Download - Convertidores Digital-Analógico Analógico-Digital · – Control de la conversión (interrupciones, control de estado) 9 Características de los DAC ... 1 1 ref i V VRCf N T 1 ⋅f=

ConvertidoresDigital-Analógico

yAnalógico-Digital

2

Conversión Digital-Analógica y Analógica-Digital

Con estos circuitos se trata de conseguir una relación biunívoca entre una señal analógica y una digital o viceversa.

Las magnitudes físicas son analógicas y normalmente el procesado de señal se realiza de forma digital, de ahí la necesidad de los convertidores ADC.

También puede ser necesario actuar sobre un sistema analógico una vez procesada una señal de forma digital por lo que se hace necesario un convertidor DAC.

3


Características de los ADC

• Entrada

– Número de canales

– Tipo de señal (tensión o corriente)

– Márgen de valores (máximo y mínimo)

– Polaridad (unipolar, bipolar)

–Tensión de referencia (interna o externa, exactitud…)

4


Características de los ADC

• Salida

– Número de bits (resolución)

– Código de salida (binario, BCD…)

– Formato (serie, paralelo)

– Velocidad de salida (bit rate)

– Niveles de tensión de salida

– Existencia de latches...

5

Conversión Digital-Analógica y Analógica-DigitalCaracterísticas de los ADC

• Relación entrada-salida

– Exactitud (determinada por los errores)

– Velocidad de conversión

6


• Errores en los ADCSALIDADIGITAL

000

001

010

011

100

101

110

111CA/D

Vi / Vref0 1,0

Ideal para3 bits

Real para3 bits

ERRORDE

CERO

SALIDADIGITAL

000

001

010

011

100

101

110

111CA/D

Vi / Vref0 1,0

Ideal para3 bitsG = 1

Real para3 bitsG > 1

>1 LSB (a) (b)

Error deGanancia

Punto deGananciaNominal

Punto deGanancia

Real

LSB21

VV

ELSBi

01..00icero −=

LSBi

GRiGNiganancia V

VVE

−=

7


• Errores en los ADC

Vi / Vref

Vi/Vref

SALIDADIGITAL

000

001

010

011

100

101

110

111CA/D

0 1,0

Pérdidade

Código

e

+0,5LSB

- 0,5LSB

No-linealidadintegral

+1LSB

-1LSB

1LSB

No-linealidaddiferencial

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• Parámetros básicos a considerar en la elección de un ADC


– Número de canales

– Tipo de canales (unipolares, bipolares)

– Margen de tensión de entrada

– Resolución (en número de bits)

– Exactitud

– Tensión de referencia necesaria

– Velocidad (frecuencia de conversión)

– Funciones adicionales a la entrada (multiplexado, muestreo, ganacia programable, entradas de bajo nivel…)

– Funciones adicionales a la salida (latches)

– Condiciones ambientales

– Formato de la señal de salida (binario, BCD…)

– Control de la conversión (interrupciones, control de estado)

9

Características de los DAC

Son análogas a las de los ADC con la salvedad de que la entrada es digital y la salida analógica (tensión o corriente). Se habla, por ejemplo de error de cero a la salida y no linealidad de salida. Para la velocidad y el tiempo de conversión se considera una determinada banda de error alrededor del valor final considerado.


10

Conversión Digital-Analógica

Un DAC lineal, con código de entrada binario puro, obtiene a partir de una palabra digital de n bits, Dn-1Dn-2…D1D0, 2n niveles discretos de tensión o corriente, según la relación:

donde VFE es el valor de fondo de escala. El valor máximo de VO es:

( )nnnnFEO DDDDVV −−−−−

−− ++⋅⋅⋅++= 2222 0

11

22

11

n

n

FEOmax VV2

12 −=

11


L

Onn

nnrefO R

VR

DR

DR

DR

DVI −=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅⋅⋅++−= −−

−−10

2121

222

DAC de resistencias ponderadas

En la figura la corriente en la masa virtual es:

y la tensión de salida:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅⋅⋅+++= −−

−−− 1

02

1321 2242 nn

nnn

LrefO

DDDDDRRVV

12


DAC con red en escalera

V

RRVVO 2

1−=

13


DAC con red en escalera (caso 1000)

333ref

refn

VRRVV −=−=

14



32ref

n

VV −=

622

3refn

n

VVV −==

15



31ref

n

VV −=

621

2refn

n

VVV −==

1222

3refn

n

VVV −==

16



242

122

62

3

23

12

01

0

refnn

refnn

refnn

refn

VVV

VVV

VVV

VV

−==

−==

−==

−=

17


DAC con red en escalera

A partir de esto se puede deducir cualquier combinación de bits de entrada aplicando el teorema de superposición.

Además sabemos que:

por lo que podemos decir:

RRVV nO 2

13−=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ++⋅⋅⋅++= −−

−− 1

02

121 2222

13 nn

nn

refO

DDDDR

RVV

18

Conversión Analógica-Digital

Un ADC convierte una señal analógica a la entrada (tensión o corriente) en una palabra digital en un código determinado (paralelo o serie) según una relación determinada.

Existen gran cantidad de tipos de ADC (muchos más que DAC), una posible clasificación podría ser:

•ADC directos

–Sin realimentación (paralelos o flash)

–Con realimentación

Bit a bit (aprox. sucesivas)

No bit a bit (servo o tracking)

•ADC indirectos

–Sin realimentación

Por intervalo de tiempo (rampa sencilla, doble o triple)

Por frecuencia (convertidor V/F)

–Con realimentación

19


Convertidor Analógico-Digital paralelo (flash)

20


Convertidor Analógico-Digital paralelo (flash)

Aumento de la resolución a costa de la velocidad de un ADC tipo flash

21


Convertidor Analógico-Digital por aproximaciones sucesivasEste tipo de convertidores consiguen un buen compromiso entre velocidad de conversión y complejidad del circuito.

22


Convertidor Analógico-Digital tipo servoEl contador bidireccional cuenta desde cero hasta un valor que hace que el DAC de una salida igual a la entrada analógica, una vez llegado a este punto cualquier variación en la entrada se traduce en un incremento o decremento del contador para seguir a la entrada.

23

Conversión Analógica-DigitalConvertidor Analógico-Digital tipo sigma-delta

24Date: October 18, 2001

(A) mod_delta.dat

0s 100us 200us 300us 400us 500us 600us

TimeV(Sal_latch)

5.0V

0VSEL>>

Limitacion

(Slew rate)

V(Entrada) V(Condensador)

10V

0V

-10V


25


26


27Date: October 23, 2001

(A) delta_sigma.dat

0s 100us 200us 300us 400us 500us 600us

TimeV(Sal_latch)

5.5V

4.0V

2.0V

0V

V(Entrada) V(Condensador)

10V

0V

-10VSEL>>

doble frec muestreo


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La rampa será:

el tiempo en alcanzar Vi:


Convertidor Analógico-Digital con integrador de rampa sencillaEn el momento inicial el integrador y el contador se ponen a 0. El integrador genera una rampa que mientras no alcance el valor de Vi permite el paso de pulsos al contador. Una vez que llegue a Vi se bloquea el reloj y se obtiene una salida digital en el contador proporcional al tiempo que tarda en llegar a ese valor.

tRCV

V refO ⋅=

ref

i

refi

VRCVT

TRCV

V

=

⋅=

1

1

ref

i

VRCfVfTN =⋅= 1

29


Convertidor Analógico-Digital con integrador de doble rampa

T1 T2

-V

Vo1Vo2

Vo

t

fVV

VTVT

RCTV

RCTV

RCTV

VRC

TVVV

RCtV

VV

RCTVV

RCTVVTt

RCtVV

fT

ref

ni

ref

irefi

refrefO

refO

ii

iO

n

⋅⋅

=⋅

=⇒⋅

=⋅

⋅=⇒

⋅+−=→=

⋅+−=

⋅=⇒

⋅−=−=

⋅−==

2

00 Cuando

En

2

12

21

222

2

111

11

n

ref

i

VVfTN 22 ⋅=⋅=

30

Otros convertidores

Convertidor tensión-frecuencia

A

B

11

11

1 TRVIQ

CQV i ⋅⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=→=

31

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

11

11 R

VICTV i

Convertidor Tensión-Frecuencia

Durante el impulso del monostable:

Una vez cortada la fuente de corriente:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

⋅⋅

⋅⋅

=

=→=

=⎯⎯←⋅⋅

−=⋅−= ∫

11

1

11

2

11

21

2

111

111

:que lopor

0en

1

RVI

CT

CRTV

CRTVV

VTt

cteVtCR

VVdtRV

CVV

ii

i

A

iporii

A

A

B

32

Convertidor Tensión-Frecuencia

( )

21

111111

2

1111

12

1: salida de frecuencia la

TTf

f

TV

IRTV

VTIRTT

VTVIR

VRT

RVIT

s

s

ii

i

i

i

i

i

+=

−⋅⋅

=⋅−⋅⋅

=

⋅−⋅=

⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

ITRVf i

s ⋅⋅=

11

33

Convertidor Tensión-FrecuenciaUna de las técnicas más empleadas para la realización del generador de corriente es la llamada “espejo de corriente”

34

Phase Locked Loop (PLL)

35

Phase Locked Loop (PLL) Comparadores 1

36

Phase Locked Loop (PLL) Comparadores 2

37

Phase Locked Loop (PLL) Ejemplo. HCF4046 (1)

38

Phase Locked Loop (PLL) Ejemplo. HCF4046 (2)

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