ndice

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INTRODUCCIONEl desarrollo de los microprocesadores y procesadores digitales de seal (DSP)ah permitido realizar tareas que durante aos fueron hechas por sistemaselectrnicos analgicos.

Por otro lado como el mundo real es anlogo, una forma de enlazar las variablesanalgicas con los procesos digitales a travs de los sistemas llamadosconversadores analgico digital (ADC - analogue to digital converter) yconversores digital analgico (DAC digital to analogue converter)

El objetivo bsico de un ADC es transformar una seal elctrica anloga a unnmero digital equivalente. De la misma forma un DAC transforma un nmerodigital en una seal elctrica anloga.

Esta funcin exige que los pasos intermedios se realicen de forma ptima para noperder informacin. Segn el tipo de componente y su aplicacin existen distintosparmetros que lo caracterizan, estos pueden ser: la velocidad de conversin, laresolucin, los rangos de entrada, etc... Por ejemplo, una mayor cantidad de bit,implica mayor precisin, pero tambin mayor complejidad.

Un incremento en solo un bit permite disponer el doble de precisin (mayorresolucin), pero hace ms difcil el diseo del circuito, adems, la conversinpodra volverse ms lenta.

Dentro de las aplicaciones de estos sistemas de manejo de seales de video,audio, los discos compactos, instrumentacin y control industrial. En los siguientesapartados se describen los conceptos bsicos de conversiones de seal, tcnicasde implementacin para los ADC o DAC, caractersticas y parmetros que losdefinen.

Se revisarn las configuraciones ms clsicas, atendiendo criterios de velocidad ymanejo de datos, como tambin los nuevos productos disponibles en el mercado.

CONVERSIN BASICA DE SEALES Un transductor permite relacionar las seales del mundo real y sus anlogaselctricas. Para computarizar la informacin un sistema digital, se requiere losconvertidores de datos del tipo ADC o DAC, segn corresponda.

El diagrama de bloques de la Fig.1 muestra la secuencia desde una variablefsica entra al sistema hasta que es transformada a seal digital (cdigobinario).

Para dicha seal ingrese al convertidor anlogo- digital, esta debe sermuestreada, es decir toman valores discretos en instantes de tiempo de sealanloga, lo que recibe el nombre de sampling.

Matemticamente es el que equivale a multiplicar la seal anloga por unasecuencia de impulsos de periodo constante. Como resultado se obtiene untren de impulsos con aptitudes limitadas por la envolvente de la sealanalgica.

Para garantizar la toma de muestra y la conversin de forma correcta se debeconsiderar la velocidad del muestreo, para la cual el Teorema de Nyquist,establece que la frecuencia del muestreo FS, debe ser como mnimo el dobleque el ancho de la banda de la seal mostrada como se indica en (1).

Si no ocurre esta situacin, se tiene lugar el fenmeno denominado ALIASING.

En el proceso inverso indicado en la Fig.2, en la cual la seal digital estransformada en seal elctrica, para larecuperacin de la seal elctrica, la sealdigital debe pasar por unconvertidor del tipo digital anlogo. Esta seal modulada, es recuperada a travsde un filtro pasa abajo e interpolada, obtenindose la seal anloga equivalente.

CARACTERISTICASLa data digital es un numero binario que se define considerando desde el bit demayor peso (MSB, more significative bit) al bit de menor peso (LSB, leastsignificative bit) como se muestra en la Fig.3.

Cada conversor ADC o DAC, est determinado por una funcin de transferenciaideal de entrada- salida (ver Fig.4), que muestra la equivalencia entre el mundodigital y el anlogo.

DESARROLLO

A2. Linealidad de los DAC por Aproximacin Sucesiva (SAR)

Los parmetros ms afectados son: la relacin seal/ruido (SNR), la ganancia, lano-Linealidad Diferencial (DNL) y la no-Linealidad Integral (INL).Se aprecia la misma influencia en otros tipos de convertidor como el convertidorparalelo, el convertidor pipeline o el convertidor delta-sigma. El estudio ilustra lainfluencia del diseo de referencia en la linealidad de un DAC.

Arquitecturas de referenciaEn los ADC se utilizan dos esquemas de referencia generales [2">. Algunosproductos proporcionan un buffer interno (Fig. 2), por lo que la entrada dereferencia es de alta impedancia. Este buffer rechaza todos los picos de corrientegenerados por el DAC en la lnea de referencia.Es posible que se inyecte alguna distorsin fuertemente atenuada en la entradadel buffer, por lo que deber instalarse un condensador en la entrada dereferencia. Este esquema es sencillo de utilizar en una aplicacin y por lo tanto nohablaremos ms de l.Lamentablemente, el buffer requiere de un gran ancho de banda y por lo tantoinfluye en el rendimiento ante el ruido y en el consumo de energa. Los productosde gama alta no pueden utilizar este esquema de referencia.

Rechazo de carga de la fuente de referencia y resistencia entre la fuente y el condensador

El condensador externo proporcionar la carga de los picos de corrienteprovenientes del DAC del convertidor, pero se descargar hasta la mitad de unLSB. La fuente de referencia es la encargada de proporcionar esta carga, mientrasque la corriente mxima, (Imx) que debe proporcionar en el tiempo el buffer dereferencia, se calcula de la siguiente manera:

Si la tasa de conversin (fconv) es 1 MSPS y si la capacidad total Ctot del DAC esde 50 pF, que se carga desde masa hasta una tensin de referencia REF de 5 V,la corriente mxima ser de 250 A. Esta corriente depende tpicamente de latensin de entrada, por lo tanto la salida de la fuente de referencia no debe caerms de la mitad de un LSB con esta corriente de carga. En otras palabras, elrechazo de carga dREF/d1 desde la fuente, que se encarga de atacar elcondensador, debe ser mejor que:

Si el rechazo de carga de la fuente de referencia y la resistencia entre la fuente yel condensador CREF supera esta resistencia, obtendremos una cada de tensin(Vres) dependiente del cdigo que superar la mitad de un LSB.

Fig. 4: INL en LSBrespecto al cdigode salida del ADCcon un rechazo de

carga de a) 100m, b) 1 y c)

1,8.

Fig. 5: DNL en LSBrespecto al cdigode salida del ADCcon un rechazo de

carga de a) 100m, b) 1,8 y c)

10 .

La tensin de entrada Vent del ADC no se compara con la referencia REF, sinocon la tensin que se ha reducido en Vres. Este efecto se ilustra en la figura 4, quemuestra la no-Linealidad Integral (INL) de un ADC por SAR de 16 bits a 1 MSPScon una resistencia de 100 m, 1 y 1,8 . Adems, la referencia reducidaprovocar directamente un error de ganancia.Afortunadamente, el rechazo de carga no influye en la no-Linealidad Diferencial(DNL), como se muestra en la figura 5, donde se representa la DNL respecto alcdigo de salida del ADC con un rechazo de carga de 100 m, 1,8 y 10 . Estose debe a que la corriente media del DAC no difiere mucho en cdigosadyacentes. La influencia es despreciable en comparacin con los errores de DNLhabituales del DAC. Sin embargo, con cada cdigo se aade un pequeo error y lasuma de varios errores consecutivos afecta a la INL, que se define como la sumade todas las DNL hasta el cdigo que nos interesa

Marco Metodologico

Proceso de Funcionamiento del DAC

(Digital to Analog Converter)

Los parmetros caractersticos

de un convertidor DAC son: Escala completa de salida (Full-Scale Output (FSO)). Se define como el mximo valor analgico de salida posible, es decir, cuando se aplica a la entrada el mximo valor binario. Resolucin : Se define como la diferencia en voltios que se produce a la salida del convertidor paraun cambio sucesivo de su valor binario.

Precisin:Es la comparacin entre la salida real de un DAC y la salida esperada. Se expresa como un porcentaje de la tensin de salida mxima. Idealmente, la precisin debera ser como mucho del bit LSB (bit menos significativo). As, para un DAC de 8 bits, LSB es 1/256 y la precisin es aproximadamente 0,2 %.

Linealidad:Es la desviacin (error lineal) de la salida ideal. Un caso especial es el

error de offset (cuando todos los bits estn a cero).Monotonicidad:Un DAC es montono si no produce escalones inversos cuando se le aplica secuencialmente su rango completo de bits de entrada.

CONCLUSINLos sistemas ADC y DAC son necesarios cuando se realizan procesamiento digitalde seales permite el nexo entre ambos espacios del mundo real y el digital. Sonmuy utilizados en sistemas de instrumentacin y adquisicin de datos. Cadaconvertir posee propias caractersticas y parmetros que lo definen. Estosparmetros y medidas se toman con respecto ah curvas ideales de transferencia,sea, cuando ms se ajusta un determinado modelo de funcionamiento ah estascurvas, ms preciso ser para obtener un buen funcionamiento de cadaconvertidor, es importante destacar los parmetros que aporta el fabricante decada dispositivo y las condiciones de trabajo en que fueron medidas.

En todo ADC el conjunto de bits obtenidos a la salida sea un reflejo lo ms exactoposible de valor analgico correspondiente. Si el ADC, est situado a la salida deun sensor (que habitualmente aporta la seal de amplitud dbil) es esencial enque la etapa de conversin no se genera un nivel de ruido que impida laconversin real de la seal de entrada.

La arquitectura ms extensiva entre los ADC est basada en el mtodo de lasaproximaciones sucesivas. Su xito se fundamenta en conseguir tanto unaresolucin como una velocidad aceptable para una gran variedad de aplicaciones.Normalmente se trata de redes resistivas conectada a los bits de entrada con cadavalor de resistencia ajustado al valor del bit de entrada, como estructura bsica.

Los conversores han entrado siempre a la dualidad, velocidad y resolucin, lasdiversas estructuras desarrolladas y disponibles comercialmente permiten adaptarun modelo para cada aplicacin.

Las configuraciones ms frecuentes, atendiendo de criterios de velocidad son:convcersores lentos (de 1 a 100ms), que incluyen dispositivos de rampa yescalera; los conversores medios (de 1us a 1ms) abarcan los denominadoresaproximacin sucesivas; y los rpidos (entre 25 MHz), flash.

REFERENCIAS:

W. Friedrich Oehme, Mario Huemer, Markus Pfaff, Elektronik undSchaltungstechnik, Hanser Technikbuecher, ISBN-10:3-446-40694-8, 2006.

Frank Ohnhaeuser, Controlar la entrada de referencia de un CAN conAproximacin Sucesiva, Electronique 11/2003.

Frank Ohnhaeuser, Mario Huemer, Generacin de Referencia paraConvertidores A/D, actas sobre CD-ROM del Simposio Internacional SobreSeales, Sistemas y Electrnica (ISSSE2007), Montreal (Canad), agostode 2007.