ConverJidores AJD 269

6.3 CONVERTIDORES AJO

La variedad de circuitos em pleados para la conversión A/D es mayor que en convertidores DIA. En la tabla 6.3 se presenta una clasificación de Ia que seguidamente se describen algunos de los tipos más frecuentes.

Tabla 6.3 Clasificación de los convertidores A/D. (Adaptada de [3),pág. 101).

Tipo Ejemplo

Convertidores ND directos

1.1 Sin realimentación1.2 Con realimentación

1.2.1 Bit a bit1.2.2 No bit a bit

Paralelos («flash»)

Aproximaciones sucesivasCAD tipo servo (tracking)

2 Convertidores AJO indirectos

2.1 Sin realimentación2.1.1 Por intervalo de tiempo

2.1.2 Por frecuencia

Rampa simpleDoble rampa, triple rampaConvertidor V/F

2.2 Con realimentación

6.3.1 Convertidores AJO paralelos

Los denominados convertidores «flash» son un tipo de CAD paralelo que con sisten, para n bits, en un divisor de tensión con zn-l tomas intermedias; cada toma se conecta a un comparador analógico de aJta velocidad, cuya otra ent rada va co nectada a la tensión a convertir; las salidas de los comparadores se retienen en un sistema de cerrojos, de donde se llevan a un codificador de prioridad «flash»), fi gura 6.5a. Cuando se aplica una tensión a la entrada, todos los comparadores cuya tensión de referencia es menor que la entrada dan un «1» a su salida, mientras que aq uellos cuya tensión de referencia es mayor dan un «Ü». El codificador da enton ces la palabra digital correspondiente.

Este método de conversión es el más rápido disponible comercialmente. Su principal inconveniente es que necesita 2"-1 comparadores, por lo que sólo puede concebirse como CI LSI, no a base de componentes discretos. También hay que considerar la gran capacidad gue presentan a la seii.al de entrada todos los campa radares en paralelo; ello obliga a atacar al convertidor con un amplificador de gran ancho de banda. Además, dado que dichas capacidades varían si lo hace la amplitud de Ia entrada, es aconsejable preceder el CAD de un amplificador S&H.

Los modelos disponibles tienen una resolución de 6 a 11 bits, con frecuencias de muestreo de hasta 500 X 106 muestras/s. Una forma de aumentar la velocidad,

270 Conversión analógica/digital y digital/analógica

---------------------

RotojEnlfQdo

onalo----,

06

os04

03REFM

02

OI

OOILSBl

REF8

l o!

AIN-AlN

CLK-CLK ------,.. _1)

1-----<>DcLK1----<> ·OcLK

REF•o-------.--f M)-, REF-o---- +-

Entradoono lógico

MODO/ROYo --- -

RO ---------------------L ::J

Figura 6.5 (a) Diagrama de bloques del convertidor paralelo TLC5502 (Texas lnstruments Inc.). (b) Aumento de la velocidad mediante dos CAD controlados por relojes de distinta fase (TKA010C,Tektronix). (c) Aumento de la resolución, a costa de menor velocidad, mediante un sistema de dos etapas (Texas lnstruments Inc.).

manteniendo la resolución, es mediante dos CAD en paralelo controlados por seiiales de reloj en contrafase (figura 6.5b).

Si se desea aumentar la resolución, a costa de perder velocidad, se puede emp!ear un sistema multietapa, o con subdivisión de escala (subranging), tal como se indica en la figura 6.5c. Consiste en emplear dos codificadores paralelo rápidos, de

Convenidores AID 271

4 bits en este ejemplo; ai primero se aplica directamente la entrada, y da los bits de salida de mayor peso; ai segundo se le aplica la diferencia entre la entrada, re tardada un cierto tiempo, y la salida de un CDA que obtiene el equivalente analó gico de los (4) bits de mayor peso. Las salidas de ambos codificadores se combi nao para dar la salida total. de 8 bits en este caso. Con este método se obtienenhasta 40 x 106 conversiones/s con 16 bits.

6.3.2 Convertidores de aproximaciones sucesivas

El algoritmo de aproximaciones sucesivas ofrece un buen compromiso entre velocidad y complejidad, y es el más frecuente cuando no se trata de obtener una exactitud muy elevada. Hay muchos modelos de 8, 10, 12, 14 y 16 bits, con tiempos de conversión entre 1 y 100 .us.En la figura 6.6a se muestran los elementos básicos de un convertidor de este tipo; para facilitar la interfaz con uo J.lP, las líneas de sa lida se conectao a sepa radores de tres estados.Se puede montar con componentes discretos, pero su coste supera el de muchos de los CI disponibles.

El método consiste en ir comparando la tensión de entrada con una tensión analógica generada internamente con un CDA, cuya entrada digital se incrementa o decrementa según que el resultado de la comparación indique, respectivamente,que la tensión de entrada es inferior o superior a la tensión generada interna mente. En la figura 6.6b se muestra cómo se van asignando los bits de salida en función del resultado de la comparación. AI empezar la conversión se aplica ai CDA una entrada 10 ... 00, y luego se van probando los bits de menor peso. Los errares del CDA pueden llevar a no linealidades.

El tiempo de conversión aumenta ai hacerlo la resolución deseada, pero es independiente de la amplitud de la entrada. E! límite actual es de unas 10 6 conver siones/s para 12 bits. Dado que el resultado de una comparación no se fija en el re gistro de salida hasta que !lega el ciclo de reloj siguiente a aquel en el que se ha efectuado la comparación, si la frecuencia de reloj es f" el tiempo de conversión para n bits es

onotógico

Sol!dodig.tol

EntradaFE

bits de solido 1 I O I 1 I O I I I

(o) I bl

Figura 6.6 (a) Esquema simplificado de un CAD basado en el algoritmo de aproximaciones sucesivas. (b) Asignación de valor a los bits de salida en comparaciones sucesivas.

272 Conversión analógica/digital y digital/analógica

n+llc =---

fr(6.7)

Un inconveniente de este método es su no linealidad si la entrada varía du rante el tiempo de conversión. Esta variación puede ser inherente a la seíi.al, o puede ser debida a ruído superpuesto. Para evitar que Ia entrada cambie durante la conversión, se precede ai CAD con w1 amplificador S&H; esto no evita, sin em bargo, que la muestra tomada pueda venir influída por el posible ruído a la en trada. En cualquier caso son, pues, convertidores muy susceptibles ai ruido.

6.3.3 Convertidores tipo servo

En la figura 6.7a se muestran los elementos básicos de un CAD basado tam bién en la comparación de la entrada con una tensión analógica generada con un CDA, pero en este caso la palabra digital es la salida de un contador bidireccional. AI iniciar la conversión, e!contador se pone a cero, y su salida se va incremen tando hasta que rebasa el valor de la entrada (figura 6.7b), situación que es detec tada por el comparador. Una vez la salida ha «alcanzado» a Ia entrada, cualquier posible cambio pequeno en ésta es seguido rápidamente, contando o descontando, y de ahí la analogía con un servosistema. Dado que el convertidor sigue a la en trada, no hace falta precederle de un S&H. El tiempo de conversión aumenta con la resolución, pues cuanto mayor sea ésta mayor es el número de cuentas a obte ner (para una entrada igual ai fondo de escala).

La máxima velocidad (SR, Slew Rate) de la sei'íal de entrada que el sistema realimentado puede segui r, está limitada por la frecuencia de reloj f,pues la sa lida dei CDA sólo se incrementao decrementa 1 LSB a cada ciclo de relo.i. Si la tensión de fondo de escala es V FE• tendremos

(6.8)

Entrado

Reslncodloo - -- ---- ---- --

Reloj

de.

v-- ------

t oonvorsi6n tcooiiOfSiónporo V móxímo

(oi (b l

Figura 6.7 Convertidor A/0 tipo servo (tracking). (a) Esquema de bloques básico. (b) Evoiución temporal de la salida en función de la tensión de entrada.

Convercidores AIO 273

6.3.4 Convertidores sigma-delta

Conocidos también como convertidores delta-sigma, convertidores de 1 bit y convertidores con sobremuestreo (oversampling converters), se están convír tiendo en los favoritos para aplicaciones de alta resolución a frecuencias bajas y medias. Constan (figura 6.8) de un modulador analógico y de un circuito de fil trado digital y diezmado [4}. El modulador analógico convierte la seiial de entrada en una salida de dos niveles (1 bit) y alta velocidad (de aquí e! «sobremuestreo»), y consta de uno o varias integradores, un comparador cuya salida se almacena en un cerrojo, y un CDA de 1 bit (o más en algunos modelos). E!circuito sustrae (de ahí la «delta») la salida del COA de la entrada anaJógica e integra (de ahí la«sigma») el resultado. La salida del integrador se compara con cera a alta velocidad, de modo que se tiene una secuencia de unos y ceros a alta velocidad. El CDA en ellazo de realimentación intenta mantener la salida dei integrador próxima a cero; puede ser una simple fuente de corriente. El filtro digital elimina el ruido de alta frecuencia introducido por el modulador analógico. El diezmador o[Tece las muestras de salida a una velocidad menor de la disponible a la salida dei compara dor, pero con mayor resolución.

Roloj

n b1ts

!==Solida digital

Figura 6.8 Estructura básica de un CAD sigma-delta.

Si la entrada es, por ejemplo, posit i va, la salida del integrador será tambíén po sitiva y el comparador generará una serie de «l» que el CDA convierte en una se fiai que se resta a la ent rada hasta el momento en q ue el integrador da una salida nula; entonces el comparador da una serie de «Ü» a su sal ida. Cuan to mayor (más positiva) sea la entrada, más larga será la serie de «1» comparada con la de ((0». Cua nto menor sea la entrada (más negativa), más larga será la serie de «Ü» respecto a la de «l». Si la entrada es nula, aa salida dei comparador se producen tantos «1» como «Ü>>.

Una ventaja de este método es que es inherentemente lineal, porque se em plea sólo 1 bit en Ja cuantificación. Además, no hace falta S&H previa, ní ningún componente externo, y el filtro antiaJiasing puede ser muy simple por lo alta que es la fTecuencia de muestreo con respecto a la frecuencia de la seõal de entrada. Su principal inconveniente es que su tiempo de conversión va de decenas a cen tenas de milisegundos. Se utilizao en aplicaciones de baja frecuencia (10 Hz a100kHz), en particular audio y voz.con resoluciones de 16 a 21 bits.

de la sefial de entrada. En esta fase se cortoci rcu ita la en trada a masa y se integrao

l 17 v,

274 Conversión rmalógiccúdigital y digila/lanalógica

6.3.5 Convertidores de rampa: simple, doble, triple

Un método de conversión total mente distinto a los anteriores consiste en con vertir primero la tensión de entrada en otra magnitud, y después convertir esta magnitud en una salida digital. En los denominados convertidores de rampa, Ia magnitud i ntermed ia es el intervalo de tiempo de carga o descarga de un conden sador.

En el caso de rampa simple, se integra la tensión de referencia hasta que la saIida del integrador iguala a la tensión de entrada. El tiempo que se t arda en llegar a esta situación depende de la magnitud de la tensión de entrada, y se mide con un reloj y un cont ador internos. La precisión depende de la frecuencia del reloj, de la estabilidad de la t ensión de referencia y de la capacidad dei condensador de in te gración. Este proceso de integración hacia innecesario un amplificador S&H antes delCAD.

En los convertidores de doble ra mpa (figura 6.9a), se integra la senal de entrada vs, consta nt e, en un condensador durante un tiempo prefijado T, y luego se descarga el condensador hasta cero. empleando una corrienle conocida determi nada por la tensión de referencia, V,. En la fase de integración, la tensión en el condensador alcanza un valor

Vc=- - v, dt = --T

r o r

(6.9a)

donde r = RC es la constante de tiempo del integrador. La descarga hasta O V, em picando Ia teosión de referencia- V,para est ablecer la comente de descarga, dura un tiempo l tal que

(6.9b)

De estas ccuaciones se obtiene

v,t = T -

V,(6.10)

Resulta, pues, que el tiempo que dura la descarga es proporcional a la ampli tud de la en trada (figura 6.9b). Dado que el reloj con que se midcn los tiempos y el condensador de iotegración son los mismos en la fase de carga y en la de des carga, su exactitud no influye en Ja precisión de la cooversión, siempre y cuando permaoczcan esta bles dura nte el tiempo de conversión. La exactitud dei converti dor depende sólo de la tensión de referencia y de los errores de cero i nternos. Este método de conv'ersión es inherentemente lineal.

La repercusión de los errares de cero (int egrador, compa rador), se reduce io

troduciendo u na fase de a utocero ai inicio de la conversión, previa a la int egración

de la sefial de entrada. En esta fase se cortoci rcu ita la en trada a masa y se integrao

Convertidores AJO 275

c -vc

.__...J-.. Salidot- - ---v'

digi!ol

(o) (b l

Figura 6.9 Convertidor A/D de doble rampa. (a) Esquema de bloques simplificado. (b) Tiempos de descarga en función de la amplitud de la entrada.

los errores presen tes, q ue luego se «descueotan» d ura n te e!ciclo de med ida normaL Esta compensación se hace de forma analógica o digital.

Un i ncon venien te de este método de conversión es su Jentitud, q ue aumentaal hacerlo la resolución deseada, por cuanto la máxima f recuencia del reloj viene limitada. Una solución para mejorar la velocidad es el denominado método de la triple rampa. Consiste en emplea r dos fuentes de corriente dist in tas durante la fase de descarga. Primero se d rena una corriente elevada, obteniéndose los bits de mayor peso, y luego se d rena una corriente menor, ponderándose adecuadamente las cuentas obtenidas en cada fase de descarga.

6.3.6 Convertidores tensión-frecuencia

La frecuencia de una sefial es una magnitud apropiacla en la conversión A/D pues basta un contador para obtener w1a salida digital. Los con vertidores ten sión/frecuencia (V!j) cabe considerados como la primera etapa del proceso.

En la f igura 6.10 se presenta el esq uema simplificado de un tipo de convertidor V/f basado en el princi pio denominado de eq uilíbrio de carga (análogo al modula dor de los con vertidores sigma-delta). Consisten en u n i ntegrador al que se aplica

R C

Salido-Vcc

Figura 6.10 Esquema simplificado de un convertidor tensión-frecuencia basado en el principio del equilibrio de carga.

distintos formatos (sincro, resolver). Estos convertidores sincro-digital (S/D) y re-

c

276 Conversión analógica/digira/ y digital/analógica

o bien la sefíal de entrada o bien una corriente de referencia, conocida con exacti t ud. Si la tensión de en trada es constante, la salida de!integrador es una rampa que, eo cuaoto alcanza un nível de tensión prefijado en un comparador, dispara un monoestable q ue da un impu lso de amplitud y duración fijos, que se lleva a la sa lida, normalmen te a través de un transistor en colector abierto; a la vez, el disparo dei monoestable inicia la descarga dei condensador de integración mediante una corriente de valor fijo durante e! tiempo que dure el impulso. La frecuencia de los impulsos de salida dependerá de lo que tarde la entrada en compensar la carga ex traída cada vez por la fuente de corrien te, es decir, de la ampütud de la tensión de entrada.

De forma analítica, dura n te el tiempo de integración de la entrada la fuente de corriente se conecta a la salid a deJ AO. de modo que no afecta a la carga del con densador. Si v., es positiva, V11 será negativa y, cuando alcance el va1or umbral V"' disparará el monoestable prod uciend o un impulso de duración Td. Du ran te estetiempo el condensador se descargará parcialmente y v,, aumenta rá en

dV 1,- vjR.1V= Td-- = Tr ----

dt(6.11)

Después del tiempo Td , el condensador se carga otra vez, y v0

se hace negativa. El tiempo T., necesario pa ra alcaozar de nuevo el umbral del comparador, será el que se tarde en recuperar la carga perdida en la fase anterior, es deci r,

.1VT = --= .ó.V ( l,R )

--=T 1 - --1(6.12a)

·' dV/dt v/RC ' Vs

La frecuencia de los i mpulsos de salida será, pues,

(6.12b)

Esta f recuencia es independiente dei valor dei condensador de integración, pero depende no sólo de la corriente de referencia sino también de la duración de los impulsos de!monoestable.

6.3.7 Otros convertidores A/D

Los sensores de medida de desplazamientos lineales y angulares que están ba sados en transformadores variables, ofrecen a su salida seiiales senoidales cuya a mpütud y fase tiene la información sobre el desplazamiento o posición medidos. La con versión a d igital de dichas senales no se realiza obteniendo

primero una tensión continua a partir de la ampli tud y fase de las seõales al ternas, sino que se em plea n convertidores especiaJ es que aceptan directamen te seiiales alternas, en

Vs f-

1•+Tsen w

V st dt = --2 s

2wt0 + wTen se

wTn -

T '• wT 2 2

distintos formatos (sincro, resolver). Estos convertidores sincro-digital (S/D) y re-

Rechazo de/ modo serie o del modo normal 277

solver-digital (R!D) suelen ser de tipo servo (tracking) porque así se minimiza el retardo entre salida y entrada, que es muy importante en sistemas realimentados. El principio de funcionamiento de estos convertidores está expuesto en [5} y suestudio detallado puede encontrarse en [6].

6.4 RECHAZO DEL MODO SERIE O DEL MODO NORMAL (SMRR, NMRR)

Todos los convertidores que integran la sefial de entrada (los de doble rampa y equilíbrio de carga. por ejemplo). gozan de la propiedad de rechazar las interfe rencias que aparezcan superpuestas a dicha sefial. Esta capacidad de rechazo se cuantifica mediante la denominada Relación de Rechazo del Modo Serie o dei Modo Normal (SMRR, NMRR). Viene dada por el cociente entre la respuesta a · la seiíal de interés, aquí normalmente una tensión continua, y la respuesta a las in terferencias. Suele expresarse en decibelios.

Si consideramos, por ejemplo, una entrada senoidal, vs(c) = V,sen wt,el valormedio ai integraria durante un tiempo T es

v" == - (6.13a)

En el caso más desfavorable, es decir, para tener v0

máxima, t0 debe elegirse de forma que se cumpla

Esto sucede cuando

2wt0 + wTsen == 1

2

n wTOJto = --- --

2 2

(6.13b)

(6.13c)

El valor medio de la integral de vs(t) es entonces

Dado que para una tensión continua V,(f= 0), tendremos v,= V,., resulta

njTSMRR = 20 log --

·- sen 7ifT

(6.14)

(6.15)

En la figura 6.11 se presenta la forma de esra relación en función de! valor defT. Puede observarse que cuando [T = entero, la SMRR es infinita. Si se desea

278 Conversión analógica/digital y digitalla1Zalógica

S/o4RRid8l

70

60

50

LO

30

20

lO

oOJ 2 3 ' 567 10 1T

Figura 6.11 Valor de la relación de rechazo deI modo serie (SMRR) en convertidores integra dores en función de la frecuencia de las interferencias y del tiempo de integración del conver tidor.

rechazar las intcrferencias de red (50 o 60Hz y sus armónicas), basta elegir un pe ríodo de íntegracíón que sea de 20 ms (o 16,6 ms), o un múltiplo. En cualquier caso. la atenuación mínima de las ínterfercncias de alta frecuencía crcce a razón de 20 dB/década. El precio a pagar por este rechazo de las interferencias es la Jen titud en la con vcrsión debida a tener que integrar durante un tiempo T. Debido a su alto SMRR, los CAD integradores son los preferidos en multímetros digitales de laboratorio.

6.5 CONVERTIDORES Y MEDIDAS POR RELACIÓN

Los CAD pueden considerarse como divisores analógicos con salida digital, por cuanto ésta no es sino la relación entre la tensión de entrada y UIJ.a tensión de referencia. Por ello. en todos los CAD cualquier posible inestabilidad en la ten sión de rcferencia produce una inexactitud en la salida. Pero resulta que, a la vez, los scnsores moduladores que se disponcn cn un divisor de tensión o en un puente de medida (potcnciómetros, galgas cxtensométricas, RTD, termistores, etc.) dan una salida que cs una fracción de la tensión de alimentación: la estabilidad de esta tensión de alimentación repercutirá, por lo tanto, en la exactitud de la salida. Cabe pensar, pues, en emplear la misma tensión para la alimentación de!sensor y como tensión de referencia del CAD, de modo que en vez de acumular las i nesta bilidades, éstas se compensen.

Yrtf

v,Solido digotol

Figura 6.12 Sistema de medidas por relación donde se emplea una tensión de referenda única para el CAD y para alimentar un puente con un sensor.

Comrol de la conversión 279

En la figura 6.12 se muestra la disposición de un sistema de este t ipo en el caso de u n sensor montado en un puen te. La tensión de referencia, común a todo cl sis tema, pucdc ser externa, o ser la propia del CAD si es accesible y puede alimentar una carga como la que presenta el puente. No se han indicado las lfneas de ali mentación de los componentes acti vos. La salida, para x 1, puede cxpresarse como

V0

CVrx14 GxD =-= =-

V, V, 4(6.16)

y resulta ser efectivamcn te independien te de V,.

6.6 CONTROL DE LA CONVERSIÓN

La convcrsión AID y DIA se controla habitualmente desde sistemas basados en J.l.P. Este control implica, cuando menos, determinar el inicio de la convcrsión y o bien adquirir su resultado una vez ha acabado (caso de la convcrsión A/D), o bien aplicar la en t rada digital a convcrtir (caso de la conversión D/A). Las alter nativas disponibles para el control dependeo de cómo esté conectado el converti dor al pP.

6.6.1 Conexión del convertidor

La interfaz de cualquier d ispositivo periférico con un pP puede realizarse de va rias formas distintas: a través de una entrada/salida general (EIS), con mapeado cn memoria, con mapeado EIS (110) (o en ac umulador), o con acccso directo a memoria (DMA).

La primera forma, q ue es la más simple, consiste en emplear puertos EIS (Periphcral lntcrface Adapters, PIA, Programmable Peri pheral In terfaces, PPI, Parallel Jnput/Output Cont rollers, PIO, etc.). Estos dispositivos tienen va rias líneas que se pueden programar como entradas o salidas, en bloques o una a una, e i n cluso gencran seõales de interrupción pa ra el pP, o seõales de protocolo (hand shaking) para otros periféricos. En la figura 6.13a se muestra cómo conectar u n CAD de 8 bi ts y un COA de 12 bits a un 825SA, que es un PP1 con 24 líneas pro gramables individualmente en dos grupos de 12; en su modo de funcionamiento O (el indicado), cada grupo de 4 bits, dentro de un gru po de 12, se puede programar como entradas o como salidas.

La segunda forma de interfaz consiste en conectar el periférico, cn este caso el con vertidor, directamcnte ai bus de datos del pP. De esta mancra el dispositivo espara el pP como una dirección de mcmoria más (o como varias direcciones, por ejemplo si se trata de un CAD que acepta varias seí'iales analógicas de entrada porque incluyc un multiplexor analógico). En este caso, el convert idor responde a mandatos (comma nds) de la CPU que se emplea n pa ra leer (entrada) o escribir (salida) en memoria. Este método de interfaz se cmplea en aplicaciones donde es

Ib

.

,ç:::O

E

280 Conversión analógica/digital y digital/analógica

COA

Salido

v INTl/OWRl/ORO

cs "cc IO

o;:ao..Oz:li-

analógico

Enlrada

o nológica

En!radoanológico

Rõ CLKL..,: WR oao

-CU< IN-< IN T AOCOOOl.

1/INI•l ADC0802,VINI-l A0C0803.A GND ADCOB04

OGNO 007

Tr.s our Voe 85

' DM8l31Comporodor

do bus

01

s .03 ol,do

0 4 digilal05

07

AD15A014

A013

A012

A011PBT BO

Iv

lo) lb)

A010

Figura 6.13 Dos formas de conexión de un CAD o CDA a un 11P. {a) A través de un periféricoE/S. {b) Directamente. con mapeado E/S.

primordial obtener al ta velocidad, pues algunas instrucciones de lectura o escri tura en memoria ocupao menos tiempo que las ordinarias de entrada o salida. Sin embargó, el convertidor debe responder por lo menos tan rápido corno una memoria y, por lo tanto, debe ser compatible c.on la temporización del bus dei JlP. Además, tanto el direccionamiento como el control y la entrada o salida de datos exigirán el .empleo de circuitos adicionales para decodificación, temporización, (ormateado (por ejemplo en convertidores de más de 8 bits empleados con ,uP de8 bits), etc.Esta solución es, pues, más compleja. aunque suele ser la habitual.

Un problema adicional de! mapeado de periféricos en memoria es que se ocu pan posiciones de memoria que evidentemente dejan de estar disponibles. Una solución a este problema Ia ofrecen aquellos JlP que tienen parte de su espacio de direcciones de memoria reservado para entradas y salidas, de m'odo que se hablade mapeado EIS o EIS aisladas. Con este método, el convertidor responde a los manda tos de la CPU que están reservados para entrada o saJida (por ejemplo, IN y OUT en el 8088 y el Z80). En estas instrucciones interviene el acumulador, de a hí que se hable también de E/S por acumulador, y e!resultado es que se pierde velocidad.

En La figura 6.13b se muestra cómo conectar un CAD de la serie ADC080Xcon el JlP 8080A-2, y el controlador 8228, mediante mapeado E/S. Estas CAD pueden conectarse directamente aJ bus de control de!8080A y su salida tiene ce rrojos y capacidad para ser conectada directamente a1 bus de datas, de manera que oo requiere una PPI o similar. La dirección dei CAD es la EO (hex), y la deco dificación se hace con el DM8131 que es un comparador de 2 palabras binarias de6 bits; para direccionar el CAD se emplea su entrada de selección (CS, Chip Se-

Concrol de la conversión 281

lect). (Si sólo hubiera un máximo de ocho dispositivos mapeados E/S, se podría emplear cada una de las ocho líneas dei bus de direcciones, para selección del dispositivo, CS.) La sefíal de escritura E/S (E/S WR) se emplea para iniciar la con versión, mientras que la de lectura EIS (E/S RD) es la que pone el resultado en el bus. Para emplear mapeado en memoria, se podría emplear el método convencio nal para decodificación de la dirección, y las líneas MEMW y MEMR para iniciar la conversión y entrar el resultado, respectivamente.

Si la velocidad de entrada o salida de datas debe ser alta, los métodos anteriores pueden resultar demasiado lentos. La entrada de una serie de datas en un f..l.P, por ejemplo, requiere los siguientes procesos, con el número de ciclos de reloj in dicados para el caso del 8088:

- Leer un dato (byte) en e!acumulador (8).- Copiarlo en una dirección de memoria (10).- Incrementar la dirección, que será la dei siguiente dato (2).- Verificar si se han leído todos los datas que se deseaba, por ejemplo para

Uenar toda la memoria (17).

El proceso de salida de datoses similar. El proceso de lectura lleva 37 ciclos de reloj cada vez, por lo que con un reloj de 4,77 tvlHz, caso del IBM® PC, se tardan78 J.LS. Esto significa que si los datas Jlegan a alta velocidad, el J.LP no tiene tiempo suficiente entre dato y dato para atender la petición de interrupción que genera cada uno. Además, el ,uP queda ocupado al J 00% durante el proceso. y si atiende alguna interrupción durante éste, pierde datas de entrada.

El proceso de acceso directo a memoria, DMA (Direct Memory Access) per mite que e!J.LP siga atendiendo su programa, hasta cierto punto, a la vez que ace lera la transmisión de datas desde una entrada o salida hacia memoria, o vice versa. Durante DMA se inhibe Ia CPU para permitir la transferencia directa desde un elemento externo a la memoria del sistema. y un dispositivo de interfaz (controlador de DMA) es el encargado de gestionar los buses de direcciones, da tos y contrai.

El proceso de DMA necesita un programa inicial breve que carga varios regis tros con valores predeterminados, en particular los correspondientes a la posición de memoria a partir de donde se deben guardar los datas, y al volumen de datas que serán transferidos. La instrucción final de este programa autoriza al dispositivo externo el uso de DMA. Para ello, cada vez que hay un dato se manda una sefiai de DMA a la CPU, que la atiende (en general al acabar la instrucción actual, como en 'las interrupciones) y pone los activadores de los buses en estado de alta impedancia.

El controlador de DMA incluye un contador que es decrementado a cada byte transferido; cuando !lega a cera se emite una sefial de interrupción, de manera que se puede manejar un bloque de datos como convenga. Hay dos formas principales de transferencia de datas: byte a byte y a salvas. En el primer caso la CPU es inhi bida cada vez sólo durante un ciclo de almacenamiento. Cuando funciona a salvas, una vez ha empezado el proceso de DMA no se interrumpe hasta que se han transferido todos los datas; esto presupone normalmente que éstos se habían al-

282 Conversión analógica/digital y digitaflanalógica

macenado previamente de manera que, cuando empieza la transferencia, están todos disponibles.

En el caso de CAD con salida serie, la conexión con el JlP admite múltiples so luciones. Hay que tener en cuenta que cuando el convertidor y el J.lP no son contí guos, el coste de cable requerido para la transmisión en paralelo resulta excesivo. En aquellos J.lP que tienen una entrada serie, por ejemplo la SID en el 8085A, ésta ofrece una solución directa para la interfaz serie. En otros casos se puede emplear una de las líneas E/S de u n puerto E/S, pero inevitablemente el proceso es lento. Otra solución es poner uno o varias registros de desplazamiento a n tes dei J.lP, y entrar en éste la salida (paralelo) de dicbos registros.

6.6.2 Control y modos de funcionamiento

En general , el contrai E/S en un J.lP se puede realizar por programa, por inte rrupciones o por hardware (caso de DMA). El contrai por programa puede ser in condicionado o condicionado. En este último se realiza e!proceso de «acuerdo mutuo» (handshaking), que implica el uso de banderas (flags), e interrogaciones (polling). Su mayor duración da lugar a la denominada sobrecarga EIS (I/0 over head).

En el caso particular de las conversiones ND o DIA, las opciones para iniciar la conversión son las siguientes:

1. Desde la CPU, por programa («Strobe» de!CAD mediante una orden software).

2. Desde un temporizador, cuando se desea la conversión a intervalos regulares.

3. En respuesta a una orden externa controlada (gated externai slrobe): el CAD ejecuta una conversión cuando la CPU le permite que responda a una seõal de solicitud externa.

4. Orden externa incontrolada: el CAD ejecuta una conversión siempre quehay una sefial de solicitud externa. Este modo de funcionamiento permite sincronizar varias convertidores

El procedimiento de conversión A/D se puede dividir en las siguientes fases:

l. Escribir en la dirección de memoria que corresponda la palabra (byte) de conversión, cada uno de cuyos bits tiene un significado concreto.

Por ejemplo, en un sistema A/D que incluya un AGP con cuatro valores de gaoancia posibles y acho canales de entrada: el bit 7, si ·es 1 autoriza el modo auto

mático de incremento de canal y si es O lo desautoriza; el bit 6, si es 1 se dará una interrupción a la CPU cuando se acabe la conversión y si es O no se dará; el bit 5, si es 1 se dará una in terrupción a la CPU cuando se tenga un «overrun» (inicio de conversión antes de que se hayan leído los datas de la previa) y si es O se inhibe di

cba función; el bit 4, si es 1 se autorizao las interrupciones desde el temporizador que se indique (mediante conexión física) y si es O no se autorizao; el bit 3, si es 1

Contrai de la conversión 283

se autorizao las interrupciones de la CPU debidas a las interrupciones combinadas de los puertos EIS y si es O no se au torizao; el bit 2, si es 1se autorizao las conver siones bajo con trai de una seõal exteroa y si es O no se autorizao; el bit 1, bit alto de selección de ganancia; bit O, bit bajo de selección de ganancia.

2. Especificar e!canal de entrada a convertir, a base de escribir su número de orden en la dirccción de memoria asignada para esta función (es dccir, donde la CPU busca elnúmero de canal).Si sólo hay un canal, basta con escribir su número una vez.

3. Iniciar la conversión (por software, por sefial externa, desde un temporizador).

4. Informar ai programa que se está haciendo una conversión (por cjemplo, dando un valor predeterminado a un bit en una dirección de memoria predefi nidadonde está el bytc de estado, o enviando una sefial de interrupción una vez se acabe la conversión).

5. Leer los datos obtenidos, procediendo en el orden de bits que se ha preestablecido.

La conversión A/D se realiza en dos pasos: primero se indica ai subsistema de entrada (amplificador, multiplexor, amplificador S&H) qué canal se va a conver tir, se muestrea y se retieoe la muestra eo cl S&H; el segundo consiste cn la con versión A/D propiamente dicha. Seg6n la organización de estas pasos, cabe hablar de distintos modos de funcionamiento:

1. AIacabar el primer paso se inicia el segundo.2. Cuando se acaba el segundo paso se reinicia el primero (es lo más rápido).3. Operación solapada; se ejecutao los dos pasos ai mismo tiempo: mientras

se convierte un canal (paso 2) muestl'ea el siguiente (paso 1).

Para facilitar el control, se puede disciíar un sistema de i ncremento automático de manera que después de convenir un canal quedao dispuestos para convertir el siguientc. De este modo basta indkarles una vez por qué canal deben empeza r, y la conversión va siguiendo su curso. Cuando hay varias canales y se desea poder limitar el número de los utilizados, se puede disponer un microinterruptor mecá nico para selccciona r dicho número.

6.6.3 Diseíio de un programa de adquisición de sei'íales

En los sistemas de medida no basta con adquiri r las seiiales externas. Normal mente hay funciones adicionales para el ordenador como son: procesamiento (fil trado, promcdíado): análísis: cursores para buscar puntos, medida de amplitudes, medida de tiempos; y presentación de sefiales y resultados. Estas funciones se sue len realizar mediante un software de medio o alto nível. Las tareas particulares a realizar en cada caso son las de la tabla 6.4.

Para diseiiar cl programa correspondicnte. hay que considerar una scrie de aspectos gcnerales, válidos para cualquier tipo de programa:

284 Conversión analógica/digital y digitaUanalógica

Tabla 6.4 Tareas a realizar en la adquisición y distribución de seiiales.

AOQUISICIÓN

Conversión NO1.1 Determinar el camino a seguir por la senal1.2 Control de la conversión: temporización, interrupciones1.3 Ejecución de la conversión

2 Almacenamiento2.1 Preparación de los datos2.2 Escritura en memoria

PROCESAMIENTO

Recuperación1.1 Lectura de memoria1.2 Restauración de datos

2 Selección y ejecución dei procesamiento3 Almacenamiento

3.1 Preparación de los datos2.2 Escritura en memoria

PRESENTACIÓN DE SENALES Y RESULTADOS

Recuperación1.1 Lectura de memoria1.2 Restauración de datos

2 Procesamiento de salida (interpolación)3 Escritura en elemento final (pantalla,impresora)

1. Determinar las interfaces con el usuario. Puede ser, por ejemplo, un te clado o un ratón para la entrada, y una impresora o un tubo de rayos catódicos pa ra la sal ida.

2. Decidir cómo represen tar los datos (<tipo» de datos): enteros, rea tes, en coma flotante, ...

3. Decidir los métodos a emplear para el procesa miento de los datos. Tipos yorden de los fi l tros, algoritmos de promediado.

4. Organizar el programa. Es recomendable un disefi.o modular con los si guientes bloques o módulos: adq uisición, procesa miento, anál isis, presentación. En cada mód ulo:subd i vidir cada problema en problemas más si m ples, decidir quê debe transferi r cada módulo ai siguiente, e incorporar protecciones para los casos en que los parámetros de ent rada a un módulo no sean correctos (en particular para los módulos que interaccionan directamente con el usua rio).

Una vez disefiado el programa, los pasos siguientes son babituales en pro gramación: escribir el programa, ejecutarlo, verificar q ue hace lo que debe, de puraria, mantenerlo y modificaria (por ejemplo, para ada ptarlo a otra máq uina). Es de gran importancia el documentaria de ma nera que pueda ser a nalizado y mod ificado fácilmente por personas q ue no bayan participado en su diseõo inicial.