Qué es el convertidor analógico-digital y su funcionamiento

Casi todos los parámetros medibles del entorno están en forma analógica, como la temperatura, el sonido, la presión, la luz, etc. Consideremos un sistema de control de la temperatura en el que la adquisición, el análisis y el procesamiento de los datos de temperatura de los sensores no es posible con ordenadores y procesadores digitales. Por lo tanto, este sistema necesita un dispositivo intermedio que convierta los datos analógicos de temperatura en datos digitales para poder comunicarse con procesadores digitales como microcontroladores y microprocesadores. El convertidor analógico-digital (ADC) es un circuito electrónico integrado que se utiliza para convertir las señales analógicas, como los voltajes, en forma digital o binaria, formada por 1s y 0s. La mayoría de los ADC toman una entrada de voltaje de 0 a 10 V, de -5 V a +5 V, etc., y producen la correspondiente salida digital como una especie de número binario.


¿Qué es un convertidor analógico-digital?

Un convertidor que se utiliza para cambiar la señal analógica a digital se conoce como convertidor analógico-digital o convertidor ADC. Este convertidor es un tipo de circuito integrado o CI que convierte la señal directamente de forma continua a forma discreta. Este convertidor puede expresarse en A/D, ADC, A a D. La función inversa de DAC no es otra que ADC. El símbolo del convertidor analógico-digital se muestra a continuación.

El proceso de conversión de una señal analógica a digital puede realizarse de varias maneras. Hay diferentes tipos de chips ADC disponibles en el mercado de diferentes fabricantes, como la serie ADC08xx. Así, se puede diseñar un ADC sencillo con la ayuda de componentes discretos.

Las principales características del ADC son la velocidad de muestreo y la resolución de bits.

  • La frecuencia de muestreo de un ADC no es más que la rapidez con la que un ADC puede convertir la señal de analógica a digital.
  • La resolución de bits no es más que la precisión con la que un convertidor analógico-digital puede convertir la señal de analógica a digital.
Convertidor analógico-digital

Una de las principales ventajas del convertidor ADC es la alta velocidad de adquisición de datos, incluso con entradas multiplexadas. Con la invención de una gran variedad de circuitos integrados (CI) ADC, la adquisición de datos de diversos sensores es más precisa y rápida. Las características dinámicas de los ADC de alto rendimiento son la mejora de la repetibilidad de las mediciones, el bajo consumo de energía, el rendimiento preciso, la alta linealidad, la excelente relación señal/ruido (SNR), etc.

Una variedad de aplicaciones de los ADC son los sistemas de medición y control, la instrumentación industrial, los sistemas de comunicación y todos los demás sistemas basados en los sentidos. La clasificación de los ADC se basa en factores como el rendimiento, la tasa de bits, la potencia, el coste, etc.

Diagrama de bloques del ADC

A continuación se muestra el diagrama de bloques del ADC, que incluye muestra, retención, cuantificación y codificador. El proceso del ADC se puede realizar de la siguiente manera.

En primer lugar, la señal analógica se aplica al primer bloque, es decir, una muestra, donde se puede muestrear a una frecuencia de muestreo exacta. El valor de la amplitud de la muestra como valor analógico se puede mantener así como retener dentro del segundo bloque como Hold. La muestra retenida puede cuantificarse en un valor discreto a través del tercer bloque como cuantificar. Finalmente, el último bloque como codificador cambia la amplitud discreta en un número binario.

En el ADC, la conversión de la señal de analógica a digital puede explicarse mediante el diagrama de bloques anterior.

Muestra

En el bloque de muestreo, la señal analógica se puede muestrear en un intervalo de tiempo exacto. Las muestras se utilizan en amplitud continua y tienen valor real, pero son discretas con respecto al tiempo. Al convertir la señal, la frecuencia de muestreo desempeña un papel esencial. Así, se puede mantener una frecuencia precisa. En función de los requisitos del sistema, la frecuencia de muestreo puede fijarse.

Mantener

En el ADC, HOLD es el segundo bloque y no tiene ninguna función porque simplemente mantiene la amplitud de la muestra hasta que se tome la siguiente. Así que el valor de hold no cambia hasta la siguiente muestra.

Cuantificar

En el ADC, este es el tercer bloque que se utiliza principalmente para la cuantificación. Su función principal es convertir la amplitud continua (analógica) en discreta. El valor de la amplitud continua dentro del bloque de retención se desplaza a través del bloque de cuantificación para convertirse en discreto en amplitud. Ahora, la señal estará en forma digital porque incluye la amplitud discreta y el tiempo.

Codificador

El último bloque del ADC es un codificador que convierte la señal de forma digital a binaria. Sabemos que un dispositivo digital funciona mediante señales binarias. Por tanto, es necesario cambiar la señal de digital a binaria con la ayuda de un codificador. Este es el método completo para convertir una señal analógica en digital utilizando un ADC. El tiempo que se tarda en realizar toda la conversión puede ser de un microsegundo.

Proceso de conversión de analógico a digital

Hay muchos métodos para convertir las señales analógicas en digitales. Estos convertidores encuentran más aplicaciones como dispositivo intermedio para convertir las señales de forma analógica a digital y mostrar la salida en la pantalla LCD a través de un microcontrolador. El objetivo de un convertidor A/D es determinar la palabra de señal de salida correspondiente a una señal analógica. Ahora vamos a ver un ADC del 0804. Es un convertidor de 8 bits con una alimentación de 5V. Sólo puede tomar una señal analógica como entrada.

Convertidor analógico-digital de señal
Convertidor analógico-digital de señales

La salida digital varía de 0 a 255. El ADC necesita un reloj para funcionar. El tiempo que se tarda en convertir el valor analógico en digital depende de la fuente de reloj. Se puede dar un reloj externo a la clavija CLK IN nº 4. Se conecta un circuito RC adecuado entre las patillas de reloj IN y reloj R para utilizar el reloj interno. El pin2 es el pin de entrada – El impulso de alto a bajo lleva los datos del registro interno a los pines de salida después de la conversión. El pin3 es de escritura – El pulso de bajo a alto lleva el reloj externo. Los pines11 a 18 son pines de datos de MSB a LSB.

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El convertidor analógico-digital muestrea la señal analógica en cada flanco descendente o ascendente del reloj de muestreo. En cada ciclo, el ADC obtiene la señal analógica, la mide y la convierte en un valor digital. El ADC convierte los datos de salida en una serie de valores digitales aproximando la señal con una precisión fija.

En los ADC, hay dos factores que determinan la precisión del valor digital que capta la señal analógica original. Son el nivel de cuantificación o tasa de bits y la tasa de muestreo. La siguiente figura muestra cómo se produce la conversión analógica a digital. La tasa de bits decide la resolución de la salida digitalizada y puedes observar en la siguiente figura que se utiliza un ADC de 3 bits para convertir la señal analógica.

Proceso de conversión analógico-digital
Proceso de conversión analógico-digital

Supongamos que hay que convertir una señal de un voltio en digital utilizando un ADC de 3 bits, como se muestra a continuación. Por tanto, se dispone de un total de 2^3=8 divisiones para producir una salida de 1V. Este resultado 1/8=0,125V se denomina cambio mínimo o nivel de cuantificación representado para cada división como 000 para 0V, 001 para 0,125, y así hasta 111 para 1V. Si aumentamos las tasas de bits como 6, 8, 12, 14, 16, etc. obtendremos una mayor precisión de la señal. Así, la tasa de bits o la cuantificación da el menor cambio de salida en el valor de la señal analógica que resulta de un cambio en la representación digital.

Supongamos que la señal es de 0-5V y hemos utilizado un ADC de 8 bits, entonces la salida binaria de 5V es 256. Y para 3V es 133, como se muestra a continuación.

Fórmula del ADC

Existe una posibilidad absoluta de representar erróneamente la señal de entrada en la salida si se muestrea a una frecuencia diferente de la deseada. Por tanto, otra consideración importante del ADC es la frecuencia de muestreo. El teorema de Nyquist establece que la reconstrucción de la señal adquirida introduce distorsiones a menos que se muestree a (como mínimo) el doble de la tasa del mayor contenido de frecuencia de la señal, como puedes observar en el diagrama. Pero esta tasa es de 5 a 10 veces la frecuencia máxima de la señal en la práctica.

Velocidad de muestreo del convertidor analógico-digital
Frecuencia de muestreo del convertidor analógico-digital

Factores

El rendimiento del ADC puede evaluarse a través de su rendimiento basado en diferentes factores. A continuación se explican los dos factores principales.

SNR (Relación señal/ruido)

La SNR refleja el número medio de bits sin ruido en una muestra concreta.

Ancho de banda

El ancho de banda de un ADC puede determinarse estimando la frecuencia de muestreo. La fuente analógica se puede muestrear por segundo para producir valores discretos.

Tipos de convertidores analógico-digitales

El ADC está disponible en diferentes tipos y algunos de los tipos de convertidores analógico-digitales son

  • Convertidor A/D de doble pendiente
  • Convertidor A/D Flash
  • Convertidor A/D de aproximación sucesiva
  • ADC semiflash
  • ADC Sigma-Delta
  • ADC en tuberías

Convertidor A/D de doble pendiente

En este tipo de convertidor ADC, la tensión de comparación se genera utilizando un circuito integrador que está formado por una combinación de resistencia, condensador y amplificador operacional. Mediante el valor establecido de Vref, este integrador genera una forma de onda en diente de sierra en su salida desde cero hasta el valor Vref. Cuando la forma de onda del integrador se pone en marcha, el contador empieza a contar de 0 a 2^n-1, donde n es el número de bits del ADC.

Convertidor analógico-digital de doble pendiente
Convertidor analógico-digital de doble pendiente

Cuando la tensión de entrada Vin es igual a la tensión de la forma de onda, el circuito de control captura el valor del contador, que es el valor digital del valor de entrada analógico correspondiente. Este ADC de doble pendiente es un dispositivo de coste relativamente medio y de baja velocidad.

Convertidor A/D Flash

Este CI convertidor ADC también se llama ADC paralelo, que es el ADC eficiente más utilizado en cuanto a su velocidad. Este circuito convertidor analógico-digital flash consta de una serie de comparadores en los que cada uno compara la señal de entrada con una única tensión de referencia. En cada comparador, la salida será un estado alto cuando la tensión de entrada analógica supere la tensión de referencia. Esta salida se entrega además al codificador de prioridad para generar un código binario basado en la actividad de la entrada de orden superior, ignorando otras entradas activas. Este tipo de flash es un dispositivo de alto coste y alta velocidad.

Convertidor A/D Flash
Convertidor A/D Flash

Convertidor A/D de aproximación sucesiva

El ADC SAR es un circuito integrado de ADC más moderno y mucho más rápido que los ADC de doble pendiente y flash, ya que utiliza una lógica digital que hace converger la tensión de entrada analógica al valor más cercano. Este circuito está formado por un comparador, unos cierres de salida, un registro de aproximación sucesiva (SAR) y un convertidor D/A.

Convertidor A/D de aproximación sucesiva
Convertidor A/D de aproximación sucesiva

Al principio, el SAR se restablece y al introducirse la transición LOW a HIGH, se establece el MSB del SAR. Entonces esta salida se da al convertidor D/A que produce un equivalente analógico del MSB, además se compara con la entrada analógica Vin. Si la salida del comparador es BAJA, entonces el MSB será borrado por el SAR, de lo contrario, el MSB se pondrá en la siguiente posición. Este proceso continúa hasta que se prueban todos los bits y después de Q0, el SAR hace que las líneas de salida paralelas contengan datos válidos.

ADC semiflash

Este tipo de convertidores analógico-digitales funciona principalmente con su tamaño limitado a través de dos convertidores flash separados, donde la resolución de cada convertidor es la mitad de los bits del dispositivo semiflash. La capacidad de un solo convertidor flash es que maneja los MSB (bits más significativos) mientras que el otro maneja los LSB (bits menos significativos).

ADC Sigma-Delta

El ADC Sigma Delta (ΣΔ) es un diseño bastante reciente. Son extremadamente lentos en comparación con otros tipos de diseños, pero ofrecen la máxima resolución para todos los tipos de ADC. Por tanto, son extremadamente compatibles con las aplicaciones de audio basadas en la alta fidelidad, sin embargo, normalmente no son utilizables cuando se requiere un alto BW (ancho de banda).

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ADC en línea

Los ADCs en tuberías también se conocen como cuantificadores de subrango y están relacionados en concepto con las aproximaciones sucesivas, aunque son más sofisticados. Mientras que las aproximaciones sucesivas crecen en cada paso pasando al siguiente MSB, este ADC utiliza el siguiente proceso.

  • Se utiliza para una conversión gruesa. Después, evalúa ese cambio hacia la señal de entrada.
  • Este convertidor actúa como una conversión mejor al permitir una conversión temporal con un rango de bits.
  • Por lo general, los diseños en tuberías ofrecen un terreno central entre los SAR y los convertidores analógicos-digitales flash, al equilibrar su tamaño, velocidad y alta resolución.

Ejemplos de convertidores analógico-digitales

A continuación se exponen los ejemplos de convertidor analógico-digital.

ADC0808

El ADC0808 es un convertidor que tiene 8 entradas analógicas y 8 salidas digitales. El ADC0808 nos permite monitorizar hasta 8 transductores diferentes utilizando un solo chip. Esto elimina la necesidad de realizar ajustes externos de cero y escala completa.

ADC0808 IC
ADC0808 IC

El ADC0808 es un dispositivo CMOS monolítico, que ofrece alta velocidad, alta precisión, mínima dependencia de la temperatura, excelente precisión y repetibilidad a largo plazo y consume un mínimo de energía. Estas características hacen que este dispositivo sea ideal para aplicaciones que van desde el control de procesos y máquinas hasta aplicaciones de consumo y automoción. El diagrama de pines del ADC0808 se muestra en la siguiente figura:

Características

Las principales características del ADC0808 son las siguientes

  • Fácil interfaz con todos los microprocesadores
  • No es necesario ajustar el cero ni el fondo de escala
  • multiplexor de 8 canales con lógica de dirección
  • rango de entrada de 0V a 5V con una sola fuente de alimentación de 5V
  • Las salidas cumplen las especificaciones de nivel de tensión TTL
  • Paquete de chip portador con 28 pines

Especificaciones

Las especificaciones del ADC0808 son las siguientes

  • Resolución: 8 bits
  • Error total no ajustado: ±½ LSB y ±1 LSB
  • Alimentación simple: 5 VDC
  • Bajo consumo: 15 mW
  • Tiempo de conversión: 100 μs

En general, la entrada del ADC0808 que se va a convertir en digital se puede seleccionar mediante tres líneas de dirección A, B y C, que son los pines 23, 24 y 25. El tamaño del paso se elige en función del valor de referencia establecido. El tamaño del paso es el cambio en la entrada analógica para provocar un cambio unitario en la salida del ADC. El ADC0808 necesita un reloj externo para funcionar, a diferencia del ADC0804 que tiene un reloj interno.

La salida digital continua de 8 bits correspondiente al valor instantáneo de la entrada analógica. El nivel más extremo de la tensión de entrada debe reducirse proporcionalmente a +5V.

El CI ADC 0808 requiere una señal de reloj de 550 kHz, típicamente, el ADC0808 se utiliza para convertir los datos en la forma digital necesaria para el microcontrolador.

Aplicación del ADC0808

El ADC0808 tiene muchas aplicaciones; aquí hemos dado algunas aplicaciones sobre el ADC:

En el siguiente circuito, los pines de reloj, inicio y EOC están conectados a un microcontrolador. Generalmente, tenemos 8 entradas; aquí estamos utilizando sólo 4 entradas para el funcionamiento.

Circuito ADC0808
Circuito ADC0808
  • Se utiliza el sensor de temperatura LM35 que se conecta a las 4 primeras entradas del CI convertidor analógico-digital. El sensor tiene 3 pines, es decir, VCC, GND y pines de salida cuando el sensor se calienta, el voltaje en la salida aumenta.
  • Las líneas de dirección A, B, C están conectadas al microcontrolador para los comandos. En esto, la interrupción sigue la operación de bajo a alto.
  • Cuando el pin de inicio se mantiene alto, no comienza la conversión, pero cuando el pin de inicio está bajo, la conversión comenzará en 8 periodos de reloj.
  • En el momento en que se completa la conversión, la patilla EOC se pone a nivel bajo para indicar la finalización de la conversión y que los datos están listos para ser recogidos.
  • A continuación, la activación de la salida (OE) se eleva a nivel alto. Esto habilita las salidas TRI-STATE, permitiendo la lectura de los datos.

ADC0804

Ya sabemos que los convertidores de analógico a digital (ADC) son los dispositivos más utilizados para asegurar la información y traducir las señales analógicas a números digitales para que el microcontrolador pueda leerlas fácilmente. Hay muchos convertidores ADC como el ADC0801, el ADC0802, el ADC0803, el ADC0804 y el ADC080. En este artículo vamos a hablar del convertidor ADC0804.

ADC0804
ADC0804

El ADC0804 es un convertidor analógico-digital de 8 bits muy utilizado. Funciona con una tensión de entrada analógica de 0V a 5V. Tiene una sola entrada analógica y 8 salidas digitales. El tiempo de conversión es otro factor importante a la hora de juzgar un ADC, en el ADC0804 el tiempo de conversión varía en función de las señales de reloj aplicadas a los pines CLK R y CLK IN, pero no puede ser más rápido que 110 μs.

Descripción de los pines del ADC804

Clavija 1: Es una patilla de selección de chip y activa el ADC, activo bajo

Clavija 2: Es un pin de entrada; el impulso de alto a bajo lleva los datos de los registros internos a los pines de salida después de la conversión

Pin 3: Es un pin de entrada; se da un impulso de bajo a alto para iniciar la conversión

Clavija 4: Es un pin de entrada de reloj, para dar el reloj externo

Clavija 5: Es un pin de salida, se pone a nivel bajo cuando se completa la conversión

Pin 6: Entrada analógica no inversora

Clavija 7: Entrada analógica inversa, normalmente está a tierra

Clavija 8: Tierra (0V)

Clavija 9: Es un pin de entrada, establece la tensión de referencia para la entrada analógica

Pin 10: Tierra (0V)

Clavija 11 – Clavija 18: Es un pin de salida digital de 8 bits

Pin 19: Se utiliza con el pin Clock IN cuando se utiliza la fuente de reloj interna

Clavija 20: Tensión de alimentación; 5V

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Características del ADC0804

Las principales características del ADC0804 son las siguientes

  • rango de tensión de entrada analógica de 0V a 5V con una única alimentación de 5V
  • Compatible con microcontroladores, el tiempo de acceso es de 135 ns
  • Interfaz fácil con todos los microprocesadores
  • Las entradas y salidas lógicas cumplen las especificaciones de nivel de tensión MOS y TTL
  • Funciona con una referencia de tensión de 2,5 V (LM336)
  • Generador de reloj en el chip
  • No es necesario ajustar el cero
  • 0.3[Prime] paquete DIP de 20 pines de ancho estándar
  • Funciona con relación métrica o con 5 VDC, 2,5 VDC, o con referencia de tensión analógica ajustada al span
  • Entradas de tensión analógica diferencial

Es un convertidor de 8 bits con una fuente de alimentación de 5 V. Sólo puede tomar una señal analógica como entrada. La salida digital varía de 0 a 255. El ADC necesita un reloj para funcionar. El tiempo que se tarda en convertir el valor analógico en digital depende de la fuente de reloj. Se puede dar un reloj externo a CLK IN. El pin2 es el pin de entrada – El pulso de alto a bajo lleva los datos del registro interno a los pines de salida después de la conversión. El pin3 es de escritura – Se da un pulso de bajo a alto al reloj externo.

Aplicación

En el circuito simple, el pin 1 del ADC está conectado a GND, mientras que el pin 4 está conectado a GND a través de un condensador; los pines 2, 3 y 5 del ADC están conectados a los pines 13, 14 y 15 del microcontrolador. Las patillas 8 y 10 están en cortocircuito y conectadas a GND, la patilla 19 del ADC está a la patilla 4 a través de una resistencia de 10k. Las clavijas 11 a 18 del ADC están conectadas a las clavijas 1 a 8 del microcontrolador que pertenece al puerto1.

Circuito ADC0804
Circuito ADC0804

Cuando se aplica el alto lógico a CS y RD, la entrada se ha sincronizado a través del registro de desplazamiento de 8 bits, completando la búsqueda de la tasa de absorción específica (SAR), en el siguiente pulso de reloj; la palabra digital se transfiere a la salida de triestado. La salida de la interrupción se invierte para proporcionar una salida INTR que es alta durante la conversión y baja cuando se completa la conversión. Cuando hay un nivel bajo tanto en CS como en RD, se aplica una salida a las salidas DB0 a DB7 y se reinicia la interrupción. Cuando las entradas CS o RD vuelven a un estado alto, las salidas DB0 a DB7 se desactivan (vuelven al estado de alta impedancia). Así, en función de la lógica, la tensión varía de 0 a 5V que se transforma en un valor digital de 8 bits de resolución, que se alimenta como entrada al puerto 1 del microcontrolador.

Componente ADC0804 Proyectos utilizados
ADC0808 Componente Proyectos Utilizados

Prueba del ADC

La prueba del convertidor analógico-digital necesita principalmente una fuente de entrada analógica, así como un hardware para transmitir las señales de control y capturar los datos digitales o/p. Algunos tipos de ADC necesitan una fuente de señal de referencia precisa. El ADC puede probarse utilizando los siguientes parámetros clave

  • Error de desplazamiento de CC
  • Disipación de energía
  • Error de ganancia de CC
  • Rango dinámico libre de espurias
  • SNR (Relación señal/ruido)
  • INL o no linealidad integral
  • DNL o no linealidad diferencial
  • THD o Distorsión Armónica Total

La comprobación de los ADC o convertidores analógico-digitales se realiza principalmente por varias razones. Aparte de esta razón, la sociedad de Instrumentación y Medición del IEEE, el comité de generación y análisis de formas de onda, ha desarrollado la Norma IEEE para los ADC en cuanto a terminología y métodos de prueba. Hay diferentes configuraciones de prueba generales que incluyen la onda sinusoidal, la forma de onda arbitraria, la forma de onda escalonada y el bucle de retroalimentación. Para determinar el rendimiento estable de los convertidores analógico-digitales, se utilizan diferentes métodos como el basado en el servo, el basado en la rampa, la técnica del histograma ac, la técnica del histograma triangular y la técnica física. La técnica que se utiliza para las pruebas dinámicas es la prueba de la onda sinusoidal.

Aplicaciones del convertidor analógico-digital

Las aplicaciones del ADC son las siguientes

  • En la actualidad, el uso de dispositivos digitales está aumentando. Estos dispositivos funcionan basándose en la señal digital. Un convertidor analógico-digital desempeña un papel fundamental en este tipo de dispositivos para convertir la señal de analógica a digital. Las aplicaciones de los convertidores analógico-digital son ilimitadas y se comentan a continuación.
  • El aire acondicionado incluye sensores de temperatura para mantener la temperatura dentro de la habitación. Así que esta conversión de la temperatura se puede hacer de analógica a digital con la ayuda del ADC.
  • También se utiliza en un osciloscopio digital para convertir la señal de analógica a digital para mostrarla.
  • El ADC se utiliza para convertir la señal de voz analógica en digital en los teléfonos móviles, porque los teléfonos móviles utilizan señales de voz digitales, pero en realidad, la señal de voz está en forma de analógica. Así que el ADC se utiliza para convertir la señal antes de enviarla hacia el transmisor del teléfono móvil.
  • El ADC se utiliza en dispositivos médicos como la resonancia magnética y los rayos X para convertir las imágenes de analógicas a digitales antes de alterarlas.
  • La cámara del móvil se utiliza principalmente para capturar imágenes y vídeos. Éstas se almacenan en el dispositivo digital, por lo que se convierten en forma digital mediante el ADC.
  • La música de casete también se puede convertir en digital como los CDS y las unidades de disco duro utilizan el ADC.
  • Actualmente el ADC se utiliza en todos los dispositivos porque casi todos los dispositivos disponibles en el mercado son en versión digital. Así que estos dispositivos utilizan el ADC.

Por lo tanto, se trata de una visión general del convertidor analógico-digital o convertidor ADC y sus tipos. Para facilitar la comprensión, en este artículo sólo se tratan algunos convertidores ADC. Esperamos que este contenido amueblado sea más informativo para los lectores. Cualquier otra consulta, duda o ayuda técnica sobre este tema puedes comentarla a continuación.

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