TIPOS DE ANA-DIG

Tipos de convertidores Analógico / Digitales.

- Convertidor Analógico/Digital Flash o Paralelo

El método flash utiliza comparadores que comparan una serie de tensiones de referencia con la tensión de entrada analógica. Cuando la tensión analógica sobrepasa a la tensión de referencia de un comparador determinado, se genera un nivel Altota figura 6-24

                                                        Figura 6-24  Convertidor A/D tipo Flash de 8 bits que usa 7 convertidores

 La figura 6-24 muestra un convertidor de 8 bits que usa 7 convertidores, no se requiere convertidor para el caso en que todas las comparaciones sean cero En general se requieren  2ⁿ-1 comparadores para la conversión a un código binario de n bits. La salida de cada convertidor se aplica un circuito codificador de prioridad, en el cual el código binario queda determinado por  la entrada de mayor orden que se encuentre a nivel alto. Referencia bibliografica .  floyd  Su principal ventaja de este comparador es su alta velocidad de muestreo que se puede alcanzar, aunque presenta la desventaja de que se necesitan muchos comparadores para un ADC de un número binario de tamaño razonable. La velocidad de muestreo determina la precisión con la que la secuencia de códigos digitales representa la entrada analógica del ADC. Cuando más muestras se toman en una unidad de tiempo, más precisa es la señal digital que representa a la señal analógica.

Aquí cabe una pregunta: ¿Con que velocidad se debe muestrear una señal analógica, es decir  cuantas veces por unidad de tiempo es lo mínimo con que se requiere muestrear una señal analógica ?  La teoría propuesta por Nyquist Referencia  bibliografica Operational Amplifiers  Floyd establece que una señal de entrada variante con el tiempo puede reproducirse con fidelidad si la velocidad de muestreo es por lo menos dos veces tan alta como la mayor componente de la frecuencia de la señal.

Ejemplo 6 – 10 Ilustración de varios muestreos por ciclo

La mayor componente de la frecuencia de una señal analógica es de 3500 Hz. Determina la mínima velocidad de muestreo.

Solución: La mínima velocidad de muestreo requerida es 2 X 3500 = 7000 muestras por segundo.

- ADC de aproximaciones sucesivas.

Este tipo de convertidor es el que sigue en menor tiempo de conversión al convertidor con método Flash. La figura 6-25 muestra el diagrama a bloques básico de un convertidor ADC por aproximaciones sucesivas de 4 bits

Figura 6-25 Diagrama a bloques básico de un convertidor ADC por aproximaciones sucesivas de 4 bits

Descripción del circuito

Esta formado por un DAC, un registro de aproximaciones sucesivas (SAR, successive-aproximation r+egister) y un comparador. Los bits de entrada al DAC se habilitan a ALTO, de uno en uno sucesivamente. Comenzando por el  bitmás significativo (bMs). Cada vez que se habilita un bit, el comparador produce una salida que indica si la tensión analógica de entrada es mayor o menor que la salida del DAC. Si la salida del DAC es mayor que la entrada analógica, la salida del comparador esta a nivel BAJO, haciendo que el bit en el registro pase a cero. Si la salida es menor que la entrada analógica el bit 1 se mantiene en el registro. El sistema realizara esta operación primero con em bMs, luego con el siguiente bit más significativo, después con el siguiente, y así sucesivamente. Después de que todos los bits del DAC hayan sido aplicados, el ciclo de conversión esta completo. Referencia floyd.

- ADC de contador de rampa en escalera.

El método de rampa en escalera para la conversión A/D se conoce también como método de Rampa digital o método contador. Se emplea un DAC y un contador binario para generar el valor digital correspondiente a una entrada analógica. La figura 6-26  presenta un diagrama de este tipo de convertidor.

                                    .                    Figura 6-26 Convertidor A/D tipo rampa de 8 bits

 El método de rampa en escalera es más lento que el método flash porque, en caso de entrada máxima, el contador debe pasar a través del número máximo de estados antes de realizar la conversión. Para una conversión de 8 bits, esto significa un máximo de 256 estados y cado estado consume un cierto tiempo La figura 6-27 ilustra una secuencia de conversión con 4 bits. Obsérvese que, para cada muestra, el contador debe contar desde cero hasta el escalón en el que la tensión de referencia alcanza a la tensión de entrada analógica. El tiempo de conversión es variable, en función de la tensión analógica.

                                         La figura 6-27 ilustra una secuencia de conversión con 4 bits

- ADC de rastreo o seguimiento

El método de seguimiento utiliza un contador ascendente / descendente y es más rápido que el método de rampa digital, porque el contador no se pone a cero después de cada muestreo sino que sigue a la entrada analógica La figura 6-28 muestra un típico ADC de seguimiento de 8 bits.

figura 6-28 Típico ADC de seguimiento de 8 bits.

 La salida del comparador se aplica al modo del control del contador, cuando esta BAJO ( 0 lógico), hace que el contador cuente progresivamente, y , recíprocamente, cuando esta ALTO (1 lógico), hace que el contador cuente en forma descendente. En la figura 6-29 se muestra que cuando el ADC de rastreo a alcanzado el intervalo idóneo, entonces el convertidor puede seguir de forma continua el voltaje analógico. La rapidez de rastreo no es ningún problema a medida que las variaciones de la entrada sean relativamente lentas.

A fin de reducir el error inicial de las primeras conversiones suele fijarse el contador a media escala, es decir, en 100…000. 

                                                          Figura 6-29 ADC de seguimiento

- ADC de pendiente simple

A diferencia de los métodos de rampa en escalera y seguimiento, el convertidor de pendiente simple no requiere un DAC. Se utiliza un generador de rampa lineal para generar una tensión de referencia de pendiente constante. En la figura 6-30 se muestra el diagrama del ADC de pendiente simple. Al comienzo del ciclo de conversión, el contador esta en estado RESET y la salida del generador de rampa es 0 V. En esta situación, la entrada analógica es mayor que la tensión de referencia y, por tanto , se produce un nivel ALTO en la salida del comparador. Este nivel alto habilita la señal del reloj para el contador y arranca el generador de rampa

                              Figura 6-30 Diagrama del ADC de pendiente simple

- ADC de doble pendiente 

El funcionamiento del ADC de doble pendiente es similar al de pendiente simple, excepto en que se utiliza una rampa de pendiente variable y otra de pendiente fija. Este tipo de convertidor se utiliza comúnmente en voltímetros digitales y otros tipos de instrumentos de medida.

Se utiliza un generador de rampa (integrador), A1, para generar las característica de pendiente doble. En la figura 6-31 se presenta el esquema de un ADC de pendiente doble como referencia.

 Figura 6-31 Esquema de un ADC de pendiente doble como referencia.

 ¿Qué tipos de Convertidores Analógicos Digitales son utilizados en los dispositivos multifuncionales DAQ de National Instruments?

Solución:

El Convertidor Analógico-Digital (ADC) de Aproximación Sucesiva es el tipo de convertidor más utilizado en los Dispositivos Multifuncionales DAQ de National Instruments. Esto incluye los dispositivos de las Series M (Como el PCI-6229), de los dispositivos de las Series E (Como el PCI-6070E) y los dispositivos de las Series S (Como el PCI-6120). Esto no es necesariamente el caso para los Dispositivos de Instrumentos Modulares de National Instruments, como los dispositivos DAQ USB (Como el NI USB-9211), o los dispositivos de las Series S: PCI/PXI-6115 y PCI-6110/6111 (Estos dispositivos de las Series S utilizan un ADC tipo pipeline).

A continuación se presenta una breve descripción de los tipos más comunes de ADC, tomada de wikipedia.org:

Existen seis formas comunes de implementar un ADC electrónico:

• ADC de conversión directa o ADC Flash, tiene un comparador que lo enciende para cada rango de voltaje decodificado. El banco comparador introduce un circuito lógico que genera un código para cada rango de voltaje. La conversión directa es muy rápida, pero usualmente solamente tiene 8 bits de resolución (256 comparadores) o menos, y necesita un circuito caro y grande. Los ADCs de este tipo son fisicamente grandes, tienen una alta entrada de capacitancia, y son propensos a producir fallos en las salidas (Al poner en las salidas un código fuera de secuencia). Hay muchos de estos utilizados para señales de video u otras rápidas.
• ADC de Aproximación Sucesiva, utiliza un comparador para rechazar rangos de voltajes, eventualmente establecidos en los rangos de voltaje final. Por ejemplo, la primera comparación debe decidir cual bit más significativo de la salida, la siguiente comparación decide el siguiente bit más significativo, etcétera. Esto también es llamado conversión bit-weighting (Bit de mayor peso), y es similar a la búsqueda binaria. Los ADCs de este tipo convierten muy rápido, y tienen buenas resoluciones y rangos muy amplios y completos. Son más complejos que algunos de otros diseños.
• ADC Delta-Encoded (Codificación Delta), tiene un contador arriba abajo que provee un convertidor digital analógico (DAC). Tanto la señal de entrada como el DAC ambos van a un comparador. El comparador controla el contador. El circuito utiliza retroalimentación negativa del comparador para ajustar el contador mientras la salida del DAC está lo suficientemente cerca de la entrada de la señal. El número es leído del contador. Los convertidores Delta tienen rangos muy amplios, y una alta resolución, pero el tiempo de conversión depende del nivel de la señal de entrada, por lo que siempre tendrá una garantía aún en el peor de los casos. Los convertidores Delta son muchas veces buenas opciones para leer señales del mundo real. Muchas señales de sistemas físicos no cambian abruptamente. Algunos convertidores combinan las aproximación delta y la de aproximación sucesiva, Esto trabaja bien con altas frecuencias que son conocidas para ser pequeñas en magnitud.
• ADC Comparador de Tipo Rampa,  (También llamado ADC Integrador, ADC Doble rampa, oADC Multi rampa). Produce una señal de tipo diente de sierra que se eleva, luego rápidamente cae a cero. Cuando la pendiente inicia, el contador inicia a contar. Cuando la pendiente encuentra la entrada, un comparador inicia, y el valor del timer (temporizador) se almacena. Los convertidores de pendientes en tiempo requieren el menor número de transistores. El tiempo de la rampa es sensible a la temperatura por que el circuito que genera la rampa es muchas veces un oscilador simple. Hay dos soluciones: Utilizar un contador de reloj para manejar el DAC y después utilizar el comparador para preservar el valor del contador, o calibrar el tiempo de la rampa. Una ventaja especial del sistema comparador de rampas es que compara una segunda señal solo requiere otro comparador, y otro registro para almacenar los valores de voltaje.
• ADC Pipeline (Tipo tubería), también llamado cuantizador de subrangos, utiliza dos o más etapas de sub rangos. Primero, una conversión amplia es hecha. Como segundo paso, la diferencia de la señal de entrada es determinada con un convertidor digital analógico (DAC). La diferencia es el convertidor fijo, y los resultados son combinados en un último paso. Este tipo de ADC es rápido, tiene una alta resolución y solo ocupa un tamaño pequeño. 
• ADC Sigma-Delta, muestrea la señal deseada con un factor grande y filtros deseados de la banda de señal. Generalmente un número más pequeño de bits que requiere y convierte utilizando un ADC tipo Flash después del filtro. La señal resultante, junto con el error generado por la discretizacion de niveles del Flash, es el resultado y substracción de la entrada al filtro. Esta retroalimentación negativa ha afectado la forma ruido de error debido al Flash así que si no aparecen las señales de frecuencias deseadas. Un filtro digital (Filtro de conversión digital) sigue el ADC que reduce el tiempo de muestreo, los filtros apagan la señal de ruido no deseada e incrementan la resolución de la salida.

1.      CONVERTIDOR DE ADC DE RAMPA DIGITAL

2.      CONVERTIDOR ADC DE DOBLE RAMPA DIGITAL

3.      CONVERTIDOR ADC DE APROXIMACIONES SUCESIVAS

4.      CONVERTIDOR ADC PARALELO o FLASH

Convertidor A/D de rampa digital

Una de las versiones más simples del convertidor A/D es el de la fig. 1.22 usa un contador binario como el registro y permite al reloj incrementar el contador un paso a la vez hasta que V_A’³ V_A. Este tipo de convertidor A/D se llama convertidor A/D de rampa digital porque la forma de onda en V_A’ es una rampa paso a paso (realmente una escalera) como la que se muestra en la fig. 1.22b

Fig. 1.22

Su operación es como sigue:

1.   Se aplica un pulso de arranque positivo, el cual limpia el contador. También inhibe la compuerta AND de tal modo que ningún pulso pase al contador mientras que el pulso de arranque este en alto.

2.   con el contador a cero V_A’ = 0,asi

Convertidor ADC de doble rampa

Este convertidor también es sencillo, su principal ventaja es la presicion y su velocidad, pero estas no dependen ni de la exactitud del reloj, ni de la posición de la rampa, sino solamente de dos intervalos de tiempo, ambos proporcionales al periodo de reloj y por lo tanto independientes de la estabilidad y linealidad de este.

Figura 1.23

Convertidor A/D de aproximaciones sucesivas

En el convertidor por contador, la señal es comparada primero con 0V, luego con 1 v, 2v, etc. hasta que se halla la tensión desconocida. Este es un proceso lento, pero se puede acelerar  considerablemente efectuando las comparaciones de la manera siguiente. Supongamos que deseamos hallar un valor entero de una tensión de la cual sabemos que la tensión desconocida esta entre 8 y 16 v, si no lo es, esta entre 0 y 8 v. Supongamos que si se encuentra entre estos rangos. A continuación comparamos la tensión desconocida con 12v y hacemos al comparador la pregunta: ¿ es mayor que 12v la tensión desconocida?, Si lo es, la tensión desconocida esta entre 12 y 16v; sí esta entre 8 y 12v. Continuamos acortando el rango al intervalo de esta manera llegamos rápidamente a la solución correcta.

Figura 1.24

Convertidor A/D Flash

Un convertidor Flash es aquel en el que la conversión de una señal analógica a una digital de n bits ocurre en paralelo en vez de secuencial. Como resultado el proceso se realiza muy rápido, en un instante. De esta manera los convertidores A/D pueden realizar la conversión analógica a digital de 8 bits en menos de 1 nseg. El convertidor A/D de Le Croy opera a 1.3 gigamuestras por seg.

El convertidor flash de 8 bits emplea 2⁸ -1 = 255 comparadores y registros y una cantidad mayor de puertas lógicas. Empleando tecnología de muy alta integración (VLSI) y de alta velocidad (VHSIC) se ha conseguido fabricar estos dispositivos en un solo integrado.

Por simplicidad solo se explicara el circuito de tres bits de la fig. 1.25.

El circuito emplea un divisor resistido que proporciona diferentes tensiones de referencia a los comparadores C₁ a C₇ La señal analógica de entrada también esta disponible a la entrada de cada comparador. En este circuito V_o esta comprendida entre -V_o/14v y 15V_o/14v, los comparadores C₁, C₂, C₃ tendrán en su salida una tensión que representara un nivel lógico de 0, mientras que los comparadores C₄ a C₇ generaran en la salida una tensión que representa el nivel lógico de 1. La  tabla de verdad se presenta en la tabla 1. Es fácil deducir de esta tabla de verdad:

En el convertidor flash de 3 bits se puede ver que el error que se comete es de ±V_o/14 para reducir este error, en la practica se utilizan convertidores de 8 bits, en los que se puede demostrar que el error queda limitado a ±V_o/510.

Tabla 1