Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos – ITSON 42

PRÁCTICA #10

CONVERTIDORES DIGITAL - ANALÓGICO

OBJETIVOS:

- Diseñar e implementar un convertidor DAC de resistencias ponderadas y un convertidor DAC con red de resistores R/2R.

- Obtener las características de ambas configuraciones y convertir el R/2R en bipolar.- Implementar un convertidor DAC con un circuito integrado y obtener su

caracterización.

Pre-repote: - Implemente un circuito contador de 4 bits con el C.I. SN 7493, verifique su funcionamiento, sus pines y en especial los habilitadores.

Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos – ITSON 43

ANTECEDENTES TEÓRICOS

En el mundo real es muy conveniente contar con sistemas que ejecuten conversiones de señales digitales que representen cantidades positivas y negativas, debido a que los sistemas a controlar tienen incursiones hacia ambas polaridades. Un convertidor que ejecuta una conversión D/A de este tipo se le conoce DAC BIPOLAR. Existe una gran cantidad de maneras de procesar información bipolar. El diagrama a bloques de la figura 10.1 muestra la configuración de un DAC que maneja la polaridad de la señal analógica de salida por medio de un interruptor que conmuta de la fuente de referencia positiva a negativa o viceversa. El BIT más significativo es necesariamente quien determina la polaridad, moviendo el interruptor a la posición 1 ó a la posición 2. La cantidad de bits ponderados es menor que en los convertidores unipolar, pero la resolución se conserva; ejemplo, si se tienen 3 bits de entrada la resolución sería 1/8 ó 1/23 tanto para unipolar como para bipolar. Es la excursión de la señal a convertir la que cambia solamente.

Fig. 10.1: Configuración básica de un DAC bipolar, tipo paralelo.

Las representaciones digitales a convertir cambian de acuerdo a la aplicación de que se trate. La representación bipolar más natural para el ser humano sería, el bit de signo (tabla 10.1). Otra forma de representar los valores es en complemento a “1”, sin embargo, estas dos representaciones, tienen el inconveniente de tener dos valores digitales que corresponden al mismo valor cero, en la salida analógica.

Tabla 10.1: Representaciones digitales de valores analógicos.Bit de signo Complemento a “1” Complemento a “2”

Entrada Digital

Salida Analógica

Entrada Digital

Salida Analógica

Entrada Digital

Salida Analógica

011 +3 011 +3 011 +3010 +2 010 +2 010 +2001 +1 001 +1 001 +1000 0 000 0 000 0100 0 111 0 111 -1101 -1 110 -1 110 -2110 -2 101 -2 101 -3111 -3 100 -3 100 -4

Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos – ITSON 44

Otra forma de representar digitalmente a los números a convertir, es en complemento a “2”. Esto se utiliza para facilitar los cálculos aritméticos en computación. Además de que no existe el problema de tener un doble cero. Un detalle importante es que no existe simetría entre los valores positivos y negativos ya que a partir del nulo (000) se tienen tres combinaciones positivas y cuatro negativas. Notemos que la polaridad de las tres representaciones la da efectivamente el MSB.

En la figura 10.2 se muestran las configuraciones unipolares de los DAC’s tipo paralelo más empleados. Se observa la utilización de los interruptores analógicos controlados por la señal digital de entrada paralela.

Fig. 10.2: DAC´s tipo paralelo; a) Escalera de resistores ponderados; b) escalera R/2R.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO

Cantidad Descripción 1 C.I. LM7411 C.I. LM14082 C.I. SN7493X Resistencias según diseño1 Resistencias de 4.7 K1 Potenciómetro de 1 K1 Potenciómetro de 10 K1 Capacitor de 0.1 F

1 Tableta experimental1 Fuentes de alimentación dual1 Generador de funciones1 Osciloscopio

a)

b)

Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos – ITSON 45

DESARROLLO EXPERIMENTAL

DAC DE RESISTENCIAS PONDERADAS Y DAC R/2R.

1. Diseñe e implemente un DAC de resistencias ponderadas y un DAC R/2R de 4 bits.

2. Utilice el generador de funciones (señal cuadrada TTL) en 10 kHz y el contador SN 7493 para verificar su funcionamiento.

3. Con el osciloscopio obtenga la gráfica de los sistemas y tabule la linealidad, resolución, exactitud y tiempo de establecimiento.

DAC R/2R BIPOLAR

4. Modifique la implementación DAC R/2R anterior, tal como se muestra en la figura 10.2. Utilizando ahora la entrada adicional mostrada, hacemos que el bit MSB funcione como controlador de signo.

Fig. 10.2: Diagrama de un DAC R/2R bipolar con bit adicional para control del voltaje de offset.

5. Calcule el valor de Ra, para obtener la ecuación:

6. Implemente con el valor de Ra calculado. Repita los puntos 2 y 3. Varíe el valor de Ra, observe y concluya.

CARACTERIZACIÓN DEL DAC, CIRCUITO INTEGRADO LM1408

7. Implemente el circuito mostrado en la figura 10.3.

8. Utilice el generador de funciones en 10 kHz y dos contadores SN7493 en cascada, para verificar su funcionamiento (entrada digital).

Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos – ITSON 46

Fig. 9.3 : Convertidor DAC basado en el LM1408.

9. Obtenga la caracterización del DAC LM1408, determinando:A) LinealidadB) Resolución

C) ExactitudD) Tiempo de establecimiento

10. Obtenga la gráfica de respuesta y tabule los valores para cada escalón (tabla 10.2).

Tabla 10.2: Caracterización del DAC LM1408.unipolar Bipolar en Complemento a “2”

Entrada Digital

Vo (mV) Entrada Digital Vo (mV)

Teórico Práctico Comp '2 Normal Teórico Práctico

1111 1111 9961 0111 1111 1111 1111 49611111 1110 9922 0111 1110 1111 1110 49221111 1101 9883 0111 1101 1111 1101 4883

... ... ... ... ...1000 0010 5078 0000 0010 1000 0010 781000 0001 5039 0000 0001 1000 0001 391000 0000 5000 0000 0000 1000 0000 00111 1111 4961 1111 1111 0111 1111 -390111 1110 4922 1111 1110 0111 1110 -78

... ... ... ... ...0000 0010 78 1000 0010 0000 0010 -49220000 0001 39 1000 0001 0000 0001 -49610000 0000 0 1000 0000 0000 0000 -5000

LM1418 COMO DAC BIPOLAR

Laboratorio de Circuitos Integrados Analógicos – ITSON 47

11. De la misma manera que en el punto 4, el LM1418 puede ajustarse a ser bipolar por medio de una entrada más, en el convertidor de corriente a voltaje; lo que es lo mismo que agregar un voltaje offset. Calcule la Ra que necesita, de tal forma que introduciendo la combinación 1000 0000 se obtenga Vo=0V.

12. Caracterice la configuración en la tabla 10.2.

13. Note que si se le suman a los bits de entrada el valor digital 1000 0000 (que se le sumó con el offset) se obtiene el número en complemento a “2”, como lo muestra la tabla 10.2. Es decir, la entrada binaria del convertidor está en complemento a “2” con el signo invertido.

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS

- Cabe hacer notar que si se requieren salidas analógicas diferentes a las mostradas en las tablas sólo se requiere variar el voltaje offset externo, a un valor tal que la suma nos resulte el valor analógico deseado. Varíe el voltaje offset y compruebe lo anterior.