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 = 2ª
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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