CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL

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CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL

CONVERTIDOR

ANAL

Ó

GICO DIGITAL

SU CONEXIÓN Y APLICACIONES

SU CONEXI

SU CONEXIÓ

Ó

N Y APLICACIONES

M.C. Carlos E. Canto Quintal

Conversi

ó

n Anal

ó

gica

-

Digital

• La conversión A/D es un proceso de cuantización en la cual una

señal analógica es representada por su equivalente en estados

binarios

• La digitización de las señales tienen sus desventajas:

– La señal analógica nunca puede ser exactamente representada o reconstruida. Siempre habrá algo de error.

– Una señal digitizada , cuando se transmite por un canal de

comunicación, requiere un ancho de banda mayor que la del canal original. Por ejemplo, un canal telefónico de voz análogo requiere un ancho de banda de aproximadamente 4Khz pero su equivalente digital el canal es de 64 kbps

Microprocesadores

(2)

•

• Tiempo de conversion

Tiempo de

conversion:

:es el tiempo requerido para completar una conversión de la señal de entrada. Establece el límite de la frecuencia más alta de la señal que puede ser muestreada sin “aliasing”.

•

• Resoluci

Resoluci

ón :

ó

n :

el número de bits del convertidor da la resolución y por lo tanto la señal analóga de entrada más pequeña para la cual el convertidor producirá un código digital. Puede ser dada en términos de la señal de entrada de plena escala:

f

MAX=

1

2* tiempo de conversión

Resolución= Señal de plena escala

2 n

Frecuentemente la resolución se da solo con el número de bits,n, o como un por ciento del máximo

Especificaciones de un convertidor A/D

Exactitud:

la exactitud relaciona la señal más pequeña con la señal

medida. La exactitud es dada como un por ciento y describe que tan

cerca es la medición del valor real

La señal es exacta dentro de = VRESOLUCIÓN

VSEÑAL X100%

Especificaciones de un convertidor A/D

(3)

Linearidad

Linearidad:

:

Es la desviación de los códigos de salida de la línea recta

trazada entre el cero y el valor de plena escala. La mejor que se puede

conseguir es del bit menos significativo ( )

+-1/2LSB 01 10 11 00 Plena escala Voltaje de entrada Código de salida +-1/2LSB +_-1/2

Especificaciones de un convertidor A/D

Errores de los convertidores A/D

• El error fundamental en una conversión es

llamado error de cuantización. Este se debido a

la resolución del convertidor y no puede ser

menor de ½ LSB.

• Hay tres fuentes de error en una conversión

A/D:

– Ruido,

– Traslapamiento (Aliasing)

– y tiempo de apertura

+-Microprocesadores Microprocesadores

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Errores de los convertidores A/D

•

• El RUIDO:

El RUIDO:

todas las señales tienen ruido, lo deseable es

que el valor de pico a pico del ruido sea menor que

. Esto significa que debemos escoger la resolución del

convertidor apropiadamente o reducir el ruido de la señal

+

_{- ½ LSB}

Señal +Ruido Señal +Ruido ½ ½LSBLSB

+-V

Ruido

Errores de los convertidores A/D

Traslapamiento

(

Aliasing

):

los errores debidos al

“traslapamiento” son difíciles de cuantificar. Dependen de

amplitud relativa de la señal a frecuencias abajo y arriba

de la frecuencia de Nyquist. El diseño del sistema debe

incluir un filtro paso bajo para atenuar las frecuencias de

la señal arriba de la frecuencia de Nyquist.

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∆V

+

_-

_{½ LSB}

Apertura del A/D Apertura del A/D

Apertura del A/D

•

• Error de tiempo de apertutra

Error de tiempo de

apertutra

:

un error significativo en un sistema

digitizador es debido a la variación de la señal durante el tiempo de

apertura.

• Un buen diseño deberá tener un incertidumbre ,

∆

V, menor que un bit

menos significativo.

• El tiempo de apertura necesario para reducir el error a

es:

Errores de los convertidores A/D

tAP tAP== 11 2 2 Π Π ffMAXMAX22nn tAP

+

- ½ LSB

Sample

and

Hold

• En muchos convertidores A/D, el tiempo de apertura y el

tiempo de conversión es lo mismo. El A/D está “observando”

a la señal mientras está convirtiéndola

+1 +1 +1 +1 Entrada Entrada an anáálogaloga Muestreo Muestreo Se Seññal al an anááloga loga sostenida sostenida Microprocesadores Microprocesadores

(6)

Escogiendo un convertidor A/D

•

• El dise

El dise

ñ

ador debe escoger:

–

El n

ú

mero de bits o resoluci

ó

n y la velocidad o

tiempo de conversi

ó

n del convertidor.

–

El tipo de c

ó

digo digital de salida del convertidor.

–

El tiempo de apertura debe ser calculado y tomar la

decisi

ó

n de incluir o no un

sample

-

hold

y un filtro

antialias

en el sistema.

Escogiendo un convertidor A/D

•

• Hay dos formas para escoger la

Hay dos formas para escoger la

resoluc

íó

n

del ADC:

–

La primera es encontrar el rango din

á

mico de la se

ñ

al de

entrada y escoger el n

ú

mero de bits basado en

é

ste

.

•

• El rango din

El rango din

á

mico de cualquier se

ñ

al es definido como:

V

MAXMAX

V

RuidoRuido

Rango Din

Rango Dináámico=mico=

Donde: V

Donde: VMAXMAXes el Valor mes el Valor mááximo de la seximo de la seññal de entrada al de entrada

V

VRUIDORUIDOes el valor del ruidoes el valor del ruido

Nos gustar

Nos gustaríía que el ruido este dentro del a que el ruido este dentro del ½½LSB, y para que esto LSB, y para que esto sea verdad, el n

sea verdad, el núúmero de bits es:mero de bits es:

+-N>=

N>= log

log

22

V

MAXMAX

V

RuidoRuido

(7)

Escogiendo un convertidor A/D

–

La otra manera de escoger el n

ú

mero de bits de un ADC, es

basada en la resoluci

ó

n requerida en la se

ñ

al .

•

• Aqu

Aqu

í

, V

MINMIN

es la resoluci

ó

n requerida , y determina el

n

ú

mero de bits

N>=

log

22

V

MAXMAX

V

MINMIN

CARACTERÍSTICAS MÁS IMPORTANTES DEL ADC0804

Resoluci

ón De 8 Bits

ó

n De 8 Bits

Habilidad De Conexió

Habilidad De Conexi

ón Directa Al Bus Del

n Directa Al Bus Del

Microprocesador

Tiempo De Conversió

Tiempo De Conversi

ón <100

n <100

µ

s

Entrada De Voltaje Diferencial

Entradas Y Salidas Compatibles Con TTL

Entradas Y Salidas Compatibles Con

TTL´

´s

s

Generador De Reloj Dentro Del Chip

Rango De Voltaje De Entrada De 0v A 5v(una Sola

Fuente De +5v)

No Requiere Ajuste De Cero

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Diagrama de bloques de un convertidor A/D de aproximaciones sucesivas

típico como un circuito integrado

SALIDA DIGITAL LSB DATA READY O BUSY +

-Un pulso en START inicia el proceso de conversi

Un pulso en START inicia el proceso de conversióón y deshabilita el buffer n y deshabilita el buffer tri

tri--state de salida. Al final del periodo de conversistate de salida. Al final del periodo de conversióón. Se activa la salida n. Se activa la salida DATA READY y la salida digital queda disponible en el buffer de

DATA READY y la salida digital queda disponible en el buffer de salida. salida.

Registro de Aproximaciones Sucesivas SAR Registro de Aproximaciones Sucesivas SAR Convertidor D/A Convertidor D/A Clock Clock Ref Ref MSB Comparador Entrada Analógica _MSB LSB Start Buffer tri-state Buffer tri-state

Par utilizar un ADC con un microprocesador,

é

ste debe realizar lo

1.

1. -

-

Enviar un pulso a la terminal

START.Esta

puede ser

derivada de una se

ñ

al de control tal como la

“

write

”

(WR).

2.

2. -

-

Esperar hasta el final de la conversi

ó

n. El final del periodo

de conversi

ó

n puede ser verificado ya sea

checando

el

status (

polling

) o usando interrupciones.

3.

3. -

-

Leer la se

ñ

al digital por un puerto de entrada

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CONEXIÓN DEL ADC0804 CON EL MICROPROCESADOR

Entrada Diferencial µPROCESADOR µPROCESADOR CS RD WR INTR DB7 DB0 1 2 3 11 5 18 DGND AGND Vref/2 Vin(+) Vin(-) CLK IN CLK R V+ 10K 150 pF 10 9 8 7 6 4 19 20

BUSES DEL SISTEMA

El ADC0804 de

El ADC0804 de NationalNationalSemiconductor tiene implementadas todas las Semiconductor tiene implementadas todas las se

seññales de control necesarias para conectarse a un microprocesadorales de control necesarias para conectarse a un microprocesador

Inicio de la conversión

Una conversi

Una conversióón inicia activando las sen inicia activando las seññales CS y WR. Y al final de la conversiales CS y WR. Y al final de la conversióón, el n, el convertidor genera una se

convertidor genera una seññal INTR ( similar al DATA READY). Esta seal INTR ( similar al DATA READY). Esta seññal puede usarse al puede usarse para interrumpir al procesador indic

para interrumpir al procesador indicáándole que el byte de dato estndole que el byte de dato estáálisto y que ya puede listo y que ya puede ser le

ser leíído. do.

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Habilitación de la salida y reset de INTR

El procesador lee el byte activando la se

El procesador lee el byte activando la seññal RD y puede iniciar con la siguiente al RD y puede iniciar con la siguiente conversi

conversióón si fuera necesaria.n si fuera necesaria.

ADC0804

Entradas analógicas del ADC0804

(b) para detectar una entrada con un desvío respecto a tierra

+ -Vin (+) Vin (-) Entrada analógica

(a) para detectar una entrada de 0 a+5 volts.

ADC0804 ADC0804 + -Vin (+) Vin (-) Entrada analógica Microprocesadores Microprocesadores

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Generación de la señal de reloj

El ADC0804 requiere un reloj para funcionar. El reloj puede ser externo, conectado a la terminal CLK IN o puede ser generado por un circuito RC. El rango de frecuencias del reloj permisibles está entre 100KHz y 1460 KHZ. Para que el tiempo de conversión sea menor es conveniente usar la

frecuencia más alta posible

Si el reloj se genera con un circuito RC, se utilizan las terminales CLK IN y CLK R conectadas con un circuito RC, como se muestra en la figura. La frecuencia del reloj se calcula con:

F=_{1.1 RC}1 CLK R CLK IN C R ADC0804 ADC0804 ADC0804 ADC0804 CLK IN oscilador oscilador

ADC0804 ADC0804 D0-D7 Bus de datos Bus de datos LM35 LM35 74LS138 74LS138 CS RD WR Z80 IORQ WR RD IOWR IORD 88h~8Fh

Con cualquiera de estas direcciones se activa el

ADC

Con cualquiera de estas direcciones se activa el ADC INTR INT y0 y1 y2 D0-D7 10K 150 pF Microprocesadores Microprocesadores

Convertidor Análogo Digital

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-+5V IOWR A7 ADC0804 18 17 16 15 14 13 12 11 1 2 3 5 8 6 7 19 4 9 20 10 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 CS RD WR INTR AGND VI+ VI-CLKR CLK VREF VCC GND SENSOR DE TEMPERATURA LM35

PARA GRADOS CENTÍGRADOS ( 10 mV/°C) CON ENCAPSULADO TO-92 INT TEMPERATURA +Vs +5v 10k 74LS138 1 2 3 6 4 5 15 14 13 12 11 10 9 7 A B C G1 G2A G2B Y 0 Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Y 6 Y 7 GND BUS DE DIRECCIONES Vout +5v 88H-8FH 75 ohms 1K BUS DE DATOS

Nótese que, ya que el ADC solo tiene un registro, no se requuiere ninguna línea del bus de direcciones para selección de registros, por lo tanto no importa con que dirección se habilite su CS.

10uF Visto de abajo A2 16K 1 uF f=1/1.1RC A3 A4 + 150pf 2K IORD A5 A6

Interfase de un ADC0804 al Z80 para sensar temperatura y desplegarla en el LCD

ADC0804 ADC0804 Temperatura : 24 °C Puerto A PC5 PC7 RS E _{R/ W} D0-D7 Bus de datos Bus de datos LM35 LM35 74LS138 74LS138

Implementado en prácticas anteriores

CS RD WR Z80 IORQ WR RD IOWR IORD IOWR IORD 88h~8Fh

Con cualquiera de estas direcciones se activa el

ADC

Con cualquiera de estas direcciones se activa el ADC LCD INT INTR INT PPI Microprocesadores Microprocesadores