Convertidores Digital-Analógicos (DAC)

Tipos de DAC

DAC con Ponderación Binaria

Este tipo de DAC es simple y trabaja en paralelo. Su desventaja es el gran número de resistencias de distinto valor que se necesitan. Así, para un DAC de 10 bits son necesarias 10 resistencias con valores de R a 512R, con una muy baja tolerancia para poder mantener la precisión del convertidor.

DAC en Escalera Ponderado

Parámetros Característicos de un DAC

Escala Completa de Salida (FSO): Se define como el máximo valor analógico de salida posible, es decir, cuando se aplica en la entrada el máximo valor binario.

Resolución: Se define como la diferencia en voltios que se produce a la salida del convertidor para un cambio sucesivo de su valor binario. Para un DAC, el número total de escalones discretos es 2ⁿ – 1, donde n es el número de bits. Así, para un DAC de 8 bits, la resolución es:

Además, se define la resolución como el número de bits que se convierten y es el parámetro que caracteriza al convertidor.

Precisión: Es la comparación entre la salida real de un DAC y la salida esperada. Se expresa como un porcentaje de la tensión de salida máxima. Idealmente, la precisión debería ser como mucho ± 1/2 del bit LSB. Así, para un DAC de 8 bits, LSB es 1/256 y la precisión es aproximadamente ±0,2%.

Linealidad: Es la desviación (error lineal) de la salida ideal. Un caso especial es el error de offset (cuando todos los bits están a 0).

Monotonicidad: Un DAC es monótono si no produce escalones inversos cuando se le aplica secuencialmente su rango completo de bits de entrada.

Tiempo de Conversión: Es el tiempo requerido para completar la conversión de la señal de entrada. Esto implica que la frecuencia máxima que puede ser muestreada sin errores es:

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.

Muestreo de Señales Analógicas

Al muestrear una señal de entrada, el CAD almacena su valor analógico en instantes de tiempo fijos y equiespaciados (periodo de muestreo) determinados por el circuito de muestreo y retención (Sample and Hold, S&H Circuit). Si la información que porta la señal no experimenta cambios bruscos, se puede muestrear a frecuencia baja sin temor a perder información crucial de la señal. Sin embargo, según muestra la figura 4, si la señal de interés fluctúa con velocidad, una velocidad de muestreo baja conlleva pérdida de información cuando se trata de reproducir la señal original a partir de las muestras (cuantificación). En estos casos es necesario muestrear con mayor velocidad para asegurar la reproducción fiel de la señal capturada.

Muestreo a baja frecuencia de la salida de un sensor de alta velocidad.

Funcionamiento del CAD

Veamos el funcionamiento para una entrada analógica unipolar, para V_A > 0 y -V_REF < 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, V_A. La salida de la puerta NOR es 0 y Q = 1. La salida del integrador es una rampa de ecuación:

V₀(t) = V_A * t / RC

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 amplificador operacional 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 = 2ⁿ * T_clk, para cualquier tensión analógica a convertir.

CAD de Aproximaciones Sucesivas

Es el más común en convertidores integrados cuando la exactitud requerida no es determinante, ya que su diseño supone un equilibrio entre velocidad y complejidad. Se caracteriza por incluir un registro de aproximaciones sucesivas (SAR; Sucesive Approximation Register) que contiene las distintas aproximaciones de la palabra digital. La figura 7 muestra el esquema interno de un CAD de aproximaciones sucesivas de 8 bits. En ella se aprecia el SAR y la cadena de biestables tipo “D”, encargados de propagar un “1” de forma cíclica, desde que D₈ recibe el impulso de disparo que inicializa la conversión.

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