El convertidor A/D:

 

En la automatización e instrumentación industrial, se producen señales analógicas que varían constantemente, con variaciones que pueden ser muy rápidas o lentas.

Estas señales no son fáciles de tratar, como sumar almacenar, comparar etc.  Por lo que se recurre a estos dispositivos en circuito integrado.

 

Realizan el paso de señales analógicas a digitales asignando a cada nivel de tensión un número digital para ser utilizado por el sistema de procesamiento. Las características fundamentales de un convertidor AD son la precisión y la velocidad. En el ámbito industrial son bastante comunes los conversores de 4, 8, 10 y 12 bits aunque la tendencia es a convertidores de mayor precisión (14 ó 16 bits). La velocidad de conversión depende de las necesidades de la aplicación pero hay que tener en cuenta que está en contraposición con la precisión. Por último, un factor a tener en cuenta en la elección de un convertidor AD es la tecnología utilizada (aproximación sucesiva, Flash, Pipeline, Sigma-Delta) que dependerá de las necesidades de precisión  y velocidad.

CONVERTIDOR ANALÓGICO A DIGITAL .-

 

Los convertidores de este tipo se representan en un grafico de, voltaje de entrada analógica Vs. Palabra en la salida digital, y esta palabra dependerá del numero de bits del convertidor.

 

 SÍMBOLO DE UN ADC 4 Bits.

 

 

                V entrada                                                                                                  

 

                Analógico                                                                                                      

                      

 

 

 

                                                                D3        D2        D1       D0

 

 

 

Conociendo el numero de Bits, se puede encontrar el numero máximo de palabras diferentes que puede proporciona la salida digital.

 

La Resolución es entonces        = 

 

Donde a =  numero de bits.      Así que para un convertidor de 4 Bits en la salida a = 4 :  Y serán 16 diferentes palabras incluyendo el cero.

 

Nota:   Es el número de bits que tiene la palabra de salida del convertidor, y por tanto es el número de pasos que admite el convertidor. Así un convertidor de 8 bits sólo podrá dar a la salida 28 = 256 valores posibles.

           

 

Existe otra resolución que se define como la razón de cambio del valor en el  voltaje  de  entrada, Vent. Que se requiere para cambiar en 1LSB  la salida digital.  Esto es cuando se conoce el valor de Vin, a escala completa.  El voltaje de entrada a escala completa Vin, es proporcionado por el fabricante en sus hojas de especificaciones.

Entonces Vin es el valor máximo presente en la entrada análoga, para proporcionar UNOS lógicos en todas las salidas de Bit digitales.

                                  Vin

    Resolución =

                                      2ª - 1

Restando solo la manera de encontrar una ecuación de entrada – salida, para facilitar rápidamente la palabra digital, incluso en forma decimal, que entrega el convertidor.

 

          Vent

D =                                            Vent =  voltaje análogo presente en el instante

         Resolución                       D = Valor decimal de la salida digital

 

 

Nota:   La tensión de fondo de escala depende del tipo de convertidor, pero normalmente se fija a nuestro gusto, en forma de una tensión de referencia externa, (aunque en algunos casos, como el del convertidor ADC 0804 la tensión de fondo de escala es el doble de la tensión de referencia). Por ejemplo, un convertidor de 8 bits con una tensión de fondo de escala de 2V tendrá una resolución de:

 

 

En cambio, para el mismo convertidor, si cambiamos la tensión de referencia, y por tanto la de fondo de escala, la resolución será de:

 


EJEMPLO:

Un convertidor analógico a digital de 4 bits, genera solamente “unos” cuando Vi = 2.55 V. Encuentre la resolución en sus dos formas, y su salida digital cuando Vi = 1.28V

a).- 2 = 16 salidas diferentes incluyendo 0000.

b).-  Resolución =

c).- Ecuación  D =  =  = 128 LSB

CARACTERÍSTICAS BASICAS.

Impedancia de entrada

Rango de entrada

Número de bits

Resolución

Tensión de fondo de escala

Tiempo de conversión

Error de conversión

 

            Tiempo de conversión: Es el tiempo que tarda en realizar una medida el convertidor en concreto, y dependerá de la tecnología de medida empleada. Evidentemente nos da una cota máxima de la frecuencia de la señal a medir.

Este tiempo se mide como el transcurrido desde que el convertidor recibe una señal de inicio de conversión (normalmente llamada SOC, Start of Conversión) hasta que en la salida aparece un dato válido. Para que tengamos constancia de un dato válido tenemos dos caminos:

Esperar el tiempo de conversión máximo que aparece en la hoja de características.

Esperar a que el convertidor nos envíe una señal de fin de conversión.

Si no respetamos el tiempo de conversión, en la salida tendremos un valor, que dependiendo de la constitución del convertidor será: Un valor aleatorio, como consecuencia de la conversión en curso

El resultado de la última conversión

OTROS MÉTODOS DE CONVERSIÓN A/D :

  

 Existen varios métodos de conversión A/D cada uno con sus ventajas y sus desventajas, a continuación se describen algunos de ellos.

 

ADC de rampa digital ascendente / descendente (ADC de seguimiento) : El convertidor ADC de rampa digital es relativamente lento debido a que el contador tiene que volver a ponerse en cero al inicio de cada conversión.

 Utiliza un contador ascendente / descendente para reducir este tiempo desperdiciado, el contador reemplaza al contador ascendente que proporciona las entradas al DAC.

 

ADC de voltaje a frecuencia : Es más sencillo que los otros ADC, debido a que no hace uno de un DAC.

 En lugar de éste se emplea un oscilador lineal controlado por voltaje que produce como salida una frecuencia que es proporcional al voltaje aplicado en su entrada.

 Una de las principales aplicaciones de este tipo de convertidor se encuentra en ambientes industriales con mucho ruido y donde se tienen que transmitir señales analógicas de poca amplitud desde los circuitos transductores hacia la computadora de control.

 

ADC de doble pendiente : Es uno de los que tienen mayor tiempo de conversión, pero ofrece la ventaja de un costo relativamente bajo ya que no requiere de componentes de precisión tales como un DAC o un VCO.

 La operación básica de este convertidor se apoya en la carga y descarga, ambas en forma lineal, de un capacitor mediante el uso de corrientes de valor constante.

 Otra ventaja es su baja sensitividad al ruido y las variaciones en los valores de sus componentes causados por los cambios de temperatura.

 

 

CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL. A/D

La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema del muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación.

Una primera clasificación de los convertidores A/D, es la siguiente:

- a) Convertidores de transformación directa.

- b) Convertidores con transformación D/A intermedia, auxiliar.

 

 

CONVERTIDOR A/D DE COMPARADOR EN PARALELO.

Pertenece al grupo de convertidores de transformación directa. Es probablemente, el de más fácil compresión, pues consiste básicamente en detectar cuando una determinada tensión de entrada pasa por unos controles comparadores previamente establecidos, su esquema puede verse en la este esquema.

   .

 

Cuando la señal analógica de entrada Vi exceda a la tensión de referencia de cualquier comparador, éste reflejará en su salida dicho cambio. Un convertidor A/D de dos bits puede ser el anterior circuito:

Este circuito lógico responde a la tabla 1.

NIVEL

C1

C2

C3

21

20

0-1/4 V.

0

0

0

0

0

1/4-1/2 V.

1

0

0

0

1

1/2-3/4 V.

1

1

0

1

0

3/4-1 V.

1

1

1

1

1

El circuito lógico del convertidor A/D de dos bits de la figura anterior y que cumple la tabla 1, puede ser algún codificador con prioridad de mercado como, por ejemplo, el 9318, que puede verse en este otro circuito.                                         

Este tipo de convertidor es el más rápido, alcanzando los tiempos de conversión el orden de nanosegundos. La comparación la realiza de forma simultánea y no secuencial. Por el contrario el principal inconveniente de este convertidor es el gran número de comparadores que se requiere, cuando aumenta el número de bits en la salida digital.

CONVERTIDORES A/D CON INTEGRADOR.

Este tipo de convertidores son más sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores intermedios D/A. Se emplean en aquellos casos en los que no se requiere una gran velocidad, pero en los que es importante conseguir una buena linealidad. Son muy usados en los voltímetros digitales. Se les conoce también con el nombre de convertidores de rampa.

En la figura, se representa el diagrama de bloques de un convertidor de rampa simple.

                                                                 

Inicialmente el contador está a cero y el circuito de control tiene inhibido el paso de impulsos al contador. Cuando se aplica una se aplica una señal de inicio (start), el circuito de control dará paso a la señal de reloj hacia el contador y al mismo tiempo irá generando la rampa que se comparará con la señal de entrada de tal forma que, cuando esta señal se iguale a la tensión de entrada Vi, bloqueará el paso de la señal de reloj al contador, correspondiéndose la combinación digital que aparece en la salida del contador con la tensión analógica de entrada.

Un inconveniente del convertidor A/D de rampa simple como el de la figura, es su dependencia de la linealidad de la rampa, y en consecuencia, de los componentes que integran el circuito generador de rampa (circuito integrador formado, por condensador y resistencia). Este problema se resuelve con el convertidor de doble rampa que se indica en el siguiente esquema donde la precisión es muy notable.

 

En este tipo de convertidor hay dos fases: la primera, que consiste en determinar la rampa para Vi en la entrada, en un tiempo fijo; la segunda, el tiempo que tarda, con pendiente fija y tensión de referencia conocida, VREF, en pasar del valor máximo de la anterior fase a cero figura B).

El ciclo de conversión se inicia con la rampa y contadores a cero y el conmutador electrónico en la entrada analógica Vi. La rampa se genera hasta un punto máximo Vx que vendrá dado por el nivel de tensión de entrada Vi y siempre en un mismo tiempo t1

 

Vx = -(Vi / RC).t1

Cuando el detector de cuenta incorporado en el contador detecta que concurre el tiempo predeterminado t1, la unidad de control borra dicho contador y conmuta la entrada a la tensión de referencia VREF. Ahora el integrador generará un rampa desde - Vx a cero, durante un tiempo t2 que será contabilizado por el contador.

Vx = (Vref / RC).t2.

La conversión termina cuando Vx es cero, ya que a través del comparador, bloqueará la puerta del reloj. La combinación del contador se corresponderá con el equivalente digital a la tensión analógica de entrada.

CONVERTIDOR 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 anterior figura, es muy parecido al convertidor anterior, en el que se ha cambiado el contador y el circuito de control, por un sistema de conteo por 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.

Como el arranque parte siempre de cero, el registro de aproximaciones sucesivas, comienza poniendo a 1 el bit de mas peso (MSB), quedando el resto a cero, o sea, forma el valor 100 (para este ejemplo se utilizarán sólo tres bits), que corresponde a la mitad de la máxima excursión de la tensión de entrad. Este valor es transformado a señal analógica, que a su vez se introduce en el comparador.

 Si esta señal es mayor que Vi, el comparador bascula dando lugar a una señal que hace que el registro varíe su contenido, sustituyendo el 1 del bit de más peso por un 0 y colocando en el bit de peso inmediatamente inferior un 1, quedando inalterado el resto de los bits (010).

 

Por el contrario si la señal fuese menor que Vi, el registro no modifica el bit de más peso inmediatamente inferior a 1, dejado a 0 el resto de los bits (110).

 

Tanto en un caso como en otro, se efectúa una nueva conversión D/A y luego se modifica el registro con el mismo criterio. El proceso se repite hasta alcanzar el bit de menos peso (LSB).

 

En el esquema siguiente, se muestra el diagrama de transiciones para 3 bits donde se indica el proceso de búsqueda de la combinación digital. El proceso se repetirá n veces, siendo n el número de bits del registro de aproximaciones sucesivas. Por lo tanto el tiempo empleado en la conversión es independiente del valor de la señal analógica de entrada. El tiempo de conversión de este tipo de convertidores es mucho menor que el anterior.

 

 CONVERTIDOR POR CUENTA CONTINUA.

Teniendo como base el convertidor por contador, bastara con evitar poner a cero el contador para cada conversión de analógico a digital, para acelerar el tiempo en dicha conversión. Bastaría con

añadir un contador reversible y un circuito lógico que detecte el sentido de conteo: descendente o ascendente (UP/DOWN). El contador en este caso comenzaría la cuenta desde la última conversión. A este tipo de convertidor se le denomina por cuenta continua y su diagrama de bloque se representa en el esquema siguiente.

 

Este convertidor, cuando la señal analógica procedente de la entrada Vi es superior a la generada por el D/A, como consecuencia de la combinación binaria a su entrada, hace que el comparador habilite la cuenta ascendente, hasta que ambas entradas en el comparador vuelvan a igualarse y para el conteo. Por el contrario, si Vi es inferior a la tensión suministrada por el D/A, el conteo será de forma descendente, hasta igualar nuevamente la tensión de entrada Vi. En definitiva, el contador siempre seguirá a cualquier variación de la tensión analógica a convertir, a partir de la última conversión realizada. El cálculo del tiempo de conversión dependerá de la distancia a recorrer por el contador.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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