Objetivos

Identificar las características de los dispositivos ADC  y DAC.

Definir la Función de Transferencia de dispositivos ADC y DAC.

Identificar otros dispositivos de conversión.

Introducción

Actualmente vivimos en una época en la que la

telecomunicación y la transmisión de datos son

cruciales.

Uno de los dispositivos de conversión con el que

trabajamos a diario es el Modem (Modulador-

Demodulador), en la que una señal tiene que ser

convertida en digital para su interpretación.

Los sistemas de conversión pueden ser usados para transformar señales análogas en digitales

para su procesamiento en computadoras o controladores y se tiene también un proceso en

viceversa, donde una señal digital necesita transformarse en análoga para su salida y poder

controlar plantas continuas.

Tema 4

Control DigitalADC y DAC

4.1 Dispositivos ADC y DAC

Las señales digitales son transformadas en señales análogas para controlar una planta o

proceso continuo, para efectuar la conversión de señales, se recurre a la conversión A/D

(Análoga-digital) o a la conversión D/A (Digital-Análoga).

Conversión Digital a Análoga

Un convertidor digital- análogo transforma un q-bit en una señal análoga continua y puede

realizarse mediante el uso de un registro, switches electrónicos o resistencias pasivas, como:

Cada bit es ponderado por la red de resistencia A/D en proporción a su valor de dígito binario.

Cada switch es controlado por un alto o bajo voltaje (“1” o “0”).

Categorías DAC’s:

- Propósito general.

- Funciones específicas.

Los DAC’s de propósito general desarrollan la conversión básica de datos desde el dominio

digital al dominio análogo, su arquitectura consiste en una red de resistencias escalonadas, un

arreglo de compuerta lógica AND para el switcheo y un circuito de amplificador operacional.

Los DAC’s de función específica tienen arquitecturas optimizadas que las hacen aptas para

aplicaciones específicas como video RAM y audio DAC, algunos tienen una interfaz a un DSP

o microprocesador.

AD767 es un DAC de 12 bits con una compuerta para hacerlo compatible con un DSP.

Conversión Análoga a Digital

Un convertidor análogo-digital (ADC) transforma una señal análoga a un q-bit, a través de una

operación de comparación, en donde una señal de entrada desconocida (voltaje, corriente, etc.)

se compara con un valor conocido y determina cual es más grande.

Estructura básica de un convertidor Análogo Digital de propósito general:

Esta arquitectura compara la entrada análoga con la salida de un n-bit DAC.

Elementos de los parámetros organizacionales que definen tipos de DAC:

Técnica de referencia básica: La conversión de una variable análoga a una palabra binaria es

un proceso de comparación, la cual compara la variable análoga y un voltaje de referencia.

Organización de transferencia de datos: Puede ser serial, paralelo, o una combinación, para

describirlas se define un escalón de tiempo como un intervalo entre comparaciones.

Paralelo: La conversión completa AD es realizada en un paso, implicando que los q-bits

son codificados por comparación con niveles de 2ª referencia.

Serial: Indica que cada bit en un registro es codificado secuencialmente un bit a la vez.

Estructura de tiempo: Requerirá un reloj síncrono o asíncrono para su proceso de secuencia.

Síncrono: La referencia es alterada, la señal de entrada a ser codificada no es alterada

y los valores son comparados.

Asíncrono: Cada paso del proceso AD no depende de la concurrencia de los pulsos del

reloj para el control de la sincronía de la señal.

Operación en comparador: Incluye la modificación de la señal o la referencia.

Operación en referencia: La referencia es alterada, la señal de entrada a ser codificada

no es alterada, y los valores comparados.

Operación en señal: La señal es alterada durante la conversión A/D y la comparación

se hace contra una referencia fija.

Código digital: Un número q-bit es representado como:

Donde el coeficiente bi asume los valores de “0” o “1” y q=M+1.

En un ADC o DAC, es el bit más significativo y tiene un peso de ½ de la escala

completa del convertidor; tiene el peso de ¼ de escala completa. Así, es el bit

menos significativo, el cual tiene un peso de de la escala completa. La

resolución del convertidor es determinada por el número de bits, q= M+1.

Escala: Está basada en una aplicación específica. El valor análogo externo muestreado y el

representativo discreto, es definido por una ganancia o factor de escala. La escala es crítica al

alcanzar los objetivos de desempeño.

Criterios usados para seleccionar un ADC

Resolución: Número de estados en que el voltaje análogo de entrada es dividido.

Tiempo de conversión: Tiempo requerido para una medida completa.

Tiempo de ciclo: Tiempo requerido para terminar una conversión.

Entrada análoga: Bipolar o unipolar.

Ancho de banda: Cantidad de información o de datos que se puede enviar en un período dado.

Capacidad de muestreo y retención: Cantidad de muestras que pueden existir por unidad de

tiempo y de ser retenidos por un retenedor de orden cero, un primer orden u orden superior.

4.2  Función de transferencia de los dispositivos ADC y DAC

Modelado de la conversión digital-análoga

Los valores de los resistores están ponderados de manera binaria.

Los resistores están conectados mediante un switch a la tierra.

Cuando aparece un 1 en la circuitería de control del interruptor, éste se cierra, dando

continuidad del resistor y del voltaje de referencia.

Un valor binario cero lo conecta a tierra.

Para un amplificador operacional de alta ganancia, se presenta una impedancia de entrada tan

grande que el voltaje en el punto de suma es prácticamente cero.

Si el interruptor de la rama MSB está conectado al voltaje de referencia –Er y los otros dos a

tierra, lo que corresponde al número binario 100, se tiene un voltaje de salida que es:

.

Por lo que:

Si se requiere trasformar el número binario 110,  los interruptores de la rama del MSN y la que

le sigue, conectan los resistores a la referencia.

Voltaje de salida:

Valor máximo del voltaje de salida que puede obtenerse con una palabra de tres bits:

Modelado de la conversión análoga-digital

Los tiempos de conversión disponibles comercialmente varían desde 100 ns hasta 200s.

En el caso en que la entrada analógica es constante, el tiempo de conversión no tiene

importancia, ya que la señal no cambia cuando se compara con los diferentes valores

analógicos de los bits del convertidor.

Lo común es que la señal cambie con el tiempo, esta señal primero pasa por el dispositivo S/H,

el cual muestrea y mantiene la entrada hasta que la conversión ha terminado.

El objetivo del uso de un convertidor A/D es convertir el valor Vs en un número digital.

4.3 Otros dispositivos de conversión

Existen tantos puertos de entradas y salidas en un procesador como canales puedan ser

conectados, un solo puerto puede transferir un número de canales a través del uso de un

dispositivo de compartimento múltiple llamado multiplexor.

El multiplexor es empleado cuando se requiere el acoplamiento de señales provenientes de

varias fuentes, de modo que puedan ser procesados por el mismo procesador.

El demultiplexor, está sincronizado con la señal de muestreo de entrada, separa los datos

digitales de la salida compuesta, del controlador digital en los canales originales.

Existen circuitos de muestreo y retención que de manera comercial se encuentran en una sola

unidad, conocidos como muestreador y retenedor (S/H), sin embargo, matemáticamente, las

operaciones de muestreo y retención se modelan por separado.

Colaborativa:

- Investiga el proceso de conversión análogo/digital en un computador.

- Explica el proceso de conversión de una señal digital a una señal análoga.

Al finalizar entreguen los resultados de su actividad.

Tarea individual 2

1. Escribe 3 características de los sistemas de datos discretos.

2. Escribe 3 ventajas de los sistemas de control de datos discretos.

3. Obtén la gráfica escalonada como la salida de un retenedor de orden cero a partir de la

siguiente señal, tomando en cuenta que T=2seg.:

4. Describe 3 aplicaciones en donde se lleva a cabo la conversión digital a análogo.

5. Describe y esquematiza el funcionamiento de un modem.

6. Investiga los 4 tipos de convertidores A/D que existen.

7. Describe el funcionamiento de 2 DAC’s de función específica.

8. Investiga una aplicación sencilla de los multiplexores y dibuja su diagrama.

9. Describe 3 ejemplos de transductores.

Entrega la tarea, en formato de reporte.

Cierre

Es posible clasificar a los sistemas de control automático y utilizar

herramientas de análisis y diseño.

La linealidad de un sistema permite utilizar herramientas que faciliten

el análisis y diseño de los mismos.

Para aprender más

http://www.youtube.com

OpAmp Design & Application Tutorial - Digital-to-Analog Converter (DAC) Intro - Part 1

OpAmp Design & Application Tutorial - Digital-to-Analog Converter (DAC) Intro - Part 2

OpAmp Design & Application Tutorial - Digital-to-Analog Converter (DAC) Intro - Part 3.