Explicación de los convertidores de digital a analógico (DAC), analógico a digital (ADC)

Explicación de los convertidores de digital a analógico (DAC), analógico a digital (ADC)

A convertidor de digital a analógico ( Dacian , D / A , D2A , o D-to-A ) es un circuito diseñado para convertir una señal de entrada digital en una señal de salida analógica. El convertidor de analógico a digital (ADC) funciona de manera opuesta y transforma una señal de entrada analógica en una salida digital.



En este artículo, analizamos exhaustivamente cómo funcionan los circuitos convertidores de digital a analógico y de analógico a digital, utilizando diagramas y fórmulas.

En electrónica podemos encontrar voltajes y corrientes que varían continuamente con diferentes rangos y magnitudes.





En los circuitos digitales, la señal de voltaje tiene dos formas, ya sea como niveles lógicos altos o bajos lógicos, que representan valores binarios de 1 o 0.

En un convertidor de analógico a digital (ADC), la señal analógica de entrada se representa como una magnitud digital, mientras que un convertidor digital-analógico (DAC) convierte la magnitud digital de nuevo en una señal analógica.



Cómo funcionan los convertidores de digital a analógico

El proceso de conversión de digital a analógico se puede llevar a cabo mediante muchas técnicas diferentes.

Un método bien conocido utiliza una red de resistencias, conocida como red en escalera.

Una red de escalera está diseñada para aceptar entradas que involucran valores binarios típicamente a 0 V o Vref y entrega un voltaje de salida equivalente a la magnitud de la entrada binaria.

La siguiente figura muestra una red en escalera que utiliza 4 voltajes de entrada, que representan 4 bits de datos digitales y una salida de voltaje de CC.

El voltaje de salida es proporcional al valor de entrada digital expresado por la ecuación:

Red de escalera DAC

Resolviendo el ejemplo anterior obtenemos el siguiente voltaje de salida:

Como vemos, una entrada digital de 01102se convierte en una salida analógica de 6 V.

El propósito de la red de escalera es cambiar las 16 magnitudes binarias potenciales
a través de 0000 a 1111 en una de las 16 cantidades de voltaje a intervalos de Vref/16.

Por lo tanto, puede ser posible procesar más entradas binarias al incluir un mayor número de unidades de escalera y lograr una cuantificación más alta para cada paso.

Es decir, suponga que si usamos una red de escalera de 10 escalones, permitirá aumentar la cantidad de escalones de voltaje o la resolución a Vref/210o Vref/ 1024. En este caso, si usamos un voltaje de referencia Vref= 10 V generaría voltaje de salida en pasos de 10 V / 1024, o alrededor de 10 mV.

Por lo tanto, agregar más etapas de escalera nos dará una resolución proporcionalmente más alta.

Normalmente, para norte número de escalones de la escalera, esto se puede representar mediante la siguiente fórmula:

Vref/ 2norte

Diagrama de bloques DAC

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques de un DAC estándar que utiliza una red de escalera, referenciada como una escalera R-2R. Esto se puede ver bloqueado entre la fuente de corriente de referencia y los interruptores de corriente.

Los interruptores de corriente están vinculados con los interruptores binarios, produciendo una corriente de salida proporcional al valor binario de entrada.

Las entradas binarias alternan las respectivas patas de la escalera, lo que permite una corriente de salida que es una suma ponderada de la referencia actual.

Si es necesario, se pueden conectar resistencias con las salidas para interpretar el resultado como salida analógica.

DAC IC usando red de escalera R-2R.

Cómo funcionan los convertidores de analógico a digital

Hasta ahora discutimos cómo convertir señales digitales a analógicas, ahora aprendamos cómo hacer lo contrario, que es convertir una señal analógica en una señal digital. Esto se puede implementar a través de un método bien conocido llamado método de doble pendiente .

La siguiente figura muestra el diagrama de bloques del convertidor ADC de doble pendiente estándar.

Conversión de analógico a digital utilizando el método de doble pendiente: (a) diagrama lógico (b) forma de onda.

Aquí, se emplea un interruptor electrónico para transferir la señal de entrada analógica deseada a un integrador, también llamado generador de rampa. Este generador de rampa puede tener la forma de un condensador cargado con una corriente constante para generar la rampa lineal. Esto produce la conversión digital requerida a través de una etapa de contador que funciona para intervalos de pendiente positiva y negativa del integrador.

El método puede entenderse con la siguiente descripción:

El rango de medición completo del contador decide el intervalo de tiempo fijo. Para este intervalo, la tensión analógica de entrada aplicada al integrador hace que la tensión de entrada del comparador se eleve a algún nivel positivo.

Refiriéndose a la sección (b) del diagrama anterior, muestra que el voltaje del integrador al final del intervalo de tiempo fijo es más alto que el voltaje de entrada que es de mayor magnitud.

Cuando finaliza el intervalo de tiempo fijo, el conteo se establece en 0, lo que solicita al interruptor electrónico que conecte el integrador a un nivel de voltaje de entrada de referencia fijo. Después de esto, la salida del integrador, que también es la entrada del condensador, comienza a caer a una tasa constante.

Durante este período, el contador sigue avanzando, mientras que la salida del integrador continúa cayendo a una tasa constante, hasta que desciende por debajo del voltaje de referencia del comparador. Esto hace que la salida del comparador cambie de estado y activa la etapa lógica de control para detener el conteo.

La magnitud digital almacenada dentro del contador se convierte en la salida digital del convertidor.

El uso de un reloj común y una etapa de integración durante los intervalos de pendiente positiva y negativa agrega algún tipo de compensación para controlar la deriva de la frecuencia del reloj y el límite de precisión del integrador.

Puede ser posible escalar la salida del contador según las preferencias del usuario configurando adecuadamente el valor de entrada de referencia y la frecuencia de reloj. Podemos tener el contador como binario, BCD o en otro formato digital, si es necesario.

Usando Ladder Network

El método de red de escalera que utiliza etapas de contador y comparador es otra forma ideal de implementar la conversión de analógico a digital. En este método, un contador comienza a contar desde cero, lo que impulsa una red de escalera, generando un voltaje creciente escalonado, parecido a una escalera (consulte la figura siguiente).

Proceso de conversión de analógico a digital utilizando una red de escalera: (a) diagrama lógico (b) diagrama de forma de onda.

El proceso permite que el voltaje aumente con cada paso de conteo.

Un comparador supervisa este aumento de voltaje de escalera y lo compara con el voltaje de entrada analógica. Tan pronto como el comparador detecta que el voltaje de escalera está por encima de la entrada analógica, su salida solicita detener el conteo.

El valor del contador en este punto se convierte en el equivalente digital de la señal analógica.

El nivel de cambio en el voltaje generado por los pasos de la señal de escalera está determinado por la cantidad de bits de conteo utilizados.

Por ejemplo, un contador de 12 etapas que usa una referencia de 10 V operará una red de escalera de 10 etapas con voltajes de paso de:

Vref/212= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Esto creará una resolución de conversión de 2,4 mV. El tiempo necesario para la ejecución de la conversión está determinado por la frecuencia de reloj del contador.

Si se utiliza la frecuencia de reloj de 1 MHz para operar un contador de 12 etapas, el tiempo máximo necesario para la conversión sería:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

El menor número de conversiones posibles por segundo se puede encontrar como:

No. de conversiones = 1 / 4.1 ms ≈ 244 conversiones / segundo

Factores que influyen en el proceso de conversión

Teniendo en cuenta que algunas conversiones pueden exigir más y otras pueden requerir un tiempo de recuento menor, normalmente un tiempo de conversión = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms puede ser un buen valor.

Esto producirá un número de conversiones de 2 x 244 = 488 en promedio.

Una frecuencia de reloj más lenta significaría menos conversiones por segundo.

Un convertidor que funcione con un número menor de etapas de conteo (baja resolución) tendría una tasa de conversión más alta.

La precisión del convertidor está determinada por la precisión del compartimento.




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