Conversores analógico-digitales

1. Introducción

Entre las señales válidas para los sistemas digitales y las señales analógicas que son las que habitualmente encontramos en la naturaleza es necesario realizar una conversión que permita comunicar los sistemas digitales con el exterior.

Esta comunicación se efectuar a en dos direcciones:

1. desde el sistema digital hacia el exterior, efectuando una conversión digital/analógica (D/A).

2. desde el exterior hacia el sistema digital, efectuando una conversión analógica/digital (A/D).

Existen una gran cantidad de conversores implementados mediante una combinación

de componentes electrónicos analógicos y digitales. La elección entre uno u otro diseño dependerá de las prestaciones que se requieran para cada aplicación.

2. Conversión digital/analógica (D/A) con ponderación binaria

Vamos a montar un sencillo sistema de conversión digital/analógica, en el que convertiremos la señal generada mediante un sistema digital para obtener una señal analógica a la salida del circuito. Nuestro sistema digital va a ser un contador integrado 74LS93A, circuito muy versátil, que permite, modificando las conexiones externas, configurarlo para efectuar una cuenta que podemos truncar en cualquier punto de la secuencia.

Utilizaremos, para construir las señales digitales que queremos convertir, las configuraciones del 74LS93A que se muestran en la figura 1 (analizar razonadamente, mediante el esquema de bloques del integrado que se anexa, como se genera cada secuencia):

Figura 1: Configuración de un contador modulo 16, 10 y 5 respectivamente

Las señales obtenidas Q0, Q1, Q2 y Q3 serán las señales digitales, cuyo valor (4 bits) vamos a convertir en una señal analógica. El valor de la señal digital es una simple cuenta que va desde cero hasta el modulo dado por la configuración respectiva, y por tanto su conversión analógica será una rampa lineal hasta dicho valor. Uno de los conversores D/A más simple es el de ponderación binaria, que se construye mediante una red de resistencias en el que los valores de las resistencias son inversamente proporcionales a los pesos binarios de cada bit digital de la señal de entrada al conversor. Mediante un amplificador operacional, convertimos la intensidad de corriente que circula por cada rama del circuito (y que será proporcional al peso del bit correspondiente), en una señal de voltaje analógica cuyo valor corresponderá al valor binario dado por los cuatro bits de la señal digital. Montar el siguiente circuito para el conversor D/A utilizaremos las resistencias dadas (cuyo valor nominal estándar diere ligeramente del idóneo indicado en el esquema), y el amplificador operacional del integrado LM741. Para alimentar el amplificador operacional es necesario conectar la alimentación del integrado a 􀀀12 V /+12 V , para lo que utilizaremos las dos fuentes de tensión interconectadas como indica la figura, creando un nodo intermedio a tierra, que será la referencia de tierra para todos el circuito. La alimentación de los otros circuitos integrados se realiza entre 0 y 5 V, utilizando la alimentación TTL de la fuente de tensión. Antes de conectar los integrados, comprobar la polaridad de las alimentaciones con el milímetro.

Las señales de entrada Q0, Q1, Q2 y Q3 del conversor, son las que obtenemos a la salida del contador 74LS93A y que debemos conectar respetando el peso de cada bit.

Una vez montado el circuito, efectuar las siguientes medidas:

1. Comprobar, visualizando en el osciloscopio las señales Q0, Q1, Q2 y Q3, si la secuencia generada por el contador en sus tres diferentes configuraciones es la correcta.

2. Superponer para visualizar en el osciloscopio la señal de reloj que introducimos en el contador, y la señal de salida Vout que obtenemos del conversor. Debemos obtener la conversión correcta para la señal de salida invertida (pulsar de forma prolongada la tecla correspondiente al canal 2 en el osciloscopio para ver la inversa de Vout), es decir, una rampa escalonada que crece linealmente y que se vuelve

Figura 2: Circuito de ponderación binaria

a iniciar una vez alcanzado el valor del modulo para el que hemos configurado el conversor. Realizar esta observación para las tres configuraciones dadas del contador y representar gráficamente la señal obtenida.

Elegir una de las configuraciones del contador para realizar las siguientes medidas:

1. Modificar el valor de Rvar y observar su efecto en la rampa de conversión. Construir

una grafica en que se represente (para unos cinco valores) el valor de la resistencia variable y el máximo de la rampa. >Se satura la rampa? Obtener el valor máximo de Rvar para que el amplificador no esté saturado. Modificar ligeramente (hasta +-13.5 V ) la alimentación del 741 y observar el efecto en la conversión. Obtener el valor de Rvar máximo para +-13.5 V de alimentación.

2. Modificar una de las resistencias de la red resistiva (por ejemplo cambiar el valor 2R por uno ligeramente mayor, utilizando para ello el potenciómetro, que habremos sustituido por una resistencia _ja de 100 k) y observar su efecto en la rampa de conversión. Variar diferentes ramas y anotar que escalones se modifican en cada caso.

3. Medir los tiempos de retardo para cada escalón de la rampa (respecto a la señal de referencia de reloj) y el tiempo de retardo de inicialización de la conversión (puesta a cero de la rampa). Aumentar la frecuencia de reloj y comprobar cómo se deforma la señal. Obtener la frecuencia máxima a la que el conversor funciona sin errores.

Explicar razonadamente los resultados de las medidas obtenidas en estos tres últimos puntos.

3. Conversor analógico/digital (A/D) paralelo

Se trata en este caso de digitalizar una señal de entrada analógica para obtener el valor de la magnitud de dicha señal expresada mediante una secuencia binaria. Hay una gran cantidad de diseños, muy variados, de conversores A/D, cuya precisión depende del número de bits de salida mediante los que digitalizamos la señal.

Vamos a montar un sencillo conversor en paralelo que digitaliza, dando una salida de dos bits (una precisión muy limitada), una señal analógica de entrada que obtendremos generando una señal sinodal con el generador de funciones. Para ello utilizaremos cuatro resistencias de 100 k, tres amplificadores operacionales de los cuatro que tiene el LM324 y un codificador con prioridad 74LS148. (NOTA: en este caso el integrado de los operacionales se alimenta con (0,+5 V ), como los otros, lo que simplifica el montaje en la board).

Antes de montar el circuito, efectuaremos un ensayo de conversión digital utilizando un único operacional en el que controlaremos la señal introducida por la entrada inversora del amplificador mediante la fuente de alimentación (Vcont), que podremos modificar, y convertiremos la señal sinoidal analógica que introducimos por la entrada no inversora a una señal cuadrada (digital ) que obtenemos en la salida. Observaremos el efecto del valor de la señal continua de control Vcont sobre la salida que obtenemos (realizar un esquema de la visualización de la conversión en el osciloscopio, en el que observaremos la señal analógica original y la señal digitalizada de forma simultánea). Observar el retardo que se produce y obtener la frecuencia máxima a la que el amplificador deja de digitalizar correctamente.

Una vez comprobada la función digitalizadora del operacional, montar el conversor completo de dos bits y visualizar en el osciloscopio la secuencia 0{3 generada por el conversor conforme va digitalizando la señal analógica (utilizar una señal sinoidal de que oscila entre 0 y 4 V ).

Figura 3: Configuración 74LS148

Notar las siguientes cuestiones en el montaje de la figura:

1. Los operacionales tienen la entrada inversora conectada a la señal que queremos digitalizar y la no inversora a cada uno de los niveles de voltaje en que hemos dividido el recorrido 0{VCC. Es lo contrario que hicimos en la prueba con un único operacional, ya que de esta manera obtenemos la digitalización invertida y podemos introducir las señales de salida de los operacionales directamente a la entrada del decodificador (entradas negadas, activas en bajo) para obtener el correcto funcionamiento del conversor A/D.

2. La entrada EI sirve para introducir una señal que marca el ritmo de muestreo. En nuestro caso, al estar conectada a LOW, (activa en baja) vamos a efectuar un muestreo continuo, por lo que el ritmo de la digitalización vendrá marcado por los retrasos de los operacionales y del decodificador.

3. Las salidas del decodificador también son activas en baja, por lo que para visualizarlas correctamente en el osciloscopio sin necesidad de utilizar inversores adicionales, vamos a utilizar la función inversora del propio osciloscopio, que se activa manteniendo pulsada unos segundos la tecla que hay junto a la entrada del canal.

Teniendo en cuenta todo lo anterior, y una vez comprobado el correcto funcionamiento del conversor A/D,

1. Comparar la señal analógica y cada uno de los bits significativos de salida (A0 y A1). Realizar un gráfico en el que se represente la señal analógica y los dos bits de salida en función del tiempo. Razonar el funcionamiento del conversor en sus dos etapas: los operacionales y el decodificador. Indicar por que el decodificador debe ser con prioridad.

2. Sobre la grafica anterior, estudiar el efecto de los retrasos de los operacionales midiendo el retardo de la señal intermedia en la línea 3 de entrada al decodificador. Calcular dicho retardo mediante la asimetría de la conversión. Medir el retardo total del decodificador, hallar cuanto retado corresponde a los operacionales y cuanto al decodificador.

3. Estimar la precisión obtenida en la digitalización.

4. Conversores D/A y A/D integrados

En los sistemas electrónicos no se suelen montar conversores construidos a partir de componentes discretos de menor rango, sino que se utilizan directamente circuitos integrados que contienen el conversor completo, en el que todos los componentes se han litografiado monolíticamente en silicio. Hay una gran oferta en el mercado. La casa Burr- Brown, fue la que originalmente dominaba el mercado de conversores. Actualmente ha sido absorbida por Texas Instrumentes, y todos sus productos han quedado incluidos en el catálogo de esta multinacional.

Mencionaremos dos de los conversores más utilizados, de los que os facilitamos parte de su hoja de especificaciones como Anexo a esta practica, aunque no vamos a utilizarlos.

ADC0804C, es un conversor analógico-digital de 8 bit por aproximaciones sucesivas en tecnología CMOS monolítica. La conversión se realiza mediante una red potenciométrica modificada de 256 resistencias. Incluye biestables para controlar el bus de datos que utiliza, lo que lo hace muy versátil y apto para incluirlos en sistemas que incluyan microprocesadores.

DAC80, es un conversor digital-analógico de 12 bit. Su salida analógica es muy robusta y estable, capaz de suministrar hasta 2;5mA a una carga externa sin degradar la conversión D/A. Además funciona correctamente en un amplio rango de temperaturas y voltajes de alimentación, con un consumo bastante bajo. Al ser también bajo su coste, este conversor es un de los más utilizados.

Mario Dominguez Zambrano

EES

Sección: 02