Convertidores

7.1. CONVERSIÓN DE DIGITAL A ANALÓGICO

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Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (como binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital. En la siguiente figura se muestra el diagrama a bloques de un convertidor D/A común de cuatro bits.

Figura 1.1

Las entradas digitales D, C, B y A se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 24 = 16 diferentes números binarios representados por estos bits se muestran en la figura 1-2.

D C B A Vsal

0 0 0 0 0 Volts

0 0 0 1 1

0 0 1 0 2

0 0 1 1 3

0 1 0 0 4

0 1 0 1 5

0 1 1 0 6

0 1 1 1 7

1 0 0 0 8

1 0 0 1 9

1 0 1 0 10

1 0 1 1 11

1 1 0 0 12

1 1 0 1 13

1 1 1 0 14

1 1 1 1 15 Volts

Figura 1.2

Por cada número de entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida analógica Vsal es igual en volts al número binario. También podría tener dos veces el número binario o algún otro factor de proporcionalidad. La misma idea sería aplicable si la salida del D/A fuese la corriente Isal.

En general

Salida analógica = K x entrada digital

Donde K es el factor de proporcionalidad y tiene un valor constante para un DAC dado. Claro que la salida analógica puede ser un voltaje o una corriente. Cuanto es un voltaje, K tiene unidades de voltaje y, cuando es una corriente, D tiene unidades de corriente. Para el DAC de la figura anterior K=1V así que

Vsal = (1V) X entrada digital

Se puede utilizar la expresión anterior para calcular Vsal para cualquier valor digital de entrada.

DIAGRAMA A BLOQUES

Diagrama de bloques y símbolo de circuito para un convertidor digital analógico (CDA) básico.

SALIDA ANALÓGICA

Desde el punto de vista técnico, la salida de un DAC no es una cantidad analógica ya que sólo puede tomar valores específicos, como los 16 posibles niveles de voltaje para Vsal de la figura 1-2.

De este modo, y en este sentido, la salida en realidad es digital.

Sin embargo, como se verá más adelante, se puede reducir la diferencia entre dos valores consecutivos al aumentar el número de diferentes salidas, mediante el incremento del número de bits de entrada.

Esto permite producir una salida cada vez más similar a una cantidad analógica, la que cambia de manera continua sobre un rango de valores.

FACTORES DE PONDERACIÓN DE ENTRADA

Para el DAC de la figura 1-2 debe observarse que cada entrada digital contribuye con una cantidad diferente de salida analógica. Esto se puede apreciar fácilmente si se examinan los casos donde sólo una entrada es ALTA:

D C B A Vsal

0 0 0 1 1

0 0 1 0 2

0 1 0 0 4

1 0 0 0 8

A las contribuciones de cada entrada digital se les asignan factores de ponderación según su posición en el número binario. Por lo tanto, A, que es el LSB, tiene un factor de ponderación de 1V, Bde 2V, C de 4V, C de 4V y, el MSB tiene el mayor, 8V.

Los factores de ponderación se duplican sucesivamente por cada bit, comenzando con el LSB. Por consiguiente, podemos considerar a Vsal como la suma de los factores de ponderación de las entradas digitales.

RESOLUCIÓN (tamaño de paso)

La resolución de un convertidor D/A se define como la menor variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital.

Haciendo referencia a la tabla de la figura 1-2 podemos apreciar que la resolución es 1V, puesto que Vsal puede variar en no menos que 1V cuando cambie el código de entrada.

La resolución siempre es igual al factor de ponderación del LSB y también se conoce como tamaño de paso ya que es la cantidad de Vsal.

A continuación se muestra la figura donde se ilustran estas ideas, donde las salidas de un contador binario de cuatro bits son las entradas al DAC.

Figura 1-2

PORCENTAJE DE RESOLUCIÓN

Resolución porcentual = tamaño de paso X 100

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escala completa

CÓDIGO DE ENTRADA BCD

Muchos convertidores D/A utilizan un código de entrada BCD donde se emplean grupos de códigos de cuatro bits cada dígito decimal.

Cada grupo de códigos de cuatro bits puede variar de 0000 a 1001, de manera que las entradas BCD representan cualquier número decimal de 00 a 99.

Dentro de cada grupo de códigos de factores de ponderación de los diferentes bits se proporcionan igual que el código binario (1, 2, 4,8), pero los factores de ponderación relativos para cada grupo son diferentes por un factor de 10.

CIRCUITERÍA DE UN CONVERTIDOR D/A

Existen varios métodos y circuitos para producir la operación D/A que se ha descrito. Es importante conocer las características significativas de realización de los convertidores D/A.

La figura 1-3 muestra el circuito básico de un tipo de convertidor D/A de cuatro bits. Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se supone tienen valores de 0V o bien 5V. El amplificador operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma de los factores de ponderación de estos voltajes de entrada.

La salida del amplificador se puede expresar como:

Vsal = -(VD + 1/2VC + 1/4VB + 1/8VA)

El signo negativo está presente debido a que el amplificador sumador es un amplificador inversor.

La salida del amplificador sumador evidentemente es un voltaje analógico que representa una suma de los factores de ponderación de las entradas digitales.

Figura 1-3

EXACTITUD DE LA CONVERSIÓN

La aproximación que logre este circuito al producir estos valores depende principalmente de dos factores:

1. La precisión de los resistores de entrada y retroalimentación.

2. La precisión de los niveles de voltaje de entrada.

ESPECIFICACIONES DEL DAC

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