Conversión Digital Analógica

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Conversión Digital Analógica
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Actuar sobre el mundo Analógico se procesa la señal Digital ganando en velocidad y precisión

Conversión Digital Analógica (CDA). La revolución electrónica ha estado vigente bastante tiempo; la revolución del "estado sólido" comenzó con dispositivos analógicos y aplicaciones como los transistores y dispositivos basados en estos, y se fortalece con el surgir de los dispositivos digitales. El mundo real es fundamentalmente analógico, en los sistemas digitales, la información que se está procesando por lo general se presenta en forma binaria, para actuar sobre o expresarse en el medio externo debe ser convertida a un valor de tensión analógica capaz de ser procesada por un sistema electrónico como elemento actuador.

Contenido

Antecedentes

La electrónica moderna usa tecnología digital para realizar muchas funciones que antes desempeñaba la electrónica analógica. Un ejemplo muy evidente es la grabación de la música en discos compactos (CD), que previamente ha sido convertida a formato digital del original que es el formato analógico, para reproducir la música grabada en el disco compacto debe ser convertida en una señal analógica y esta ser aplicada a los altoparlantes quienes convertirán las señales analógicas a través de sus movimientos mecánicos en señal audible.

Introducción

Las magnitudes físicas del entorno son analógicas, ejemplo el sonido, la temperatura, la presión, etc, dado el desarrollo tecnológico es conveniente que los cálculos y procesamientos sean realizados por los sistemas digitales, por su alta fiabilidad y precisión, conseguidas por la perfecta distinción física entre el 0 y el 1, y una gran potencia de cálculo, derivada de la utilización de un sistema de numeración y de la capacidad de integración de funciones booleanas, luego estos códigos binarios deben ser convertidos a un valor de tensión analógica capaz de ser procesada por un sistema electrónico, la tensión analógica que determine su actuación, por ejemplo controlar el llenado de un tanque de agua de una industria, o el control de la temperatura de varios recipientes de una fabrica de vinos.

Señal Digital

Señal Digital, valores discretos binarios de ceros y unos.
Señal Digital, valores discretos binarios de ceros y unos.
Señal digital es aquella cuyas dimensiones (tiempo y amplitud) no son continuas sino discretas, lo que significa que la señal necesariamente ha de tomar unos determinados valores fijos predeterminados en momentos también discretos. La información digital, ya que es bastante difícil encontrarla en la naturaleza y, posiblemente los pocos pasos que encontremos pueden llevar a confusión. Sin embargo, se puede poner como ejemplos “lleno y vacío”, “encendido y apagado”, que son valores perfectamente diferenciados y solo admiten un numero finito de estados en un intervalo finito de tiempo.

Ventajas de la Señal Digital

Los sistemas digitales más conocidos son las computadoras, las calculadoras, los relojes digitales, los teléfonos modernos, los televisores de actual fabricación, los satélites entre muchos más. Los circuitos digitales presentan ventajas como las siguientes:

  • Son fáciles de diseñar.
  • Presentan facilidad para almacenar grandes volúmenes de información.
  • Poseen mayor exactitud y precisión.
  • El ruido los afecta de manera mínima.
  • La circuitería digital se puede fabricar sobre las pastillas de circuitos integrados desde baja hasta muy alta escala de integración.
  • La tecnología digital se puede manifestar en los siguientes campos, luego de ser convertida en una señal equivalente analógicas, Mecánico, Electromecánico, Neumático, Hidráulico, Electrónico, etc.
  • Cuando una señal digital es atenuada o experimenta perturbaciones leves, puede ser reconstruida y amplificada mediante sistemas de regeneración de señales.
  • Cuenta con sistemas de detección y corrección de errores, que se utilizan cuando la señal llega al receptor; entonces comprueban (uso de redundancia) la señal, primero para detectar algún error, y, algunos sistemas, pueden luego corregir alguno o todos los errores detectados previamente.
  • Facilidad para el procesamiento de la señal. Cualquier operación es fácilmente realizable a través de cualquier software de edición o procesamiento de señal.
  • La señal digital permite la multigeneración infinita sin pérdidas de calidad. Es posible aplicar técnicas de compresión de datos sin pérdidas o técnicas de compresión con pérdidas basados en la Codificación porcentual mucho más eficientes que con señales analógicas.

Conversión Digital Analógica (CDA)

El proceso realizado por el conversor digital analógico (CDA) es justamente el inverso al que realiza el conversor analógico digital (CAD), como ya se ha observado. Se parte de muestras en formato binario, y éstas se deben convertir en una señal analógica (continua en el tiempo y la amplitud).

El CDA asocia a cada valor binario un nivel de tensión previamente establecido, y genera muestras de tensión utilizando dichos niveles, aplicando un intervalo de tiempo constante entre muestras. La cuestión a resolver es la siguiente: ¿cómo unir una muestra con la que le sucede? En efecto, dicha unión es necesaria para hacer que la señal vuelva a ser continua en el tiempo. Existen muchas técnicas que hacen esto posible. La más sencilla consiste en mantener el nivel de tensión de una muestra hasta que llegue la muestra siguiente. Otras técnicas más complejas emplean la muestra actual y las muestras anteriores para predecir la siguiente muestra.

Después de este proceso, la señal aún presenta cierto grado de distorsión. Por ello, se suele aplicar un proceso de filtrado que suaviza la señal. Si la frecuencia de muestreo y la resolución han sido apropiadas, la señal resultante será una buena reconstrucción de la señal original.

Un conversor digital-analógico (DAC) es un dispositivo que recibe una información digital en forma de una palabra de n-bits, y la transforma en una señal analógica. La transformación se realiza mediante una correspondencia entre 2n combinaciones binarias posibles en la entrada y 2n tensiones (o corrientes) discretas obtenidas a partir de una tensión de referencia (VREF). La señal analógica así obtenida no es una señal continua, sino que se obtiene un número discreto de escalones como consecuencia de la discretización de la entrada.

La conversión se realiza por la suma ponderada de los dígitos de valor 1 se consigue, en forma muy simple, un conversor digital-analógico rápido; la ponderación puede hacerse con una serie de resistencias en progresión geométrica (cada una mitad de la anterior), lo cual obliga a utilizar un amplio rango de resistencias, o bien mediante una red R-2R que efectúa sucesivas divisiones por 2.

Puede convertirse una tensión en número binario utilizando un conversor opuesto D/A, a través de la comparación entre la tensión de entrada y la proporcionada por dicho conversor D/A aplicado a un generador de números binarios; se trata de aproximar el número-resultado a aquel cuya correspondiente tensión analógica es igual a la de entrada. La aproximación puede hacerse de unidad en unidad, mediante un simple contador, o dígito a dígito mediante un circuito secuencial específico.

Un CDA lineal obtiene 2n niveles de tensión analógica discretos a partir de la palabra digital de entrada de N bits según la siguiente expresión:

La expresión (1) relaciona la tensión de salida del CDA con la tensión de fondo de escala (VFE) y los bits de la palabra digital de entrada (B0B1...BN-1).

CDA
CDA
CDA multiplicador de resistencias ponderadas. La mayor resistencia corresponde al bit menos significativo de la palabra digital.

El análisis del circuito de la figura se realiza aplicando el principio de suma de corrientes en la entrada inversora del Amplificador Operacional, el cual se considera operando en régimen lineal (aplicamos cortocircuito virtual en sus entradas). Obsérvese que la menor corriente es la que circula por el interruptor menos significativo (el de mayor resistencia ponderada). En consecuencia, la expresión general resultante es la suma ponderada de la tensión de referencia presente en cada entrada:

Ejemplos de Circuito Convertidor Digital Analógico

Conversor digital
Conversor digital

La figura muestra el circuito básico para un CDA de 4 bits. Las entradas A, B, C y D son entradas binarias que se suponen tienen valores de 0V a 5V. El Amplificador Operacional sirve como amplificador sumador, el cual produce la suma de los factores de ponderación de estos voltajes de entrada. Se debe recordar que el Amplificador Sumador multiplica cada voltaje de entrada por la proposición de la resistencia de retroalimentación RF a la resistencia de entrada correspondiente Rent. En este circuito RF = 1k, de manera que el Amplificador Sumador pasa el voltaje en D sin atenuación. La entrada C tiene Rent = 2k, de manera que será atenuada en ½, en forma analógica, la entrada B será atenuada en ¼ y la entrada A en 1/8, por consiguiente, la salida del Amplificador se puede expresar como:

Vsal = - (VD + 1/2VC + 1/4VB + 1/8VA) ... (5)

La salida del Amplificador Sumador evidentemente es un voltaje analógico que representa una suma de los factores de ponderación de las entradas digitales, como lo muestra la tabla. Esta tabla muestra todas las posibles condiciones de entrada y el voltaje de salida del amplificador resultante. La salida es elevada con cualquier condición de entrada, poniendo las entradas apropiadas en 0V o 5V. Por ejemplo, si la entrada digital es 1010, entonces
VD = VB = 5V y VC = VA = 0V.
Así, al utilizar la ecuación (5):
Vsal = - (5V + 0V + 5/4V + 0V)
Vsal = -6.25V.

La resolución de este convertidor D/A es igual a la asignación de ponderación del LSB, que es 1/8 x 5V = 0.625v cada paso

Enlaces externos

Fuente

  • Digital & Analog communication systems”, Leon Couch, Prentice Hall.
  • H. Taub and D. Schilling, Digital integrated electronics, McGraw-Hill, New York, 1997.
  • POLLÁN, Tomás. Electrónica Digital. Publicaciones de la Universidad de Zaragoza, 2003. ISBN 8496269531