Los convertidores A/D son
dispositivos electrónicos que establecen una relación biunívoca
entre el valor de la señal en su entrada y la palabra digital obtenida
en su salida. La relación se establece en la mayoría de los
casos, con la ayuda de una tensión de referencia.
La conversión analógica
a digital tiene su fundamento teórico en el teorema
de muestreo y en los conceptos de cuantificación y codificación.
Una primera clasificación
de los convertidores A/D, es la siguiente:
Conversores de transformación
directa.
Conversores con transformación
(D/A) intermedia, auxiliar.
Circuitos de captura y mantenimiento (S/H:Sample
and Hold).
Los circuitos de captura
y mantenimiento se emplean para el muestreo de la señal analógica
(durante un intervalo de tiempo) y el posterior mantenimiento de dicho
valor, generalmente en un condensador, durante el tiempo que dura la transformación
A/D, propiamente dicha.
El esquema básico de un circuito
de captura y mantenimiento, así como su representación simplificada,
se ofrece
en la figura:
El funcionamiento del circuito de la figura es el
siguiente: El convertidor A/D manda un impulso de anchura tw por la
línea C/M, que activa el interruptor electrónico, cargándose el
condensador C, dutrante el tiempo tw. En el caso ideal, la tensión en
el condensador sigue la tensión de entrada. Posteriormente el
condensador mantiene la tensión adquirida cuando se abre el
interruptor.
En la siguiente figura se muestran las formas de las
señales de entrada, salida y gobierno del interruptor.
El gráfico tiene un carácter
ideal, puesto que tanto la carga como la descarga del condensador están
relacionadas estrechamente con su valor y con el de las resistencias y
capacidades parásitas asociadas al circuito.
Se recalca el hecho de que el control
de la señal C/M procede del convertidor A/D, que es el único
que conoce el momento
en que finaliza la conversión de la señal.
Conversor A/D con comparadores.
Es el único caso
en que los procesos de cuantificación y codificación están
claramente separados. El primer paso se lleva a cabo mediante comparadores
que discriminan entre un número finito de niveles de tensión
. Estos comparadores reciben en sus entradas la señal analógica
de entrada junto con una tensión de referencia, distinta para cada
uno de ellos. Al estar las tensiones de referencia escalonadas, es posible
conocer si la señal de entrada está por encima o por debajo
de cada una de ellas, lo cual permitirá conocer el estado que le
corresponde como resultado de la cuantificación. A continuación
será necesario un codificador que nos entregue la salida digital.
Este convertidor es de
alta velocidad, ya que el proceso de conversión es directo en lugar
de secuencial, reduciéndose el tiempo de conversión necesario
a la suma de los de propagación en el comparador y el codificador.
Sin embargo, su utilidad queda reducida a los casos de baja resolución,
dado que para obtener una salida de N bits son necesarios 2N-1 comparadores,
lo que lleva a una complejidad y encarecimiento excesivos en cuanto se
desee obtener una resolución alta.
Conversor A/D con contadores.
Llamado también
convertidor con rampa en escalera. Usa el circuito más sencillo
de los conversores A/D y consta básicamente de los elementos reflejados
en la figura siguiente:
Un comparador, reloj, circuito de captura
y mantenimiento (S&H), contador, conversor D/A y buffers de salida.
Una vez que el circuito
de captura y mantenimiento (S/H), ha muestreado la señal analógica,
el contador comienza a funcionar contando los impulsos procedentes del
reloj. El resultado de este contaje se transforma en una señal analógica
mediante un convertidor D/A, proporcional al número de impulsos
de reloj recibidos hasta ese instante.
La señal analógica
obtenida se introduce al comparador en el que se efectúa una comparación
entre la señal de entrada y la señal digital convertida
en analógica. En el momento en que esta última alcanza el
mismo valor ( en realidad algo mayor) que la señal de entrada, el
comparador bascula su salida y se produce el paro del contador.
El valor del contador pasa a los
buffers y se convierte en la salida digital correspondiente a la señal
de entrada.
Este convertidor tiene dos inconvenientes:
Escasa velocidad.
Tiempo de conversión variable.
El segundo inconveniente puede comprenderse
fácilmente con la ayuda de la siguiente figura, en la que se aprecia
que el número de impulsos de reloj (tiempo), precisos para alcanzar
el valor Vien el conversor D/A depende del valor de Vi.
Dicho tiempo de conversión viene
dado por la expresión:
Conversor A/D con integrador.
Este tipo de convertidores
son más sencillos que los anteriores ya que no utilizan convertidores
D/A. Se emplean en aquellos casos en los que no se requiere una gran velocidad,
pero en los que es importante conseguir una buena linealidad. Son muy usados
en los voltímetros digitales. Existen dos tipos:
Convertidor A/D de rampa única
Consta, como se refleja
en la figura, de un integrador, un comparador, un generador de impulsos
y un contador con sus buffers de salida.
fig.13-15
En la puesta en marcha tanto el
integrador como el contador son puestos a cero por el circuito de control.
