Introducción

Conversión Analógica-Digital

La conversión analógica a digital es el proceso por el cual se convierten señales continuas a números digitales discretos. Se realiza con un circuito integrado electrónico conocido como convertidor analógico a digital (ADC, por sus siglas en ingles), la operación inversa es conocida como conversión digital a analógica. Para convertir una señal analógica a una digital la señal tiene que pasar por los procesos de muestro, cuantización y codificación. El diagrama de bloques de este proceso se puede ver en Fig.1.1

Fig1.1

La señal analógica es continua en el tiempo y es necesario convertirla a un flujo de valores digitales, esto consiste básicamente en realizar en forma periódica medidas de la amplitud de la señal y traducirlas a un lenguaje numérico. Para esto se realizan tres procesos:

Muestreo: Consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con la que se toma esta muestra; el numero de muestras por segundo, se conoce como frecuencia de muestreo. Según el teorema de Nyquist para poder replicar con exactitud la forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la frecuencia máxima de la señal analógica. Como se muestra en la fig 1.2

S(t) señal a muestrear señal de muestreo Sd(t) señal muestreada

Fig1.2

Cuantificación: en este proceso se mide el nivel de voltaje de cada muestra y a continuación se le asigna un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. Este proceso produce una señal indeseada llamada error de cuantificación. Como se puede ver en la fig1.3

fig 1.3

Codificación: es la traducción de los valores obtenidos en la cuantificación a valores binarios. Un ejemplo se muestra en Fig1.4

Fig1.4

Estos tres procesos los realiza el ADC. El convertidor analógico digital tiene sus propias características que deben conocerse.

Resolución: La resolución indica el número de valores discretos que el convertidor puede producir sobre el intervalo de valores analógicos. La resolución es usualmente expresada en bits, por lo tanto el número de valores o niveles discretos es usualmente una potencia de dos. Por ejemplo un ADC con una resolución de 8 bits puede codificar una señal en 256 niveles ya que 28=256. Estos valores se pueden representar en intervalos de 0 a 255 o -127 a 128 dependiendo de la aplicación.

Velocidad de muestreo: El ADC tiene una velocidad máxima de muestreo que limita la frecuencia de las señales que se pueden convertir. Ya que el ADC no puede hacer las conversiones instantáneamente el valor de la entrada tiene que mantenerse constante el tiempo que se hace la conversión. Un circuito interno llamado de muestra y retención realiza esta tarea.

Estructuras de ADC

El ADC de conversión directa o flash ADC: Es un ADC que consiste de un banco de comparadores, cada uno encendiéndose a un voltaje determinado. El banco de comparadores alimenta un circuito lógico que genera un código para cada intervalo de voltaje. La conversión

directa es muy rápida pero usualmente solo tiene 8 bits de resolución (8 comparadores) o incluso menos. Se utilizan cuando se requieren conversiones muy rápidas pero no es necesaria una alta calidad.

El ADC de aproximaciones sucesivas: funciona constantemente comparando el voltaje de entrada con el de salida de un convertidor digital analógico interno. En cada paso de este proceso un valor binario de la aproximación es guardado en un registro de aproximaciones sucesivas (SAR). El SAR utiliza un voltaje de referencia que es el valor máximo que el ADC puede convertir. Por ejemplo para un voltaje de 60 volts con 100 volts de referencia en el primer ciclo de reloj, 60 volts es comparado con 50 (el voltaje a la salida del DAC interno cuando la salida es 1 seguido por ceros) como 60 es mayor que 50 el voltaje será positivo y el bit más significativo será 1, en el segundo ciclo de reloj la entrada es comparada con 75 volts esto es el punto medio entre 50 y 100 y la salida en el DAC cuando tiene 11 seguido de ceros. Ya que 60 es menor que 75 la salida en el comparador es negativa y el segundo bit es 0. Y así sucesivamente. Como las aproximaciones son sucesivas y no simultáneas se requiere un ciclo de reloj para cada bit de resolución deseado. La frecuencia de reloj debe ser igual a la frecuencia de muestreo multiplicada por los bits de resolución deseados.

ADC de comparación de rampa: produce una señal diente de sierra después rápidamente cae a cero. Cuando la rampa comienza a bajar un reloj comienza a contar. Cuando el voltaje de la rampa es igual al de la entrada se enciende un comparador y el valor del reloj se graba. Estos convertidores son sensibles a los cambios de temperatura.

Conversión Digital-Analógica

Al igual que con la conversión analógica a digital hay varias maneras para transformar una señal digital a analógica las más comunes son.

El modulador de ancho de pulso: Un voltaje estable pasa por un filtro pasabajas analógico durante un tiempo determinado por la entrada digital.

El DAC de peso binario: contiene un resistor por cada bit del DAC conectados a un punto de suma. Estos voltajes suman el voltaje de la salida. Esta configuración se muestra en la fig1.5

fig1.5

El DAC de escalera R2R: es un DAC de peso binario que utiliza una estructura repetitiva en forma de cascada de R y 2R esto aumenta la precisión pero aumenta el tiempo de conversión. El circuito se puede ver enFig1.4

Fig1.6

El Efecto Alias

Ya que todos los procesos de conversión de señales emplean el muestreo de la señal de entrada en intervalos discretos la salida es una imagen incompleta del comportamiento de la entrada. Cuando los valores digitales de la salida del ADC son convertidos por un DAC, es deseable que la salida del DAC sea una representación fiel de la señal de entrada. Si la señal de entrada esta cambiando mas rápido que la frecuencia de muestreo señales falsas llamadas aliases serán formadas a la salida del DAC. La frecuencia de la señal de alias es la diferencia entre la frecuencia de la señal y la frecuencia de muestreo. El alias se puede prevenir con un filtro pasa bajas que filtre las frecuencias mayores a la frecuencia de muestreo. Como se muestra en la fig 1.7

fig.1.7

Desarrollo

En este circuito utilizamos el ADC AD1674 y el DAC AD667. Conectamos las salidas del ADC a las entradas del DAC esperando que la salida sea una representación fiel de las entradas analógica del ADC. Los dos convertidores tienen una resolución de 12 bits

El ADC AD1674

Es un convertidor electrónico que realizar aproximaciones sucesivas con 4 modos de operación de 0 a 10 V y de 0 a 20V unipolar y de -5V a 5V y de 10V a 10V en modo bipolar, y opera con dos fuentes de polarización de ±15V o ±12V y una de 5V. Su velocidad máxima de muestreo es de 10 Khz lo que significa que toma una muestra cada 10µs. Un diagrama de bloques de este ADC se muestra en la figura en la figura 1.8

fig 1.8

Cuando la sección de control recibe una orden de iniciar una conversión el amplificador de muestra y mantenimiento (SHA) se pone en modo de mantenimiento, inicia el conteo del reloj y se reinicia el registro de aproximaciones sucesivas (SAR). Cuando un ciclo de conversión inicia no puede detenerse o reiniciar. El SAR mandara una señal a la sección de control cuando la conversión se haya completado. La sección de control apagara el reloj cambiara el SHA a modo de muestreo.La sección de control permitirá la función de lectura de datos con una orden externa en cualquier momento durante el intervalo de adquisición del SHA.Durante el ciclo de conversión un DAC interno de 12 bits es secuenciado por el SAR desde el bit mas significativo para proveer una salida que balancee la corriente a través de el resistor de 5KΩ proveniente de la salida del SHA. El divisor de voltaje a la entrada del SHA divide la entrada por 2 para el intervalo de 10V y por 4 para el intervalo de 20V manteniendo una corriente de 1mA a la salida del SHA. El comparador determina si la suma de cada bit causa que a la salida del DAC la corriente es mayor o menor que la corriente en la entrada. Si la suma es menor el bit se enciende y si es menor el bit se apaga. Despues de probar todos los bits el SAR contiene un código binario de 12 bits que representa con una precisión de ±½LSB de la señal de entrada.

El DAC AD667

Es un convertidor digital analógico de 12 bits que incluye un Zener de alta estabilidad como voltaje de referencia. El convertidor utiliza 12 interruptores bipolares de alta velocidad y precisión para proveer alta precisión y rapidez en la conversión.

Este DAC tiene también 4 modos de operación 0 a 10 V y de 0 a 20V unipolar y de -5V a 5V y de 10V a 10V en modo bipolar. El bus lógico de interface consiste de cuatro registros independientes. Una vez que la palabra de 12 bits ha sido ensamblada en el primer rango puede ser cargada en el registro del segundo intervalo. Este arreglo de doble buffer evita la generación de valores análogos erróneos.

Todas las entradas de control están activas en un voltaje cero. Cada una de las líneas de dirección pueden activar uno de los cuatro cerrojos. Estos cerrojos se disparan por niveles de voltaje, esto significa que los datos presentes durante el tiempo cuando las señales de control son validas entraran al cerrojo. Cuando cualquiera de estas señales de control devuelva un uno lógico los datos están cerrados. Es permisible activar mas de uno de los cerrojos simultáneamente, si un cerrojo de primer rango es activado coincidiendo con un cerrojo de segundo rango los datos alcanzaran el segundo rango correctamente, si las especificaciones del ciclo de escritura se cumplen.

El umbral de la entrada digital es 1.4 volts y no varía con el voltaje de alimentación por lo tanto las líneas de entrada pueden trabajar con cualquier voltaje lógico de 5 volts. Los datos de entrada y las entradas de control flotaran hacia un cero lógico si son dejadas abiertas, es recomendado que cualquier entrada inutilizada se conecte a la tierra de la alimentación para mejorar la inmunidad del ruido.

El circuito ADC-DAC

El circuito está formado por un ADC con sus salidas conectadas a las entradas de un DAC, se utilizaron el ADC AD 1674 y DAC AD 667 los dos se configuraron para trabajar en la región bipolar de ±5 volts. Se conectó la entrada de control READ/CONVERT del ADC a una compuerta lógica negadora 04 con la salida hacia la entrada de control READ/CONVERT del DAC buscando que cuando el ADC leyera un dato el DAC hiciera una conversión y viceversa. Se polarizó el circuito con dos fuentes de ±15 volts y se utilizó un voltaje lógico de 5 volts. Una señal de disparo a la frecuencia de muestreo (100Khz) se conecto a la entrada de control READ/CONVERT porque ésta se activa con un nivel bajo de voltaje. Se utilizó un voltaje de referencia externo de 10 volts por medio de dos potenciómetros de 50 KΩ.

Se probó insertando a la entrada una señal senoidal a la que se varió la frecuencia para probar el teorema de muestreo.

Señal Muestreada

Señal a la mitad de la frecuencia de muestreo

Señal sobre muestreada