TEMA 12. CONVERSORES D/A y A/D - OCW Usal

TEMA 12. CONVERSORES
D/A y A/D
http://www.tech-faq.com/wp-content/uploads/images/integrated-circuit-layout.jpg
IEEE 125 Aniversary: http://www.flickr.com/photos/ieee125/with/2809342254/
Raúl Rengel Estévez: [email protected]
María Jesús Martín Martínez : [email protected]
TEMA 12. CONVERSORES D/A y A/D
- Introducción
- Circuitos conversores de señal digital a
analógica
- Circuitos conversores de señal analógica a
digital
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
INTRODUCCIÓN
Señales analógicas (continuas) y digitales (nº finito de valores)
Ventajas del procesado digital de señales:
El procesado de datos digitales es más completo, más barato y
mas rápido más eficiente que el analógico
Mucha mayor facilidad de transmisión
Los circuitos digitales son más fiables
El almacenamiento es más compacto
Las magnitudes físicas con las que convivimos son analógicas o
continuas (Tª, presión, velocidad, voltaje, etc)
También la percepción de los sentidos del ser humano
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
INTRODUCCIÓN
Necesario convertir señales analógicas a digitales y viceversa
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
INTRODUCCIÓN
DIGITALIZACION: La representación digital de una cantidad analógica
Muestreo de valores en tiempo
Digitalización de los valores: supone
un redondeo en su valor, estando la
precisión determinada por el número
de bits considerado
Se define la resolución como
=
1
2n − 1
siendo n el número de bits
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
INTRODUCCIÓN
El principio de operación de los circuitos conversores se basa en los
mismos postulados de la representación binaria de cantidades
Toda representación de números no es más que una suma
ponderada
n −1
= ∑ ai 2i
i =0
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE DIGITAL A ANALÓGICO
Vamos a convertir un número de n bits en un valor tensión analógico
Conversor de resistencias ponderadas
R0
V0
2 n-2R
2i-1R
R
I
2 n-1R
2R
A
+
D. Pardo, et al. 1999
a n-1
a n-2
a n-i
a1
La tensión en la salida será
a0
V0 = − R0 I =
−VR R0
2
n −1
= k
R
La sensibilidad del circuito puede verse afectada por la dispersión de
los valores elevados de resistencia para los bits menos significativos
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE DIGITAL A ANALÓGICO
Conversor de red en escalera
R 0 = 3R
Nodo n-1
Nodo 0
R
2R
2R
a0
R
R
2R
2R
a n-3
I
2R
a n-2
V0
A
2R
R
+
D. Pardo, et al. 1999
a n-1
La disposición de las resistencias hace que desde cualquiera de los
nodos se vea una resistencia equivalente hacia el amplificador de 2R, y
hacia atrás también
De este modo, la resistencia vista desde cada nodo es R
La salida será
n
V0 = −VR ∑ an −i 2
i =1
−i
= −VR 2
−n
n −1
i
−n
∑ ai 2 = −VR 2 = k
i =0
donde k puede ajustarse a través de VR y la ganancia del amplificador
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE DIGITAL A ANALÓGICO
En el caso de señales codificadas (ej., BCD) el proceso es similar
Al amplificador
R
2R
a2,3
Rs
4R
a2,2
R
8R
a2,1
Centenas
Rs
a2,0
a1,3
R
4R
2R
a1,2
8R
a1,1 a1,0
Decenas
a0,3
4R
2R
a0,2
a0,1
R0
8R
a0,0
Unidades
D. Pardo, et al. 1999
La rapidez de estos circuitos está marcada por el amplificador de
salida
Dado que la señal se recibe en paralelo, son capaces de trabajar a
altas frecuencias (especialmente los de red en escalera, al emplear
resistencias menores)
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CONVERSORES DE ANALÓGICO A DIGITAL
A partir de una señal analógica, el objetivo es generar un conjunto
de bits que la represente
La resolución está limitada por el número de bits elegido
Conversor por comparaciones sucesivas: se basa en el siguiente
algoritmo (para 2 bits)
≥ 3/4
11
10
≥ 1 /2
< 3/4
10
10
≥ 1/4
01
< 1 /2
01
D. Pardo, et al. 1999
< 1/4
00
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CONVERSORES DE ANALÓGICO A DIGITAL
Conversor A/D por comparaciones sucesivas
Registro de desplazamiento
de n bits
• El programador lógico
genera la secuencia 100… y la
transfiere al registro
Registro de almacenamiento
de n bits
• Se convierte el número a
analógico y se compara con la
tensión de entrada
Reloj
Start
Programador
Lógico
an-1
an-2
Vin
(analog.)
a1
a0
Comp.
Conversor D → A
D. Pardo, et al. 1999
VR (referencia)
• El resultado hace que se
conserve o no el primer
número significativo en el
programador y se pase a
poner el siguiente bit a 1,
volviendo a efectuarse una
comparación
• Se prosigue la secuencia
hasta completar los n bits
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE ANALÓGICO A DIGITAL
Vref.
Vin
R
2n-1
El conversor A/D por
comparaciones sucesivas
presenta un inconveniente:
velocidad reducida
Puede mejorarse la
velocidad efectuando las
comparaciones de manera
simultánea para obtener los n
bits en paralelo, lo cual
aumenta notablemente la
complejidad del circuito
Comparadores
Analógicos
R
2n-2
Circuito
de
codificación
An-1
An-2
R
A1
1
A0
R
0
R
D. Pardo, et al. 1999
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE ANALÓGICO A DIGITAL
Conversor A/D con contador en rampa
El programador lógico es sustituido por un contador debidamente
controlado
Start
Reloj
Stop
Contador de n bits
Reset
R
e
g
i
s
t
r
o
Vin (analog.)
Comp.
an-1
an-2
a1
a0
Conversor D → A
D. Pardo, et al. 1999
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE ANALÓGICO A DIGITAL
Conversor A/D con contador en rampa
Se puede mejorar este diseño con un contador up/down
Reloj
Contador up/down de n bits
an-1
an-2
Vin (analog.)
a1
a0
Compar.
Conversor D → A
D. Pardo, et al. 1999
El contador puede ir hacia delante y atrás, mejorando la eficiencia
de la comparación
El bit menos significativo es inestable, por lo que se suelen diseñar
con un bit más de los deseados
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TEMA 12. CONVERSORES D/A Y A/D
CONVERSORES DE ANALÓGICO A DIGITAL
Un único conversor A/D puede convertir varias señales con la ayuda
de un multiplexor
Es necesario también un muestreador-mantenedor, que muestrea
cada señal y mantiene su valor hasta que pueda ser aplicada a la
entrada del conversor A/D
La frecuencia de las señales analógicas no puede ser excesivamente
grande
Muestreo y
retención
D. Pardo, et al. 1999
v1
Entradas
analógicas
Multiplexor
Conversor A/D
Sistema
electrónico
vn
Selección de canal
Control de muestreo-retención
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Agradecimientos
Daniel Pardo Collantes, Área de Electrónica, Departamento de Física Aplicada de la
Universidad de Salamanca.
Referencias
Pardo Collantes, Daniel; Bailón Vega, Luís A., “Elementos de
Electrónica”.Universidad de Valladolid. Secretariado de Publicaciones e Intercambio
Editorial.1999.
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