ADC – DAC A UNA SEÑAL SENOIDAL
|
Milton
Hernando Cuadros Peña,
Fundación
Universitaria Los Libertadores
|
Resumen—
El siguiente informe repasa los conceptos de la conversión
análogo digital, tomando como ejemplo una señal sinusoidal, que se digitaliza y
es pasada por un microcontrolador para que realice un retraso en el tiempo de
la señal digitalizada, una vez se ha realizado este retraso en fracción de
micro segundos, se ingresa a un conversor digital análogo que permite obtener nuevamente la señal
sinusoidal pero con la diferencia que su presentación esta dada en forma de
escalera, esto debido a los tiempos de retraso realizados en cada una de las
señales digitales.
I.
INTRODUCCIÓN
Los avances tecnológicos
hacen que nuestro entorno tienda a transformarme en señales digitales, en
principio desde la perspectiva donde vivimos nos encontramos en una realidad analógica
y estas al ser tratadas tecnológicamente se trasforman en señales digitales,
esto con el fin de obtener un almacenamiento de información en forma más
eficiente, confiable, veloz y económico
que los sistemas analógicos, así mismo el transporte de señales digitales es
mucho más confiable que la información analógica. Es por ello que el
tratamiento de estas señales se le denomina control digital, como en este caso
se realiza mediante el microcontrolador 16F877A.
Esta función exige que los pasos intermedios se
realicen desplazamiento Velocidad Digitalización de forma óptima para no perder información. Según el tipo de componente y su
aplicación existen distintos parámetros que lo caracterizan,
éstos pueden ser: la velocidad de conversión, la resolución, los rangos
de entrada, etc. Por ejemplo,
una mayor cantidad de bit, implica
mayor pre- cisión, pero también
mayor complejidad. Un incremento en un solo bit permite disponer
del doble de precisión (mayor resolución), pero
hace más difícil
el diseño del circuito, además, la
conversión podría volverse
más lenta. Dentro
de las de aplicaciones de estos
sistemas está el manejo de señales de vídeo,
audio, los discos compactos, instrumentación y control industrial. En los
siguientes aparta- dos se describen
los conceptos básicos de
conversión de señal, técnicas
de implementación para los
ADC o DAC, características y parámetros
que los definen. Se revisarán las
configuraciones más clásicas, atendiendo a criterios de velocidad y manejo de datos, como también los nuevos productos disponibles
en el mercado.
II. CONVERSIÓN DE SEÑALES ANALOGO DIGITAL
Muestreo : es la conversion de una señal de variable continua a otra de variable
discreta. Si Xa(t) es la entrada del bloque de muestreo, entonces la salida
puede ser tomada en instantes equidistantes Xa(nT), con T en el intervalo de
muestreo.
Cuantificacion:
es la conversion de la señal de variable discreta y
valores continuos a otra señal de variable discreta pero con pocos valores
discretos. A la diferencia entre el valor continuo y su paroximación se le
denomina error de cuantificación
Codificacion: consiste en la asignacion de una representacion usualmente binaria a
valores cuantificados.
III.
CIRCUITO
AMPLIFICADOR
Dado
que con el conversor DAC0808 no es posible producir voltajes negativos vamos a
producir la onda seno montada sobre un nivel
DC de dos voltios, dicha onda se generará con una frecuencia de 5 Hz,
con una frecuencia de muestreo de 8 muestras/segundo. La amplitud de la onda
seno será de 3.5 voltios de tal forma que la ecuación analítica será:
En el diagrama superior
tenemos un amplificador inversor observamos que primero que para poder trabajar
adecuadamente el amplificador operacional requiere de dos voltajes, un voltaje
positivo +V aplicado en la terminal 7, y un voltaje negativo -V aplicado en la
terminal 4. Si fuéramos a proporcionar estos voltajes con baterías externas de
modo tal que el voltaje positivo sea +V=+15 volts y el voltaje negativo sea
-V=-15 volts, lo haríamos utilizando algo como lo siguiente:
Graf 1
Es necesario realizar el
circuito inversor, a fin de aprovechar el 100% de la señal, pues en este caso
se requiere digitalizar una señal sinusoidal con una presentación alterna con
3.5vpp, donde los 1.75vp se encuentran en el cuadrante negativo. De no ser así
la seña digital tendría una señal de la mitad de la señal.
Los sistemas ADC y DAC son necesarios cuando se realiza
procesamiento digital de señales, permiten el nexo entre ambos espacios, del mundo real y el digital. Son muy utilizados en
sistemas de instrumentación y adquisición de datos.
Cada convertidor posee su propia característica y
parámetros que lo definen. Estos
parámetros y medidas se toman con
respecto a curvas ideales de transferencia, o sea, cuando más se
ajuste un determinado modelo en su funcionamiento a estas curvas,
más preciso será ara obtener un
buen funcionamiento de cada
convertidor, es importante destacar los parámetros que aporta el
fabricante de cada dispositivo y las
condiciones de trabajo en que fueron medidas.
Graf 2
Graf 3
IV.
CONVERSOR ANALOGO DIGITAL (ADC) Y DIGITAL ANALOGO (DAC)
En todo ADC el
conjunto de bits obtenidos a la salida sea un
reflejo lo más exacto
posible del valor
analógico correspondiente. Si el ADC, está situado a la salida de un sensor (que habitualmente
aporta una señal de amplitud débil) es esencial que en la etapa de conversión no se genere un nivel de ruido
que impida la conversión real de la señal de entrada.
La arquitectura
más extendida entre
los ADC es la
basada en el método de las aproximaciones sucesivas. Su éxito
se fundamenta en
conseguir tanto una resolución como una velocidad
aceptable para una gran
variedad de aplicaciones.
Normalmente se trata de
redes resistivas conectadas a los
bits de entrada, con cada valor de resistencia ajustado al valor del bit
de entrada, como estructura básica.
Los conversores se han
enfrentado siempre a la dualidad velocidad
y resolución, las diversas
estructuras desarrolladas y
disponibles comercialmente permiten
adaptar un modelo para cada
aplicación. Las configuraciones más frecuentes, atendiendo a criterios de velocidad,
son: conversores lentos (de 1
a 100ms), que incluyen dispositivos
de rampa y de escalera; los
conversores medios (de 1μs a 1ms) abarcan los denominados aproximaciones
sucesivas; y los rápidos (entre
25 Mhz), flash esquema del
circuito adc0804
Un transductor permite relacionar
las señales del mundo real y sus análogas eléctricas. Para
compatibilizar la infor- mación con un sistemas digital, se requiere de
convertidores de datos del tipo ADC o DAC, segun corresponda.
A.
PIC 16F877A
Graf 5
El microcontrolador
PIC16F877 de Microchip tiene la capacidad de realizar diferentes funciones,
entre ellas la conversión analógico-digital. Los sonidos que rodean nuestro
medio son de tipo continuo al cual se le pueden tomar infinitos valores a lo
largo del tiempo.
El módulo de A/D tiene
cuatro registros. Estos registros son:
ADRESH:
Parte alta del resultado de la conversión ADRESL: Parte baja del resultado de
la conversión
ADCON0: Registro de Control 0; control del funcionamiento del conversor.
ADCON1, Registro de Control 1; configuración de los pines del puerto
- MUESTREO DE UNA SEÑAL SENOIDAL
En este caso se requiere digitalizar
una señal sinodal de 8 bits, para entender los conceptos básicos del muestreo
de una señal y sus aplicaciones como es el querer almacenarla en un soporte
digital o transmitirla digitalmente para poder reconstruirla, o para comprender
que las señales análogas obtenidas por diferentes sensores, estos se pueden
digitalizar para ser transmitidas con alta fidelidad libre de ruidos en un intervalo
de tiempo y unos valores mínimos y máximos de tensión.
El muestreo implica que
tenemos que coger una muestra de la señal cada T segundos ya que no hay memoria
suficiente capaz de almacenar los infinitos puntos de una señal en un intervalo
cualquiera de tiempo. En el ejemplo de las figuras se ha acotado un segundo de
tiempo y 5 V de tensión de entrada analógica del PIC [4].
·
Tipo de conversión
Es el
tiempo requerido para completar una conversión de la señal de entrada.
Establece el limite de la frecuencia mas alta de la señal que puede ser
muestreada sin “aliasing”
Reolución en 8 bits
Reolución en 8 bits
El numero
de bits del convertidor da la reolución
y por lo tanto la señal analóga de entrada más pequeña para lo cual el convertidor producirá un codigo digital.
Puede ser dada en terminos de la señal de entrada a escala
Esto quiere decir que cada bit tendrá un valor de 0.1372v quedando el valor total en 8 bits así:
Esto quiere decir que cada bit tendrá un valor de 0.003421 seg quedando el
valor total en 8 bits así:
·
Exactitud
La exactitud relaciona la señal mas pequeña cvon con la señal medida. La
exactitud es dada como un porciento y describe que tan cerca es la medicion del
valor real
·
Muestreo de la señal
Con el fin de garantizar 8 muestrar en la
señal analogacon una frecuencia de 5hz, esta se realiza compliendo la siguiente
la ecuacion donde obtenemos primero el periodo y este lo dividimos por el
numero de muestras deseadas así:
Configuracion
PIC 16F877A
#include<16f877a.h>
#device ADC=8
#USE delay (clock=4000000)
#FUSES XT,NOWDT,NOPROTECT
void main()
{
int valor_leido;
setup_adc_ports(AN0);
setup_adc(ADC_CLOCK_DIV_8);
set_adc_channel(0);
while(true)
{
delay_ms(12);
valor_leido=read_adc();
output_b (valor_leido);
delay_ms(12);
}
}
- ENSAMBLE DEL MICROCONTROLADOR PIC 16F877A
Circuito Digital Analogo
La cuantificación surge por
el mismo motivo que el muestreo pero para el eje de ordenadas:
Una vez tenemos una muestra
su amplitud puede tomar infinitos valores, debemos redondear entre unos valores
fijos a lo largo de ese eje. Estos valores van a depender del número de bits
que vayamos a almacenar para cada muestra, por ejemplo, en la imagen se cogen 4
bits y con ellos se pueden formar 16 combinaciones y por lo tanto 16 distintos
niveles en los que se puede dividir el eje. El PIC cuantifica con 10 bits luego
son 1023 niveles, en la práctica cuantificamos 8 bits [4].
Graf 9
- RESPUESTA EN EL OSCILOSCOPIO
Señal de entrada y salida
en proteus
CONCLUSIONES
Estos sistemas ADC y DAC, son necesarios para el procesamiento digital
de señales, lo que permite intercambiar los modos de comunicación entre lo que
nos ofrece el mundo real y el digital.
Los convertidores pueden presentarse en diferentes características, y
parámetros, los cuales pueden ser tomados dependiendo de las curvas análogas a
digitalizar, además es importante tener
en cuenta los parámetros que ofrece los fabricantes de los chips, que se
encuentran disponibles de los data correspondientes.
La intención del ADC es poder digitalizar la señal, ofreciendo un
conjunto de bits, lo más similar posible y a la señal de entrada según las necesidades.
La arquitectura descrita en este trabajo, vislumbra las aproximaciones
sucesivas de calibración, que fueron necesarias tener en cuenta para el
desarrollo del circuito.
Para el muestreo exacto de una señal alterna fue necesario la
utilización de los circuitos operacionales a fin de aprovechar la totalidad de
la señal a muestrear, ya que una señal alterna nos ofrece voltajes positivos y
negativos, situación que no es viable digitalizar la parte negativa. Ya con la ayuda
el operacional 741, este nos facilitó el poder subir la señal a un valor
totalmente positivo conservando las misma velocidad, amplitud y frecuencia.
REFERENCIAS
[1] Toboso, «Dispositivos
logicos programables,» 4 enero 2013. [En línea]. Available:
http://perso.wanadoo.es/pictob/comserie.htm#introduccion. [Último acceso: 29
abril 2014].
[2] National Instruments,
«National Instruments Corporation,» [En línea]. Available:
http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/039001258CEF8FB686256E0F005888D1.
[Último acceso: 29 abril 2014].
[3] TecBolivia,
«TecBolivia,» 28 enero 2013. [En línea]. Available:
http://www.tecbolivia.com/index.php/articulos-y-tutoriales-microcontroladores/10-comunicacion-serial-mediante-radiofrecuencia.
[Último acceso: 29 abril 2014].
