Los DAC y los ADC

Una señal analógica es aquella cuya amplitud (típicamente tensión de una señal que proviene de un transductor y amplificador) puede tomar en principio cualquier valor, esto es, su nivel en cualquier muestra no está limitado a un conjunto finito de niveles predefinidos como es el caso de las señales cuantificadas.

La señal digital es un tipo de señal en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango.

Los DAC y los ADC se utilizan para enlazar las variables físicas de un proceso real, con un sistema digital, como pueden ser las computadoras.

La mayoría de las variables físicas son de naturaleza analógica y pueden tomar cualquier valor en un rango continuo de magnitudes. Como ejemplos tenemos las variables: temperatura, presión, intensidad luminosa, señales de audio, posición, velocidad rotacional o velocidad angular, flujo, etc. Los sistemas digitales realizan todas sus operaciones internas utilizando circuitos eléctricos digitales binarios, donde las variables que se procesan, toman solamente valor alto y bajo de voltaje. Cualquier información que se ingrese a estos sistemas, debe transformarse a digital. De la misma manera, los resultados presentes en la salida, también serán digitales y en ocasiones, éstos valores, deberán convertirse en una señal analógica para controlar el proceso físico real.

ADC: La conversión analógica a digital es el proceso por el cual una señal analógica se convierte a código digital. La conversión A/D  es necesaria cuando se requiere expresar una magnitud analógica producto de una medición en un código digital para poder ser procesada en una computadora, presentarla en un display o almacenarla en un archivo digital.

El ADC es un conversor análogo digital (analog to digital converter), el cual toma una señal continua del mundo real (análoga) y la convierte en un valor discreto de determinado numero de bits (digital).

Es utilizado por todos los procesadores digitales para operar señales del mundo real (sensores).

Parametros de un ADC

• Periodo de muestreo o frecuencia de muestreo.
• Tiempo de adquisición.
• Tiempo de conversión.
• Resolución.
• Alimentación y referencias.
• Tipo de entrada.
• Reloj(ADCLK).
• Precisión y exactitud.

Frecuencia de muestreo

• Determina cada cuanto se inicia un muestreo.
• Se escoge con relación al teorema de muestreo de Shannon-Nyquist.
• Dependedelsistemasuvalorpuedevariardesde1Hzparasistemastermicos,44KHzparasistemasdeaudioodemasde1MHzparasistemasdecapturadevideo.

Tiempo de Adquisicion

• Para que un conversión sea confiable se debe mantener el valor de la señal de entrada constante durante el proceso de la conversión.
• Este proceso de mantener el valor de la entrada sele conoce como “simple and hold” y para implementarlo se usa un capacitor en su fase de carga y desconexión que mantiene su voltaje.

Tiempo de conversion

• Es el tiempo que tarda el ADC en tomar un valor analógico de entrada, convertirlo en un numero discreto y llevarlo a un registro de salida, por lo cual incluye el tiempo de adquisición.
• Este tiempo limita la máxima frecuencia de muestreo, requiere de un tiempo de conversión que va de algunos uS para las conversiones más rápidas a mS para los dispositivos  más lentos.
•  En algunos ADC este tiempo de conversión depende del valor de la entrada,

Resolución

• La resolución de un ADC es el más pequeño paso digital con el cual es posible aproximar el voltaje analógico de entrada
• La mayoría de ADCs tienen su valor de salida en representación binaria y alguno, debido a esto la resolución se define en bits y el rango de valores de conversión será una potencia de dos.
• Las resoluciones van desde 4 bits hasta 28 bits y algunos mayores.

Ejemplo

  El voltaje de entrada de escala completa de un ADC de 8 bits es +5 V. Calcular el menor paso de voltaje analógico que puede reconocer el convertidor.

Solución .  Ocho bits representan 28= 256 pasos. Un paso en un voltaje de entrada de escala completa de 5 V representa  5 / 256 V = 19.53 mV

Alimentacion y Referencias

La alimentación del modulo se divide en dos partes: la alimentación de los componentes del modulo como comparadores, registros, contadores, DACs internos u otros la cual es constante; la otra es la que toma el modulo como referencias para el máximo y mínimo valores de conversión, por lo cual la entrada debe estar en este rango de valores.

Tipo de Entrada

• El tipo de entrada del ADC es la forma en que se conecta la señal analógica de entrada.
• Si la señal de entrada proviene de un solo hilo significa que esta referida a tierra como por ejemplo en sensores analógicos de presión o temperatura.
• Si la señal proviene de dos hilos significa que es diferencial como por ejemplo en puentes de Wheatstone o sondas biomédicas.

Reloj

La señal de reloj es importante para determinar el periodo de muestreo, el tiempo de adquisición y el funcionamiento de componentes internos como contadores, temporizadores y controles lógicos.

Pequeñas variaciones en este provocan errores en las mediciones por lo cual este debe ser lo mas estable posible o tener componentes de “ultra low jitter”.

Precision y Ecxactitud

• Hay varias fuentes de error que hacen variar la precisión y exactitud del ADC:
• Error de cuantización.
• Aliasing.
• Error de apertura.
• Variación en referencia.

Error de Cuantizacion

• Es inherente a cualquier ADC, debido a que se convierte un rango de valores continuos a un valor discreto.
• Debido a este error, es que se conoce que el proceso es no lineal y no perfectamente reversible.

Error de Apertura

• Cuando la alimentación del modulo varia, los componentes osciladores o generadores de reloj varían en su frecuencia de salida, lo que provoca que los tiempos de adquisición y conversión también varíen.
• A bajas frecuencias noinfluyeperoaaltasocercanasalafrecuenciademuestreoinfluyealahoradeprocesarlosvaloresmuestreados.

Variacion de Referencia

• Si los variaciones de referencia varían, los componentes internos del ADC como DACs, comparadores y diferenciadores van a variar sus salidas, lo que provocaría que a un mismo valor de entrada seg eneran varios valores de salida.
• El valor de salida puede variar en proporción a la variación de las referencias.

Circuitos componentes de los adc

dos circuitos analógicos que se usan frecuentemente en los ADC. El comparador de voltaje y el circuito

Circuito comparardor de voltaje

• Los comparadores de voltaje analógicos son circuitos que comparan dos señales VA y VB de manera que si VA > VB entonces la salida es BAJO o de 0 V y para el caso de que VA < VB entonces la salida es ALTO o mayor de +3V. El tiempo de respuesta de un comparador de voltaje analógico es el tiempo entre la aplicación de un voltaje de entrada y el instante en que el voltaje de salida cruza el voltaje critico lógico.
• Fig. comparador de voltaje analógico
• Fig. tiempos de respuesta de circuitos  comparadores de voltaje

Circuitos de muestreo y retención (Sample and  Hold).
En los ADC estos circuitos se utilizan para muestrear durante un breve intervalo de el valor dependiente del tiempo de un voltaje analógico de entrada y luego retener constante el valor muestreado durante la conversión.
En la figura se muestra un diagrama simplificado de un circuito de muestreo y retención. La necesidad de muestrear una señal analógica   surge del tiempo de conversión diferente de cero de un ADC; si durante la conversión la señal de entrada analógica ,cambia más que la resolución del ADC , la salida digital de este pudiera no ser representativa de su entrada analógica.

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