Datos analógicos en la vida diaria Introducción Como recordarás del módulo Fundamentos Fundamentos de la electrónica, la mayor parte de los datos que absorben los sentidos humanos es analógica. Un ejemplo típico son los sonidos que las personas oyen. De hecho, estos sonidos reflejan un cambio en la presión de aire. Este cambio vibra a través del aire y las vibraciones viajan hasta el oído. Todo esto es un sistema analógico. Los datos visuales procesados procesados por los ojos humanos también son analógicos.
Datos analógicos en la vida diaria ¿Por qué convertir los datos analógicos a formato digital? En muchos sistemas, los datos de entrada son datos analógicos, como presión, temperatura o intensidad de la luz. Muchos de los sistemas electrónicos que se usan en la vida di aria son digitales. Para funcionar en un sistema digital, los datos analógicos deben convertirse a formato digital. Para lograr esto, los datos se convierten primero a una tensión eléctrica, que puede tomar cualquier valor para reflejar los datos analógicos. Por ejemplo, medir la temperatura de un horno da como resultado el dibujo esquemático que se muestra. La radiación de calor del horno ll ega al sensor. El sensor traduce la intensidad de la radiación en una señal eléctrica, cuyo valor se ajusta a la temperatura del horno en un momento dado. Esta señal se convierte en una señal digital no-consecutiva - una señal en la que no todos los valores pueden representarse, sino que se representan en saltos determinados que dependen del sistema digital. Como puedes ver, el primer paso en el procesamiento de datos implica convertir señales analógicas a señales binarias. Luego de que los datos hayan sido procesados, es necesario convertirlos nuevamente nuevamente a señales analógicas.
Uso de números binarios para expresar valores analógicos En la actividad previa has visto el esquema de la figura, que describe el proceso de conversión. Los valores analógicos se presentan como números binarios en un circuito digital. Los dígitos binarios individuales toman un valor de 0 a 1 (lógico), de acuerdo con lo que sea necesario.
Lograr precisión al usar valores digitales Cuanto más precisa sea la cantidad que debe expresarse, mayor será la cantidad de bits necesarios en el mundo digital. Esto en general es verdadero cuando se desea tener mayor precisión. Para tener mayor precisión, se usan más dígitos, se operan más líneas de datos y se usa un número mayor de circuitos. Por ejemplo, cuando se transmiten datos a lo largo de líneas de comunicación, si se usan ocho líneas de comunicación comunicación,, el rango de valore valores s es
= 256 valores valores diferent diferentes. es.
Del mismo modo, si se necesita una resolución más precisa para alguna aplicación, pueden usarse más bits.
Lograr precisión al usar valores digitales La dificultad al aumentar la resolución o el número de líneas de comunicación es que la sensibilidad del sistema electrónico debe elevarse en concordancia. Supongamos que la tensión de salida varía de 0V a 1V, si hay 8 entradas (para un rango de resolución de 256), los saltos de tensión serán de 1/256V o 0,0039V. Para una resolución de 4096 se usan 12 entradas. En este caso, sin embargo, los saltos de tensión deben ser 1/4096 = 0,00024V. Estas diferencias necesitan que el sistema electrónico sea lo suficientemente sensible como para distinguir diferencias tan pequeñas.
Circuitos de ocho bits Se presume que los circuitos que examinarás de aquí en más son circuitos de ocho bits. Sin embargo, el modo de operación no depende de la cantidad de bits de entrada. En el resto de esta actividad, examinarás una serie de f ormas estándar para convertir datos analógicos a formato digital. Los diagramas que verás representan los convertidores como bloques, dado que la explicación del modo en que estos convertidores funcionan internamente excede el alcance de este módulo. En la práctica, hay circuitos integrados (CI) que realizan la conversió
Convertidores con contador Comparadores Para poder entender la operación de un convertidor analógico-digital básico (ADC), primero debes aprender acerca de otro tipo especializado de amplificador operacional . Como recordarás de la actividad previa, un amplificador operacional es un amplificador con alta impedancia de entrada y baja impedancia d e salida. Un comparador es un tipo especial de amplificador operacional, utilizado para comparar las tensiones de las dos entradas. Un circuito comparador básico, como el que se muestra, es operado sin el lazo de realimentación que has observado en los amplificadores sumadores que analizaste en la actividad anterior. El comparador utiliza una entrada como referencia y su salida indica si la segunda entrada es más alta o más baja que l a referencia.
Operación de un ADC Ahora analizarás la actividad de un convertidor analógico-digital (ADC) a nivel teórico. Como recordarás de la actividad anterior, un DAC convierte la palabra digital de su entrada en una señal analógica (tensión), que varía de 0V a una tensión máxima predeterminada. El ADC que analizarás ahora hace uso de un DAC para convertir datos analógicos a formato digital.
Operación de un ADC - Continuación Estudia el diagrama que se muestra. Las ocho entradas (D0 a D7) se originan a la salida de un contador binario de ocho bits. Al comienzo del proceso, el contador se reinicia a 0, de modo tal que todas las salidas queden en el estado lógico 0. Cuando todas l as salidas del contador estén en 0, todas las entradas del DAC también estarán en 0. Por lo tanto, se transmite un valor de salida 0 a la entrada negativa delcomparador. Suponiendo que hay datos analógicos de cualquier valor en la entrada "ingreso analógico" del comparador, la salida del comparador es alta.
Operación de un ADC - Continuación Dada una salida alta (1) desde el comparador, la compuerta AND de la figura transmitirá cuando se transmita un pulso de reloj. (La compuerta AND se muestra en formato de bloque y no en notación estándar). Se señala con el símbolo &). El valor 1 en el pulso del reloj da como resultado una salida de 1 de la compuerta AND, que se transmite al contador. Esto hace que el valor de salida del contador se eleve. En tanto la salida del DAC permanezca más baja que la señal de entrada analógica, los puls os del reloj se transmitirán al contador, y el contador continuará avanzando. Cuando la salida del DAC sea mayor que la señal de entrada analógica, el comparador dará como resultado una salida baja (0) y la compuerta AND se bloqueará. El contador permanecerá entonces en la última salida a la que haya ll egado antes de que se bloqueara la compuerta AND. La señal de salida del comparador también se transmite a un sistema de control (que no se muestra en el esquema) para señalar que se ha completado la conversión y que la palabra binaria en la salida "digital saliente" sea la correcta. El sistema de control asegura que la palabra se transmita a su destino. Luego reinicia el contador y el proceso se repite.
Desventajas de un comparador ADC Una gran desventaja del sistema que has analizado es su lentitud. Todo el proceso descrito toma un tiempo relativamente largo. Otro problema con este sistema es que la longitud del proceso depende de la tensión analógica que ingresa en el sistema. Por ejemplo, si cada paso de tensión en la salida analógica es 0,01V y la entrada tiene una tensión analógica de 0,1V, el proceso de conversión es un proceso de diez pasos. Sin embargo, si la tensión de entrada es 1,5V, el proceso de conversión será 15 veces más largo. Con altas tensiones de entrada, el proceso de conversión se vuelve relativamente lento y la precisión en el control de los cambios de tensión disminuye de acuerdo con ello. Esto se torna crítico cuando cambia la tensión de entrada durante el proceso de conversión. Si la tensión de entrada aumenta durante el proceso de conversión, el sistema puede no reflejar este aumento. Más importante aún, sin embargo, es que si la tensión cae durante la conversión, los resultados serán incorrectos, porque el sistema no detendrá su funcionamiento apenas la tensión de entrada caiga por debajo de la tensión de salida
del DAC. En esta situación, el sistema de control externo señalará la finalización del proceso a pesar del hecho de que la salida digital no se ajusta a la entrada analógica.
Convertidores analógicos-digitales con contador ascendente/descendente Usar un contador ascendente/descendente Usando un contador ascendente/descendente, se pueden construir convertidores A/D más sofisticados. Un contador ascendente/descendente es un contador que puede contar en ambos sentidos para elevar o disminuir el valor de la palabra digital. La entrada del reloj no se transmite a través de una compuerta sino directamente al contador. La salida del comparador determina la dirección de la cuenta: ascendente o descendente.
Determinar la dirección del conteo La dirección de conteo se determina del siguiente modo: Si la entrada analógica es mayor que la salida del convertidor, la salida del c omparador será alta. El contador contará entonces en forma ascendente y el valor del número binario aumentará. Si la entrada analógica es menor que la salida del convertidor, la salida del comparador será baja. El contador contará entonces en forma descendente y disminuirá el valor del número digital. Este método permite al contador rastrear continuamente los distintos cambios en la entrada analógica. Si los cambios son pequeños, la conversión se c ompletará en forma rápida y eficaz, con unos pocos pasos adicionales necesarios para completar la conversión luego de un cambio. Este sistema también permite que el sistema rastree mejor una tensión de entrada analógica muy baja. El problema de usar un contador ascendente/descendente El contador ascendente/descendente en este sistema aún presenta un problema. En el caso de que los saltos de tensión en la salida del convertidor D/A nunca alcancen la tensión de entrada analógica exacta, el sistema puede entrar en un lazo sin fi n: Cuando la salida del convertidor D/A está casi en la tensión de entrada, el contador aún contará en forma ascendente. Luego del siguiente pulso, la salida del convertidor D/A superará la tensión de entrada, lo que hará que el contador cuente en forma descendente. Luego de que el contador cuente en forma descendente, la salida del convertidor D/A estará una vez más apenas por debajo de la tensión de entrada.
El problema de usar un contador ascendente/descendente Este ciclo podría continuar indefinidamente. Para evitar esto, existe usualmente un mecanismo incorporado que
indica al sistema que, una vez completado un cierto número de ciclos ascendentes/descendentes, la cuenta finaliza. Por supuesto, si la salida del convertidor D/A coincide exactamente con la tensión de entrada, el sistema se bloqueará y finalizará el conteo.
Aproximación sucesiva Reseña general El método de aproximación sucesiva es similar al método anterior. Incorpora un convertidor digital-analógico, un reloj y un comparador, pero no incluye un contador. En l ugar del contador, existe un sistema de control cuyas salidas alimentan las entradas de un registro. El registro transmite estos valores al convertidor D/A. La aproximación sucesiva se basa en un sistema de ensayo y error, donde el rango del valor de ensayo se reduce a la mitad en cada paso. Específicamente, el convertidor D/A provee salidas. En base a su valor en relación con la entrada, se determina el valor de l a siguiente entrada. Las secciones siguientes explicarán este proceso en mayor detalle.
Cómo funciona un sistema de aproximación sucesiva Analiza la estructura del circuito de la figura. El valor inicial del registro se coloca en 00000000, y la salida del convertidor D/A por lo tanto es 0V. Por lo tanto la salida del comparador es alta. Esta situación hace que D7 aumente, creando una salida de 10000000. Este valor se transmite al registro y al DAC. Como resultado, la salida del DAC aumentará a la mitad de su valor máximo. (Un convertidor D/A de ocho bits tiene un valor máximo de 11111111 - decimal 255. 10000000 = decimal 128).
Cómo funciona un sistema de aproximación sucesiva - Continuación Dado el valor de salida del convertidor D/A para el número 10000000, ocurrirá una de las siguientes cosas:
Si la tensión analógica es mayor que la salida del convertidor D/A, la salida del comparador permanece alta. Como resultado, el siguiente bit en el sistema de control, D6, aumentará y la salida del circuito de control será 11000000. Si el valor analógico es menor que la salida del convertidor D/A, D7 en el circuito de control se pondrá en 0 y D6 aumentará a 1. Esto, en efecto, divide el número binario por 2, lo que arroja como resultado 01000000. En cualquiera de estos casos, el valor de salida se transmite desde el circuito de control al registro y al convertidor D/A. La salida del convertidor D/A se transmite luego al comparador. Cómo funciona un sistema de aproximación sucesiva - Continuación Cada ciclo sucesivo operará de manera similar a lo que se explicó: la salida del convertidor D/A se comparará con la entrada analógica. Si la salida del convertidor D/A es demasiado alta, el último bit 1 en la entrada será, en efecto, dividido por dos. Si la salida del convertidor D/A es demasiado baja, el último bit 1 en la entrada será elevado en la mitad.
Aproximación sucesiva - Determinar el valor siguiente Habiendo analizado los primeros pasos de la aproximación sucesiva, considera las siguientes posibilidades para la continuación de este proceso: Supongamos que con la entrada 01000000, la salida del convertidor D/A es mayor que la entrada analógica. El comparador nuevamente dará como resultado una salida baja y el valor siguiente desde el control (que en última instancia será una entrada al convertidor D/A) será 00100000. Como alternativa, supongamos que dada la entrada 01000000, la entrada analógica es mayor que la salida del convertidor D/A. Los bits de control cambian entonces a 01100000, para elevar la salida del convertidor D/A. Dada la entrada 01100000, supongamos que la salida del convertidor D/A nuevamente es demasiado alta. La entrada será entonces disminuida a 01010000. Como puedes ver, el rango se estrecha a la mitad en cada paso, y el comparador determina si el valor correcto está por encima o por debajo del valor actual. Esto recibe a veces el nombre de búsqueda binaria.
Ejemplo de aproximación sucesiva Considera el siguiente ejemplo: Supongamos que la salida máxima de la entrada analógica es 2,55V. En un convertidor D/A de ocho bits, esta tensión es equivalente a 255 pasos de tensión. Supongamos que la entrada analógica es 1,02V. Estudia la tabla que se muestra. La tabla delinea la salida del circuito de control, la salida del convertidor D/A y la salida del comparador para cada paso de la conversión. Observa que en cada paso, la tensión de salida del convertidor D/A cambia en la mitad respecto del paso anterior. Dividir el rango de búsqueda en dos y seleccionar la mitad correcta en cada paso es relativamente rápido y por lo tanto este tipo de convertidor es uno de los más rápidos convertidores disponibles
Muestreo y retención (sample and hold) La mayor desventaja de un convertidor A/D con aproximación sucesiva es que si la señal de entrada cambia rápidamente, el sistema podría no "establecerse" en un valor que considere correcto para la salida. Para evitar este problema, se usa un circuito de muestreo y retención. Este circuito bloquea la tensión de entrada. Un circuito de muestreo y retención comprende un interruptor analógico con un control digital. La ent rada puede recibir cualquier valor analógico entre 0V y la tensión de alimentación. En su estado "cerrado", la salida del interruptor tiene un valor que es idéntico a su entrada. En su estado "abierto", la entrada y la salida están desconectadas y aisladas una de otra. Cuando el interruptor está "cerrado", un condensador en el interruptor se carga hasta la tensión de entrada. Cuando el interruptor está "abierto", el condensador retiene la carga. No puede ser descargado por un interruptor "abierto", que tie ne una alta resistencia, ni puede ser descargado por el comparador, dado que este también tiene una resistencia alta. Luego de que se completa la conversión analógica-digital, el interruptor se "cierra" nuevamente y el condensador se carga hasta la nueva tensión de entrada.
Otros métodos de conversión analógica-digital Convertidores analógicos-digitales especiales Los métodos que has estudiado hasta ahora, particularmente la aproximación sucesiva, son los métodos de conversión más rápidos y más estándares. Los métodos que has estudiado son suficientes para la mayoría de las aplicaciones. Para casos especiales, se han desarrollado convertidores analógicos-digitales adicionales. Aunque no estudiarás estos convertidores A/D en detalle en este módulo, las siguientes secciones ofrecen una reseña de algunos tipos adicionales de convertidores A/D:
Convertidor integrador de doble pendiente Este convertidor se basa en un amplificador operacional que está especialmente armado para crear pulsos de distintas longitudes. La longitud de los pulsos es menos significativa que la cantidad de pulsos por período determinado. Los pulsos deben contarse, lo que es muy sencillo de hacer en forma digital. El circuito descarta los ruidos de entrada y su único valor crítico es un valor de referencia. Existen fuentes de tensión de referencia muy precisas y son fáciles de usar.
Convertidores flash Este convertidor es muy rápido, como su nombre sugiere. Comprende una cadena de resistores y comparadores. El tiempo necesario para la conversión es muy corto o más conversiones por segundo (aproximadamente 100 veces más rápido que un conversor de aproximación sucesiva).
Convertidores flash La desventaja de este tipo de convertidor reside en la gran cantidad de comparadores necesarios, que hacen de este un componente muy caro.
Convertidor de tensión a frecuencia A veces recibe el nombre de convertidor U a F. Este tipo de convertidor hace uso de un microprocesador. Parte de la conversión se realiza mediante el hardware y parte mediante el software. La tensión en la entrada del convertidor se convierte a una frecuencia que está en relación con la tensión y l a cantidad de señales dentro de un marco de tiempo determinado. Esta cuenta puede ser interna (realizada por el controlador) o externa. La desventaja de tal convertidor es la necesidad de contar con un microprocesador, componentes adicionales y un código de programa. Otro problema de este método es su relativa imprecisión.
Convertidor de tensión a tiempo A veces recibe el nombre de convertidor U a T. Este convertidor ofrece otra técnica para la conversión y el procesamiento de una señal a través del uso de un código de programa. En este método, se logra una serie de pulsos con una frecuencia fija pero con anchos variables, según la señal de entrada. El microprocesador analiza las señales y decodifica los datos analógicos en la entrada. Observa que en este método la tensión analógica se convierte a otro valor analógico (tiempo). El ti empo se mide fácilmente con el programa adecuado.
Conclusión En esta actividad has estudiado la conversión analógica a digital. Has analizado varios convertidores diferentes y aprendido de qué modo operan.
