Convertidores de digital a analógico

1. Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de Hermosillo
ING. BIOMEDICA
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Práctica de laboratorio 3
Convertidor de Digital a Analógico
(V0.1 Sep. 2021, V0.2 Sep 2022)
Prof. Jesús Manuel Tarín Fontes

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EVIDENCIAS DE PRODUCTO/DESEMPEÑO
DATOS GENERALES
NOMBRE DEL ALUMNO(s): Por apellidos en orden alfabético
1.
2.
3.
4.
N°
Control
Fecha:
Grupo:
MATERIA: Instrumentación Virtual TEMA: Convertidor de Digital a Analógico
FACILITADOR: Jesús Manuel Tarín Fontes Primera oportunidad
CALIFICACIÓN (Con rúbrica)
ACTIVIDADES A REALIZAR
EL REPORTE DEBE INCLUIR LO SIGUIENTE:
I) INTRODUCCIÓN
II) MARCO TEORICO CONCEPTUAL
III) DESARROLLO
IV) RESULTADOS Y CONCLUSIONES (ya está en un apartado abajo)
V) BIBLIOGRAFÍA (ya está en un apartado abajo)
Además, todas las figuras y tablas que se pongan, si así lo pide el reporte, deberán tener pie de figura con texto y
hacer referencia a ellas en el texto.
1. INTRODUCCIÓN

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2. MARCO TEORICO CONCEPTUAL
3. DESARROLLO (Aquí se plantea el problema a desarrollar por parte del instructor, incluye ideas conceptuales
y lo que el alumno hará como actividad).
Objetivos
1. Aprender a diseñar un circuito DAC que convierta las señales digitales de entrada en los
niveles correspondientes niveles de tensión analógica.
2. Construir, probar y solucionar problemas de un circuito DAC utilizando Multisim.
3. Conectar el circuito DAC del objetivo 1 y comparar las medidas del circuito con las
mediciones obtenidas con Multisim.
Información preliminar
Los convertidores de digital a analógico o DAC se utilizan para convertir valores digitales,
representados por un formato binario o BCD, en un nivel de voltaje analógico correspondiente.
El valor binario o BCD que se va a convertir suele introducirse en el DAC de forma paralela y
cada bit, desde el LSB hasta el MSB, tiene su propia entrada digital correspondiente.
La resolución de un DAC, o voltaje analógico representativo más pequeño, corresponde al
número de bits que puede albergar y al voltaje de referencia utilizado. Aunque los DAC de 8
bits (28
= 256 valores analógicos) suelen ser habituales en la industria, los DAC pueden ir desde
configuraciones sencillas de 6 bits (64 de valor analógico) hasta configuraciones de 20 bits
(1048576 de valor analógico).

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Los DAC típicos están disponibles en configuraciones de salida de corriente (IDAC) o de salida
de tensión (VDAC). Aunque los VDAC de salida de tensión son más cómodos de implementar,
suelen ser más lentos y más caros que sus homólogos de salida de corriente (consulte la figura
3-1 para un ejemplo de VDAC).
Por lo tanto, para aplicaciones de alta velocidad, los diseñadores de circuitos suelen elegir IDAC
de salida de corriente y utilizan un op-amp de alta velocidad para proporcionar la conversión I-
V a la salida del DAC. Para algunas aplicaciones de bajo costo, un IDAC con un simple filtro RC
en su salida es a menudo suficiente para satisfacer ciertas aplicaciones no exigentes y de alta
impedancia de entrada.
Figura 3-1. Implementación de VDAC (Observe el valor de 𝑉𝑜𝑢𝑡 con el LSB en alto, es decir, con
S0 cerrado).

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Planteamiento del problema
Diseñe un circuito DAC de 8 bits que sea capaz de manejar una carga de 1K Ω. Utilice un voltaje
de referencia entre 3 VDC y 5 VDC. El circuito debe diseñarse de forma que proporcione una salida
de tensión positiva (unipolar).
Solución
Para asegurar que podemos manejar una carga de 1K Ω sin cargar excesivamente la salida del
DAC, el enfoque más prudente sería utilizar un IDAC con un op-amp para proporcionar la
conversión I-V y la capacidad de conducción de la carga. Debido a que deseamos una señal de
salida unipolar del DAC, tanto la entrada −𝑉𝑟𝑒𝑓 como la salida −𝐼𝑜𝑢𝑡 están conectadas a tierra.
Consulte la figura 3-2 a continuación para ver un esquema de una solución para este diseño de
circuito.
La tarjeta convertidora de digital a analógico está pensada para ser utilizada para su uso con la
placa base Motherboard para la extensión del puerto serie RS232 de extensión de puerto serie
y es un complemento de las demás tarjetas enchufables de esta gama. La tarjeta D-to-A (digital
a analógico) transforma un número binario número binario, presentado a través del bus de
datos del sistema desde la placa base inteligente en una salida de tensión analógica. en una
salida de tensión analógica. Esta salida del convertidor D-a-A puede utilizarse para controlar
equipos analógicos, como el volumen de una mesa de mezclas automatizada o el control de la
iluminación, e incluso motores y actuadores. etc.
Tarjeta convertidora de digital a analógico

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Figura 3-2 - Ejemplo de implementación de un diseño IDAC en Multisim con unidad I-V
capacidad para una carga de 1K Ω. (Obsérvese que el orden de los indicadores es MSB (X7) →
LSB (X0), de izquierda a derecha).
Análisis del circuito
Refiriéndonos a la figura 3-2, vemos un voltaje de referencia de 5V (V1) con R9 fijando la
corriente de referencia en el IDAC. Los interruptores S0 - S7 permiten el ajuste de la entrada de
valor binario en el IDAC, con S0 representando el LSB y S7 representando el MSB.
En la salida del IDAC tenemos un op-amp de propósito general (por ejemplo, 741) configurado
con suministros de voltaje bipolar de +/- 15V. Estos suministros de tensión deben ser mayores
que la de referencia para asegurar el cumplimiento de la salida de 0 - 5V (+/- 10V o +10V/-5V
también habría sido adecuado).
La resistencia de retroalimentación del op-amp (R10) se elige para dar la escala adecuada de
voltaje de salida deseada en función de la corriente de salida del IDAC.
Tenga en cuenta que la entrada inversora del op-amp se alimenta de la salida +𝐼𝑜𝑢𝑡 del IDAC,
pero el 𝑉𝑜𝑢𝑡 del op-amp es positivo según los requisitos de diseño. Se podría esperar un

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negativo en la salida del 741, sin embargo, el pin +𝐼𝑜𝑢𝑡 del IDAC en realidad drena corriente en
vez de generarla. Por lo tanto, la caída de voltaje a través de la resistencia de retroalimentación
de U1 es positiva a negativa con respecto a la salida del op-amp. R11 es la resistencia de carga
como identificada en los requisitos de diseño del circuito.
El análisis matemático del circuito DAC es el siguiente:
Al diseñar un circuito DAC, una de las cosas importantes que hay que entender es la capacidad
de resolución del DAC que se utiliza. Como se mencionó anteriormente, la resolución del DAC
es una función del número de bits que el DAC puede acomodar y del 𝑉𝑟𝑒𝑓 que se utiliza.
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 #1: 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝐷𝐴𝐶 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 2𝑛
⁄
Donde: 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝐷𝐴𝐶
𝑛 = # 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑎𝑐𝑜𝑚𝑜𝑑𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝐷𝐴𝐶 (𝐸𝑠 𝑑𝑒𝑐𝑖𝑟 𝐷𝐴𝐶 𝑑𝑒 8 𝑏𝑖𝑡𝑠)
Nota: al observar la ecuación # 1, queda claro que la resolución del DAC podría mejorarse
aumentando el número de bits empleados o disminuyendo la tensión de referencia. Sin
embargo, el aumento del número de bits aumenta el costo y el tiempo de conversión y la
disminución del voltaje de referencia hace que la conversión más sensible a los errores de ruido.
Por lo tanto, en los circuitos de la figura 3-1 y 3-2:
𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 5 𝑉 28
⁄ = 19.5 𝑚𝑉
Esto significa que el tamaño de paso del voltaje analógico más pequeño que puede representar
el DAC con una 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 5V es de 19,5 mV.
 Para determinar 𝑉𝑜𝑢𝑡 para cualquier entrada de valor binario:
Ecuación #2: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑟𝑒𝑓(𝑁 2𝑛
⁄ )
Donde:
𝑉𝑜𝑢𝑡 es el voltaje de salida de los DAC’s (después de la conversión I-V con un IDAC o el 𝑉𝑜𝑢𝑡 de
un VDAC.
𝑉𝑟𝑒𝑓 = voltaje de referencia del DAC
N = es el equivalente decimal al valor binario de entrada
n = Número de bits que admite el DAC (Por ejemplo, un DAC de 8 bits)
Por lo tanto:
Si cerramos el interruptor sólo para el LSB (S0 en la figura 3-1, valor binario = 00000001)
deberíamos ver aproximadamente 20 mV en la salida, porque 5V (1/256) = 19,5 mV.
Con los 8 interruptores cerrados (es decir, valor binario = 11111111) deberíamos ver
aproximadamente 5V (255 / 28
) = 4,98V en la salida (esto se ilustra en la figura 3-2).

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Procedimiento/tareas con Multisim
1. Construye el circuito indicado en la figura 3-2 utilizando Multisim. Elija un incremento del 1% para
el potenciómetro (R9).
2. Ajuste R9 (pulsando las teclas R o SHIFT- R) hasta que 𝑉𝑜𝑢𝑡 sea aproximadamente igual a 4,98V con
S0 - S7 cerrados.
3. Si R9 está bien ajustado para la 𝐼𝑟𝑒𝑓 correcta, 𝑉𝑜𝑢𝑡 debería ser igual a 4,98V con S0 - S7 todos
cerrado y 𝑉𝑜𝑢𝑡 debe ser igual a aproximadamente 0V con S0 - S7 todo abierto.
Nota: 𝑉𝑜𝑢𝑡 será en realidad del orden de μV con S0 - S7 abiertos debido a la tensión de offset
y las corrientes de polarización del op-amp. Sin embargo, considerando la resolución del DAC
de 20mV, este valor de 𝑉𝑜𝑢𝑡 es esencialmente cero.
4. Usando Multisim y la ecuación #2 complete la siguiente Tabla 3 -1 de valores de 𝑉𝑜𝑢𝑡 para los
valores de entrada binarios dados.
Entrada S7-S0
(Binario)
Entrada
(Dec)
Entrada
(Hex)
𝑉𝑜𝑢𝑡
calculado
𝑉𝑜𝑢𝑡
medido
00000000
00000001
00000010
00000100
00001000
00010000
00100000
01000000
10000000
11000000
11100000
11110000
11111111

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Preguntas
1. Cuando el valor de la entrada binaria aumentaba, ¿notaste un patrón en los correspondientes
valores de 𝑉𝑜𝑢𝑡 ¿Qué forma tomó este patrón de valores de 𝑉𝑜𝑢𝑡? ¿Fue lineal o no lineal?
2. Basándose en los resultados citados en la pregunta 1, explique la razón del valor 𝑉𝑜𝑢𝑡 observado.
3. Sustituya R10 por una resistencia de 10 KΩ y observe los valores de 𝑉𝑜𝑢𝑡 para las entradas binarias
de 00000001 y 11111111. ¿Cómo afecta el cambio de valor de la resistencia R10 a 𝑉𝑜𝑢𝑡? ¿Por qué?
4. Ajuste la VCC de U1 a +5V y VEE a tierra y observe los valores de 𝑉𝑜𝑢𝑡 para las entradas binarias de
00000001 y 11111111. ¿Cómo afectan estos cambios en los parámetros del circuito a Vout? ¿Por
qué?
MATERIAL Y EQUIPO REQUERIDO
CANTIDAD DESCRIPCIÓN DEL COMPONENTE
EQUIPO DE MEDICIÓN

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IV. RESULTADOS Y CONCLUSIONES
V. BIBLIOGRAFIA
[1]
[2]
[3]
Observaciones:
Instructor______________________________
Participantes
1.
2.
3.

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