Unidad IV

MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES I
UNIDAD IV: CONVERSION ANALOGICA A DIGITAL
Señal: Las señales pueden describir una amplia variedad de fenómenos físicos, y
aunque puede representarse de muchas formas, en todos los casos la información en
una señal esta contenida en un patrón de variaciones que representa alguna forma
determinada.(Oppenheim).
Señal en tiempo continuo: Es aquella que se define sobre un intervalo continuo de
tiempo, la amplitud puede tener un intervalo continuo de valores , o solo un numero
finito de valores distintos (Ogata).
Señal Analógica: Caso especial de una señal en tiempo continuo. Magnitud eléctrica,
cuya magnitud varia de forma continua con el tiempo(Ogata).
Señales Unipolares: Son señales que se miden de una terminal a otra, con tierra
flotante o puesta a tierra
Señales Bipolares: Son señales que aparecen entre dos terminales independientes de la
terminal de referencia, que a su vez puede o no estar conectada a tierra.
Señal Discreta: Señal definida solo en valores discretos de tiempo es decir cuando la
variable tiempo esta cuantificada. (Ogata).
Señal muestreada: Señal discreta con valores de amplitud continuos.
Señal Digital: Señal discreta con valores de amplitud cuantificados (valor binarios).

Tipos de Señales según sus terminales: a) Unipolar puesta a tierra. b)Unipolar flotante.
c)Unipolar con tensión en modo común. d)Diferencial puesta a tierra. e)Diferencial
flotante. f) Diferencial con tensión en modo común. g) Diferencial con tensión en modo
común.

Señal analógica en tiempo continúo, Señal cuantificada en tiempo continuo,
Señal en tiempo discreto o muestreada
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
x 10
-3
-1
-0.5
0
0.5
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
x 10
-3
-1
-0.5
0
0.5
1
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
x 10
-3
-1
-0.5
0
0.5
1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
x 10
-3
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Señal cuantificada en tiempo discreto o muestreada (señal digital)

Sistema de control por computador
El análisis de estos sistemas se realiza mediante la transformada Z, mediante ecuaciones
de diferencias.

Sistema de control por computador

Sistema de adquisición de datos

Proceso de muestreo: El muestreo de señales en tiempo continuo reemplaza la señal en
tiempo continuo por una secuencia de valores en puntos discretos de tiempo. Se emplea
siempre que un sistema involucre un computador digital, puesto que son necesarias una
operación de muestreo y una de cuantificación y codificación para ingresar datos al
sistema digital.
Una señal continua con espectro en frecuencia nulo fuera del intervalo [ es reconstruirle
totalmente si se la muestrea con una frecuencia (Teorema de Nyquist).
fm=2.BW
fm=frecuencia de muestreo
BW=Ancho de banda de la señal
tm=1/fm
tm=T/2
tm=tiempo de muestreo
T=periodo mas pequeño de la señal
Si fm<2.BW se produce lo que se conoce como “aliasing” ( se solapan de espectros)

Espectro de una señal muestreada con fm>2.BW, y con fm<2.BW (aliasing).
Trasformada de Fourier

Espectro de una señal muestreada con fm>2.BW, con fm=2.BW y con fm<2.BW
(aliasing). Trasformada de Fourier .

El proceso de cuantificación : consiste en reemplazar la amplitud analógica muestreada
por un valor digital (valor discreto). Este se realiza con un convertidor analógico digital
(ADC).
Si el convertidor es de n bits, existe 2^n valores o estados posibles, por
ejemplo un convertidor de 4 bits tendrá a la salida 2^4, o 16 valores posibles, si por
ejemplo es de 8bits tiene 256 valores, y si es de 12 bits tendrá 4096 combinaciones, por
tanto la cantidad en bits de salida del convertidor define la resolución del mismo.
Existen varios tipos de cuantificación:
-Cuantificación uniforme
-Cuantificación logarítmica
-Cuantificación no uniforme
-Cuantificación vectorial

Convertidores Digital-Analógico (DAC): también denominado decodificador, Es un
dispositivo que convierte una señal digital en una señal analógica.
Parámetros básicos a considerar:
-Numero de canales
-Código de entrada
-Niveles de tensión a la entrada
-Formato de la entrada (Serie o paralelo)
-Margen de tensiones o corrientes de salida
-Resolución(numero de bits)
-Exactitud
-Velocidad: tiempo de establecimiento
Tipos o métodos de un convertidor Digital-Analógico (DAC):
-Resistores ponderados
-Red escalera de resistencias
-Logarítmicos

Convertidor Digital-Analógico (DAC): Resistores ponderados y red R-2R (DAC0830)

Convertidores Analógicos-Digital (ADC):
Es un dispositivo que convierte una señal analógica en una señal digital, usualmente
codificada numéricamente. Con frecuencia un circuito muestreo y retención es una parte
integral de un ADC disponible comercialmente.
Muestreador- retenedor (Sample and hold): Es el termino que se utiliza para un
amplificador de muestreo y retención, circuito que recibe como entrada una señal
analógica y mantiene dicha señal en un valor constante durante un tiempo especifico

Características de los Convertidores Analógicos-Digital (ADC).
-Numero de canales
-Tipo de canales (unipolares o diferenciales)
-Margen de tensión de entrada
-resolución (En numero de bits)
-Exactitud
-Tensión de referencia necesaria
-Velocidad: frecuencia de conversión
-Formato de la señal de salida (Binario, complemento a dos,,,)
-Control de la conversión (interrupciones , verificación de estados)
-Funciones adicionales a la entrada (muestreo, multiplexado, ganancia programable,
entradas de bajo nivel)
-Funciones adicionales a la salida(cerrojos)
-Condiciones ambientales

Clasificación de los Convertidores Analógicos-Digital (ADC).
Convertidores A/D directos
-Sin realimentación (Paralelos “flash”)
-Con realimentación (bit a bit: aproximaciones sucesivas, no bit a bit: tipo servo tracking)
Convertidores A/D indirectos
-Sin realimentación : por intervalo de tiempo( rampa simple, doble rampa, triple rampa),
por frecuencia(Convertidos V/F VCO)
-Con realimentación

Paralelos “flash”
Tipo contador

Aproximaciones sucesivas
Doble rampa

Circuitos de muestreo y retención
(Sample & hold)

De los recursos contenidos en el PIC16F88X, quizá el convertidor Analógico-Digital sea
del que más aplicaciones estamos acostumbrados a ver en nuestra vida diaria. Sensores
de temperatura, luz, humedad, humo..., son valores que nos interesa monitorizar pero
que necesitan ser traducidos para ser entendidos por el sistema de control, labor que
realizan los convertidores Analógico-Digital. La tarea de conversión es siempre igual, sea
cual sea el sensor utilizado.
Los PIC16F887 poseen un módulo ADC interno que les permite manejar 14 entradas

Para llevar a cabo una conversión A/D sin problemas así como para evitar los resultados
inesperados, es necesario considerar lo siguiente:
• El convertidor A/D no hace diferencia entre señales digitales y analógicas. Para evitar
errores en medición o dañar el chip, los pines se deben configurar como entradas
analógicas antes de que empiece el proceso de conversión. Los bits utiliza dos para
este propósito se almacenan en los registros TRIS y ANSEL (ANSELH);
• Al leer el estado de puerto con las entradas analógicas, el estado de los bits
correspondientes se leerá como cero lógico (0), sin reparar en el valor del voltaje real
en el pin;
• Hablando en términos generales, la medición de voltaje en el convertidor está basado
en comparar voltaje de entrada con una escala interna que tiene 1023 grados (2^10 -
1 =1023). El grado más bajo de esta escala representa el voltaje Vref-, mientras que el
grado más alto se refiere al voltaje Vref+. La siguiente figura muestra los voltajes de
referencia seleccionables así como sus valores máximos y mínimos.

unsigned int temp_res;
void main() {
ANSEL = 0x04; // Configurar AN2 como pin analógico
TRISA = 0xFF; // PORTA se configura como entrada
ANSELH = 0; // Configurar los demás pines AN como E/S digitales
TRISC = 0x3F; // Pines RC7 y RC6 se configuran como salidas
TRISB = 0; // PORTB se configura como salida
do {
temp_res = ADC_Read(2); // Obtener el resultado de 10 bits de la conversión AD
Delay_ms(1);
PORTB = temp_res; // Enviar los 8 bits más bajos al PORTB
PORTC = temp_res >> 2; // Enviar los 2 bits más significativos a los RC7, RC6
} while(1); // Quedarse en el bucle
}

ADFM - A/D Result Format Select bit (bit de selección del formato del resultado de la
conversión A/D)
1 - Resultado de conversión está justificado a la derecha. No se utilizan los seis bits más
significativos del registro ADRESH.
0 - Resultado de conversión está justificado a la izquierda. No se utilizan los seis bits
menos significativos del registro ADRESL.
VCFG1 - Voltage Reference bit (bit de configuración de voltaje de referencia) selecciona
la fuente de voltaje de referencia bajo que se necesita para el funcionamiento del
convertidor A/D.
1 - Voltaje de referencia bajo se aplica al pin Vref-
0 - Voltaje de alimentación Vss se utiliza como una fuente de voltaje de referencia bajo.
VCFG0 - Voltage Reference bit (bit de configuración de voltaje de referencia) selecciona
la fuente de voltaje de referencia alto que se necesita para el funcionamiento del
convertidor A/D.
1 - Voltaje de referencia alto se aplica al pin Vref+.
0 - Voltaje de alimentación Vdd se utiliza como una fuente de voltaje de referencia alto.

Para medir el voltaje en un pin de entrada por medio del convertidor A/D, se debe
realizar lo siguiente:
Paso 1 - Configuración del puerto:
Escribir un uno lógico (1) a un bit del registro TRIS, lo que resulta en configurar el pin
apropiado como una entrada.
Escribir un uno lógico (1) a un bit del registro ANSEL, lo que resulta en configurar el pin
apropiado como una entrada
analógica.
Paso 2 - Configuración del módulo de la conversión A/D:
Configurar voltaje de referencia en el registro ADCON1.
Seleccionar una señal de reloj de la conversión A/D en el registro ADCON0.
Seleccionar uno de los canales de entrada CH0-CH13 del registro ADCON0.
Seleccionar el formato de dato por medio de ADFM del registro ADCON1.
Habilitar el convertidor A/D al poner a uno el bit ADON del registro ADCON0.

Paso 3 - Configuración de la interrupción (opcionalmente):
Poner a cero el bit ADIF.
Poner a uno los bits ADIE, PEIE y GIE.
Paso 4 - Tiempo de espera para que transcurra el tiempo de adquisición
(aproximadamente 20uS).
Paso 5 - Inicio de la conversión poniendo a uno el bit GO/DONE del registro ADCON0.
Paso 6 - Esperar a que la conversión A/D finalice.
Es necesario comprobar en el bucle de programa si el bit GO/DONE está a cero o esperar
que se produzca una interrupción (deberá estar anteriormente habilitada).
Paso 7 - Lectura del resultado de la conversión A/D:
Leer los registros ADRESH y ADRESL.

REQUERIMIENTOS DE ADQUISICIÓN A/D
Para que el convertidor A/D alcance su exactitud especificada, es necesario proporcionar
un cierto tiempo muerto entre seleccionar una entrada analógica específica y la
medición misma. Este tiempo se le denomina “tiempo de adquisición” y generalmente
depende de la impedancia de la fuente. Se utiliza una ecuación para hacer cálculo de
tiempo de adquisición con precisión, cuyo valor mínimo es de 20uS
aproximadamente. Por consiguiente, para realizar una conversión con precisión, no se
olvide este detalle.

Reloj para la conversión:
-Existe un periodo de conversión por bit TAD. Para completar una conversión deben
pasar 12 TAD.
-Hay 4 posibles formas de definir el valor del conversor TAD (ADCS1:ADCS0):
2Tosc; 8Tosc; 32Tosc; RC interno.
-TAD debe elegirse para que tenga un valor entre: 1.6us y 6us.

Tiempo para la conversión:

Ejemplo: Desarrollar un Voltímetro Digital con un PIC16F887, con un rango de 0 a 5V,
con una resolución de 0,1V.

Ejemplo: Desarrollar un termómetro Digital, empleando un sensor LM35 con una
rango de 0 a 100 ◦C no menor a 100 ◦C, una resolución de 0,1 ◦C

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