convertidores digital – analÓgico - digital

8/2/2019 CONVERTIDORES DIGITAL ANALGICO - DIGITAL

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CONVERTIDORES DIGITAL ANALGICO Y ANALGICO -

DIGITAL

CONVERTIDORES DIGITAL ANALGICO

Las dos operaciones E/S relativas al proceso de mayor

importancia son la conversin de digital a analgico D/A y la

conversin de analgico a digital A/D.

Bsicamente, la conversinD/A es el proceso de tomar unvalor

representado en cdigo digital (cdigo binario directo o BCD) yconvertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor

digital. Este voltaje o corriente es una cantidad analgica, ya que

puede tomar diferentes valores de cierto intervalo.

DAC de 4bits. A es el LSB y D es el MSB.

Las entradas digitales D, C, B y Ase derivan generalmente del

registro de salida de un sistema digital. Los 24 = 16 diferentes

nmeros binarios representados por estos 4 bits se enlistan en la

tabla siguiente. Por cada nmero de entrada, el voltaje de salida del

convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida

analgico Vout es igual en voltios al nmero binario (no es as en

todos los casos). Tambin podra tener dos veces el nmero binario

o algn otro factor de proporcionalidad. La misma idea seraaplicable si la salida del D/A fuese la corriente Iout.


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Entrada digital Salida analgicaD C B A Vout en voltios0 0 0 0 00 0 0 1 10 0 1 0 20 0 1 1 30 1 0 0 40 1 0 1 50 1 1 0 60 1 1 1 71 0 0 0 81 0 0 1 91 0 1 0 101 0 1 1 111 1 0 0 121 1 0 1 131 1 1 0 141 1 1 1 15

RESOLUCIN DE UN DAC

Se define como la mnima variacin que puede ocurrir en la

salida analgica como resultado de un cambio en la entrada digital.

En el caso anterior, se observa que la resolucin es de 1V. Aunque la

resolucin puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente

por etapa, resulta ms til expresarla como un porcentaje de la salida

de escala completa. El DAC descrito en la tabla tiene una escala de

15 - 0 = 15V, el tamao de la etapa es de 1V (la etapa es el cambio

de la seal de salida ante un cambio de la seal de entrada de unvalor a otro consecutivo).

La expresin que define a la resolucin de un DAC es la

siguiente:


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DAC construido con un amplificador operacional

Existen varios mtodos y circuitos para producir para producir

la operacin D/A que se ha descrito. Uno de ellos es el que se

muestra en la figura anterior. Las entradas A, B, C y D son entradas

binarias que se suponen tienen valores 0V o 5V. El amplificador

operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la

suma con valor asignado de estos voltajes de entrada.

La expresin que describe la operacin de este DAC es la

siguiente:

Vout = -( Rf/R1 Vd + Rf/R2 Vc + Rf/R3 Vb + Rf/R4 Va )

ESPECIFICACIONES DAC

Se dispone de una amplia variedad de DAC como circuitos

integrados o bien como paquetes encapsulados autocontenidos. Uno

debe estar familiarizado con las especificaciones ms importantes de

los fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada


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aplicacin.

- Resolucin Como se mencion antes, la resolucin

porcentual de un DAC depende nicamente del nmero de bits.Por esta razn, los fabricantes por lo general especifican una

resolucin de DAC como el nmero de bits. Un DAC de 10 bits

tiene una resolucin ms sensible (mayor exactitud) que uno de

8 bits.

- Precisin Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de

especificar la precisin o exactitud. Las dos ms comunes se las

llama Error de Escala Completa y Error de Linealidad, que

normalmente se expresan como un porcentaje de la salida de

escala completa del convertidor (%FS).

El error de escala completa es la mxima desviacin de la salida

del DACde su valor estimado (terico).

E1 error de linealidad es la desviacin mxima en el tamao de

etapa del terico. Algunos de los DAC ms costosos tienen

errores de escala completa y de linealidad en el intervalo 0.01%

- 0.1%.

-Tiempo de respuestaLa velocidad de operacin de un DAC

se especifica como tiempo de respuesta, que es el tiempo que

se requiere para que la salida pase de cero a escala completa

cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los

unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variarn de

50ns a 10s. En general, los DAC con salida de corriente

tendrn tiempos de respuesta ms breves que aquellos con una

salida de voltaje. Por ejemplo, el DAC 1280 puede operar como

salida de corriente o bien de voltaje. Su tiempo de respuesta a


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su salida es 300ns cuando se utiliza salida de corriente 2.5s

cuando se emplea salida de voltaje. El DAC 1280 es un

convertidor D/A construido con un amplificador sumador.

-Voltaje de balanceEn teora, la salida de un DAC sercero

voltios cuando la entrada binaria es todos los ceros. En la

prctica, habr un voltaje de salida pequeo producido por el

error de desbalance del amplificador del DAC. Este

desplazamiento es comnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC

con voltaje tendrn una capacidad de ajuste de balance externo

que permite eliminar el error de desbalance.

APLICACIONES DE LOS DACs

Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital

tiene que ofrecer un voltaje o corriente analgico para impulsar o

activar un dispositivo analgico. Algunas de las aplicaciones ms

comunes se describen a continuaciones.

- Control: la salida digital de una computadora puede

convertirse en una seal de control analgica para ajustar la

velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para

controlar casi cualquier variable fsica.

- Anlisis automtico: las computadoras pueden ser

programadas para generar las sealesanalgicas (a travsde

un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analgicos. La

respuesta de salida analgica del circuito de prueba

normalmente se convertir en valor digital por un ADC y se

alimentar a la computadora para seralmacenada, exhibida y

algunasvecesanalizada.


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- Control de amplitud digital:un DAC multiplicativo se puede

utilizar para ajustar digitalmente la amplitud de una seal

analgica. Recordemos que un DAC multiplicativo produce unasalida que es el producto de un voltaje de referencia y la

entrada binaria. Si el voltaje de referencia es una seal que

vara con el tiempo, la salida del DAC seguir esta seal, pero

con una amplitud determinada por el cdigo de entrada binario.

Una aplicacin normal de esto es el control de volumen

digital, donde la salida de un circuito o computadora digital

puede ajustar la amplitud de una seal de audio.

- Convertidores A/D: varios tipos de convertidores A/D

utilizan DACs que son parte de sus circuitos.


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CONVERTIDORES ANALGICO DIGITAL

Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada analgico y

despus de cierto tiempo produce un cdigo de salida digital querepresenta la entrada analgica. El proceso de conversin A/D es

generalmente ms complejo y largo que el proceso D/A, y se han

creado y utilizado muchos mtodos.

Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como

parte de sus circuitos. En la figura siguiente se muestra un diagrama

de bloque general para esta clase de ADC. La oportunidad para

realizar la operacin es ofrecida por la seal del cronmetro de

entrada. La unidad de control contiene los circuitos lgicos para

generar la secuencia de operaciones adecuada en respuesta al

comando START, el cual inicia el proceso de conversin. El

comparador tiene dos entradas analgicas y una salida digital que

intercambia estados, segn qu entrada analgica sea mayor.

Diagrama en bloques de un ADC


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La operacin bsica de los convertidores A/D de este tipo

consta de los siguientes pasos:

- El comando START pasa a alto dando inicio a la operacin

- A una razn determinada por el cronmetro, la unidad de

control modifica continuamente el nmero binario que est

almacenado en el registro.

- El nmero binario del registro es convertido en un voltaje

analgico, Va, por el convertido D/A.

-

El comparador compara Va con la entrada analgica Va. En

tanto que Va < Va, la salida del comparador permanece en

alto. Cuando Va excede a Va por lo menos en una cantidad Vt

(voltaje umbral), la salida del comparador pasa a bajo y

suspende el proceso de modificacin del nero del registro. En

este punto, Va es un valor muy aproximado de Va y el nmero

digital del registro, que es el equivalente digital de Va es

asimismo el equivalente digital de Va, en los lmites de la

resolucin y exactitud del sistema.

Las diversas variaciones de este esquema de conversin D/A

difieren principalmente en la forma en que la seccin de control

modifica continuamente los nmeros contenidos en el registro. De lo

contrario, la idea bsica es la misma, con el registro que contiene la

salida digital requerida cuando se completa el proceso de conversin.

CONVERTIDOR A/D CON RAMPA DIGITAL

Una de las versiones ms simples del convertidor A/D de la

figura anterior hace uso de un contador binario como registro y

permite que el cronmetro incremente al un paso a la vez hasta que


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Va Va. A este se lo llama convertidor A/D con rampa digital ya

que la forma de onda en Va es una rampa que funciona paso por

paso (en realidad es escaln por escaln) como la que se muestra en

la figura siguiente.

Convertidor A/D con rampa digital

Va puede ser el resultado de un muestreo y retencin de las

seal analgica original.

ADQUISICIN DE DATOS CON UN ADC CON RAMPA DIGITAL

En la figura se muestra la forma en que una microcomputadora

se conecta a un ADC con rampa digital con el fin de adquirir datos.

La computadora genera las pulsaciones START que inician cada nueva

conversin A/D. La seal EOC (fin de conversin) del ADC se

alimenta a la computadora. La computadora examina esta seal EOC

para indagar cundo se completa la conversin de corriente A/D;

despus transfiere los datos digitales de la salida del ADC a su

memoria.


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Sistema de adquisicin de datos por computador comn.

Las formas de onda de la figura siguiente ilustran la forma enque la computadora adquiere una versin digital de la seal

analgica, Va. La onda de escalinata Va que se genera internamente

en el ADC se muestra superpuesta en la onda Va con fines

ilustrativos. El proceso comienza en t0 cuando la computadora

genera un pulso de START para dar inicio a un ciclo de conversin

A/D. El contador se ponen en cero, la conversin se completa al

tiempo t1 cuando la escalinata excede de Va, y EOC se pone en bajo

para indicar a la computadora que el ADC tiene una salida digital que

ahora representa el valor de Va en el punto a, y la computadora

cargar estos datos en su memoria. La computadora genera un

nuevo pulso de START poco tiempo despus de t1 para dar inicio a un

segundo ciclo de conversin.


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Formas de onda que muestran cmo la computadora inicia cadanuevo ciclo de conversin y luego carga los datos digitales en la

memoria al trmino de la conversin.

A parte del ADC con rampa digital, existen otras dos

variedades:

- ADC de aproximaciones sucesivas: es el ms usado, tiene

circuitos ms complejos que el ADC con rampa digital y su

tiempo de conversin es mucho ms corto que es fijo y no

depende del valor de la entrada analgica. En vez de utilizar un

contador como el ADC con rampa digital, utiliza un registro que

alimenta al DAC y que a su vez manejado por una lgica de

control.

- ADC de rfaga: es el ms rpido pero requiere de una

circuitera mucho ms compleja, por ejemplo, un ADC de rfaga

de 6bits requiere de 63 comparadores mientras que, otro de

10bits requiere 1023 comparadores, es decir, que para N bitsde salida se requieren (2N - 1) comparadores. Los


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comparadores son amplificadores operacionales cuyas entrada

inversora es comn a la seal analgica de entrada y las

entradas no inversoras estn dispuestas ordenadamente en un

divisor de tensin; sus salidas alimentan a un codificador cuyasalida es el equivalente digital de la entrada.

TARJETAS DE ADQUISICIN DE DATOS

Para realizar cualquier tipo de adquisicin de datos usando una

computadora personal (PC), es necesario de una tarjeta de

adquisicin de datos (TAD) que realice la conversin de la seal y un

programa que lea los valores de la seal en la PC. LabVIEW es un

software que permite hacer esta adquisicin utilizando funciones de

alto nivel de interface con el usuario, mientras que a nivel de

hardware la adquisicin ocurre al ms bajo nivel de la TAD. El

software intermedio que controla la comunicacin entre LabVIEW

(alto nivel) y el hardware (bajo nivel) es el software manejador

(driver). Sobre PCs el driver emplea libreras de enlace dinmico

(DLLs) para realizar esta comunicacin con LabVIEW.

La expresin de adquisicin de datosha sido empleada para

referirse a distintos tipos de tareas, tales como medicin de seales

analgicas, generacin de seales analgicas, adquisicin y

generacin de seales digitales y operaciones con contadores.

Medicin de seales analgicas se refiere a aplicaciones donde se

realiza mediciones de seales fsicas, tales como temperatura,

voltaje, presin etc., en trminos de voltajes o corrientes. Generacin

de seales es lo opuesto a medicin y tiene que ver con la generacin

de seales analgicas CA o CD. Si se estn generando o adquiriendo

seales de niveles TTL, se estara hablando de generacin y medicin

de seales digitales, las cuales se implementan frecuentemente en la


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comunicacin entre dispositivos digitales tales como escneres,

impresoras y computadoras. Aplicaciones con contadores involucran

medicin de frecuencia, medicin de la duracin de un pulso,

medicin de perodo, conteo de pulsos digitales.

Colocar una interface o una tarjeta de ampliacin en un

ordenador no suele ser tan sencillo como limitarse a instalar dichos

elementos en la ranura correspondiente, sobre todo si ya hay

instaladas varias tarjetas en el sistema.

Como sabemos, todas las tarjetas se comunican con el

ordenador a travs de una determinada direccin de comunicaciones

que define un canal de entrada salida.

Lo primero que hay que tener en cuenta es que no puede haber

dos tarjetas que tengan la misma direccin de comunicaciones

instaladas en el mismo ordenador, ya que en ese caso las direcciones

de ambas tarjetas colisionarn provocando que ni el ordenador ni los

elementos asociados a las tarjetas funcionen de forma correcta.

Todas las tarjetas suelen tener una serie de puentes o micro

interruptores que permiten modificar algunos parmetros de

funcionamiento de las mismas, entre los que se encuentran las

direcciones de acceso y las interrupciones que utiliza para

comunicarse con el sistema en el que se encuentra instalada.

Antes de instalar la tarjeta en el ordenador habr que

comprobar las direcciones utilizadas por las otras tarjetas ya

instaladas y seleccionar en la tarjeta a utilizar una direccin de las

que existan libres. Por este motivo es conveniente apuntar y guardar

en un lugar seguro la informacin relativa a la configuracin e

instalacin de las tarjetas, por si en alguna ocasin hay que hacer


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alguna modificacin o consulta. Con el fin de variar las

especificaciones adaptadas inicialmente.

La digitalizacin de seales es realizada por las tarjetas deadquisicin de datos. La digitalizacin de sonidos, por su parte, es un

proceso realizado por algunas tarjetas especializadas como pueden

ser las de sonido, las de correo vocal o incluso las que incluyen los

sistemas MIDI.

Normalmente, la digitalizacin de seales se realiza mediante

un convertidor analgico/digital que muestra la seal que se

introduce a travs de un censor o transductor.

Al digitalizar una seal de determinada frecuencia, la frecuencia

de muestreo deber elegirse de acuerdo con la frecuencia de la seal

a muestrear, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea la frecuencia

de muestreo, mejor ser la calidad de la seal digitalizada.


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SINTETIZADORES DE VOZ

Pueden hablar lo ordenadores? Y escuchar?. En lo referente a

los llamados sintetizadores de voz para ordenadores existe bastanteconfusin entre los distintos tipos y sus capacidades. Conviene no

llamarse a engao y tener claro cules son las posibilidades reales de

estos sistemas, las cuales se intentarn clarificar a continuacin.

Hacer hablar a un ordenador es bastante simple. Un programa

adecuado, un circuito de generacin de sonidos vocales y ya est listo

para repetir como un loro todo lo que se introduzca a travs del

teclado. En estos circuitos integrados se encuentran almacenados los

patrones sonoros de los distintos fonemas, es decir, los sonidos

correspondientes a los caracteres del alfabeto. Existen varios de estos

sistemas en el mercado, comercializados en forma de tarjeta que se

conecta en las ranuras de expansin del ordenador y que disponen de

un altavoz para la emisin de sonidos. Su utilidad queda restringida a

los programas educativos.

No debe esto confundirse esto con los dispositivos capaces de

grabar la voz y almacenarla en forma de informacin binaria en la

memoria del ordenador. En stos la voz (o cualquier otro tipo de

sonido) es digitalizada por el sistema de muestreo. Se toman valores

puntuales de la onda sonora, llegando a reproducir sta con bastante

calidad si se emplea un nmero elevado de divisiones. Cuanto ms

preciso sea el muestreo de los sonidos, mayor ser el parecido con el

sonido original, pero tambin ocupar ms espacio en memoria.

Avanzando un paso ms se encuentran los intrpretes de

comandos vocales. Estos sistemas son de nueva creacin y todava

no estn muy extendidos ni perfeccionados. En ellos la voz se recoge

a travs de un micrfono y tambin es muestreada para, una vez


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convertida en informacin binaria, comparar esta onda digitalizada

con los patrones sonoros de varias palabras que se encuentran

almacenadas en memoria. Si la onda digitalizada coincide en su

forma con alguna de stas, el ordenador reconoce la palabra que seha pronunciado y es capaz de ejecutar un comando asociado a esa

palabra.

TARJETAS DE SONIDO

Al principio, una de las asignaturas pendientes de los

ordenadores compatibles era el sonido. El pequeo altavoz que

incorpora y los pitidos de frecuencia y duracin variable que produce

no son suficientes para ciertas aplicaciones como pueden ser los

juegos o las presentaciones multimedia. Actualmente, en el mercado

han aparecido una serie de tarjetas que permiten producir sonidos y

digitalizarlos a un precio asequible. La principal caracterstica que hay

que tener en cuenta a la hora de comprar una de estas tarjetas es

que sea compatible con los programas existentes para lograr as

mejorar los efectos de sonido que dichos programas incluyen. Entre

las tarjetas ms difundidas destacan la Thunder Board, la AdLib y la

SoundBlaster.

Dado que las tarjetas de sonido estn orientadas

principalmente al mundo de los juegos de ordenador, suelen

incorporar un puerto para joystick. Adems suelen proporcionar hasta

11 voces de msica codificada en frecuencia modulada (igual que un

sintetizador musical) con lo que permiten realizar la digitalizacin de

sonidos a travs de una toma de micrfonos para despus

reproducirlos, filtrarlos, o incluso comprimir los archivos de sonido

generados para que ocupen poco espacio en el disco. Adems de todo

esto, cuentan con una simple conexin para dos altavoces externos


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conectada a un amplificador de dos o cuatro vatios y con la

posibilidad de conexin a un sistema MIDI. Normalmente estas

tarjetas vienen acompaadas de un software de demostracin que

suele consistir en un digitalizador, un programa que permite convertirel teclado de un ordenador en un rgano electrnico, programas de

edicin de sonidos, etc.

LAS DIRECCIONES DE LAS TARJETAS

Colocar un interface o una tarjeta de ampliacin en un

ordenador no suele ser tan sencillo como limitarse a instalar dichos

elementos en la ranura correspondiente, sobre todo si ya hay

instaladas varias tarjetas en el sistema.

Como sabemos, todas las tarjetas se comunican con el

ordenador a travs de una determinada direccin de comunicaciones

que define un canal de entrada salida.

Lo primero que hay que tener en cuenta es que no puede haber

dos tarjetas que tengan la misma direccin de comunicaciones

instaladas en el mismo ordenador, ya que en ese caso las direcciones

de ambas tarjetas colisionarn provocando que ni el ordenador ni los

elementos asociados a las tarjetas funcionen de forma correcta.

El primer consejo es leer de forma detenida el manual que

acompaa a la tarjeta y comprobar que la garanta del ordenador no

queda invalidada si el usuario lo abre para instalar dicho elemento.

Todas las tarjetas suelen tener una serie de puentes o micro

interruptores que permiten modificar algunos parmetros de

funcionamiento de las mismas, entre los que se encuentran las


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direcciones de acceso y las interrupciones que utiliza para

comunicarse con el sistema en el que se encuentra instalada.

Las tarjetas disponen de unos puentes o micro interruptores quepermiten modificar la direccin de la tarjeta a fin de adaptarlas a las

especificaciones propias del equipo

Antes de instalar la tarjeta en el ordenador habr que

comprobar las direcciones utilizadas por las otras tarjetas ya

instaladas y seleccionar en la tarjeta a utilizar una direccin de las

que existan libres. Por este motivo es conveniente apuntar y guardar

en un lugar seguro la informacin relativa a la configuracin e

instalacin de las tarjetas, por si en alguna ocasin hay que hacer

alguna modificacin o consulta. Con el fin de variar las

especificaciones adaptadas inicialmente.

En caso de duda lo mejor es informarse en el servicio tcnico de

la empresa que vendi la tarjeta y no realizar pruebas ya que se

pueden producir daos en el hardware.

DIGITALIZACION DE SONIDOS


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La digitalizacin de sonidos es un proceso realizado por algunas

tarjetas especializadas como pueden ser las de sonido, las de correo

vocal o incluso las que incluyen los sistemas MIDI.

Normalmente, la digitalizacin de sonido se realiza mediante un

convertidor analgico/digital que muestra la seal que se introduce a

travs de un micrfono.

La digitalizacin de la voz pormedio del muestreo posibilita elreconocimiento de palabras y lainterpretacin de estas por parte

del ordenador

El principal problema de los archivos de sonido es que, como la

frecuencia de muestreo es elevada, una grabacin suele generar un

archivo de grandes dimensiones. Para evitar este problema muchos

sistemas de digitalizacin disponen de sistemas de compresin de

informacin. La longitud del archivo depende de la frecuencia de

muestreo y de la duracin de la grabacin: cuanto mayor es la

frecuencia de muestreo, mayor ser el tamao del archivo. De esta

forma, mientras que una grabacin de 60 segundos muestreada a

8KHz ocupa aproximadamente 500kB, si aumentsemos la frecuencia

de muestreo a 22KHz. el volumen de memoria ocupado se

incrementara aproximadamente a los 1,4MB.


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Esto quiere decir que si se desea digitalizar un sonido de

determinada frecuencia, la frecuencia de muestreo deber elegirse de

acuerdo con la frecuencia del sonido a muestrear, teniendo en cuenta

que cuanto mayor sea la frecuencia, mejor ser la calidad del sonidodigitalizado.

Publicado en Junio de 2003 por

Jos Eduardo Nio

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