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CONVERSIÓN DE SEÑALES

 

Figura obtenida de: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:ADC-DAC.jpg

La RAE define la “señal” como una variación de la corriente eléctrica u otra magnitud que se utiliza para transmitir información. Por lo tanto, las señales que obtenemos de los distintos aparatos o dispositivos electrónicos son datos o información que debemos recopilar e interpretar adecuadamente; para ello es necesario hacer uso de los convertidores o codificadores de señales.

Antes de describir los codificadores o convertidores de señales, comenzaré con definir primeramente el concepto de señal analógica y señal digital.

Una señal analógica o análoga está definida en un intervalo continuo de tiempo y su amplitud puede tomar cierto intervalo continuo de valores. En cambio la señal digital es aquella que está cuantificada en su amplitud y se representa mediante una secuencia de números que, por lo general son los números binarios. A continuación se muestra una figura donde se observa ambos tipos de señales.

El mundo “real” es básicamente analógico, pero es frecuente encontrarnos en la necesidad de decodificar estas señales análogas en digitales, y viceversa. Muchos de los aparatos electrónicos e industriales parten de una señal analógica obtenida en muchas ocasiones por sensores y debe ser convertida a digital, una vez tratada transformar la señal digital en analógica. Esto debido a que las señales analógicas son difíciles de manipular, guardar y recuperar con exactitud, en cambio si estas señales las transformamos en información digital se facilita su tratamiento y manipulación, además de convertir la señal resultante (digital) más inmune al ruido y a otras interferencias a las que son más susceptibles las señales analógicas.

Es por esta y otras razones que el tema de los convertidores analógico-digital (A/D) ó digital-analógico (D/A) es de gran importancia, y se tratará al inicio de nuestro curso ya que es necesario conocer y comprender estos conceptos para posteriormente comenzar a analizar los principios de los microcontroladores.

CONVERSION ANALÓGICA-DIGITAL (ADC)

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El convertidor analógico-digital ADC (del inglés Analog to Digital Converter) es un dispositivo electrónico que puede realizar la operación de convertir una entrada analógica, como puede ser un voltaje, en un valor binario. Es muy utilizado en equipos como ordenadores, grabadores de audio o video y en equipo de telecomunicaciones.

Primeramente es necesario que definamos la precisión o exactitud que debe de tener nuestra señal digital con respecto a la señal analógica; para ello es necesario hacer un muestreo de la señal analógica.

Para determinar la resolución que tendrá nuestra señal digital establecemos la frecuencia de muestreo, esto quiere decir que la amplitud de la señal analógica se mide sucesivamente cada x segundos, dependiendo de la precisión o calidad que se desee obtener como resultado. Se recomienda que dicha frecuencia sea al menos, el doble de la frecuencia máxima de la señal a muestrear, es decir, de la señal analógica.

En electrónica donde las señales cambian de valor en tiempos muy breves, la mejor forma de llevar a cabo un muestreo es tomar medidas de tiempos muy cortos, del orden de micro o incluso nanosegundos.

El siguiente paso consiste en que la máxima amplitud obtenida de la señal muestreada se divida en 2ⁿ zonas, las cuales quedan representadas por un código compuesto de n dígitos binarios o bits. El numero n estará definido por la frecuencia a la cual se muestrea la señal analógica, es decir, por ejemplo si tenemos que una señal se muestrea a 3 kHz, el código de cada muestra consta de n=3 bits y por lo tanto contendrá 2³ = 8 zonas de amplitud.

CONVERSION DIGITAL-ANALÓGICA (DAC)

El convertidor digital-analógico es un dispositivo electrónico que transforma una entrada digital a una señal analógica (generalmente un voltaje o carga eléctrica). Este tipo de conversores son la interfaz entre el mundo digital abstracto y la vida real analógica. Son muy utilizados en reproductores de sonido de todo tipo, debido a que actualmente las señales de audio son almacenadas en forma digital y, para ser escuchadas a través de los altavoces, los datos deben ser convertidos a una señal analógica.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d2/Sistema_anal%C3%B3gico_digital.png/500px-Sistema_anal%C3%B3gico_digital.png

 Otro ejemplo es un teléfono móvil digital, donde la señal de voz se convierte a formato digital; el flujo de bits resultante se envía a otro teléfono receptor, donde un DAC convierte los códigos en una aproximación de la señal analógica original, y esta a su vez se vuelve a convertir en sonido.

Sin embargo, la señal de salida del DAC no es exactamente la misma que la señal analógica de entrada original, y esto se debe a que los códigos obtenidos en el muestreo no contienen toda la información sobre el valor de la señal entre 2 muestras, sino que la salida del DAC es constante entre dos instantes de muestreo. Por lo tanto la señal “reconstruida” es una aproximación escalonada de la señal original. Otra diferencia importante es que los códigos no representan las amplitudes exactas de las muestras, por lo que el DAC debe de aproximar esa amplitud al valor central de la zona correspondiente; aún así existe una diferencia entre los valores de muestreo reales y las amplitudes reconstruidas, a este fenómeno se le denomina error de cuantificación.

Según algunos autores, esta conversión es la más sencilla de entender de las dos, y para explicarla se empleará un ejemplo sencillo con un método comúnmente utilizado.

CONVERSOR DAC DE 4 BITS

Se utilizará un sencillo circuito eléctrico para demostrar los principios de funcionamiento de un conversor digital-analógico; suponiendo que está formado por una fuente de alimentación y una serie de resistencias. Lo primero que se debe lograr es que la intensidad de corriente sea proporcional al contenido de la información binaria de 4 bits (a3, a2, a1, a0).

Por lo tanto si la corriente I₀ representa al bit a0, entonces 2I₀ representará el valor de a1, 4I₀ representará a a2 y así sucesivamente. De lo que se trata es de reducir el valor de R a la mitad cada vez que movemos una posición hacia el bit más significativo.

Una cuestión importante es que las corrientes son aditivas, es decir que si medimos con un amperímetro la corriente que circula por el circuito, obtenemos que es igual a la suma de las corrientes parciales que circulan por las resistencias.

Si al circuito le añadimos un conmutador de dos posiciones en cada entrada de la tensión a las resistencias, estamos confinándolo a tomar dos valores lógicos (0 ó 1) de tal forma que si el interruptor se encuentra cerrado circulará cierto voltaje y su valor será de 1, en cambio si el interruptor se encuentra abierto tendrá voltaje nulo y tomará el valor de 0.

Para este ejemplo consideremos que los valores de las resistencias son de 100k(a0), 50k(a1), 25k(a2) y de 12.5k(a3). Si queremos obtener los valores de las 16 combinaciones posibles que se pueden dar conmutando los  4 bits obtenemos que:

0000 = 0.00 mA

0001 = 0.05 mA

0010 = 0.10 mA

0011 = 0.15 mA

0100 = 0.20 mA

0101 = 0.25 mA

0110 = 0.30 mA

0111 = 0.35 mA

1000 = 0.40 mA

1001 = 0.45 mA

1010 = 0.50 mA

1011 = 0.55 mA

1100 = 0.60 mA

1101 = 0.65 mA

1110 = 0.70 mA

1111 = 0.75 mA

Con un conversor DAC como el del ejemplo, se obtiene una señal analógica cuya forma de onda es escalonada, con un total de 6 escalones, con una diferencia entre uno y otro de 0.05 mA.

http://h10025.www1.hp.com/ewfrf-JAVA/Doc/images/c01532378.gif

BIBLIOGRAFIA:

• Ruiz Vassallo, Francisco.  Electrónica Digital Fácil.  Editorial Alfaomega. Abril 2007.
• Hambley, Allan R.  Electrónica 2ª Edición.  Editorial Prentice Hall. Madrid, 2001.
•  Página Web: http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_digital-anal%C3%B3gica