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Definición de Convertidor analógico digital

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 Circuito electrónico que proporciona una señal digital de valor numérico equivalente al de una señal analógica.

Cada día es más frecuente el control electrónico de muchos procesos científicos, industriales y domésticos. Para ello es necesario tomar una referencia de la situación del proceso mediante sensores de voltaje, presión o temperatura que registran el valor de una magnitud en forma de una señal eléctrica analógica, es decir, cuyo valor es proporcional al estímulo.

Un micrófono, por ejemplo, proporciona un voltaje directamente proporcional al valor de la presión acústica en cada instante. Estas señales analógicas son continuas, es decir, pueden adoptar cualquier valor entre los dos extremos de su rango de salida. También se utilizan algunos dispositivos que proporcionan información únicamente en forma de valores discretos, como por ejemplo un contador que indique el número de personas que ha atravesado una barrera.

La información que proviene de un sensor puede mostrarse en los indicadores en formato analógico o digital. La diferencia entre ambos puede apreciarse tomando como ejemplo un velocímetro. Un velocímetro analógico indica la velocidad con una aguja sobre una escala graduada, y uno digital presenta el valor mediante una cifra. La aguja puede adoptar cualquier posición entre los límites de la escala, mientras que el digital está limitado a las cifras que puede representar, y no existen pasos intermedios entre dos cifras consecutivas.

Los ordenadores y procesadores numéricos únicamente pueden operar con señales digitales, de forma que en caso de registrar señales analógica es necesario convertir esta señal a formato digital, es decir, a una cifra o una secuencia de cifras. Esta operación se realiza con el convertidor analógico digital.

Resolución.

En el caso del velocímetro digital de un coche es usual (aunque dudosamente útil) presentar el resultado con precisión de décimas de kilómetro por hora. Una señal analógica, cuando se representa de manera digital, sólo puede adoptar valores discretos, por lo que en los valores intermedios existe una diferencia entre el valor real y el valor representado numéricamente denominado error de cuantificación, y la resolución es la diferencia entre dos valores discretos contiguos. Por ejemplo, si se registra analógicamente el valor 87,556745 Km/h el indicador digital señalará 87,6 Km/h y su error de cuantificación será 0.043255 Km/h. Dado que el error de cuantificación depende de la señal analógica medida es un valor muy poco útil, y por eso se emplea la resolución, definida como la mitad del valor de la última cifra significativa, en este caso 0,05 km /h.

El hecho de que al digitalizar una señal se cometa un error de cuantificación no significa que las señales digitalizadas sean menos precisas que las analógicas, ya que en el caso del velocímetro de aguja puede ser menos preciso que el digital debido a errores de paralaje, vibraciones o el propio grueso de la aguja. Además, si en un proceso dado se realizan varias medidas la propagación de errores es mucho mayor que en el caso digital. Los indicadores digitales presentan por lo común un error de cuantificación constante en un rango más amplio de variación de parámetros externos como temperatura, voltaje de alimentación o vibraciones mecánicas que los indicadores analógicos.

Convertidores electrónicos A/D.

Los primeros instrumentos electrónicos empleaban profusamente medidores analógicos basados en galvanómetros de aguja. Su sustitución por indicadores digitales fue posible gracias al abaratamiento de los costes de fabricación de los componentes electrónicos hacia 1980. El convertidor analógico digital (A/D) es un circuito que posee una entrada analógica, muestrea la señal y proporciona una salida digital en binario, BCD u otro formato digital.

Características.

Las magnitudes físicas principales que determinan el comportamiento de un convertidor A/D son la resolución, que se expresa en bits, la precisión y el tiempo de conversión, que se expresa en segundos. Otras características son el llamado valor a fondo de escala y la señal máxima que se admite conservando la precisión.

La resolución se expresa generalmente en el número de bits en que se proporciona el valor digital. Si un convertidor es capaz de diferenciar 1000 niveles su resolución será de 0,1 %, pero si debido a las características del circuito la precisión de la medida es el 1 %, el convertidor daría un valor numérico con una resolución del 0,1 %, pero con una precisión de un 1%. El número de bits determina el número de niveles que un convertidor puede diferenciar, así 6 bits equivalen a 64 niveles, 8 bits a 256, 10 bits a 1024, 16 bits a 65.000. La resolución es el umbral entre dos niveles. Suponiendo que el valor máximo de entrada es de 1 voltio, en 6 bits la resolución sera 1/64 voltios, 8 bits, 1/256 = 4 milivoltios, 10 bits 1 milivoltio, y 16 bits 15 microvoltios.

En los convertidores empleados en circuitos de medida y control la precisión debe ser superior a la resolución, normalmente el doble. Se acostumbra a expresar la precisión en fragmentos de la resolución, y así se dice que un convertidor es de 10 bits, (1024 niveles, cuya resolución es 1/1024) y precisión 1/2 bit, 1/2048 = 0,05%.

El tiempo de conversión es el empleado por el circuito electrónico desde que se aplica una señal analógica hasta que se obtiene la salida digital equivalente con la precisión requerida. Este parámetro es muy importante para la conversión de señales que no son estáticas, de hecho el tiempo de conversión debe ser menor que el de variación de la señal.

Convertidor de un bit.

Un convertidor A/D muy sencillo consiste en un circuito que compara la señal de entrada de valor máximo V con una de referencia de valor V/2. En caso de que sea inferior la salida es un 0 y un 1 en caso contrario. En este caso el error de cuantificación es V/2.

Convertidores flash.

Esta técnica tan sencilla se emplea en un tipo de convertidores llamados flash por su rapidez que se usan para conversión de señales de vídeo o instrumentación. Consisten en una batería de comparadores que tienen su entrada común, mientras que la entrada de referencia de cada uno de ellos va conectada a una tensión diferente, de manera que cada uno señala si la tensión es superior a su nivel de referencia.

Las salidas de todos los comparadores atacan a un decodificador que proporciona la salida en forma de una palabra binaria. Este tipo de convertidores se usa generalmente con 6 bits de resolución, dando tiempos de conversión inferiores a los 100 nanosegundos. Las desventajas de este convertidor son que su precisión depende directamente de la red de resistencias que determinan los umbrales de cada uno de los comparadores y que su consumo suele ser muy alto.

Convertidor de aproximaciones sucesivas.

Un circuito más complejo pero muy utilizado es el representado en la siguiente figura.

En él un oscilador proporciona una señal de reloj que actúa sobre un contador a través de una puerta lógica de control. El contador comienza desde cero la cuenta, a la salida del contador un convertidor D/A transforma la cuenta en una señal analógica proporcional que es comparada con la entrada y cuando es superada se para el conteo. este ciclo se repite las veces necesarias. La desventaja de este tipo de contadores es que su tiempo de conversión es alto, pues para valores próximos a el nivel superior necesita un número de cuentas considerable (65000 en el caso de convertidores de 16 bits). Esta limitación se supera con una modificación llamada de aproximaciones sucesivas, donde el convertidor ajusta el bit de mayor nivel, después el de el nivel inmediatamente inferior así sucesivamente hasta completar la conversión. Este tipo de convertidores tiene la desventaja siguiente: si mientras se realiza la conversión cambia la señal de entrada el convertidor puede dar valores arbitrarios. Para corregir este efecto se incorpora a la entrada un circuito de retención (SAMPLE HOLD) que toma una muestra de la señal de entrada y se mantiene de manera estable hasta que se termine la conversión, en cuyo caso vuelve a admitirse otra muestra.

Convertidor de doble rampa.

Otro tipo de convertidores consta de un condensador que se carga con una corriente proporcional a la señal de entrada durante un tiempo especificado por un reloj incorporado al circuito, transcurrido el cual se descarga mediante una corriente patrón de signo opuesto. El tiempo de descarga se mide con el reloj auxiliar y es proporcional al valor de la tensión de entrada. Este tipo de circuitos, a pesar de no ser muy rápido, se emplea profusamente por la simplicidad de realización y precisión. Se emplea principalmente en voltímetros y otros aparatos de medida.

Existen otros tipos de conversores A/D, diseñados específicamente para ser conectados a microprocesadores. Otros disponen de señales de control de manera que se pueda realizar o inhibir la conversión. Los ordenadores personales multimedia llevan sendos convertidores A/D en la placa de sonido, mediante los cuales se convierte una señal musical en una secuencia de números procesable y almacenable por el ordenador. Dependiendo del fabricante pueden ser de 8 o 16 bits. Los mejores de 16 bits pueden realizar 44.000 conversiones por segundo. Los equipos de HIFI que emplean reproductores DAT (Digital Audio Tape) emplean un tipo mejorado de conversores específicamente diseñado para este propósito.

Tanto en la conversión D/A como en la A/D, el error de cuantificación se traduce en la introducción de ruido en la señal. La relación señal/ruido expresado en decibelios es 6 veces el número de bits. Así las señales procedentes de un disco compacto digitalizadas con 16 bits tienen una relación señal/ruido debidas a la conversión de 96 dB.

GMM

Convertidor analógico digital

Fuente: Britannica

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