Embed Size (px)
Citation preview
Convertidores Analógico-
Digital (ADC’s) Procesamiento Digital de Señales
Catedrático: Agustín Camarillo
Alumna: Yolanda Mora Campos
7mo. Sem. Ing. Telecomunicaciones
Yolanda Mora Campos Página 2
Contenido Introducción ........................................................................................................................................ 3
Diagrama de un convertidor A/D ........................................................................................................ 3
Funcionamiento .................................................................................................................................. 4
Ejemplo de resolución ......................................................................................................................... 4
Tipos de convertidores A/D. ................................................................................................................ 5
A/D Escalera .................................................................................................................................... 5
Diagrama Escalera ....................................................................................................................... 6
Analizando el diagrama:...................................................................................................................... 6
Funcionamiento .......................................................................................................................... 6
A/D Seguimiento ................................................................................................................................. 7
A/D Aproximaciones sucesivas ............................................................................................................ 8
Simple rampa ...................................................................................................................................... 9
Doble Rampa ..................................................................................................................................... 11
Tensión frecuencia ............................................................................................................................ 12
Referencias ........................................................................................................................................ 15
Yolanda Mora Campos Página 3
Introducción Un convertidor analógico-digital, (ADC: "Analog-to-Digital Converter") es un
dispositivo electrónico capaz de convertir una entrada analógica de voltaje en un
valor binario, Se utiliza en equipos electrónicos como computadoras, grabadores de sonido
y de vídeo, y equipos de telecomunicaciones. La señal analógica, que varía de forma
continua en el tiempo, se conecta a la entrada del dispositivo y se somete a un muestreo a
una velocidad fija, obteniéndose así una señal digital a la salida del mismo.
Diagrama de un convertidor A/D
A nivel de elemento de circuito, el A/D se caracteriza por:
Una entrada analógica
Una salida Digital
Varias señales de control y alimentación.
Las señales de control más importantes y características son:
SC (Start Conversion)
EOC (End Of Conversion).
La primera es una entrada que requiere el circuito para que comience la conversión que
durará un tiempo que a veces es conocido de antemano y otras veces no.
La señal EOC es la que indica al circuito o microprocesador donde están entrando las
señales digitales, cuándo ha terminado la conversión. Es por tanto una señal de salida.
El elemento de salida del A/D es un registro donde se almacena el dato. Este permanecerá
almacenado o cambiará controlado por unas entradas de Enable y Chip Select del registro.
El funcionamiento de un A/D es muy simple:
Inicia la conversión cuando la señal SC=1
El A/D comienza la conversión
El A/D avisa cuándo termina la conversión mediante una
bajada a 0 del EOC.
ADC
Vin
SC EOC
Salida
digital
Yolanda Mora Campos Página 4
Funcionamiento Los ADC, tienen dos señales de entrada, las cuales son llamadas como: Vref + y Vref -, estas
entradas determinan el rango en el cual se va a convertir una señal de entrada.
También existe un parámetro llamado resolución, la cual puede ser calculada si se conoce
el valor máximo que la entrada de información utiliza y la cantidad máxima de la salida en
dígitos binarios.
Ejemplo de resolución Utilizaremos el ADC0804 con la siguiente característica:
Convierte una muestra analógica de entre 0 y 5 V.
La resolución será:
Resolución= valor analógico/ (28)
Resolución= 5 V. / 256
Resolución= 0.0195 V. ó 19.5 mV.
Resolución= LSB
Explicado sería:
Por cada 19.5 mV. Que aumente la tensión entre las entradas Vref + y Vref – que se
encuentran a la entrada del convertidor, éste aumentará en 1 su salida. (Sumándose en
forma binaria bit a bit).
Ejemplo:
Entrada Salida
0 V. 00000000
0.02 V. 00000001
0.04 V. 00000010
1 V 00110011
(5 V-LSB) 11111111
Yolanda Mora Campos Página 5
Tipos de convertidores A/D.
Se dividen en los siguientes tipos:
No son los únicos, pero si son los más típicos.
A/D Escalera Consta de un D/A en el que la entrada es un contador. La entrada RST al contador es la
de inicio de cuenta. El amplificador es un circuito comparador. Su funcionamiento no es
el de un amplificador lineal, sino que está fabricado para comparar V+ con V- como lo
hace un amplificador operacional, llevando al amplificador a saturación positiva o negativa.
Tiene con él dos diferencias:
En primer lugar es más rápido y además trabaja en niveles compatibles con TTL. Es decir
su forma de trabajo es:
Si V + > V- sat. positiva y Vo = 5 V.
Si V + < V- sat. negativa y Vo =0 V.
A/D
Realimentados
Escalera
Seguimiento
Aproximaciones Sucesivas
Integradores
Simple Rampa
Doble Rampa
Tensión Frecuencia
Paralelo
Yolanda Mora Campos Página 6
Diagrama Escalera
EOC
Vin
3 1
2 Reloj
Analizando el diagrama:
La entrada es analógica
La salida digital se toma a partir de la salida del contador
La señal de control SC es RST, que pone a 0 el contador
La señal EOC es la EC que da un flanco descendente cuando termina la conversión
Funcionamiento
Con la señal RST el contador se cambia a 0, así la entrada del D/A tiene el mismo valor al
igual que la salida. Entonces V- =0, pero V+ = Vin debe ser mayor que 0, por lo que Vin >
V- y el amplificador se satura positivamente por lo que la salida Vo = 5 V. = EOC.
Dada esta situación se habilita la puerta AND permitiendo el paso de un pulso que obliga al
contador a contar.
En su salida tendrá un LSB, que saldrá en analógico a la salida del D/A. Y si su valor es
menos que Vin, la salida del amplificador seguirá siendo 5 V. y el contador contará otra
vez, así hasta que V- > Vin.
El tiempo máximo cuando el contador recorre todos los estados es:
Vo D/A
Contador
Yolanda Mora Campos Página 7
A/D Seguimiento En este circuito, la puerta se sustituye por el efecto de un contador ascendente descendente.
Es especialmente útil cuando la señal a medir no evoluciona muy rápido y queremos saber
de forma continuada el valor de VIN. es decir lee continuamente. En el circuito anterior,
cada vez que se quería hacer una lectura había que empezar por el principio. Aquí, una vez
que se ha alcanzado el valor aproximado a la señal VIN el contador solo aumenta o
disminuye sobre este valor. Hace un seguimiento del señal. La señal SC, por tanto, es sólo
una RST que se conecta a la señal de alimentación para comenzar. Una vez que está
contando no se necesita esta señal ya que la cuenta es ininterrumpida. La forma de obtener
la señal SC será entonces:
Cuando se empieza a contar la cuenta se hace en sentido creciente y la salida del
amplificador estará en saturación positiva hasta que la señal de entrada VIN sea menor que
la salida del D/A. En ese momento, la cuenta se hace decreciente para ajustar el valor. Este
desajuste puede ocurrir por dos causas: o bien la VIN está entre dos valores de salida del
D/A que tiene valores discretos (Valor de la entrada digital x VREF = Salida analógica), o
bien se debe a modificaciones de VIN. Este tipo de circuito es el que se utilizaría para medir
temperatura permanentemente unida a un panel digital. La salida va variando arriba o abajo
según como sea la lectura.
Yolanda Mora Campos Página 8
A/D Aproximaciones sucesivas
En este circuito, se sustituye el contador por un registro de aproximaciones sucesivas
(RAS). La idea de este circuito es lograr llegar al valor final, sin tener que recorrer todos
los anteriores. Para ello, se pretende conocer en cada ciclo de reloj el valor de un bit. En
primer lugar el valor del bit más significativo Dn-1, después el Dn-2 y así sucesivamente.
El método consiste en colocar en primer lugar en el registro el valor LHH...H. Si la VIN es
superior a la salida del D/A en ese caso, el amplificador lo detectará dando saturación
positiva y un 1 en salida. Por tanto para alcanzar el valor deseado tendré que incrementar el
bit de mayor peso, es decir darle el valor H. Si por el contrario, el amplificador hubiese
dado a la salida un 0, el bit estaría en su valor correcto.
Una vez conocido el valor de Dn-1 introducimos como dato digital el siguiente: Dn-1
LHH...H y comparamos la salida del D/A con VIN como se hizo en el caso anterior. De
esta manera conseguimos saber también el valor de Dn-2. Repitiendo este proceso en el
tiempo conseguimos obtener el valor buscado. La principal ventaja que presenta este
dispositivo frente a otros es que se necesita un ciclo de reloj por cada bit. Por ello, para 12
bits sólo son necesarios 12 ciclos de reloj.
Yolanda Mora Campos Página 9
La base de este A/D es un R.A.S. que esté diseñado a partir de un registro de
desplazamiento cuyo funcionamiento sea el siguiente:
Tn representa el ciclo de reloj. Como se observa el dato está disponible en el ciclo de reloj
n+1, uno más que el número de bits del dato de salida. Si VIN > V0DAC entonces la
saturación del comparador será positiva y a la salida de éste tendremos V0 = 5V (un 1
lógico para TTL). Si VIN < V0DAC entonces la saturación será negativa y v0 = 0V (un 0
lógico en TTL). Con esto vemos que la salida del comparador, cuando evaluamos un bit,
coincide con el valor correcto de éste. Por tanto, la salida del comparador debe utilizarse
como entrada del registro de desplazamiento antes indicado.
Simple rampa
Se hace la conversión en un sólo paso. Disponemos de un integrador y la tensión VIN debe
ser positiva (unipolar). Cuando SC=1, entonces:
1. Se cierra el interruptor cortocircuitando el condensador C, de manera que se
descarga a través de la RON del interruptor.
Yolanda Mora Campos Página 10
2. Se resetea el contador colocándolo a cero.
3. La unidad de control permite que la señal de reloj llegue al contador. Para ello
coloca a 1 la tercera entrada de la puerta AND.
Tras estos pasos el integrador comienza en cero y como VIN es positivo, la salida del
amplificador estará en saturación positiva. Con ello, a la salida del comparador tendremos
un 1 lógico, lo cual permitirá que la señal de reloj CLK alcance al contador. A medida que
se carga el condensador aumenta el valor de salida del integrador VI. Esto continua igual
hasta que en un momento determinado VIN es mayor o igual que VI lo que hace que el
comparador se sature negativamente, y por tanto, VC = 0. En ese momento el resultado de
la puerta NAND es un uno lógico, con lo cual impedimos que la señal CLK llegue al
contador, terminando así el proceso de conversión.
Lo que se ha hecho ha sido convertir VIN en una magnitud de tiempo t y ese tiempo lo
evaluamos con un contador:
t = nº de pulsos/fclk = nTclk
Yolanda Mora Campos Página 11
Doble Rampa
El sistema funciona en dos partes en el tiempo proporcionando dos rampas distintas.
1. La entrada es la señal analógica VA que se desea digitalizar. Dura un tiempo fijo tF.
2. Tiene como entrada -VREF y el tiempo es variable. Se supone VA>0.
Durante el primer período de tiempo la salida será:
Ya que el condensador está descargado al comenzar la conversión mediante el interruptor
que tiene en paralelo.
En el segundo tramo, al conmutar la entrada ésta se hace negativa lo que implica una
pendiente positiva. Sin considerar las condiciones iniciales la salida sería:
Y teniendo en cuenta las condiciones iniciales:
La condición de final de segunda rampa se tendrá cuando la salida sea nula
Yolanda Mora Campos Página 12
Se puede encontrar una expresión de esta ecuación en la que, eliminando el tiempo, se
introduzcan los pulsos de reloj. Si f es la frecuencia de reloj, su período será la inversa de la
frecuencia y se puede escribir:
Este convertidor es útil ya que además de tener una dependencia baja de la salida con la
entrada, permite conseguir alta resolución (24 bits o algo más). Sin embargo esta alta
resolución puede presentar problemas de deriva o offset que se resuelva mediante una
tercera rampa (7109). Su idea básica es medir la deriva en la primera fase poniendo la
entrada a cero y añadiendo esta deriva mediante un sumador en el resto del circuito. Se
añade, por tanto, un tiempo previo al primero que es un ajuste de cero del A/D. Por otra
parte, si VA<0 se necesitará que VREF sea positiva. El 7109 permite ambos signos en la
entrada mediante un selector del signo de la tensión de referencia dependiendo del de la
entrada.
Otra ventaja de este circuito es el bajo consumo por estar fabricado en tecnología CMOS.
Son también bastante inmunes al ruido sobre todo al de alta frecuencia. Si, por ejemplo, se
quiere convertir una señal continua, si se observa ésta detenidamente se verá que no tiene
un único valor sino que oscila dentro de una banda de valores (tiene ruido).
Tensión frecuencia En este tipo de convertidor se realiza una conversión de la señal analógica de entrada a
frecuencia, midiéndose después el valor de la misma (antes la convertíamos en tiempo).
Este circuito, por tanto, tendrá dos partes bien distintas: la primera convierte la señal a
frecuencia y la segunda mide esa frecuencia.
Está formada por un integrador y un comparador. El control detecta cuando VI es igual a
VREF y en ese momento cortocircuita, momentáneamente, el condensador, comenzando así
otro período de integración. El valor de VI será:
Yolanda Mora Campos Página 13
Para t = T (tiempo de integración) VI = -VREF , sustituyendo en la expresión anterior:
El comportamiento, por tanto, de VREF y de V0 se aprecia en la siguiente figura:
Una de las principales ventajas que presenta este convertidor es que posee una alta
capacidad de aislamiento, debido a que la salida ya es digital y con un opto-acoplador, se
consigue un aislamiento completo y total. Por ello, si colocamos a la salida de nuestro
convertidor tensión-frecuencia un opto-acoplador obtendremos un convertidor A/D con
aislamiento.
La segunda parte de este convertidor será un frecuencímetro. Básicamente consiste en
contar el número de pulsos que llegan a partir de un patrón de tiempo. Por tanto el
convertidor completo será:
Yolanda Mora Campos Página 14
La salida del contador será la salida del convertidor. En el tiempo tendremos:
Durante el tiempo TA el SAMPLE/HOLD estará en muestreo y durante TH estará en
mantenimiento y Vc vale 1, permitiendo que los pulsos lleguen al contador. Durante TH se
habrán contado n pulsos, siendo n = TH/T y como sabemos el valor de F=1/T
Como se aprecia el número de pulsos es proporcional a VIN. Se trata de un circuito de bajo
coste muy interesante para el caso de aislamiento. También es interesante para el caso de
transmisión de información a larga distancia dado que la salida ya se encuentra digitalizada
y, por ejemplo, se puede multiplexar varias de ellas a través un multiplexor digital.
A/D Paralelo Se trata de un convertidor excepcionalmente rápido pero muy complejo desde el punto de
vista del circuito. Su estructura tiene dos partes. En el primer nivel aparecen un conjunto de
comparadores.
En donde, si el codificador tiene a la salida n niveles, necesitamos 2n comparadores a la
entrada (para 8 bits se necesitan 256 comparadores).
Yolanda Mora Campos Página 15
Las tensiones de referencia son todas múltiplos de la tensión del LSB. Por ejemplo, si
tenemos 8 bits, con una tensión de 10 V, el LSB será:
El funcionamiento de este comparador es simple: todos aquellos comparadores en los que
VIN sea mayor que su tensión de referencia estará en saturación positiva mientras que los
demás no. El segundo nivel es un codificador que convierte las 2n entradas en n salidas.
Ahora conseguimos que la conversión sea instantánea. Sus principales aplicaciones son en
vídeo.
Referencias J.I.Escudero, M.Parada, F.Simón
http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%208.%20Convertidores%20A-D.pdf
