ESCUELA POLITECNICA DEL EJÉRCITOSEDE - LATACUNGA MATERIA: Control digital Tema Conversores a/d y d/a Carrera: Ing. Mecatrónica Nivel: 7º “B” FECHA: 13-05-2015 alumnos: Guamushig José Luis Jerez miguel Navas Joel Pazmiño esteban FUNCIONAMIENTO En principio se pone el contador a cero. el comparador ofrece salida de nivel alto y continúa la cuenta ascendente. que determina la aproximación digital de la tensión analógica de entrada. Es decir. contando o descontando.CAD DE ARRASTRE O SERVO CONVERTIDOR También llamados de tipo “tracking”. Cuando la salida del CDA supera a la entrada. en torno al valor correcto. Ahora la salida del comparador será otra vez un nivel alto. de ahí la analogía con el funcionamiento de un servosistema. 1 Servo convertidor o CAD de arrastre. una vez la salida del CDA haya alcanzado a la entrada. la cuenta disminuye en una unidad. La cuenta digital se va convirtiendo en analógica en el CDA y es comparada con la entrada. Fig. la cuenta aumenta una unidad. la salida del CDA supera a la entrada y. Es decir. la salida del comparador pasa a nivel bajo. Fig. Mientras el resultado de la conversión D/A sea menor que la entrada. el circuito entra en un ciclo de indecisión digital. En ella se aprecia el contador ascendente-descendente. 2 Formas de onda del conversor de arrastre . así sucesivamente. oscilando la cuenta en ±1. estos circuitos integrados presentan también una configuración con realimentación. El contador se incrementa según le llegan impulsos de reloj. cualquier pequeño cambio que se produzca en ésta es seguido con rapidez por el circuito. 3 Conversor A/D con contadores Fig. Slew Rate) viene limitada por el periodo del reloj (Tclk) y responde a la siguiente expresión: Características Necesidad de un contador reversible No hay necesidad de señal de borrado para conversión continua Tiempo de conversión pequeño para pequeños cambios de la tensión de entrada CONVERSOR A/D CON CONTADORES Usa el circuito más sencillo de los conversores A/D y consta de: Fig. Sin embargo. 4 Forma de onda del conversor A/D con contadores . por ello suele emplearse como CAD de “arrastre”. existe un compromiso entre resolución y rapidez. La máxima velocidad de la señal de entrada que puede seguir el circuito (SR. el circuito es rápido. Es decir.El tiempo de conversión aumenta proporcionalmente al número de cuentas. para pequeñas variaciones en la entrada. Dicho tiempo de conversión viene dado por la expresión: . precisos para alcanzar el valor Vi en el conversor D/A depende del valor de Vi. en la que se aprecia que el número de impulsos de reloj (tiempo). Tiempo de conversión variable. El segundo inconveniente puede comprenderse fácilmente con la ayuda de la siguiente figura. El contador cuenta los impulsos procedentes del reloj Al alcanzar la señal digital convertida a analogica el valor de la señal de entrada el comprarador oscila y se detiene el contador.FUNCIONAMIENTO El circuito de captura y mantenimiento(S/ H) muestrea la señal analogica El valor del contador pasa a los buffers y se convierte en una señal digital. Se compara la señal de entrada y la señal digital convertida en analogica El resultado se transforma en una señal analogica a traves de una D/A proporcional al numero de impulsos La señal analogica ingresa al comparardor Este convertidor tiene dos inconvenientes: Escasa velocidad. Características: La velocidad de procesamiento llega en algunos casos hasta 5 ns. donde n es el número de bits. Fuentes de error Capacidad de carga a la entrada Debido a la gran cantidad de comparadores conectados al voltaje de entrada se genera un capacitor parásito que mientras más grande sea limitará la velocidad de nuestro conversor. satélites. Esta señal se conecta a un encoder el cual la muestrea y la proyecta como una señal binaria. cuando esta última sobrepasa la tensión de referencia de un determinado comparador se genera un nivel alto. osciloscopios de muestreo. . 5 Conversor Análogo Digital Paralelo FUNCIONAMIENTO Se compara la señal de tensión de referencia que se obtiene mediante un divisor de tensión con una tensión de entrada lógica. pero por la gran cantidad de elementos la resolución se ve limitada a unos 8 bits. Estos tipos de conversores son muy utilizados en radares.CONVERSOR ANÁLOGO DIGITAL PARALELO (FLASH) Es la arquitectura que convierte señales analógicas a mayor velocidad y son muy adecuados para aplicaciones que requieren un gran ancho de banda. por lo cual son muy requeridos cuando se necesita altísimas velocidades y su coste y consumo energético no son relevantes. Mientras más bits se requieran comienza a perder precisión ya que necesita 2𝑛 − 1 comparadores. etc. Fig. El tiempo de conversión se mantiene constante al aumentar la resolución. .Una manera de eliminar o reducir este capacitor se lo puede realizar mediante el uso de una arquitectura de interpolación. con lo cual los circuitos internos trabajan a alta velocidad. Fig. 7. Ruido de sustrato y ruido de alimentación Para un Vref =2V y un convertidor de 8 bits. 6 Convertidor de aproximaciones sucesivas FUNCIONAMIENTO Utiliza un algoritmo de búsqueda binaria. También se puede hacer un rutado de los cables en el chip Errores de tensión en la escalera de resistencias Debido a las tolerancias y propiedades de cada resistencia puede existir mayor caída de tensión en una u otra resistencia por lo cual como medida preventiva se verifica que la corriente en la escalera sea mucho mayor que la corriente de los comparadores. CONVERTIDORES DE APROXIMACIONES SUCESIVAS Es la arquitectura comúnmente utilizada para aplicaciones de media y alta resolución. El ruido de alimentación se puede acoplar rápidamente por la circuitería o el substrato dando lugar a errores. Una medida para reducir este problema es mediante la incorporación de relojes diferenciales. Realiza comparaciones tanto de manera ascendente como descendente hasta llegar a un voltaje que entrega el convertidor digital análogo casi de manera estable.8mV de ruido son capaces de producir un error de 1 bit menos significante. que va incrementándose con el tiempo. CONVERSORES A/D POR INTEGRACIÓN Conversor de rampa simple. la pendiente de la rampa varía al modificar los valores de resistencia y capacitancia de dicho circuito. Fig. 8 Circuito generador de rampa . Entre las aplicaciones se puede mencionar la adquisición de datos.Fig. Tienen un bajo consumo de potencia. 7 Formas de onda del convertidor de aproximaciones sucesivas Características: El tiempo de conversión aumenta linealmente con la resolución. control industrial. etc. instrumentos portátiles. Tiene un buen comportamiento frente al ruido. Cuando la rampa.El principio de funcionamiento de este conversor se basa en la comparación de la señal analógica de entrada con un circuito integrador que genera una rampa de pendiente constante. la integración cesa. alcanza a la señal analógica de referencia. El circuito encargado de generar la rampa es el que se muestra en la figura 1. Por cada bit que se tenga de resolución los componentes utilizados se duplican. y en consecuencia. El ciclo empieza con el contador en estado de CLEAR y con la salida del generador de rampa en 0V. Un inconveniente del convertidor A/D de rampa simple es su dependencia de la linealidad de la rampa. de la tolerancia de los componentes que integran el circuito generador de rampa (condensador y resistencia). Este valor se almacena en un retenedor y. debido a estas características han sido utilizados extensivamente en aplicaciones de instrumentación de medida y sistemas de adquisición de baja velocidad. el mismo que se muestra en la figura 8.Para la mejor comprensión del funcionamiento del conversor ADC de rampa simple. rampa en escalera aproximaciones sucesivas). el comparador entrega una salida lógica baja. pero a costo de una baja velocidad de conversión. quedándose así con su cuenta retenida. la señal de la rampa se incrementa y eventualmente llega a igualar a la señal analógica. es necesario analizar su esquema de componentes y conexiones. al reiniciarse la generación rampa. no requiere un conversor D/A . la salida del comparador proporciona un nivel lógico alto. la combinación mostrada en la salida del contador corresponde a la tensión analógica de entrada convertida a un valor digital. el proceso se vuelve a repetir nuevamente. a diferencia de los anteriores conversores (seguidor. Otra ventaja de este método es que. 9 Diagrama del conversor de rampa simple Este tipo de conversión analógica a digital es aplicable cuando se desee realizar una conversión de alta resolución y alto rechazo al ruido. lo que causa que la integración se resetee y que el reloj deje de recibir pulsos. acción que habilita la señal del reloj para el contador y a la vez arranca el generador de rampa. . Cuando esto sucede. Fig. Al ser la entrada analógica mayor que la tensión de referencia. A medida que pasa en tiempo. 10-100 KHz y 100KHz1MHz. Otra configuración en la que se puede encontrar un conversor tensión-frecuencia utiliza un oscilador lineal controlado por voltaje. 10 Conversor tensión frecuencia En la figura se muestra la representación de entrada en forma triangular y a su salida una señal cuadrada en donde los tiempos de subida y bajada son distintos con lo cual nos a un valor proporcional de entre la tensión y su frecuencia. . Un conversor tensión. este método de conversión análoga-digital es eficiente cuando se requiera un conversor de alta resolución.frecuencia de baja frecuencia y linealidad puede ser representado por un integrador y un comparador pero en su forma simple. Los pulsos son contados mediante un contador en un intervalo de tiempo.FRECUENCIA En este conversor el voltaje continuo que ingresa en la entrada es convertido en un conjunto de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la magnitud de voltaje de alimentación. El voltaje de rampa se aplica a un generador monoestable el cual genera un pulso de amplitud definido por el voltaje de entrada rampa.Como conclusión. Al ingresar un voltaje en el operacional con configuración de integrador se genera un voltaje de salida de rampa proporcional al voltaje aplicado a este. Existen conversores de alta linealidad y precisión para diversos intervalos de frecuencia como se muestra a continuación: de 1-10 KHz. denominado también VCO FUNCIONAMIENTO. Fig. CONVERSOR ANALOGO DIGITAL POR TENSION . siendo mostrada al final una representación digital de voltaje. bajo consumo y buena relación señalruido. el cual es realimentado. 12 Conversor tensión frecuencia con buena linealidad. Fig. Hay tres fuentes de error en una conversión A/D: Ruido. Este se debido a la resolución del convertidor y no puede ser menor de ½ LSB. La frecuencia de un tiempo de medición generado por un generador de impulsos puede ser demasiado elevad0.Fig. 11 Formas de onda de un conversor tensión frecuencia Mediante la utilización de zener nos permite una mayor precisión en la tensión de disparo con una buena linealidad y cuya precisión esta expresada en en la relación del RC presente en el integrador.½ LSB. Esto significa que debemos escoger la resolución del convertidor apropiadamente o reducir el ruido de la señal . ERRORES EN LOS CONVERTIDORES A/D El error fundamental en una conversión es llamado error de cuantización. Por eso se reduce la frecuencia en un divisor de frecuencia para poder regular la duración de los impulsos tao. lo deseable es que el valor de pico a pico del ruido sea menor que +. Traslapamiento (Aliasing) y tiempo de apertura El RUIDO: todas las señales tienen ruido. Dependen de amplitud relativa de la señal a frecuencias abajo y arriba de la frecuencia de Nyquist.Fig. El diseño del sistema debe incluir un filtro paso bajo para atenuar las frecuencias de la señal arriba de la frecuencia de Nyquist. creando de ese modo una salida analógica. CONVERSORES DIGITALES/ANALÓGICOS DE RESISTENCIAS PONDERADAS Es el más simple de los convertidores D/A. menor que un bit menos significativo. • Un buen diseño deberá tener un incertidumbre. esto es una palabra digital a una tensión o corriente continua. • El tiempo de apertura necesario para reducir el error a +. ∆V. Error de tiempo de apertutra: un error significativo en un sistema digitizador es debido a la variación de la señal durante el tiempo de apertura.½ LSB es: Fig. . 14 Tiempo de apertura CONVERSORES D/A Se llaman así a los sistemas que convierten señales digitales a señales analógicas. Donde la corriente se añade en un punto en común. 13 Ruido Traslapamiento (Aliasing): los errores debidos al “traslapamiento” son difíciles de cuantificar. Construido a partir de un circuito básico de resistencias en paralelo. a través de una resistencia de carga. la ganancia del amplificador operacional (A= -R2/R1) será de –3/2. En este conversor cada llave conectada contribuye con una corriente entregada al amplificador operacional. El momento del despliegue de los datos el bit menos significativo esta representado por la resistencia de mayor valor. Se necesita de un voltaje de referencia estable. CONVERSOR D/A TIPO ESCALERA R-2R Se diseñó el conversor D/A tipo escalera que involucra resistencias de igual orden de magnitud para cada dígito. tales contribuciones que poseen pesos ponderados de acuerdo con sus posiciones en el código binario. derecha y para las direcciones de las llaves. Es necesario la utilizacion de conmutadores. Considerando el nodo N-1 y suponiendo que el MSB está conectado. mirando tanto a derecha como a izquierda o abajo.Fig. Dado que la resistencia equivalente del circuito es siempre 2R. . La franja de tolerancia baja es el factor más importante del circuito siendo que el valor absoluto de las resistencias no es relevante. el siguiente por una de la mitad del valor de la primera y asi sucesivamente. Por lo tanto la corriente se divide por igual para izquierda. la resistencia es de 2R. uno por cada bit. la tensión en el nodo será –Vref/3. En cualquier nodo de la escalera. De esta manera la tensión entregada por el amplificador operacional será. 15 Conversores Digitales/Analógicos de Resistencias Ponderadas Los valores de la resistencia se incrementan en un factor de 2 para cada bit. DINAMICOS: Tiempo de establecimiento: Tiempo de respuesta a un cambio en la entrada (1100μs). Caracterización Cubanización . Salida: Incremento de la tensión en la salida motivado por dos códigos sucesivos a la entrada ESTÁTICOS: Offset: Se puede cancelar Ganancia: Se puede cancelar Linealidad: Limita las prestaciones. Va = Vref/4. Va = Vref/8 y así siguiendo.Estáticos .Dinámicos: RESOLUCIÓN: Entrada: Numero de bits de la palabra digital de entrada. para el tercer MSB. Fig. . 16 Conversor D/A usando circuito escalera R-2R La resistencia equivalente en cada nodo es 2R hacia cada lado. Va = Vref/8 y así siguiendo.𝑉𝑎 = (− 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑟𝑒𝑓 3 ) (− ) = ( ) 3 2 2 Similarmente si el segundo MSB está conectado. Va = Vref/4. para el tercer MSB. Luego la corriente se divide en dos partes iguales y con ello la información que porta. Así 𝑉𝑎 = (− 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑟𝑒𝑓 3 ) (− ) = ( ) 3 2 2 Similarmente si el segundo MSB está conectado. us.pdf Graña. simulación y enseñanza.html .upiicsa.com/2014/02/24_adc.sites.unicen.dea.uned.exa.munguia/aula_virtual/Cursos/Instrumentac ion%20II/Documentos/AD%20y%20DA. http://www.es/~armas/asignaturas/sel/contenido/adconv.fceia.uclm. Ogata. Peter Bastian.es/proyectos/abreproy/11237/fichero/PROYECTO+FIN+DE+CA RRERA%252FCAPITULO02.php http://www. 2008.es/romano/sp/sisper_adc.pdf http://www.electronicafacil. 1996.upcomillas.pdf http://bibing. Diss.mx/polilibros/portal/Polilibros/P_proceso/POLILIB RO_ADQUISICION_DE_DATOS/POLILIBRO/UMD/umd%206/informacion/6.wordpress. Editorial McGraw-Hill.BILBIOGRAFIA: http://www.ar/catedras/edigital/teorias/c11_conversores_adda.pdf http://e-spacio. Estructuras avanzadas de convertidores analógico-digital: Metodologías de diseño.htm http://www.unizar. Arthur B. 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