Universidad Nacional de Ingeniería

UNI

Facultad de Electrotecnia y Computación

FEC

Electrónica Digital II

Trabajo

Tema: Convertidor A/D de Doble Rampa

Integrantes de Grupo 3t1-Eo

Neville Castillo Carné 2005-20141

Docente: Ingeniero Carlos Rivas

Recinto Universitario Simón Bolívar

RUSB

Pabellón Cesar Flores, Aula 1010

Fecha de Entrega: 03 de Diciembre de 2007

INTRODUCCIÓN Convertidor analógico/digital

La salida de los sensores, que permiten al equipo electrónico interaccionar

con el entorno, es normalmente una señal analógica, continua en el tiempo. En consecuencia, esta información debe convertirse a binaria (cada dato analógico decimal codificado a una palabra formada por unos y ceros) con el fin de adaptarla a los circuitos procesadores y de presentación.

Un convertidor analógico-digital (CAD) es un circuito electrónico integrado cuya salida es la palabra digital resultado de convertir la señal analógica de entrada. La conversión a digital se realiza en dos fases: cuantificación y codificación. Durante la primera se muestrea la entrada y a cada valor analógico obtenido se asigna un valor o estado, que depende del número de bits del CAD. El valor cuantificado se codifica en binario en una palabra digital, cuyo número de bits depende de las líneas de salida del CAD.

Estos dos procesos determinan el diseño del circuito integrado. En la práctica, el proceso de conversión está sujeto a numerosas limitaciones resultado de los procesos de fabricación. Las más relevantes son el tiempo de conversión y la finitud del número de estados de salida.

La conversión involucra un tiempo y, en consecuencia, supone una incertidumbre que limita la velocidad máxima de la entrada. Los valores discretos del proceso de cuantificación llevan consigo un error y una limitación de resolución del circuito.

La elección del CAD en un diseño electrónico dependerá de la adaptación de sus rasgos a los requerimientos de la aplicación. En este trabajo se expondrá un convertidor específico, el cual es el doble rampa, un convertidor muy común en las aplicaciones actuales.

CONVERTIDORES A/D CON INTEGRADOR.

CAD de doble rampa

En los convertidores de rampa se convierte la tensión analógica de entrada en el intervalo temporal que dura la descarga de un condensador, para luego convertir esta magnitud en una salida digital. La figura 5 muestra el esquema interno del circuito. Este circuito es muy lento pero muy preciso; se utiliza generalmente en medidas lentas que requieran precisión, como por ejemplo en los multímetros digitales.

Fig. 5. Esquema interno de un CAD de doble rampa de N bits. Se han omitido las tensiones de alimentación de los amplificadores operacionales para tener una mayor simplicidad en el circuito.

Veamos el funcionamiento para una entrada analógica unipolar, para Va>0 y

-Vref<0. Inicialmente se pone el contador en modo decreciente con todas sus salidas a 1 y el integrador se pone a cero (cortocircuitando el condensador mediante un circuito adicional que se omite para mayor sencillez), y se conecta el interruptor S a la tensión analógica que se va a convertir, Va. La salida de la puerta NOR es 0 y Q=1. La salida del integrador es una rampa de ecuación:

Esta salida se mantiene hasta que todos los bits del contador hayan caído a cero, según muestra la figura 6. Como la rampa es decreciente, la tensión diferencial en el AO comparador es positiva, y su salida es un nivel alto, que habilita el paso de la señal de reloj por la puerta AND. En consecuencia, esta rampa decreciente tiene siempre la misma duración, T1=2NTclk, para cualquier tensión analógica a convertir.

Fig. 6. Gráficas en el proceso de conversión de doble rampa. La rampa descendente siempre dura lo mismo y determina el punto de comienzo de la rampa ascendente. La duración de esta está relacionada con el valor analógico a convertir.

Rampa ascendente.

1)(1

1

0

tRC

VxdtVx

RCVc

t

=−−= ∫ ; Este resultado se toma como condición inicial para la

siguiente parte.

Rampa descendente.

0)12(1)(1

1

2

1

=−−=−= ∫ ttRC

Vreft

RC

VxdtVref

RCt

RC

VxVc

t

t

Cuando todas las salidas del contador son nulas (cuando ha finalizado la cuenta decreciente) la salida de la puerta NOR se pone a 1 y Q=0; pasándose a integrar la tensión de referencia, para cualquier tensión a convertir. La ecuación del integrador es en este caso:

Esta rampa creciente termina en el instante T2, cuando la salida del integrador es nula, la tensión diferencial del comparador se anula y su salida pasa a cero, inhibiéndose el reloj. En este instante:

Esto significa que el intervalo de tiempo T2-T1 es proporcional al periodo de reloj. La constante de proporcionalidad es el número de impulsos o cuentas transcurridas hasta que se anula la salida del integrador. Este número decimal permite obtener la palabra digital al codificarlo en binario:

Por ejemplo, en un CAD de doble rampa de 12 bits con RC=10 ms, Tclk=1 s, Vref=10 V; al convertir una tensión analógica se obtiene T2-T1=2,5 ms. En consecuencia, el número de impulsos de reloj (periodos de reloj) equivalentes a este tiempo resulta:

Este número decimal codificado en binario con 12 bits es la palabra digital que resulta en la salida del CAD, 1001 1100 0100. Para este ejemplo, el tiempo que dura la rampa decreciente es:

Para obtener la tensión analógica equivalente a esta palabra digital se aplica la ecuación de la rampa creciente:

Los CADs que integran la señal de entrada pueden rechazar las interferencias que contaminan la señal de interés. Éstas suelen derivar de la red, por lo que se escoge un múltiplo de dicha frecuencia como periodo de integración con el fin de eliminarlas.

Un inconveniente del convertidor A/D de rampa simple es su dependencia de la linealidad de la rampa, y en consecuencia, de los componentes que integran el circuito generador de rampa (circuito integrador formado, por condensador y resistencia). Este problema se resuelve con el convertidor de doble rampa que se indica en el siguiente esquema donde la precisión es muy notable.

En este tipo de convertidor hay dos fases: la primera, que consiste en determinar la rampa para Vi en la entrada, en un tiempo fijo; la segunda, el tiempo que tarda, con pendiente fija y tensión de referencia conocida, VREF, en pasar del valor máximo de la anterior fase a cero figura B).

El ciclo de conversión se inicia con la rampa y contadores a cero y el conmutador electrónico en la entrada analógica Vi. La rampa se genera hasta un punto máximo Vx que vendrá dado por el nivel de tensión de entrada Vi y siempre en un mismo tiempo t1

Vx = -(Vi / RC).t1

Cuando el detector de cuenta incorporado en el contador detecta que concurre el tiempo predeterminado t1, la unidad de control borra dicho contador y conmuta la entrada a la tensión de referencia VREF. Ahora el integrador generará un rampa desde - Vx a cero, durante un tiempo t2 que será contabilizado por el contador.

Vx = (Vref / RC).t2.

La conversión termina cuando Vx es cero, ya que a través del comparador, bloqueará la puerta del reloj. La combinación del contador se corresponderá con el equivalente digital a la tensión analógica de entrada.

Aplicaciones

Convertidores A/D de doble rampa. Se emplean ampliamente en aplicaciones en donde la mayor importancia estriba en la inmunidad al ruido, gran exactitud y economía. Los convertidores de doble rampa pueden suprimir la mayor parte del ruido de la señal de entrada debido a que emplean un integrador para efectuar la conversión. El rechazo del ruido puede ser infinito para una frecuencia específica del ruido si el primer periodo de integración del convertidor se iguala al periodo del ruido. Por lo tanto, para rechazar el ruido prevaleciente debido a las líneas de alimentación de 60 Hz, se necesita que T1 sea de 16.667 ms. Sin embargo, esta ventaja también conduce a tiempos de conversión muy largos. Sin embargo las ventajas de los convertidores de doble rampa los hacen muy adecuados para aplicaciones en las que no sean necesarios tiempos breves de conversión. Se emplean mucho, en especial en aplicaciones de instrumentos de precisión tales como voltímetros digitales.

Se emplean ampliamente en los voltímetros digitales. Este convertidor también es sencillo, su principal ventaja es la precisión y su velocidad, pero estas no dependen ni de la exactitud del reloj, ni de la posición de la rampa, sino solamente de dos intervalos de tiempo, ambos proporcionales al periodo de reloj y por lo tanto independientes de la estabilidad y linealidad de este.

BIBLIOGRAFIA

Internet

Diccionario de Electrónica www.electronica2000.com

http://www.fceia.unr.edu.ar/enica3

Libros consultados

Principios y Aplicaciones digitales Pág. 494

Albert Paul Malvino /Donald P. Leach 1988

Instrumentación Electrónica

Enrique Mandano Pérez/Perfecto Mariño Espiñeira, Alfonso Lago Ferreiro – 1995

Adquisición y Distribución de Señales Pág. 275

Ramón Pallás Areny – 1901

Mediciones y pruebas eléctricas y electrónicas Pág. 108

Autor: Bill Bolton, William Bolton