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CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITALCONVERTIDORCONVERTIDOR ANALANALÓÓGICO DIGITALGICO DIGITAL

SU CONEXIÓN Y APLICACIONESSU CONEXISU CONEXIÓÓN Y APLICACIONESN Y APLICACIONES

Microprocesadores Microprocesadores Convertidor Análogo Digital

M.C. Carlos E. Canto Quintal

ConversiConversióón Analn Analóógica gica -- DigitalDigital

• 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



•• Tiempo de Tiempo de conversionconversion:: 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”.

•• ResoluciResolucióón :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:

fMAX=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/DEspecificaciones de un convertidor A/D

Exactitud: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

VSEÑALX100%




LinearidadLinearidad:: 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 escalaVoltaje de entrada

Código de salida

+-1/2LSB+-1/2





Errores de los convertidores A/DErrores 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

+-




•• 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 +RuidoSeñal +Ruido

½½ LSBLSB+-VRuido




TraslapamientoTraslapamiento ((AliasingAliasing):): 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.



∆V +- ½ LSB

Apertura del A/DApertura del A/DApertura del A/D

•• Error de tiempo de Error de tiempo de apertutraapertutra:: 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:


tAPtAP ==11

2 2 Π Π ffMAXMAX 22nn

tAP

+- ½ LSB



SampleSample andand HoldHold• 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+1Entrada Entrada ananáálogaloga

Muestreo Muestreo

SeSeññal al ananááloga loga sostenida sostenida



Escogiendo un convertidor A/D

•• El diseEl diseññador debe escoger:ador debe escoger:–– El nEl núúmero de bits o resolucimero de bits o resolucióón y la velocidad o n y la velocidad o

tiempo de conversitiempo de conversióón del convertidor. n del convertidor.

–– El tipo de cEl tipo de cóódigo digital de salida del convertidor.digo digital de salida del convertidor.

–– El tiempo de apertura debe ser calculado y tomar la El tiempo de apertura debe ser calculado y tomar la decisidecisióón de incluir o no un n de incluir o no un samplesample-- holdhold y un filtro y un filtro antialiasantialias en el sistema.en el sistema.




•• Hay dos formas para escoger la Hay dos formas para escoger la resolucresolucíóíónn del ADC:del ADC:–– La primera es encontrar el rango dinLa primera es encontrar el rango dináámico de la semico de la seññal de al de

entrada y escoger el nentrada y escoger el núúmero de bits basado en mero de bits basado en éésteste..

•• El rango dinEl rango dináámico de cualquier semico de cualquier seññal es definido como:al es definido como:VVMAXMAX

VVRuidoRuidoRango DinRango Dináámico=mico=

Donde: VDonde: VMAXMAX es el Valor mes el Valor mááximo de la seximo de la seññal de entrada al de entrada VVRUIDORUIDO es el valor del ruidoes el valor del ruido

Nos gustarNos gustaríía que el ruido este dentro del a que el ruido este dentro del ½½ LSB, y para que esto LSB, y para que esto sea verdad, el nsea verdad, el núúmero de bits es:mero de bits es:

+-

N>= N>= loglog 22VVMAXMAX

VVRuidoRuido




–– La otra manera de escoger el nLa otra manera de escoger el núúmero de bits de un ADC, es mero de bits de un ADC, es basada en la resolucibasada en la resolucióón requerida en la sen requerida en la seññal .al .

•• AquAquíí , V, VMINMIN es la resolucies la resolucióón requerida , y determina el n requerida , y determina el nnúúmero de bits mero de bits

N>= N>= loglog 22VVMAXMAX

VVMINMIN



CARACTERÍSTICAS MÁS IMPORTANTES DEL ADC0804

ResoluciResolucióón De 8 Bitsn De 8 Bits

Habilidad De ConexiHabilidad De Conexióón Directa Al Bus Del n Directa Al Bus Del MicroprocesadorMicroprocesador

Tiempo De ConversiTiempo De Conversióón <100n <100µµss

Entrada De Voltaje DiferencialEntrada De Voltaje Diferencial

Entradas Y Salidas Compatibles Con Entradas Y Salidas Compatibles Con TTLTTL´́ss

Generador De Reloj Dentro Del ChipGenerador De Reloj Dentro Del Chip

Rango De Voltaje De Entrada De 0v A 5v(una Sola Rango De Voltaje De Entrada De 0v A 5v(una Sola Fuente De +5v)Fuente De +5v)

No Requiere Ajuste De CeroNo Requiere Ajuste De Cero



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 conversiUn pulso en START inicia el proceso de conversióón y deshabilita el buffer n y deshabilita el buffer tritri--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

SucesivasSAR

Registro de Aproximaciones

SucesivasSAR

Convertidor D/AConvertidor D/A

ClockClock

RefRef

MSB

Comparador

Entrada Analógica MSB

LSB

Start

Buffertri-state

Buffertri-state



Par utilizar un ADC con un microprocesador, Par utilizar un ADC con un microprocesador, ééste debe realizar lo ste debe realizar lo siguiente:siguiente:

1.1.--Enviar un pulso a la terminal Enviar un pulso a la terminal START.EstaSTART.Esta puede ser puede ser derivada de una sederivada de una seññal de control tal como la al de control tal como la ““writewrite”” (WR).(WR).

2.2.-- Esperar hasta el final de la conversiEsperar hasta el final de la conversióón. El final del periodo n. El final del periodo de converside conversióón puede ser verificado ya sea n puede ser verificado ya sea checandochecando el el status (status (pollingpolling) o usando interrupciones.) o usando interrupciones.

3.3.--Leer la seLeer la seññal digital por un puerto de entradaal digital por un puerto de entrada



CONEXIÓN DEL ADC0804 CON EL MICROPROCESADOR

Entrada Diferencial

µPROCESADORµPROCESADOR

CS

RD

WR

INTR

DB7

DB0

1

2

3

11

5

18DGND

AGND

Vref/2

Vin(+)

Vin(-)

CLK IN

CLK R

V+

10K

150 pF

10

9

8

7

6

4

19

20BUSES DEL SISTEMABUSES DEL SISTEMA

El ADC0804 de El ADC0804 de NationalNational Semiconductor tiene implementadas todas las Semiconductor tiene implementadas todas las seseññales de control necesarias para conectarse a un microprocesadorales de control necesarias para conectarse a un microprocesador



Inicio de la conversión

Una conversiUna 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 seconvertidor 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 indicpara interrumpir al procesador indicáándole que el byte de dato estndole que el byte de dato estáá listo y que ya puede listo y que ya puede ser leser leíído. do.



Habilitación de la salida y reset de INTR

El procesador lee el byte activando la seEl procesador lee el byte activando la seññal RD y puede iniciar con la siguiente al RD y puede iniciar con la siguiente conversiconversióón si fuera necesaria.n si fuera necesaria.



ADC0804ADC0804

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.

ADC0804ADC0804

+

-

Vin (+)

Vin (-)

Entrada analógica



Generación de la señal de relojEl 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

1.1 RC CLK R

CLK IN

C

R

ADC0804ADC0804ADC0804ADC0804

CLK INosciladoroscilador



ADC0804 ADC0804

D0-D7

Bus de datosBus de datos

LM35 LM35

74LS13874LS138

CS

RD

WR

Z80

IORQ

WR

RD

IOWR

IORD

88h~8Fh

Con cualquiera de estas direcciones se activa el

ADC


ADC

INTR

INT

y0

y1

y2

D0-D7

10K

150 pF



CONEXIÓN DEL ADC0804 CON EL MICROPROCESADOR Z-80

-

+5V

IOWR

A7

ADC0804

1817161514131211

1

235

8

6

7

19

4

9

20

10

DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7

CS

RDWRINTR

AGND

VI+

VI-

CLKR

CLK

VREF

VCC

GND

SENSOR DE TEMPERATURALM35 PARA GRADOS CENTÍGRADOS ( 10 mV/°C) CONENCAPSULADO TO-92

INT

APLICACIÓN DEL ADC0804 EN UN MEDIDOR DETEMPERATURA

+Vs

+5v

10k

74LS138

123

645

15141312111097

ABC

G1G2AG2B

Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7

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 dedirecciones para selección de registros, por lo tantono importa con que dirección se habilite su CS.

10uF

Visto deabajo

A2

16K

1 uF

f=1/1.1RC

A3A4

+

150pf

2K

IORD

A5A6



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

ADC0804 ADC0804

Temperatura : 24 °CPuerto A

PC5

PC7

RS E R/ W

D0-D7

Bus de datosBus de datos

LM35 LM35

74LS13874LS138

Implementado en prácticas anteriores

CS

RD

WR

Z80

IORQ

WR

RD

IOWR

IORD

IOWR

IORD

88h~8Fh


ADC


ADC

LCD

INT

INTR

INT

PPI



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