE DE RESOLUCIÓN

Aunque la resolución puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente por paso, resulta más útil expresarla como un porcentaje de la salida a escala completa.

Resolución porcentual = tamaño de paso x 100% … (5.2)

escala completa

Para la figura 5.3

R. P. = T. O. P. x 100% = 0.066 x 100% = 6.6%

E. C.

La resolución del DAC (número de bits) determina cuantos posibles valores de voltaje o corriente puede enviar la computadora hacia cualquier dispositivo analógico.

EJEMPLO No. 5.- La figura 5.5 muestra una computadora que controla la velocidad de un motor. La corriente analógica de 0 a 2mA. Que proviene del DAC, es amplificada de modo que sea capaz de producir velocidades del motor que vayan de 0 a 1000 r. p .m.

¿Cuántos bits deben utilizarse para que la computadora sea capaz de producir una velocidad que se encuentre a no más de 2 r. p. m. de la velocidad deseada?

Fig. 5.5- Control de una variable analógica.

SOLUCIÓN:

Velocidad 0 __________ 1000 r. p. m. (Escala Completa)

Cada paso de la salida del DAC produce un cambio en la velocidad del motor. Lo que se desea es que este cambio no sea mayor de de 2 r. p. m.

Por lo tanto 1000 = 500 pasos.

2

Luego debemos determinar cuantos bits se requieren para que existan por lo menos 500 pasos.

Como N. P. = 2 -1.

N. P. =2 -1 > 500

N. P. =2 > 500 + 1 = 501

Dado que 2 ð = 256 y 2 E9 = 512

Por lo tanto 9 bits es lo mínimo que se necesita para producir +/- 500 pasos.

Ahora los 9 bits. ¿Cómo se puede ajustar la velocidad del motor a 326 r. p. m.?

Como 2 -1 = 2E9-1 = 512 - 1 = 511

De este modo cuando la velocidad del motor aumentará en pasos de:

1000 = 1.957 r. p. m.

511

Por lo tanto 326 = 166.58 pasos = 167 pasos

1.957

La velocidad real del motor en el paso 167 es:

167 x 1.957 = 326.8 r. p. m.

De este modo, la computadora debe enviar el equivalente binario de 9 bits de 167 en base 10 para producir la velocidad del motor.

CODIGO DE ENTRADA BCD

Los DAC's considerados hasta ahora han hecho uso de un código de entra binaria.

Muchos DAC's utilizan un código de entrada BCD donde se emplean grupos de códigos de 4 bits para cada digito decimal. La figura 5.6 muestra un diagrama de un convertidor de 8 bits (dos dígitos) de este tipo. Cada grupo de código de 4 bits puede variar de 0000 a 1001, de manera que las entradas BCD representan cualquier número decimal de 00 a 99. La figura 5.7 muestra los factores de ponderación relativos para cada uno de los diferentes bits. Observe que los bits que forman el código BCD para el dígito más significativo (MSD) tienen un factor de ponderación que es 10 veces mayor que el correspondiente a los bits del LSD.

Fig. 5.6- DAC que emplea código de entrada BCD.

EJEMPLO No. 6. -Si el factor de ponderación de Ao es 0.1V en la figura 5.6, determine:

Tamaño de Paso.

La salida a escala completa y la resolución porcentual.

Vsal para D1 C1 B1 A1 = 0101 y Do Co Bo Ao = 1000

SOLUCIÓN:

El tamaño de paso es el factor de ponderación de LSB y del LSD, el cual es de 0.1V.

Vsal (E. C.) = 99x0.1 = 9.9 Volts.

R. P. = tamaño de paso x 100% = 0.1 x 100% = 1%

Escala Completa 9.9

O bien:

R. P. = 1 x 100% = 1 x 100% = 0.01 x 100% = 1% … (5.3)

Nº T. de pasos 99

c)

MSD	LSD
D1, C1, B1, A1	Do, Co, Bo, Ao
8.0, 4.0, 2.0, 1.0	0.8, 0.4, 0.2, 0.1

Vsal = 0101, 1000 = C1 + A1 + Do = 4 + 1 +0.8 = 5.8 V.

O bien:

Vsal = 0101, 1000 = 58 (base 10) x 0.1 = 5.8 Volts.

DAC BIPOLAR.

Hasta este momento hemos supuesto que la entrada binaria al DAC es un número binario sin signo y que la salida del DAC es un voltaje o corriente positiva. Algunos DAC's están diseñados para producir valores positivos como negativos, tales como

-10V a +10V.

En general lo anterior se hace utilizando la entrada binaria como un número con signo, donde el MSB es el bit de signo (0 para + y 1 para -). Con frecuencia, los valores de entrada negativos están representados en forma de complemento a dos, aunque algunos DAC'S utilizan la forma de magnitud verdadera.

Por ejemplo, supongamos que tenemos a la mano un DAC bipolar de 6 bits que utiliza el sistema de complemento a dos y que ofrece una resolución de 0.2Volts. Los valores binarios en la entrada varían de 100000 (-32) a 011111 (+31) para producir salidas analógicas que van desde -6.4V hasta +6.2V. Entre estos limites negativos y positivos existen 63 pasos de 0.2V.

EJEMPLO No. 7.- Si tenemos un DAC de 6 bits, que utiliza el sistema de complemento a dos, con una resolución de 0.2V, los valores de la entrada varían de 100000 a 011111. Calcular el rango de la salida analógica y el número de pasos.

SOLUCIÓN:

Fig. 5.7- DAC de 6 bits, con complemento a dos.

El MSB es el bit de signo (0 para + y 1 para -)

100000(-32) a 011111(+31)

-32 x 0.2 = -6.4V a +31 x 0.2 = 6.2V

y como

Nº de pasos = 2 6 - 1 = 64 - 1 = 63 pasos

63 pasos de 0.2 Volts.

CIRCUITOS DE CONVERTIDORES D/A.

La figura 5.8 (a) muestra el circuito básico para un DAC de 4 bits. Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se suponen tienen valores de 0V a 5V. El Amplificador Operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma de los factores de ponderación de estos voltajes de entrada. Debemos recordar que el Amplificador Sumador multiplica cada voltaje de entrada por la proposición de la resistencia de retroalimentación RF a la resistencia de entrada correspondiente Rent. En este circuito RF = 1k, de manera que el Amplificador Sumador pasa el voltaje en D sin atenuación. La entrada C tiene Rent = 2k, de manera que será atenuada en ½, en forma analógica, la entrada B será atenuada en ¼ y la entrada A en 1/8, por consiguiente, la salida del Amplificador se puede expresar como:

Vsal = - (VD + 1/2VC + 1/4VB + 1/8VA) … (5.4)

La salida del Amplificador Sumador evidentemente es un voltaje analógico que representa una suma de los factores de ponderación de las entradas digitales, como lo muestra la tabla de la figura 5.8 (b).

Esta tabla muestra todas las posibles condiciones de entrada y el voltaje de salida del amplificador resultante. La salida es elevada con cualquier condición de entrada, poniendo las entradas apropiadas en 0V o 5V. Por ejemplo, si la entrada digital es 1010, entonces VD = VB = 5V y VC = VA = 0V. Así, al utilizar la ecuación (5.4):

Vsal = - (5V + 0V + 5/4V + 0V)

Vsal = -6.25V.

La resolución de este convertidor D/A es igual a la asignación de ponderación del LSB, que es 1/8 x 5V = 0.625V cada paso.

Fig. 5.8 (a)

Fig. 5.8- DAC que utiliza un Amplificador Operacional con figuración de sumador con resistencias de ponderación binaria.

DAC CON SALIDA DE CORRIENTE.

La figura 5.9 muestra un esquema básico para generar una corriente de salida analógica que sea proporcional a la entrada binaria. El circuito mostrado es un DAC de 4 bits que emplea resistencias con factores de ponderación binarias. EL circuito utiliza 4 trayectorias paralelas para la corriente, cada una controlada por un interruptor semiconductor CMOS.

El estado de cada interruptor está controlado por los niveles lógicos de las entradas binarias. La corriente que circula por cada trayectoria esta determinada por un voltaje de referencia preciso VREF y una resistencia de precisión que forma parte de la trayectoria. Las resistencias están ponderadas en forma binaria y la corriente total, Isal, es igual a la suma de todas las corrientes. La trayectoria correspondiente al MSB tiene la resistencia de valor más pequeño, R, la siguiente trayectoria, una resistencia cuyo valor es dos veces el del primero, y así sucesivamente.

La corriente de salida puede circular por una carga RL que es mucho más pequeña que Ro para que, de esta manera, no tenga ningún efecto sobre el valor de la corriente. Idealmente, RL debe ser un corto circuito a tierra.

Vsal = - Isal x RF … (5.5)

Fig. 5.9 (a)

Fig. 5.9 (b)

Fig. 5.9- (a) DAC básico con salida de corriente.

(b) Conectado a un Amplificador Operacional convertidor de corriente y voltaje.

RED EN ESCALERA R/R. Los circuitos DAC con resistencias de ponderación binarios se utilizan en teoría, ya que en la practica tienen el problema de la gran diferencia entre los valores de las resistencias del LSB y el MSB, especialmente en los DACs de alta resolución. Por que es difícil fabricar resistencias en los CI que tengan valores dentro de un rango muy amplio y mantener una relación exacta entre ellos, en especial con las variaciones de temperatura.

Por esta razón, es probable tener un circuito que utilice resistencias comunes muy similares. Uno de los circuitos utilizados por los DACs que satisfacen este requerimiento es la red en escalera R/ 2R, donde los valores de resistencias abarcan un rango de 2 a 1: el la figura 5.10 se muestra uno de estos DACs.

Observar la forma en que estad conectados las resistencias, y en especial que solo, se emplean dos valores diferentes, R y 2R. La corriente ISAL depende de las posiciones de los cuatro interruptores y el estado de éstos es controlado por las entradas binarias B1, B2, B3, B4. No realizaremos el análisis detallado de dicho circuito, por se puede demostrar que el valor de VSAL esta dado por la expresión

V AL = -VREF X B

8

Donde B es el valor de entrada binaria, la que en este caso puede variar de 0000 a 1111, es decir cero a quince respectivamente.

FIG 5.10 RED EN ESCALERA R/2R DAC

CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL.

Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa la entrada analógica. El proceso de conversión A/D es generalmente más complejo y largo que el proceso D/A, y se han creado y utilizado muchos métodos.

Algunos ADC utilizan un DAC como parte de sus circuitos. LA figura 5.11 es un diagrama a bloque general de estos DACs. La temporización, para realizar la operación la proporciona la señal de reloj de entrada. La unidad de control contiene los circuitos lógicos para generar la secuencia de operación adecuada en repuesta al comando de inicio, el cual comienza el proceso de conversión. El computador con amplificador operacional tiene dos entradas analógicas y una salida digital que intercambias estados dependiendo de cuál entrada analógica sea mayor.

La operación básica de los ADCs de esta tipo consta de los siguientes pasos:

1.- El comando de inicio pasa a alto dando inicio a la operación

2.- A una frecuencia determinada por el reloj, la unidad de control continuamente modifica el número binario que esta almacenado en el registro.

3.- El número binario del registro es convertido en un voltaje analógico VAX; por el DAC

4.- el comparador compara VAX con la entrada analógica VA. Mientras que VAX < VA, la salida del comparador permanece en alto, cuando VAX excede a VA por lo menos en una cantidad igual a VT (voltaje umbral), la salida del comparador pasa a bajo y detiene el proceso de modificación del número de registro, que es el equivalente digital de VAX es así mismo el equivalente digital de VA, dentro de los limites de la resolución y exactitud del sistema.

5.-La lógica de control activa la señal de fin de conversión, FDC, cuando se completa el proceso de conversión.

FIG 5.11 DIAGRAMA GENERAL DEL CONVERTIDOR ADC

EL CONVERTIDOR ADC DE RAMPA DIGITAL

La Fig. 5.12 emplea un contador binario como registro y permite que el reloj incremente el estado del contador un paso a la vez hasta que VAX " VA. Este tipo de convertidor recibe el nombre de ADC de rampa digital debido a que la forma de onda en VAX es una rampa.

Este convertidor contiene un contador, un DAC, un comparador analógico y una compuerta AND de control. La salida del comparador también proporciona la señal de conversión activa en BAJO, FDC'. Suponemos que VA, el voltaje analógico de entrada al a convertidor, es positivo, la operación del mismo es la siguiente.

1.- Se aplica el pulso de INICIO para poner al contador igual con cero. El estado alto de INICIO también inhibe el paso de los pulsos de reloj para la compuerta AND y de aquí hacia el contador.

2.- Cuando las entradas del DAC son todas cero, la salida de éste es VAx=0.

3.- Dado que VA>VAX, la salida del comparador, FDC' es ALTO.

4.- Cuando el INICIO regresa al estado BAJO, se habilita la compuerta AND, y entonces los pulsos de reloj pasan hacia el contador.

5.- A medida que el contador avanza, la salida del DAC, VAX , aumenta un paso a la vez, como se muestra en la figura 5.12(b)

6.- Cuando VAX " VA (VT; 10 a 100V). Este momento FDC' cambia hacia el estado BAJO e inhibe el flujo de pulsos hacia el contador, motivo por el cual éste deja de contar.

7.- El proceso de conteo está finalizado, lo cual es señalado por la transición de ALTO hacia BAJO de la señal de FDC', el conteo del contador es la representación digital de VA.

8.- El contador retiene el valor digital hasta que el siguiente pulso INICIO da comienzo nuevamente al proceso de conversión:

FIG 5.12 CONVERTIDOR ADC DE RAMPA DIGITAL

IEMPO DE CONVERSIÓN, TC. En la Fig. 5.12 se muestra el tiempo de conversión como el intervalo de tiempo entre final del pulso Inicio y la Activación de la salida FDC'.

El contador comienza a contar desde o hasta que el voltaje VX exceda VA, donde FDC, pasa a BAJO para terminar el proceso de conversión.

Para un convertidor de n bits, el tiempo de conversión será.

Tc(máx.)= 2n - 1 ciclo de reloj ------------------------------------ (5.6)

Algunas veces se especifica el tiempo promedio de conversión; es la mitad del tiempo máximo de conversión. Para el convertidor de rampa digital, esto será.

Tc(prom.)= Tc (máx.) = 2 N-1 ciclo de reloj-------------------------(5.7)

DAC

SISTEMA

DIGITAL

“PC”

Vuelve a 0000

Reso=T.de paso=1V

Escala Completa

15V

Vsal

A

B

D

C

Reloj

CONVERTIDOR

D/A

RESO=1V

ACTUADOR

0V

ADC

TRANSDUCTOR

D

CONVERTIDOR

D/A

(DAC)

C

B

V sal SALIDA

ANALÓGICA

A