ADC´S
TEORIA BASICA DE LOS ADC'S.
Un convertidor analogico-digital
toma un voltaje de antrada analogico y despues de cierto tiempo produce un codigo con
salida digital que representa a la entrada analogica con una precision y resolucion
determinada.
TIPOS DE ADC'S
Dado que el numero
de bits que se obienen de un convertidor es finito, el codigo de salida debera ser siempre
debera ser siempre el correspondiente al valor mas cercano que puede representarse
mediante los bits, la conversion digital efectua una cuantificacion en la entrada
analogica, acotandola entre dos niveles consecutivos cuya distancia es precisamente el
grado de resolucion obtenido.
Existen diversos tipos
de convertidores en igual forma utilizados para efectuar la conversion, en unos casos se
efectua la conversion directa, por comparacion contra una tension de referencia, en otros
casos se efectua una transformacion a una variable intermedia, como puede ser el tiempo,
tambien puede efectuarse la conversion AD efectuando una conversion inversa DA, usando al
mismo tiempo una estructura de retroalimentacion, si se usa lazo cerrado reciben entonces
el nombre de servoconvertidores, segun sea el metodo utilizado se obtienen distintas
caracteristicas de precision, rapidez de conversion y costo.
El proceso de conversion AD es generalmente mas completo y largo que el proceso inverso DA, se han creado y utilizado muchos metodos de convesion AD como es: Aproximaciones sucesivas.
Se discute
unicamente el metodo de aproximaciones sucesivas ya que el que usa el ADC 0809, el
metodo AD de aproximaciones sucesivas es uno de los tipos mas ampliamente utilizados.
Los convertidores de aproximaciones sucesivas contienen un valor
fijo en su tiempo de conversion que no depende del valor de la entrada analogica, la
disposicion basica es semejante a la de ADC de rampa digital, sin embargo, el convertidor
de aproximaciones sucesivas no utiliza ningun contador para dar la entrada en el bloque
del convertidor DAC, pero en cambio usa un registro con logica de control que modifica el
contenido del registro bit a bit hasta que los datos del registro son el equivalente
digital de la entrada analogica.
El tiempo de convesion
de los convertidores de aproximaciones sucesivas de "n" bits requieren
"n" ciclos de reloj para ralizar su conversion sin importar la magnitud del
voltaje que esta presente en su entrada, esto se debe a que los circuitos de control
tienen que ensayar un 1 logico en cada posicion del bit para ver si se necesita o no, es
por esto que los convertidores de aproximaciones sucesivas tienen tiempos de conversion
muy rapidos, su uso en aplicaciones de sistems con adquisicion de datos permitiran que se
adquieran mas valores de datos en un intervalo de tiempo dado. Esto puede ser muy
importante cuando los datos analogicos cambian su valor rapidamente.
METODO DE APROXIMACIONES SUCESIVAS.
En el metodo de
conversion AD por "Conversion Inversa", utiliza un convertidor DA y tiene la
ventaja de su simplicidad, pero se obtiene el inconveniente del retardo de tiempo de
conversion que se precisa para ralizar el contaje de los "n" bits, la adicion de
un comparador adicional, para acelerar el contaje cuando e error es mayor que un cierto
nivel, nos permite reducir apreciablemente el tiempo de conversion del orden de 2n al de
orden 2n/2+1 ; tiempo que aun es posible de acotar si se efectuan "n"
comparaciones sucesivas entre la tension de entrada Vx y la tension Vh generada durante la
conversion, para esto se substituye el contador de "convertidor inverso" por una
unidad logica de comparacion que determina la secuencia de conversion del diagrama de
converision de un convertidor ADC de aproximaciones sucesivas.
La primera comparacion se debera efectuar entre la tension de entrada Vx y la tension Vh=Vmax/2, correspondiente a la palabra 1000, se Vh es mayor o igual a Vx, se determina que el bit de mayor peso debe ser uno, pero si Vh<Vx, se debe memorizar un cero en el registro de salida, en el siguiente impulso de reloj se efectua una segunda comparacion de Vh correspondiente a la palabra 1100, si la comparacion anterior habia dado positiva, o se compara contra 0100 en caso contrario, la salida del comparador determina el valor que debe memorizarse con un bit de peso Vmax/4, configurandose de esta forma, la palabra de salida digital una vez efectuadas las "n" comparacones sucesivas. El registro de aproximaciones sucesivas esta constituido basicamente por un contador y un decodificador, que efectua el direccionamiento de los "n" biestables del registro.
El ciclo se inicia mediante un impulso de inicio de conversion, que pone a cero el contador al mismo tiempo que se desbloquea el oscilador, durante cada fase, mientras que el reloj esta en nivel alto, el biestable direcionado es puesto en estado " 1 " y al bajar a cero la señal de reloj, queda memorizado el estado del comparador, al quedar abierta la entrada R del biestable correspondiente, de esta forma, al sucederse los " n " impulos de reloj se producen las sucesivas aproximacioanes de la palabra de salida.
Los convertidores de aproximaciones sucesivas tienes la presicion del convertidos DAC que contienen y poseen un tiempo de conversion que puede llegar a se del orden de 0.1 µsg, estos bajo tiempos de conversion y su relativamente bajo costo, hacen que sean los convertidores de 8, 10 y 12 bits mas utilizados, incluso en la mayoria de los sitemas de adquisicion de datos en que se requiere de exploracion de todas las entradas con un reducido tiempo de ciclo.
La señal de
entrada proviene de un instrumento transmisor, este Tx produce una corriente que se
encuentra en el rango de isntrumentacion estandar de 4 mA a 20 mA, esta corriente se
convierte facilmente a una señal de tension en la entrada del " Convertidor ADC
" por medio del circuito convertidor de corriente a voltaje, esta tension en
proporcional a la señal del Tx se envia directamente al microcircuito ADC0803, este
circuito produce en su salida un codigo binario natural que cumple la siguiente tabla :
El codigo resultante
en la salida del Convertidor ADC se introduce a un sitema con micropocesador a traves del
puerto de entrada.
FUNCIONAMIENTO DEL ADC0809
Este ADC contiene un circuito equivalente a una red DAC tipo 256R, los interruptores analogicos estan secuenciados por una logica de aproximaciones sucesivas que detecta la diferencia de los voltajes de entrada Vin (+) y Vin (-), con su correspondiente derivacion en la red resistiva, el bit mas significativo es el que es comparado primeramente, para realizar 8 comparaciones se necesitan 64 ciclos de relof, produciendo una salida digital codificada en binario de 8 bits, esto es 111111112 a escala completa, la salida digital se transifere a un "latch" de salida, y posteriormente se asegura la señal de interrupcion, una conversion ADC en proceso puede ser interumpida en cualquier momento esto se logra cuando es transmitida una segunda señal del START, el dispositivo ADC0809 puede ser operado en modo de carrera libre, al conectar INTR con WR estando CS en 0, con esto se asegura la primera conversion bajo cualquier condicion, se requiere un pulso externo en WR cuando se conecta el convertidor por primera vez, la transicion de alto a bajo de un pulso de reloj en la entrada WR del ADC0809 comienza el proceso de conversion, la salida digital binaria aparece 100 µsg mas tarde, este convertidor puede realizar mas de 500 conversiones por segundo, sus salidas tienes "buffers" de tres estados lo cual nos permite conectarlos directamente al "bus de datos" de un microprocesador, la ventaja del ADC0809 es que tiene una salida INTR que puede realizar una doble funcion ya que a parte de señalarle al ADC cuando termina el proceso del conversion, se vuelve muy util cuando se conecta a dispositivos asincronos mas lentos como por ejemplo un microprocesador.
Una parte importante del convertidor es la señal de reloj, esta se puede tomar directamente del CPU o puede sustituirse por alguna red RC, para añadirle asi su propia señal de reloj, la entrada CLK IN hace uso de uns "Schmidt Trigger", la exactitud del convertidor ADC0809 depende de varios factores, de los cuales es muy importante tomar en cuenta el valor inicial, la estabilidad de la temperatura y el voltaje de referencia, para el Vref/2 los voltajes deben tener un valor nominal de 2.4 VDC causan errores de conversion de ± 1LSB, en sus aplicaciones en donde se utilizan la reduccion del span, los valores iniciales y la estabilidad del Vref/2 vienen a ser muy importantes, por ejemplo, si el span es reducido a 2.5 VDC al voltaje de la entrada analogica del bit menos significativo le corresponde a una reduccion del 20 mVDC (5 VDC=Span) a 10 mV y 1LSB en la entrada de Vref/2 llega a ser de 5m VDC.
Se debe hacer notar que para un span mas pequeño de 2.5 VDC requiere de condiciones iniciales mas exactas, en general, la magnitud del voltaje de referencia requerira siempre de un ajuste inicial, la resolucion de este convertidor es particular es de ( 1 / 255 ) X ( 28 -1) de la tension analogica a escala completa, a cada incremento de 0.02 VDC, le corresponde un valor de ( 1/255 ) X ( 5 VDC )=0.02 VDC.
La salida en codigo
binario se incrementa en 1LSB, por tanto, si la entrada analogica es igual a 0.1 VDC la
salida binaria sera del : ( 0.1 VDC )/( 0.002 VDC )=5, su correspondiente valor codificado
en binario natural con 8 bits es 0000 0101.
CALIBRACION DEL ADC 0809
Se coloca una señal de 2.55 VDC exactamente en la entrada Vx, realizando la medicion con el multimetro digital. Despues de hacer esto se revisa que todas las salidas digitales se encuentren en un nivel alto es decir todas en 1's logicos, esto es 255 10 o 1111 1111 en codigo binario natural o lo que es lo mismo FFH en el codigo hexadecimal.
Si no se logra
obtener el codigo FFH se acciona lentamente el potenciometro del divisor de voltaje que
ajusta el voltaje de referencia en el pin numero 14 del circuito integrado hasta lograr el
rango deseado, que es 1111 1111, enseguida se prueba con otros valores de voltaje de
entrada y debera aparecer su correspondiente valor
binario en los leds indicadores.