Convertidores analógicos-digitales

Los convertidores A/D son dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívoca entre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida en su salida. La relación se establece en la mayoría de los casos, con la ayuda de una tensión de referencia.
La conversión analógica a digital tiene su fundamento teórico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación.
Una primera clasificación de los convertidores A/D, es la siguiente:
  • Conversores de transformación directa.
  • Conversores con transformación (D/A) intermedia, auxiliar.
  • Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold).
Los circuitos de captura y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica (durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación A/D, propiamente dicha.
El esquema básico de un circuito de captura y mantenimiento, así como su representación simplificada, se ofrece en la figura:
Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold)
Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold)

Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold)
Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample and Hold)

El funcionamiento del circuito de la figura es el siguiente: El convertidor A/D manda un impulso de anchura tw por la línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándose el condensador C, durante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en el condensador sigue la tensión de entrada. Posteriormente el condensador mantiene la tensión adquirida cuando se abre el interruptor.
En la siguiente figura se muestran las formas de las señales de entrada, salida y gobierno del interruptor.
carga como la descarga del condensador
carga como la descarga del condensador

El gráfico tiene un carácter ideal, puesto que tanto la carga como la descarga del condensador están relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias y capacidades parásitas asociadas al circuito.
Se recalca el hecho de que el control de la señal C/M procede del convertidor A/D, que es el único que conoce el momento en que finaliza la conversión de la señal.

Conversor A/D con comparadores.

Es el único caso en que los procesos de cuantificación y codificación están claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores que discriminan entre un número 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 uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación será necesario un codificador que nos entregue la salida digital.
Conversor A/D con comparadores
Conversor A/D con comparadores

Este convertidor es de alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar de secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador. Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución, dado que para obtener una salida de N bits son necesarios 2N-1 comparadores, lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuanto se desee obtener una resolución alta.

Conversor A/D con contadores.

Llamado también convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo de los conversores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados en la figura siguiente:
Conversor A/D con contadores
Conversor A/D con contadores

Un comparador, reloj, circuito de captura y mantenimiento (S&H), contador, conversor D/A y buffers de salida.
Una vez que el circuito de captura y mantenimiento (S/H), ha muestreado la señal analógica, el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del reloj. El resultado de este contaje se transforma en una señal analógica mediante un convertidor D/A, proporcional al número de impulsos de reloj recibidos hasta ese instante.
La señal analógica obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa una comparación entre la señal de entrada y la señal digital convertida en analógica. En el momento en que esta última alcanza el mismo valor ( en realidad algo mayor) que la señal de entrada, el comparador báscula su salida y se produce el paro del contador.
El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en la salida digital correspondiente a la señal de entrada.
Este convertidor tiene dos inconvenientes:
Escasa velocidad.
Tiempo de conversión variable.
El segundo inconveniente puede comprenderse fácilmente con la ayuda de la siguiente figura, en la que se aprecia que el número de impulsos de reloj (tiempo), precisos para alcanzar el valor Vien el conversor D/A depende del valor de Vi.
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Dicho tiempo de conversión viene dado por la expresión:
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Conversor A/D con integrador.

Este tipo de convertidores son más sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores 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. Existen dos tipos:
Convertidor A/D de rampa única
Consta, como se refleja en la figura, de un integrador, un comparador, un generador de impulsos y un contador con sus buffers de salida.

fig.13-15
En la puesta en marcha tanto el integrador como el contador son puestos a cero por el circuito de control.

Convertidor digital/analógico

Frecuentemente es necesario convertir una palabra digital que tenga cada bit representado por un 0 ó 1 lógico, en señal analógica.
Esta red convierte una palabra binaria de cuatro bit en una tensión proporcional al numero decimal representado por la palabra codificada. Cada bit sensibiliza electrónicamente un conmutador, gobernando el bit mas significativo al conmutador conectado a la resistencia de 10kohms y el menos significativo a la de 80kohms. Un 1 lógico conecta la resistencia de –4v y un 0 lógico la conecta a tierra. Las resistencias estan ponderadasde igual manera que los bit de la palabra digital, gobernando el bit mas significativo al conmutador de la resistencia mas baja. El sistema puede ampliarse fácilmente para la conversión de palabras que tengan mayor numero de bit.
Los conmutadores del convertidor D/A de la fig. 14-20 estan en las posiciones correspondientes a la palabra binaria 1010 correspondiente al decimal 10. este sistema de codificación se explica en la ecuación 14-29 se aplica siendo Rb = 0 y con cada tensión de entrada igual o a –4V o a 0, según sea el conmutador. En la fig. vemos que:
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Vo= 5 4/10 + 0/20 + 4/40 + 0/80 = 2.5
external image clip_image002.jpg



METODO DE APROXIMACIONES SUCESIVAS.



En el método de conversión ADC por "Conversión Inversa", utiliza un convertidor DAC y tiene la ventaja de su simplicidad, pero se obtiene el inconveniente del retardo de tiempo de conversión que se precisa para realizar el contaje de los "n" bits, la adición de un comparador adicional, para acelerar el contaje si el error es mayor que un cierto nivel, permite reducir apreciablemente el tiempo de conversión del orden de 2n al de orden 2n/2+1 ; tiempo que aún es posible de acotar si se efectúan"n" comparaciones sucesivas entre la tensión de entrada Vx y la tensión Vh que se genera durante la conversión, para ésto se substituye el contador del "convertidor inverso" por una unidad lógica de comparación que determina la secuencia de conversión del diagrama de un convertidor ADC de aproximaciones sucesivas.

La primera comparación se efectua entre la tensión de entrada Vx y la tensión Vh=Vmax/2, correspondiente a la palabra 1000, si Vh es mayor o igual a Vx, se determina que el bit de mayor peso es un uno lógico, pero si Vh<Vx, se memorizar un cero lógico en el registro de salida, el siguiente impulso de reloj efectúa una segunda comparacion del Vh correspondiente a la palabra 1100, si la comparación anterior fue positiva, sino se compara contra 0100 en caso contrario, la salida del comparador determina el valor que se memoriza con un bit de peso Vmax/4, configurándose de esta forma, la palabra de salida digital una vez efectuadas las "n" comparaciones sucesivas. El registro de aproximaciones sucesivas esta constituido básicamente por un contador y un decodificador, que efectúa el direccionamiento de los "n" biestables del registro.

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El ciclo se inicia mediante un impulso de inicio de conversión, que pone a cero el contador al mismo tiempo que se desbloquea el oscilador, durante cada fase, mientras que el reloj esta en nivel alto, el biestable direcionado es puesto en estado " 1 " y al bajar a cero la señal de reloj, se memoriza el estado del comparador, al quedar abierta la entrada R del biestable correspondiente, de esta forma, al sucederse los " n " impulsos de reloj se producen las sucesivas aproximaciones de la palabra de salida.

Los convertidores de aproximaciones sucesivas tienes la presición del convertidos DAC que contienen y poseen un tiempo de conversión que llega a ser del orden de 0.1 µsg, estos tiempos de conversión y su relativamente bajo costo, hacen que sean los convertidores de 8, 10 y 12 bits que más se utilizan, incluso en la mayoría de los sistemas de adquisición de datos en que se requiere la exploración de todas las entradas con un reducido tiempo de ciclo.

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La señal de entrada proviene de un instrumento transmisor, éste transmisor Tx, produce una corriente que se encuentra en el rango de instrumentación estándar de 4 mA a 20 mA, ésta corriente se convierte fácilmente a una señal de tensión en la entrada del " Convertidor ADC " por medio del circuito convertidor de corriente a voltaje, la tensión de entrada en proporcional a la señal del transmisor Tx y se envía directamente al microcircuito ADC0803, éste circuito produce en su salida un código binario natural que cumple la tabla de calibración.

Entrada
Salida
Porcentaje
4 mA
19 h
0%
20 mA
7dh
100%

El código resultante en la salida del Convertidor ADC se introduce a un sistema con micropocesador a través del puerto de entrada. external image Oldbook.gif
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Funcionamiento del microcircuito ADC0809: Este chip ADC contiene un circuito equivalente a una red DAC tipo 256R, los interruptores analógicos están secuenciados por una lógica de aproximaciones sucesivas que detecta la diferencia de los voltajes de entrada Vin (+) y Vin (-), con su correspondiente derivación en la red resistiva, el bit más significativo se compara primeramente, para realizar 8 comparaciones se necesitan 64 ciclos de reloj, se produce una salida digital codificada en binario de 8 bits BCD, esto es 11111111 en base binaria a escala completa, la salida digital se transfiere a un "latch" de salida, y posteriormente se asegura la señal de interrupción, una conversión ADC en proceso se interrumpe en cualquier momento, ésto se logra al transmitir una segunda señal del START, el dispositivo ADC0809 se opera en modo de carrera libre, al conectar INTR con WR estando CS en nivel 0, con ésta restricción se asegura la primera conversión bajo cualquier condición, se requiere un pulso externo en WR al conectar el convertidor por primera vez, la transición de alto a bajo de un pulso de reloj en la entrada WR del ADC0809 hace comenzar el proceso de conversión, la salida digital binaria aparece 100 µsg más tarde, éste convertidor realiza más de 500 conversiones por segundo, sus salidas contienen "buffers" de tres estados, que permiten conectarlos directamente al "bus de datos" de las terminales de un microprocesador, la ventaja del ADC0809 es que tiene una salida INTR que realiza una doble función, ya que a parte de señalarle al ADC el momento en que se termina el proceso del conversión, se vuelve útil al conectarlo a dispositivos asíncronos más lentos, como por ejemplo la entrada serial de una computadora ó una interface serial, o una entrada serie de un microprocesador.
Una parte importante del convertidor es la señal de reloj, esta se toma directamente del CPU o se sustituye por alguna red RC, para añadirle así, su propia señal de reloj, la entrada CLK IN hace uso de un comparador "Schmidt Trigger", la exactitud del convertidor ADC0809 depende de varios factores, es importante tomar en cuenta el valor inicial, la estabilidad de la temperatura y el voltaje de referencia, para el Vref/2 los voltajes deben tener un valor nominal de 2.4 VDC se causa errores de conversión de ± 1 LSB, en las aplicaciones se utiliza la reducción del span, los valores iniciales y la estabilidad del Vref/2 son importantes, por ejemplo, si el span se reduce a 2.5 VDC al voltaje de entrada analógica del bit menos significativo le corresponde a una reducción del 20 mVDC (5 VDC=Span) a 10 mV y 1 LSB en la entrada de Vref/2 llega a ser de 5m VDC.
Para un span más pequeño de 2.5 VDC se requiere de condiciones iniciales más exactas, en general, la magnitud del voltaje de referencia requerirá siempre de un ajuste inicial, la resolución de éste convertidor en particular es de ( 1/255 ) X ( 28-1) de la tensión analógica a escala completa, a cada incremento de 0.02 VDC, le corresponde un valor de ( 1/255 ) X ( 5 VDC )=0.02 VDC.
La salida en código binario se incrementa en 1 LSB, por tanto, si la entrada analógica es igual a 0.1 VDC la salida binaria será del : (0.1 VDC)/(0.002 VDC)=5, su correspondiente valor se codifica en binario natural con 8 bits y es 0000 0101. external image Oldbook.gif
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DIAGRAMA DEL CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL
external image adc.jpg


Download la Simulación del ADC en Flash ( 20 Kbytes ). external image dldicn.gif

TABLA DE CALIBRACION DEL ADC0809

Porcentaje
Entrada
Binario
Hexadecimal
0
.25
0001 0011
13H
5
.30
0001 1111
1FH
10
.35
0010 0100
24H
15
.40
0010 1010
2AH
20
.45
0010 1110
2EH
25
.50
0011 0011
33H
30
.55
0011 1000
38H
35
.60
0011 1101
3DH
40
.65
0100 0010
42H
45
.70
0100 0111
47H
50
.75
0100 1100
4AH
55
.80
0101 0001
51H
60
.85
0101 0110
56H
65
.90
0101 1011
5BH
70
.95
0110 0000
60H
75
1.00
0110 0101
65H
80
1.05
0110 1010
6AH
85
1.10
0110 1111
6FH
90
1.15
0111 0100
74H
95
1.20
0111 1001
79H
Span
1.25
0111 1110
7EH