El mundo de la Conversión de analógico a digital

El mundo analógico

Los microcontroladores son capaces de procesar  señales binarias o también llamadas digitales: es decir un 0 un 1,como analogía pongo de ejemplo ¿se presiona el botón o no? Estas son señales digitales. 

Cuando un microcontrolador se alimenta con cinco volts, se entiende cero volts (0V) como un 0 binario y cinco volts (5V) como un 1 binario. Sin embargo, el mundo no es tan simple como el ejemplo anterior al  mundo le gusta ir contracorriente

¿Qué pasa si la señal es de 2,72 V? ¿Es  un cero o un uno? A menudo necesitamos medir señales que varían; a estas se  les llaman señales analógicas. Un sensor analógico de 5 V puede emitir 0,01 V o 4,99 V o cualquier valor intermedio. Afortunadamente, casi todos los microcontroladores tienen un dispositivo incorporado que nos permite convertir estos voltajes en valores que podemos usar en un programa para tomar una decisión y claro es el que vamos a estudiar el convertidor analógico a digital 

¿Qué es el ADC?

Un convertidor analógico a digital (ADC) es una característica muy útil que convierte un voltaje analógico  en un número digital. Al pasar del mundo analógico al mundo digital, podemos comenzar a usar la electrónica para interactuar con el mundo analógico que nos rodea.

La forma en que funciona un ADC es un poco compleja. existen algunos métodos y formas  diferentes de lograr esta función, pero una de las técnicas más comunes utiliza el voltaje analógico para cargar un condensador interno y luego medir el tiempo que tarda en descargarse a través de una resistencia interna. El microcontrolador monitorea la cantidad de ciclos de reloj que pasan antes de que se descargue el capacitor. Este número de ciclos es el número que se devuelve una vez que se completa el ADC.

¿Proceso de conversión A/D y cómo funciona ADC?

Principalmente hay dos pasos para la conversión de analógico a digital:

El proceso ADC se muestra en la siguiente figura:

Muestreo

Una señal analógica cambia continuamente con el tiempo, para poder medir la señal tenemos que mantenerla constante durante un breve período de tiempo para que pueda ser muestreada. Podríamos medir la señal repetidamente y muy rápido, y luego encontrar la escala de tiempo correcta. o podríamos medir la señal en diferentes tiempos y luego promediarla. O, preferiblemente, podemos mantener la señal durante un tiempo específico y luego digitalizar la señal y muestrear el valor. Esto se hace mediante un circuito de muestreo y retención. Porque, al menos el tiempo requerido para la digitalización, mantiene el valor estable. La figura muestra el circuito de muestreo y retención de una señal.

Circuito de muestreo y retención

Mantenemos el interruptor normalmente abierto, y cuando queremos encontrar una medida, cerramos el interruptor momentáneamente.

Cuantificación y codificación

En la salida de (S/H), está presente un cierto nivel de voltaje. Le asignamos un valor numérico. Se busca el valor más cercano, en correspondencia con la amplitud de la señal de muestreo y retención. Y este valor no puede ser cualquier valor, debe ser de un conjunto limitado de valores posibles. Depende del rango del cuantificador y del rango dado en una potencia de 2, es decir, 2 n (2 8 = 256, 2 10 = 1024, etc.).

Después de identificar el valor más cercano, se le asigna un valor numérico y se codifica en forma de número binario. Los números codificados en binario generados por el cuantificador están representados por 'n' bits. La resolución de un ADC también se puede indicar con 'n' bit. La figura muestra todo el proceso de conversión:

No se puede decir que los valores obtenidos después del proceso de cuantificación y codificación sean completamente precisos. Estas son solo las aproximaciones de los valores del mundo real. La precisión del cuantificador depende en gran medida de la resolución del cuantificador, cuanto mayor sea la resolución, más precisos serán los valores. La resolución del ADC está limitada por una serie de restricciones, de las cuales, el tiempo es un problema importante. Si el conjunto de valores posibles, a partir del cual se busca el valor más cercano, es mayor, entonces seguramente tomará más tiempo. Pero para acelerar este proceso, se han desarrollado más técnicas.

La siguiente tabla muestra el rendimiento de diferentes ADC de 'n' bits. Si el número de bits es mayor, entonces la frecuencia es menor y el tiempo consumido también es mayor. Por otro lado, el error se minimiza a medida que aumenta el número de bits. Las tasas máximas de muestreo también se han indicado en la tabla.

Tipos de ADC

Los tipos más comunes de convertidores analógicos a digitales disponibles son:

Flash convertidor analógico a digital.

Convertidor analógico a digital de doble pendiente.

Convertidor analógico a digital de aproximación sucesiva.

ADC FLASH

Flash ADC es uno de los ADC más simples. También se conoce como el convertidor ADC paralelo. Consta de una serie de comparadores. Un circuito codificador está conectado a la salida de los comparadores, lo que nos da una salida binaria. En la figura se muestra un circuito flash ADC de 3 bits:

Vref es el voltaje de referencia; si el valor analógico en la entrada es mayor que el voltaje de referencia, la salida del comparador será alta. El convertidor flash es el más eficiente de todos los convertidores en términos de velocidad. Pero el número de comparadores aumenta a medida que aumenta el número de bits. Necesitaríamos 7 comparadores para 3 bits y 15 comparadores para 4 bits. Esta es la debilidad de flash ADC.

Pero un convertidor flash puede producir una salida no lineal, lo que es una ventaja adicional. La red divisoria de tensión consta de resistencias de igual valor que proporcionan una respuesta proporcional. Pero para aplicaciones especiales, el valor de las resistencias se puede cambiar, lo que dará una respuesta no lineal.

ADC DE DOBLE PENDIENTE

Un integrador de doble pendiente primero integra y luego desintegra una señal de voltaje. Integra un voltaje desconocido por un tiempo fijo y se desintegra por un tiempo variable usando un voltaje de referencia. La Figura 5 muestra el gráfico de integración de doble pendiente.

La principal ventaja es que el error que ocurre en un componente durante la integración se cancela durante la fase de desintegración. La siguiente figura muestra un diagrama de bloques de un convertidor de doble pendiente:

Por ejemplo, si queremos obtener una resolución de 10 bits, integraríamos por 2 10 = 1024 ciclos y luego desintegraríamos por 1024 ciclos. Al aumentar el número de ciclos de reloj, podemos obtener más resolución.

ADC DE APROXIMACIÓN SUCESIVA

Este ADC no cuenta en la secuencia binaria, este registro comienza con el bit más significativo y termina con el bit menos significativo. La salida del comparador se monitorea continuamente y se compara con la entrada de la señal analógica. Esta estrategia da resultados mucho más rápidos. La siguiente figura muestra el funcionamiento de este registro de aproximación sucesiva:

El funcionamiento de este ADC se puede observar en el siguiente gráfico:

Hasta ahora hemos discutido los tres tipos más comunes de convertidores analógicos a digitales, pero también hay otros convertidores, como sigma delta, adc de rampa digital, adc de seguimiento, etc., que también son convertidores ampliamente utilizados.

Aplicaciones ADC

Lo notemos o no, estamos usando cientos o miles de ADC y DAC en nuestra vida diaria. Algunas de las aplicaciones populares son:

Aplicaciones de audio: por ejemplo, cuando escucha música en su teléfono móvil, la música se almacena en la memoria de su teléfono móvil en formato digital y un altavoz acepta una señal eléctrica que es una señal analógica. Por lo tanto, necesitamos un ADC para convertir un flujo de bits digital de música en una señal analógica para reproducir la música que podemos escuchar a través de un altavoz móvil. De ahí que nuestro teléfono móvil contenga muchos ADC para Audio y otras muchas aplicaciones.

Receptor y transmisor de llamadas en el teléfono móvil

Vídeo transmitido en vivo

Adquisición de datos

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Por ultimo dejo un vídeo (Parte I) de la explicación del código de la programación  usando un microcontrolador