INTERFASES CON EL MUNDO ANALÓGICO

Digital vs analógico Representado por dos valores (H o L, 1 o 0, V o F). Los valores lógicos están representados por un rango de tensiones (H=2V a 5V, L=0V a 0.8V). No es significativo el valor específico de tensión, siempre y cuando se encuentre en el rango correcto. Digital Analógico Valores continuos que representan una cantidad física. El valor específico puede ser significativo.

La figura muestra el diagrama de un sistema de control digital, en el cual se sensa alguna magnitud física (1) (Ej. Temperatura, Presión, RPMs) se adecua los niveles de tensión con un transductor, se digitaliza (2) y los datos son procesados por una computadora (3). Luego el programa de control envía la orden de corrección que es convertida en una señal analógica (4) que ajusta alguna magnitud física (5) que controla y mantiene a todo el sistema dentro los parámetros de funcionamiento normal.

INTERFASES CON EL MUNDO ANALÓGICO Conversor Digital Analógico DAC (Digital to Analog Converter)

Ejemplo: DAC de 4 bits. El dispositivo del ejemplo convierte una palabra digital de cuatro bits en una tensión equivalente a la salida, usando una tensión de referencia. La tensión de referencia determina el valor de salida para la mayor palabra de entrada (salida a plena escala).

- Si conectamos la salida de un contador a las entradas de un DAC se puede obtener la rampa de la figura. - Se representa la función de transferencia del DAC (salida en función de entrada). - Se puede apreciar la cuantización de la curva  Resolución. - Existen 2 n valores diferentes y 2 n -1 escalones.

Resolución de un DAC Vsal= K x entrada digital – K puede tener unidades [V] o [A] En el ej. Anterior: K = 1V – Resolución: mínimo cambio posible en la salida. – Resolución porcentual

Tiempo de establecimiento Tensión de salida Tensión FS +1/2 V LSB Tiempo establecimiento t -1/2 V LSB Tiempo necesario para que la salida se establezca dentro de +/- ½ LSB, cuando la entrada cambia del código todos ceros a todos unos.

Implementación de un DAC mediante un amplificador operacional A modo de repaso: Usando la configuración inversora se obtiene Que la relación entre la salida y la entrada esta dada por la ecuación mostrada

Implementación de un DAC mediante un amplificador operacional Utilizando el principio de superposición, se puede llegar a esta configuración llamada amplificador sumador inversor. La salida esta dada por esta nueva ecuación. La relación entre las resistencias indica la ganancia de cada entrada

Implementación de un DAC mediante un amplificador operacional

Para que funcione correctamente, las entradas deben ser exactamente 0V ó 5V Las resistencias deben estar pesadas binariamente. El valor de las resistencias debe ser exacto. (mínima tolerancia al error) La tensión de referencia debe ser estable

Implementación de un DAC mediante un amplificador operacional (Mejorado)

Implementación de un DAC mediante un amplificador operacional (Mejorado, usando resistores idénticos)

INTERFASES CON EL MUNDO ANALÓGICO Conversor Analógico Digital

Conversión Analógica Digital El conversor AD es un dispositivo que permite que un sistema digital pueda “leer” señales del mundo real (Temperatura, presión, tensión eléctrica, etc.), convirtiéndolas en una palabra digital que puede ser almacenada, analizada y procesada.

Conversión Analógica Digital El conversor AD (ADC) es un dispositivo que permite que un sistema digital pueda “leer” señales del mundo real (Temperatura, presión, tensión eléctrica, etc.), convirtiéndolas en una palabra digital que puede ser almacenada, analizada y procesada. Definiciones:  Resolución: Define los niveles de cuantización  Tiempo de conversión. Tc  Frecuencia de Muestreo  Precisión  Tipo de respuesta (Lineal o alineal)  Error de cuantización  Error de Offset  Efecto de apertura

ADCs que utilizan DACs Conversor de Rampa Digital Conversor de Doble Rampa Conversor de Aproximaciones Sucesivas

-El diagrama muestra un esquema típico de un ADC. -Este circuito se basa en un DAC, comparador analógico y unidad de control. -El comparador y el DAC permiten determinar si la palabra almacenada en el registro es mayor o menor que la señal a convertir. -Las distintas estrategias difieren en cómo se genera la palabra digital.

ADC de rampa digital: Una señal da comienzo a la conversión, el reloj conectado al contador y al DAC genera una rampa escalonada cuya tensión V AX es comparada con la tensión a convertir. Cuando la rampa supera a la entrada V A el comparador hace detener la conversión. El valor del contador es justamente el equivalente binario de la señal a convertir.

El Conversor Analógico Digital Doble Rampa El conversor Analógico de Rampa Simple (Como el mostrado anteriormente) es muy lento. Una reforma al diseño es hacer que el contador sea ascendente /descendente. Este no necesita volver a cero para comenzar una nueva conversión y reduce el tiempo que se desperdicia en este proceso. Realiza un mejor seguimiento de la señal a convertir.

El conversor de aproximaciones sucesivas (SAC) El Conversor de Aprox. Sucesivas (SAC) utiliza un método de partición binario para llegar lo más rápido a equiparar la señal de entrada. Mediante una lógica control mas compleja que el de rampa obtiene el resultado en tiempos fijos de conversión, independientemente del valor de la señal de entrada.

ADCs que no utilizan DACs Conversor Instantáneo (Flash) Integración por Doble Pendiente Transformación Tensión a Frecuencia Modulación Sigma-Delta

El Conversor Analógico Digital Instantáneo Este circuito es el de tiempo de conversión más rápido posible, pero requiera una gran cantidad de componentes y circuitos. En la figura se muestra un conversor de 3 bits, que requiere tantos comparadores como combinaciones binarias disponibles.(Ej, 7 comparadores). Un conversor de 8 bits requiere 255 comparadores. No requiere señal para comenzar a convertir y puede hacerlo de manera continua. Los tiempos de conversión son menores a los 20 ns.

El Conversor Analógico Digital por Integración por Doble Rampa a). Primera Fase: Determinar la rampa para Vi en tiempo fijo t1 b) Segunda Fase: Ver el tiempo para pasar del valor anterior a cero, teniendo una Vref conocida. c) S = K.t2 Ej: ICL7109 Vx = -(Vi / RC).t1 Luego la unidad de control resetea al contador Y calcula t2: Vx = (Vref / RC).t2. La conversión termina cuando Vx = 0

El Conversor Analógico Digital por Transformación de Tensión a Frecuencia La tensión de entrada se convierte a un conjunto de pulsos cuya velocidad de repetición (o frecuencia) es proporcional a la magnitud de entrada. Los pulsos se cuentan mediante un contador digital, similar al contador que mide los tiempos de rampa. La cuenta es proporcional a la magnitud de la tensión de entrada. Conversor tensión a Frecuencia (VCO) Contador de Pulsos Palabra Digital Vi

Conversor Analógico Digital Sigma-Delta Un conversor Sigma-Delta posee un integrador en el que la señal de entrada se suma o resta de una señal de referencia. Esto se hace muy rápido y se obtiene una secuencia de 0 y 1s según el número de transiciones realizadas para alcanzar la señal de entrada Un filtro reduce la velocidad de muestreo a valores prácticos y a su vez aumenta la resolución

ADQUISICIÓN DE DATOS. La computadora envía la señal de inicio de conversión y cuando el ADC obtiene el resultado, avisa a la computadora para que lea el valor y lo cargue en la memoria. A diferencia de los DAC, el proceso de conversión en los ADC insume cierto tiempo. En el ejemplo mostrado el peor caso ocurre cuando la señal a medir sea de un valor grande, la cual hace que la rampa tarde mas tiempo en llegar a la misma.

Reconstrucción de una señal previamente digitalizada D/A output

El problema del sub-muestreo (Aliasing) Si la frecuencia de muestreo es menor a 2 veces la frecuencia máxima de la señal de entrada, aparece este fenómeno denominado Aliasing. Esto produce que el sistema de adquisición “vea” una señal de 100Hz en donde realmente había una de 1.9Khz.