¿Qué es el convertidor analógico a digital y su funcionamiento?

¿Qué es el convertidor analógico a digital y su funcionamiento?

Casi todos los parámetros ambientales medibles están en forma analógica como temperatura, sonido, presión, luz, etc. Considere una temperatura Sistema de monitoreo donde adquirir, analizar y procesar datos de temperatura de sensores no es posible con computadoras y procesadores digitales. Por lo tanto, este sistema necesita un dispositivo intermedio para convertir los datos de temperatura analógicos en datos digitales para comunicarse con procesadores digitales como microcontroladores y microprocesadores. El convertidor de analógico a digital (ADC) es un circuito integrado electrónico que se utiliza para convertir las señales analógicas, como los voltajes, en formato digital o binario que consta de unos y ceros. La mayoría de los ADC toman una entrada de voltaje de 0 a 10 V, de -5 V a + 5 V, etc. y, en consecuencia, producen una salida digital como una especie de número binario.

¿Qué es el convertidor de analógico a digital?

Un convertidor que se utiliza para cambiar la señal analógica a digital se conoce como convertidor analógico a digital o convertidor ADC. Este convertidor es un tipo de circuito integrado o IC que convierte la señal directamente de forma continua a forma discreta. Este convertidor se puede expresar en A / D, ADC, A a D. La función inversa de DAC no es más que ADC. El símbolo del convertidor de analógico a digital se muestra a continuación.


El proceso de conversión de una señal analógica a digital se puede realizar de varias formas. Hay diferentes tipos de chips ADC disponibles en el mercado de diferentes fabricantes como la serie ADC08xx. Por lo tanto, se puede diseñar un ADC simple con la ayuda de componentes discretos.



Las principales características de ADC son la frecuencia de muestreo y la resolución de bits.

  • La frecuencia de muestreo de un ADC no es más que lo rápido que un ADC puede convertir la señal de analógica a digital.
  • La resolución de bits no es más que cuánta precisión puede un convertidor analógico a digital puede convertir la señal de analógica a digital.
Conversor analógico a digital

Conversor analógico a digital

Uno de los principales beneficios del convertidor ADC es la alta tasa de adquisición de datos incluso en entradas multiplexadas. Con la invención de una amplia variedad de ADC circuitos integrados (IC), la adquisición de datos de varios sensores se vuelve más precisa y rápida. Las características dinámicas de los ADC de alto rendimiento son una repetibilidad de medición mejorada, bajo consumo de energía, rendimiento preciso, alta linealidad, excelente relación señal-ruido (SNR), etc.

Una variedad de aplicaciones de los ADC son sistemas de control y medición, instrumentación industrial, sistemas de comunicación y todos los demás sistemas basados ​​en sensores. Clasificación de ADC en función de factores como rendimiento, tasas de bits, potencia, costo, etc.


Diagrama de bloques de ADC

El diagrama de bloques de ADC se muestra a continuación, que incluye muestra, retención, cuantificación y codificador. El proceso de ADC se puede realizar de la siguiente manera.

En primer lugar, la señal analógica se aplica al primer bloque, es decir, a una muestra, siempre que se pueda muestrear a una frecuencia de muestreo exacta. El valor de amplitud de la muestra, como un valor analógico, puede mantenerse y mantenerse dentro del segundo bloque como Hold. La muestra retenida se puede cuantificar en un valor discreto a través del tercer bloque como cuantizar. Finalmente, el último bloque como codificador cambia la amplitud discreta en un número binario.

En ADC, la conversión de la señal de analógica a digital se puede explicar a través del diagrama de bloques anterior.

Muestra

En el bloque de muestra, la señal analógica se puede muestrear en un intervalo de tiempo exacto. Las muestras se utilizan en amplitud continua y tienen valor real, sin embargo, son discretas con respecto al tiempo. Al convertir la señal, la frecuencia de muestreo juega un papel fundamental. Por lo tanto, se puede mantener a un ritmo preciso. Según los requisitos del sistema, la frecuencia de muestreo se puede fijar.

Sostener

En ADC, HOLD es el segundo bloque y no tiene ninguna función porque simplemente retiene la amplitud de la muestra hasta que se toma la siguiente muestra. Entonces, el valor de retención no cambia hasta la siguiente muestra.

Cuantizar

En ADC, este es el tercer bloque que se utiliza principalmente para la cuantificación. La función principal de esto es convertir la amplitud de continua (analógica) a discreta. El valor de amplitud continua dentro del bloque de retención se mueve a lo largo del bloque de cuantización para convertirse en amplitud discreta. Ahora, la señal estará en forma digital porque incluye tanto amplitud discreta como tiempo.

Codificador

El bloque final en ADC es un codificador que convierte la señal de forma digital a binaria. Sabemos que un dispositivo digital funciona mediante señales binarias. Por lo tanto, es necesario cambiar la señal de digital a binaria con la ayuda de un codificador. Así que este es el método completo para cambiar una señal analógica a digital usando un ADC. El tiempo necesario para la conversión completa se puede realizar en un microsegundo.

Proceso de conversión de analógico a digital

Existen muchos métodos para convertir señales analógicas en señales digitales. Estos convertidores encuentran más aplicaciones como dispositivo intermedio para convertir las señales de forma analógica a digital, mostrar la salida en LCD a través de un microcontrolador. El objetivo de un convertidor A / D es determinar la palabra de señal de salida correspondiente a una señal analógica. Ahora vamos a ver un ADC de 0804. Es un convertidor de 8 bits con una fuente de alimentación de 5V. Solo puede tomar una señal analógica como entrada.

Convertidor analógico a digital para señal

Convertidor analógico a digital para señal

La salida digital varía de 0 a 255. ADC necesita un reloj para funcionar. El tiempo necesario para convertir el valor analógico en digital depende de la fuente del reloj. Se puede asignar un reloj externo al pin CLK IN no 4. Se conecta un circuito RC adecuado entre los pines de entrada de reloj y R de reloj para usar el reloj interno. Pin2 es el pin de entrada: el pulso de alto a bajo lleva los datos del registro interno a los pines de salida después de la conversión. Pin3 es una escritura: se le da un pulso de bajo a alto al reloj externo. Los pines 11 a 18 son pines de datos de MSB a LSB.

El convertidor analógico a digital muestrea la señal analógica en cada flanco ascendente o descendente del reloj de muestra. En cada ciclo, el ADC obtiene la señal analógica, la mide y la convierte en un valor digital. El ADC convierte los datos de salida en una serie de valores digitales aproximando la señal con precisión fija.

En los ADC, dos factores determinan la precisión del valor digital que captura la señal analógica original. Estos son el nivel de cuantificación o la tasa de bits y la tasa de muestreo. La siguiente figura muestra cómo se lleva a cabo la conversión de analógico a digital. La tasa de bits decide la resolución de la salida digitalizada y puede observar en la siguiente figura dónde se usa ADC de 3 bits para convertir la señal analógica.

Proceso de conversión de analógico a digital

Proceso de conversión de analógico a digital

Suponga que la señal de un voltio debe convertirse de digital utilizando ADC de 3 bits como se muestra a continuación. Por lo tanto, hay un total de 2 ^ 3 = 8 divisiones disponibles para producir una salida de 1V. Este resultado 1/8 = 0,125 V se llama como cambio mínimo o nivel de cuantificación representado para cada división como 000 para 0 V, 001 para 0,125 e igualmente hasta 111 para 1 V. Si aumentamos las tasas de bits como 6, 8, 12, 14, 16, etc. obtendremos una mejor precisión de la señal. Por tanto, la tasa de bits o la cuantificación dan el cambio de salida más pequeño en el valor de la señal analógica que resulta de un cambio en la representación digital.

Suponga que si la señal es de aproximadamente 0-5 V y hemos usado ADC de 8 bits, entonces la salida binaria de 5 V es 256. Y para 3 V es 133 como se muestra a continuación.

Fórmula ADC

Existe una posibilidad absoluta de tergiversar la señal de entrada en el lado de salida si se muestrea a una frecuencia diferente a la deseada. Por tanto, otra consideración importante del ADC es la frecuencia de muestreo. El teorema de Nyquist establece que la reconstrucción de la señal adquirida introduce distorsión a menos que se muestree al (mínimo) dos veces la tasa del contenido de frecuencia más grande de la señal, como se puede observar en el diagrama. Pero esta tasa es de 5 a 10 veces la frecuencia máxima de la señal en la práctica.

Tasa de muestreo del convertidor analógico a digital

Tasa de muestreo del convertidor analógico a digital

Factores

El rendimiento de ADC se puede evaluar a través de su rendimiento en función de diferentes factores. A partir de ahí, los siguientes dos factores principales se explican a continuación.

SNR (relación señal-ruido)

La SNR refleja el número medio de bits sin ruido en una muestra en particular.

Banda ancha

El ancho de banda de un ADC se puede determinar estimando la frecuencia de muestreo. La fuente analógica se puede muestrear por segundo para producir valores discretos.

Tipos de convertidores analógicos a digitales

ADC está disponible en diferentes tipos y algunos de los tipos de analógico a digital convertidores incluir:

  • Convertidor A / D de pendiente doble
  • Convertidor Flash A / D
  • Sucesivo Aproximación Convertidor A / D
  • ADC semi-flash
  • Sigma-Delta ADC
  • ADC canalizado

Convertidor A / D de pendiente doble

En este tipo de convertidor ADC, el voltaje de comparación se genera mediante el uso de un circuito integrador que está formado por una resistencia, un condensador y amplificador operacional combinación. Por el valor establecido de Vref, este integrador genera una forma de onda de diente de sierra en su salida desde cero hasta el valor Vref. Cuando se inicia la forma de onda del integrador, el contador comienza a contar de 0 a 2 ^ n-1 donde n es el número de bits de ADC.

Convertidor analógico a digital de doble pendiente

Convertidor analógico a digital de doble pendiente

Cuando el voltaje de entrada Vin es igual al voltaje de la forma de onda, el circuito de control captura el valor del contador, que es el valor digital del valor de entrada analógica correspondiente. Este ADC de doble pendiente es un dispositivo de baja velocidad y costo relativamente medio.

Convertidor Flash A / D

Este IC convertidor ADC también se llama ADC paralelo, que es el ADC eficiente más utilizado en términos de velocidad. Este circuito convertidor flash analógico a digital consta de una serie de comparadores donde cada uno compara la señal de entrada con un voltaje de referencia único. En cada comparador, la salida será un estado alto cuando el voltaje de entrada analógica exceda el voltaje de referencia. Esta salida se da además a la codificador de prioridad para generar código binario basado en la actividad de entrada de orden superior ignorando otras entradas activas. Este tipo de flash es un dispositivo de alta velocidad y alto costo.

Convertidor Flash A / D

Convertidor Flash A / D

Convertidor A / D de aproximación sucesiva

El SAR ADC es un ADC IC más moderno y mucho más rápido que los ADC de doble pendiente y flash, ya que utiliza una lógica digital que converge el voltaje de entrada analógica al valor más cercano. Este circuito consta de un comparador, pestillos de salida, registro de aproximación sucesiva (SAR) y convertidor D / A.

Convertidor A / D de aproximación sucesiva

Convertidor A / D de aproximación sucesiva

Al principio, el SAR se restablece y, a medida que se introduce la transición de BAJO a ALTO, se establece el MSB del SAR. Luego, esta salida se le da al convertidor D / A que produce un equivalente analógico del MSB, además se compara con la entrada analógica Vin. Si la salida del comparador es BAJA, el SAR borrará el MSB; de lo contrario, el MSB se establecerá en la siguiente posición. Este proceso continúa hasta que se prueban todos los bits y después de Q0, el SAR hace que las líneas de salida paralelas contengan datos válidos.

ADC semi-flash

Estos tipos de conversiones de analógico a digital funcionan principalmente aproximadamente en su tamaño de limitación a través de dos convertidores flash separados, donde la resolución de cada convertidor es la mitad de los bits para el dispositivo semi empotrado. La capacidad de un solo convertidor flash es que maneja los MSB (bits más significativos) mientras que el otro maneja los LSB (bits menos significativos).

Sigma-Delta ADC

Sigma Delta ADC (ΣΔ) es un diseño bastante reciente. Son extremadamente lentos en comparación con otros tipos de diseños, sin embargo, ofrecen la máxima resolución para todo tipo de ADC. Por lo tanto, son extremadamente compatibles con aplicaciones de audio basadas en alta fidelidad, sin embargo, normalmente no se pueden utilizar donde se requiera un alto BW (ancho de banda).

ADC canalizado

Los ADC canalizados también se conocen como cuantificadores de subrango que están relacionados en concepto con aproximaciones sucesivas, aunque son más sofisticados. Si bien las aproximaciones sucesivas crecen en cada paso al pasar al siguiente MSB, este ADC utiliza el siguiente proceso.

  • Se utiliza para una conversión gruesa. Después de eso, evalúa ese cambio hacia la señal de entrada.
  • Este convertidor actúa como una mejor conversión al permitir una conversión temporal con un rango de bits.
  • Por lo general, los diseños canalizados ofrecen un punto central entre los SAR, así como convertidores flash analógicos a digitales al equilibrar su tamaño, velocidad y alta resolución.

Ejemplos de convertidores analógicos a digitales

Los ejemplos de convertidor de analógico a digital se analizan a continuación.

ADC0808

ADC0808 es un convertidor que tiene 8 entradas analógicas y 8 salidas digitales. ADC0808 nos permite monitorear hasta 8 transductores diferentes usando un solo chip. Esto elimina la necesidad de ajustes externos de cero y de escala completa.

ADC0808 IC

ADC0808 IC

ADC0808 es un dispositivo CMOS monolítico, ofrece alta velocidad, alta precisión, dependencia mínima de la temperatura, excelente precisión y repetibilidad a largo plazo y consume un mínimo de energía. Estas características hacen que este dispositivo sea ideal para aplicaciones desde el control de procesos y máquinas hasta aplicaciones de consumo y automotrices. El diagrama de pines del ADC0808 se muestra en la siguiente figura:

Características

Las principales características de ADC0808 incluyen las siguientes.

  • Interfaz sencilla para todos los microprocesadores
  • No se requiere ningún ajuste a escala completa o cero
  • Multiplexor de 8 canales con lógica de dirección
  • Rango de entrada de 0 V a 5 V con una fuente de alimentación única de 5 V
  • Las salidas cumplen con las especificaciones de nivel de voltaje TTL
  • Paquete de chip portador con 28 pines

Especificaciones

Las especificaciones de ADC0808 incluyen lo siguiente.

  • Resolución: 8 bits
  • Error total sin ajustar: ± ½ LSB y ± 1 LSB
  • Suministro único: 5 VCC
  • Baja potencia: 15 mW
  • Tiempo de conversión: 100 μs

Generalmente, la entrada ADC0808 que debe cambiarse a formato digital se puede seleccionar usando tres líneas de dirección A, B, C que son los pines 23, 24 y 25. El tamaño del paso se elige dependiendo del valor de referencia establecido. El tamaño del paso es el cambio en la entrada analógica para provocar un cambio de unidad en la salida del ADC. ADC0808 necesita un reloj externo para funcionar, a diferencia de ADC0804 que tiene un reloj interno.

La salida digital continua de 8 bits correspondiente al valor instantáneo de la entrada analógica. El nivel más extremo de la tensión de entrada debe reducirse proporcionalmente a + 5V.

El ADC 0808 IC requiere una señal de reloj de típicamente 550 kHz, ADC0808 se usa para convertir los datos a la forma digital requerida para el microcontrolador.

Aplicación de ADC0808

El ADC0808 tiene muchas aplicaciones aquí, le hemos dado algunas aplicaciones en ADC:

Desde el circuito de abajo, los pines de reloj, inicio y EOC están conectados a un microcontrolador. Generalmente, tenemos 8 entradas aquí, estamos usando solo 4 entradas para la operación.

Circuito ADC0808

Circuito ADC0808

  • El sensor de temperatura LM35 está usando el cual está conectado a las primeras 4 entradas del CI convertidor analógico a digital. El sensor tiene 3 pines, es decir, VCC, GND y pines de salida cuando el sensor calienta el voltaje en la salida aumenta.
  • Las líneas de dirección A, B, C están conectadas al microcontrolador para los comandos. En esto, la interrupción sigue a la operación de baja a alta.
  • Cuando el pin de inicio se mantiene alto, no comienza la conversión, pero cuando el pin de inicio es bajo, la conversión comenzará dentro de los 8 períodos de reloj.
  • En el momento en que se completa la conversión, el pin EOC baja para indicar el final de la conversión y los datos están listos para ser recogidos.
  • La salida habilita (OE) luego se eleva. Esto habilita las salidas TRI-STATE, lo que permite leer los datos.

ADC0804

Ya sabemos que los convertidores de analógico a digital (ADC) son los dispositivos más utilizados para asegurar la información para traducir las señales analógicas a números digitales para que el microcontrolador pueda leerlos fácilmente. Hay muchos convertidores ADC como ADC0801, ADC0802, ADC0803, ADC0804 y ADC080. En este artículo, vamos a discutir el convertidor ADC0804.

ADC0804

ADC0804

ADC0804 es un convertidor de analógico a digital de 8 bits de uso muy común. Funciona con voltaje de entrada analógica de 0V a 5V. Tiene una sola entrada analógica y 8 salidas digitales. El tiempo de conversión es otro factor importante al juzgar un ADC, en ADC0804 el tiempo de conversión varía según las señales de reloj aplicadas a los pines CLK R y CLK IN, pero no puede ser más rápido que 110 μs.

Descripción de clavijas de ADC804

Pin 1 : Es un pin de selección de chip y activa ADC, activo bajo

Pin 2: Es un pin de entrada de alto a bajo pulso que trae los datos de los registros internos a los pines de salida después de la conversión

Pin 3: Es un pin de entrada de pulso bajo a alto para iniciar la conversión.

Pin 4: Es un pin de entrada de reloj, para darle al reloj externo

Pin 5: Es un pin de salida, baja cuando se completa la conversión

Pin 6: Entrada analógica no inversora

Pin 7: Entrada inversora analógica, normalmente a tierra

Pin 8: Tierra (0 V)

Pin 9: Es un pin de entrada, establece el voltaje de referencia para la entrada analógica

Pin 10: Tierra (0 V)

Pin 11 - Pin 18: Es un pin de salida digital de 8 bits.

Pin 19: Se usa con el pin Clock IN cuando se usa la fuente de reloj interno

Pin 20: Tensión de alimentación 5 V

Características de ADC0804

Las principales características de ADC0804 incluyen las siguientes.

  • Rango de voltaje de entrada analógica de 0 V a 5 V con suministro único de 5 V
  • Compatible con microcontroladores, el tiempo de acceso es de 135 ns
  • Interfaz sencilla para todos los microprocesadores
  • Las entradas y salidas lógicas cumplen con las especificaciones de nivel de voltaje MOS y TTL
  • Funciona con referencia de voltaje de 2.5V (LM336)
  • Generador de reloj en chip
  • No se requiere ajuste a cero
  • Paquete DIP de 20 pines de ancho estándar 0.3 [Prime]
  • Funciona con relación métrica o con 5 VCC, 2,5 VCC o referencia de voltaje ajustada de rango analógico
  • Entradas de tensión analógica diferencial

Es un convertidor de 8 bits con una fuente de alimentación de 5V. Solo puede tomar una señal analógica como entrada. La salida digital varía de 0 a 255. ADC necesita un reloj para funcionar. El tiempo necesario para convertir el valor analógico en digital depende de la fuente del reloj. Se puede dar un reloj externo a CLK IN. Pin2 es el pin de entrada: el pulso de alto a bajo lleva los datos del registro interno a los pines de salida después de la conversión. Pin3 es una escritura: se le da un pulso de bajo a alto al reloj externo.

Solicitud

Desde el circuito simple, el pin 1 de ADC está conectado a GND donde el pin 4 está conectado a GND a través de un condensador, los pines 2, 3 y 5 de ADC están conectados a 13, 14 y 15 pines del microcontrolador. Los pines 8 y 10 están en cortocircuito y conectados a GND, 19 pines del ADC están en el 4to pin a través de la resistencia 10k. Los pines 11 a 18 del ADC están conectados a 1 a 8 pines del microcontrolador que pertenece al puerto 1.

Circuito ADC0804

Circuito ADC0804

Cuando la lógica alta se aplica a CS y RD, la entrada se ha sincronizado a través del registro de desplazamiento de 8 bits, completando la búsqueda de tasa de absorción específica (SAR), en el siguiente pulso de reloj, la palabra digital se transfiere a la salida de tres estados. La salida de la interrupción se invierte para proporcionar una salida INTR que es alta durante la conversión y baja cuando se completa la conversión. Cuando hay un nivel bajo tanto en CS como en RD, se aplica una salida a las salidas DB0 a DB7 y la interrupción se restablece. Cuando las entradas CS o RD regresan a un estado alto, las salidas DB0 a DB7 se desactivan (regresan al estado de alta impedancia). Así, dependiendo de la lógica, la tensión varía de 0 a 5V que se transforma en un valor digital de resolución de 8 bits, siendo alimentada como entrada al puerto 1 del microcontrolador.

Proyectos usados ​​de componentes ADC0804
Proyectos usados ​​de componentes ADC0808

Prueba de ADC

La prueba del convertidor de analógico a digital necesita principalmente una fuente de entrada analógica, así como hardware para transmitir las señales de control, así como para capturar datos digitales o / p. Algunos tipos de ADC necesitan una fuente de señal de referencia precisa. El ADC se puede probar utilizando los siguientes parámetros clave

  • Error de compensación de CC
  • Disipación de potencia
  • Error de ganancia de CC
  • Rango dinámico libre de espurios
  • SNR (relación señal / ruido)
  • INL o no linealidad integral
  • DNL o no linealidad diferencial
  • THD o distorsión armónica total

La prueba de ADC o convertidores de analógico a digital se realiza principalmente por varias razones. Aparte de la razón, la sociedad de Instrumentación y Medición IEEE, el comité de generación y análisis de formas de onda desarrolló el Estándar IEEE para ADC para Terminología y Métodos de Prueba. Hay diferentes configuraciones de prueba generales que incluyen onda sinusoidal, forma de onda arbitraria, forma de onda escalonada y bucle de retroalimentación. Para determinar el rendimiento estable de los convertidores de analógico a digital, se utilizan diferentes métodos, como el basado en servo, el basado en rampa, la técnica de histograma de CA, la técnica de histograma de triángulo y la técnica física. La única técnica que se utiliza para las pruebas dinámicas es la prueba de onda sinusoidal.

Aplicaciones del convertidor analógico a digital

Las aplicaciones de ADC incluyen las siguientes.

  • En la actualidad, el uso de dispositivos digitales está aumentando. Estos dispositivos funcionan basándose en la señal digital. Un convertidor de analógico a digital juega un papel clave en este tipo de dispositivos para convertir la señal de analógica a digital. Las aplicaciones de los convertidores analógicos a digitales son ilimitadas y se analizan a continuación.
  • AC (aire acondicionado) incluye sensores de temperatura para mantener la temperatura dentro de la habitación. Entonces, esta conversión de temperatura se puede hacer de analógica a digital con la ayuda de ADC.
  • También se utiliza en un osciloscopio digital para convertir la señal de analógica a digital para mostrar.
  • ADC se utiliza para convertir la señal de voz analógica a digital en teléfonos móviles porque los teléfonos móviles utilizan señales de voz digitales, pero en realidad, la señal de voz es analógica. Entonces, ADC se usa para convertir la señal antes de enviar la señal hacia el transmisor del teléfono celular.
  • ADC se utiliza en dispositivos médicos como MRI y X-Ray para convertir las imágenes de analógicas a digitales antes de la alteración.
  • La cámara del móvil se utiliza principalmente para capturar imágenes y videos. Estos se almacenan en el dispositivo digital, por lo que se convierten a formato digital mediante ADC.
  • La música del casete también se puede convertir en un CDS y las unidades de memoria USB usan ADC.
  • En la actualidad ADC se utiliza en todos los dispositivos porque casi todos los dispositivos disponibles en el mercado están en versión digital. Entonces, estos dispositivos usan ADC.

Por lo tanto, se trata de una descripción general del convertidor de analógico a digital o convertidor ADC y sus tipos. Para facilitar la comprensión, en este artículo solo se analizan algunos convertidores ADC. Esperamos que este contenido proporcionado sea más informativo para los lectores. Cualquier otra consulta, duda y ayuda técnica sobre este tema puede comentar a continuación.

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