Convertidor digital analógico

CONVERTIDORES
DE DIGITAL
A ANALÓGICO
CAPITULO VII
CONVERTIDORES DE DIGITAL A ANALÓGICO
Un sistema digital nos entrega el resultado de lo que haya realizado en forma digital, de aquí
surge la necesidad nuevamente de representar esta en forma analógica o bien que nos represente esta
información en BCD o decimal.
Aquí es donde se emplea el Convertidor digital analógico o DAC.
Convertidor D/A empleando escala binaria de resistencias.
La técnica de utilizar una escala binaria de resistencias es uno de los métodos más antiguos y
simples para convertir dígitos binarios o bits en una señal analógica. El circuito básico del DAC consta de
un sumador analógico con amplificador operacional, un registro de almacenamiento y un juego de
interruptores analógicos.
El amplificador/sumador posee tantas entradas como bits tiene la palabra binaria que se quiere
convertir. El registro memoriza la señal digital de entrada y sus salidas comandan la apertura y cierre de
los interruptores analógicos. Un 0 aplicado a la entrada del control de cada interruptor lo abre y un 1 lo
cierra.
Cuando se almacena en el registro de entrada un 0000 binario, todos los interruptores analógicos
se abren. En estas condiciones, no hay voltaje aplicado a la entrada de las resistencias del amplificador
sumador. Por consiguiente, el voltaje de salida de este último es igual a 0 V.
Cuando se aplica un 0001, el interruptor S 1 se cierra. Esto provoca que se apliquen –10 V a la
resistencia R1. Puesto que la entrada (-) del amplificador operacional es una tierra virtual, efectivamente
hay – 10 V sobre la resistencia de 8 K.
Como resultado, a través de la resistencia de realimentación (R f = 800) circula una corriente de
10 V/8000, es decir de 1.25 mA. Aplicando la ley de Ohm, el voltaje en la resistencia Rf debe ser, por
tanto, igual a 800 x 1.25 mA, es decir 1 V.
Cuando la palabra binaria de entrada cambia a 0010, se abre el interruptor S 1 y se cierra el
interruptor S2. Esto causa que una corriente de 2.5 mA (10 V/4000) fluya por R2 y Rf. El voltaje a través
de Rf es, ahora, 800 x 2.5 mA = 2 V.
De igual manera, una palabra binaria igual a 0100 generará 4 V en la salida y una igual a 1000
nos dará 8 V de salida.
Observar como los valores de las resistencias de entrada y salida se seleccionan
cuidadosamente para generar una progresión binaria (16, 8, 4, 2, 1). Los interruptores deben operarse en
todas las combinaciones para lograr una salida analógica desde 0 V hasta 15 V en incrementos de 1 V.
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Fig. 7.1 Convertidor DAC de escala binaria
Aunque este tipo de convertidor es muy sencillo, no es práctico cuando se emplean palabras
binarias de más de 4 bits, ya que la cantidad de resistencias requeridas para obtener la progresión
binaria es muy grande.
Convertidor D/A usando resistencias conectadas en escalera
Este tipo de convertidor emplea una red de resistencias en escalera (ladder) conocida como red
“R-2R”.
El DAC consta de una fuente de referencia (Vref) que observa una resistencia de valor R
(equivalente a toda la red R-2R) conectada a tierra y, por consiguiente, emite una corriente de entrada I in
igual Vref/R.
Esta corriente (Iin) se divide en dos partes iguales: una que circula por la primera resistencia de
valor 2R y otra que se dirige hacia el interior de la red. En la siguiente juntura o nodo de la red sucede lo
mismo, es decir, la mitad de la corriente se encamina a tierra por la resistencia 2R y lo que resta se
interna más en la red. Como resultado, el conjunto de resistencias 2R tiene corrientes de valores iguales
a ½ Iin, ¼ Iin, 1/8 Iin, 1/16 Iin, etc.
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R
I in
V ref.
+
_
R
R
2R
2R
2R
B0
B1
B2
R
2R
2R
B3
Rf= R
I in
+
V out
Fig. 7.2 DAC de red R-2R.
Cada uno de los interruptores conectados a la entrada de la red R-2R, simula un bit de las
entradas digitales al convertidor. Cuando el bit es 0, el interruptor correspondiente lleva la corriente que
circula por la resistencia 2R a tierra. Cuando este bit vale 1, la enruta a la entrada de suma del
amplificador.
Fig. 7.3 Estructura de un DAC de red R-2R.
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La palabra binaria 0000, por ejemplo, abre todos los interruptores y, por tanto, coloca 0 V en la
salida del convertidor. Del mismo modo, 1000 cierra el interruptor S1 y produce 5 V; 0100 cierra S2 y
produce 2.5 V; 0010 cierra S3 y produce 1.25 V; etc. Note que cada salida corresponde a una progresión
binaria. Lo anterior permite a la salida variar entre 0 y 10 V en incrementos de 0.625 V.
Parámetros de los convertidores D/A
Un DAC tiene varios parámetros que deben considerarse en el momento de una selección para
una aplicación determinada. Los tres más importantes son:
Resolución.
La resolución de un DAC esta dada por el número de niveles de voltaje analógico que es capaz
de generar. Este parámetro esta relacionado directamente con el número de bits de entrada que
conforman la palabra binaria. Un convertidor D/A de cuatro bits tiene una resolución de 4. El número de
niveles de voltaje analógico que es capaz de generar es de 2 n = 24 = 16.
Lo anterior significa que la salida analógica debe estar representada por 16 niveles de voltaje. Un
DAC de 8 bits proporciona 256 niveles diferentes de voltaje. Un DAC de 12 bits puede entregar hasta
4096 niveles de voltaje analógico. En general, cuantos más bits tenga un convertidor D/A, más exactitud
se logrará en la salida analógica.
Tiempo de estabilización.
Este parámetro describe el tiempo que requiere la salida analógica para estabilizarse después
que la palabra binaria aparece en la entrada. Usualmente se especifica como el tiempo que toma la
salida para estabilizarse dentro de un rango igual al valor correspondiente a +/- ½ LSB del cambio en la
palabra de entrada.
Si un DAC de 8 bits tiene un rango entre 0 y 10 volts, entonces el valor que corresponde al LSB
es igual a 10V/28 = 10V/256 = 0.039 V. La mitad de este valor es 0.0195 V. El tiempo de estabilización es
el que se requiere para que la salida alcance 0.0195 V del valor esperado. Típicamente, el tiempo de
estabilización es del orden de 10 S.
Exactitud.
La exactitud se define como la variación +/- (positiva o negativa) desde la mitad (1/2) hasta 2 veces el
valor de un LSB. Por ejemplo, para un DAC con una exactitud de +/- 1 LSB , el voltaje de salida analógico
puede variar tanto como el valor equivalente a un bit.
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