La conversión analógica-digital y digital-analógica implica tres procesos: muestreo, cuantización y codificación. El muestreo toma muestras periódicas de la señal, la cuantización asigna valores discretos a cada muestra, y la codificación traduce los valores a números binarios. La frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal para evitar efectos de alias.

1. Conversión Analógica-Digital Y Conversión Digital-Analógica

2. Introducción La conversión analógica a digital es el proceso por el cual se convierten señales continuas a números digitales discretos. La operación inversa es conocida como conversión digital a analógica. Para convertir una señal analógica a una digital la señal tiene que pasar por los procesos de muestro, cuantización y codificación . Fig 1.1

3. Procesos del ADC Muestreo: Consiste en tomar muestras periódicas de la amplitud de onda. La velocidad con la que se toma esta muestra; el numero de muestras por segundo, se conoce como frecuencia de muestreo. Según el teorema de Nyquist para poder replicar con exactitud la forma de una onda es necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la frecuencia máxima de la señal analógica. Fig. 1.2 Cuantificación: en este proceso se mide el nivel de voltaje de cada muestra y a continuación se le asigna un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. Este proceso produce una señal indeseada llamada error de cuantificación. Fig. 1.3 Codificación: es la traducción de los valores obtenidos en la cuantificación a valores binarios. Fig. 1.4

4. Fig. 1.2 Fig. 1.3 Fig. 1.4

5. Características del ADC Resolución: La resolución indica el número de valores discretos que el convertidor puede producir sobre el intervalo de valores analógicos. La resolución es usualmente expresada en bits, por lo tanto el número de valores o niveles discretos es usualmente una potencia de dos. Por ejemplo un ADC con una resolución de 8 bits puede codificar una señal en 256 niveles ya que 28=256. Estos valores se pueden representar en intervalos de 0 a 255 o -127 a 128 dependiendo de la aplicación. Velocidad de muestreo: El ADC tiene una velocidad máxima de muestreo que limita la frecuencia de las señales que se pueden convertir. Ya que el ADC no puede hacer las conversiones instantáneamente el valor de la entrada tiene que mantenerse constante el tiempo que se hace la conversión. Un circuito interno llamado de muestra y retención realiza esta tarea.

6. Estructuras del ADC El ADC de conversión directa o flash ADC: Es un ADC que consiste de un banco de comparadores, cada uno encendiéndose a un voltaje determinado. El banco de comparadores alimenta un circuito lógico que genera un código para cada intervalo de voltaje. La conversión directa es muy rápida pero usualmente solo tiene 8 bits de resolución (8 comparadores) o incluso menos. Se utilizan cuando se requieren conversiones muy rápidas pero no es necesaria una alta calidad. El ADC de aproximaciones sucesivas: funciona constantemente comparando el voltaje de entrada con el de salida de un convertidor digital analógico interno. En cada paso de este proceso un valor binario de la aproximación es guardado en un registro de aproximaciones sucesivas (SAR). El SAR utiliza un voltaje de referencia que es el valor máximo que el ADC puede convertir. ADC de comparación de rampa: produce una señal diente de sierra después rápidamente cae a cero. Cuando la rampa comienza a bajar un reloj comienza a contar. Cuando el voltaje de la rampa es igual al de la entrada se enciende un comparador y el valor del reloj se graba. Estos convertidores son sensibles a los cambios de temperatura.

7. Conversión Digital-Analógica Al igual que con la conversión analógica a digital hay varias maneras para transformar una señal digital a analógica las más comunes son. El modulador de ancho de pulso: Un voltaje estable pasa por un filtro pasabajas analógico durante un tiempo determinado por la entrada digital. El DAC de peso binario: contiene un resistor por cada bit del DAC conectados a un punto de suma. Estos voltajes suman el voltaje de la salida. Fig1.5 El DAC de escalera R2R: es un DAC de peso binario que utiliza una estructura repetitiva en forma de cascada de R y 2R esto aumenta la precisión pero aumenta el tiempo de conversión. Fig1.6

8. Fig1.5 Fig1.6

9. El Efecto Alias Ya que todos los procesos de conversión de señales emplean el muestreo de la señal de entrada en intervalos discretos la salida es una imagen incompleta del comportamiento de la entrada. Cuando los valores digitales de la salida del ADC son convertidos por un DAC, es deseable que la salida del DAC sea una representación fiel de la señal de entrada. Si la señal de entrada esta cambiando mas rápido que la frecuencia de muestreo señales falsas llamadas aliases serán formadas a la salida del DAC. La frecuencia de la señal de alias es la diferencia entre la frecuencia de la señal y la frecuencia de muestreo. El alias se puede prevenir con un filtro pasa bajas que filtre las frecuencias mayores a la frecuencia de muestreo. Como se muestra en la Fig 1.7 Fig. 1.7

10. Desarrollo En este circuito utilizamos el ADC AD1674 y el DAC AD667. Conectamos las salidas del ADC a las entradas del DAC esperando que la salida sea una representación fiel de las entradas analógica del ADC. Los dos convertidores tienen una resolución de 12 bits. El ADC AD1674 Es un convertidor electrónico que realizar aproximaciones sucesivas con 4 modos de operación de 0 a 10 V y de 0 a 20V unipolar y de -5V a 5V y de 10V a 10V en modo bipolar, y opera con dos fuentes de polarización de ±15V o ±12V y una de 5V. Su velocidad máxima de muestreo es de 10 Khz lo que significa que toma una muestra cada 10µs. Un diagrama de bloques de este ADC se muestra en la figura en la figura 1.8. El DAC AD667 Es un convertidor digital analógico de 12 bits que incluye un Zener de alta estabilidad como voltaje de referencia. El convertidor utiliza 12 interruptores bipolares de alta velocidad y precisión para proveer alta precisión y rapidez en la conversión. El circuito interno del DAC se muestra en la fig1.9.

11. Fig. 1.8 Fig. 1.9

12. El circuito ADC-DAC El circuito está formado por un ADC con sus salidas conectadas a las entradas de un DAC, se utilizaron el ADC AD 1674 y DAC AD 667 los dos se configuraron para trabajar en la región bipolar de ±5 volts. Se conectó la entrada de control READ/CONVERT del ADC a una compuerta lógica negadora 04 con la salida hacia la entrada de control READ/CONVERT del DAC buscando que cuando el ADC leyera un dato el DAC hiciera una conversión y viceversa. Se polarizó el circuito con dos fuentes de ±15 volts y se utilizó un voltaje lógico de 5 volts. Una señal de disparo a la frecuencia de muestreo (100Khz) se conecto a la entrada de control READ/CONVERT porque ésta se activa con un nivel bajo de voltaje. Se utilizó un voltaje de referencia externo de 10 volts por medio de dos potenciómetros de 50 KΩ. Se probó insertando a la entrada una señal senoidal a la que se varió la frecuencia para probar el teorema de muestreo. La figura 10 muestra el diagrama del circuito armado.

13. Resultados La señal de salida es una representación fiel y precisa de la señal de entrada Se puede apreciar que se están tomando cuatro muestras por ciclo Se presenta el efecto alias, la señal de salida es de una frecuencia menor que la de entrada pero mantiene la forma senoidal, esto se debe a que se toma menos de una muestra por periodo Señal a una frecuencia menor a la frecuencia de muestreo Señal a la mitad de la frecuencia de muestreo Señal con frecuencia mayor a la frecuencia de muestreo