CONVERTIDORES DIGITAL – ANALÓGICO Y ANALÓGICO - DIGITAL
CONVERTIDORES DIGITAL –
ANALÓGICO
Las dos operaciones E/S relativas al
proceso de mayor importancia son la conversión de digital a analógico D/A
y la conversión de analógico a digital A/D.
Básicamente, la conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (código binario directo o BCD) y
convertirlo en un voltaje
o corriente que sea proporcional al valor digital. Este voltaje o corriente es
una cantidad analógica, ya que
puede tomar diferentes valores de cierto intervalo.
DAC de 4bits. “A” es el LSB
y “D” es el MSB.
Las entradas digitales D, C, B y A
se derivan generalmente del registro de salida de un sistema digital. Los 24
= 16 diferentes números binarios representados por estos 4 bits se enlistan en
la tabla siguiente. Por cada número de
entrada, el voltaje de salida del convertidor D/A es un valor distinto. De hecho, el voltaje de salida analógico Vout
es igual en voltios al número binario (no es así en todos los casos). También podría tener dos veces el número
binario o algún otro factor de proporcionalidad. La misma idea sería aplicable si la salida
del D/A fuese la corriente Iout.
|
Entrada
digital |
Salida analógica |
|||
|
D |
C |
B |
A |
Vout en
voltios |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
2 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
3 |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
4 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
5 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
6 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
7 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
8 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
9 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
10 |
|
1 |
0 |
1 |
1 |
11 |
|
1 |
1 |
0 |
0 |
12 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
13 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
14 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
15 |
Se define como la mínima variación que puede ocurrir en la
salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital. En el caso anterior, se observa que la
resolución es de 1V. Aunque la
resolución puede expresarse como la cantidad de voltaje o corriente por etapa,
resulta más útil expresarla como un porcentaje de la salida de escala
completa. El DAC descrito en la tabla
tiene una escala de 15 - 0 = 15V, el tamaño de la etapa es de 1V (la etapa es
el cambio de la señal de salida ante un cambio de la señal de entrada de un
valor a otro consecutivo).
La expresión que define a la resolución
de un DAC es la siguiente:
res(%)=(tamaño de la etapa X 100)/escala total
DAC construido con un
amplificador operacional
Existen
varios métodos y circuitos para producir para producir la operación D/A que se
ha descrito. Uno de ellos es el que se
muestra en la figura anterior. Las
entradas A, B, C y D son entradas binarias que se suponen tienen valores 0V o
5V. El amplificador operacional sirve
como amplificador sumador, el cual produce la suma con valor asignado de estos
voltajes de entrada.
La
expresión que describe la operación de este DAC es la siguiente:
Vout = -(
Rf/R1 Vd + Rf/R2 Vc + Rf/R3 Vb + Rf/R4 Va )
Se dispone de una amplia variedad de DAC
como circuitos integrados o bien como paquetes encapsulados autocontenidos. Uno
debe estar familiarizado con las especificaciones más importantes de los
fabricantes a fin de evaluar un DAC en una determinada aplicación.
- Resolución Como se mencionó antes, la
resolución porcentual de un DAC depende únicamente del número de bits. Por esta
razón, los fabricantes por lo general especifican una resolución de DAC como
el número de bits. Un DAC de 10 bits tiene una resolución más sensible (mayor
exactitud) que uno de 8 bits.
- Precisión Los fabricantes
de DAC tienen varias maneras de especificar la precisión o exactitud. Las dos
más comunes se las llama Error de Escala
Completa y Error de Linealidad, que normalmente
se expresan como un porcentaje de la salida de escala completa del convertidor
(%FS).
El error de escala completa es la máxima desviación de la salida del DAC de
su valor estimado (teórico).
E1 error de linealidad es la desviación máxima en el tamaño de etapa del
teórico. Algunos de los DAC más costosos tienen errores de escala completa y de
linealidad en el intervalo 0.01% - 0.1%.
- Tiempo de respuesta La
velocidad de operación de un DAC se especifica como tiempo de respuesta, que es
el tiempo que se requiere para que la salida pase de cero a escala completa
cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los unos. Los
valores comunes del tiempo de respuesta variarán de 50ns a 10ms.
En general, los DAC con salida de corriente tendrán tiempos de respuesta más
breves que aquellos con una salida de voltaje. Por ejemplo, el DAC 1280 puede
operar como salida de corriente o bien de voltaje. Su tiempo de respuesta a su
salida es 300ns cuando se utiliza salida de corriente 2.5ms
cuando se emplea salida de voltaje. El
DAC 1280 es un convertidor D/A construido con un amplificador sumador.
- Voltaje de balance En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando
la entrada binaria es todos los ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida
pequeño producido por el error de desbalance del amplificador del DAC. Este
desplazamiento es comúnmente 0.05% FS. Casi todos los DAC con voltaje tendrán
una capacidad de ajuste de balance externo que permite eliminar el error de
desbalance.
Los DAC se utilizan siempre que la
salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente
analógico para impulsar o activar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones
más comunes se describen a continuaciones.
- Control: la salida digital
de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para
ajustar la velocidad de un motor, la temperatura de un horno o bien para
controlar casi cualquier variable física.
- Análisis automático: las computadoras pueden ser programadas para generar
las señales analógicas (a
través de un DAC) que
se necesitan para analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida
analógica del circuito de prueba normalmente se convertirá en valor digital por
un ADC y se alimentará a la computadora para ser almacenada, exhibida y algunas veces analizada.
- Control de
amplitud digital: un DAC multiplicativo se puede utilizar
para ajustar digitalmente la amplitud
de una señal analógica.
Recordemos que un DAC multiplicativo produce una salida que es el producto de
un voltaje de referencia y la entrada binaria. Si el voltaje de referencia es
una señal que varía con el tiempo, la salida del DAC seguirá esta señal, pero
con una amplitud determinada por el código de entrada binario. Una aplicación
normal de esto es el “control de volumen” digital, donde la salida de un circuito o computadora
digital puede ajustar la amplitud de una señal de audio.
- Convertidores
A/D: varios tipos de convertidores A/D utilizan
DAC’s que son parte de sus circuitos.
CONVERTIDORES ANALÓGICO – DIGITAL
Un convertidor A/D toma un voltaje de entrada
analógico y después de cierto tiempo produce un código de salida digital que representa
la entrada analógica. El proceso de conversión A/D es generalmente más complejo
y largo que el proceso D/A, y se han creado y utilizado muchos métodos.
Varios tipos importantes de ADC utilizan un
convertidor D/A como parte de sus circuitos. En la figura siguiente se muestra
un diagrama de bloque general para esta clase de ADC. La oportunidad para
realizar la operación es ofrecida por la señal del cronómetro de entrada. La
unidad de control contiene los circuitos lógicos para generar la secuencia de
operaciones adecuada en respuesta al comando “START”, el cual inicia el proceso
de conversión. El comparador tiene dos entradas analógicas y una salida digital que intercambia
estados, según qué entrada analógica sea mayor.
Diagrama en bloques de un ADC
La operación básica de los convertidores
A/D de este tipo consta de los siguientes pasos:
-
El comando START pasa a alto dando inicio
a la operación
-
A una razón determinada por el cronómetro,
la unidad de control modifica continuamente el número binario que está
almacenado en el registro.
-
El número binario del registro es
convertido en un voltaje analógico, Va’, por el convertido D/A.
-
El comparador compara Va’ con la entrada
analógica Va. En tanto que Va’ < Va,
la salida del comparador permanece en alto.
Cuando Va’ excede a Va por lo menos en una cantidad Vt (voltaje umbral),
la salida del comparador pasa a bajo y suspende el proceso de modificación del
núero del registro. En este punto, Va’ es
un valor muy aproximado de Va y el número digital del registro, que es el
equivalente digital de Va’ es asimismo el equivalente digital de Va, en los
límites de la resolución y exactitud del sistema.
Las diversas variaciones de este esquema
de conversión D/A difieren principalmente en la forma en que la sección de
control modifica continuamente los números contenidos en el registro. De lo
contrario, la idea básica es la misma, con el registro que contiene la salida
digital requerida cuando se completa el proceso de conversión.
CONVERTIDOR A/D
CON RAMPA DIGITAL
Una de las versiones más simples del
convertidor A/D de la figura anterior hace uso de un contador binario como
registro y permite que el cronómetro incremente al un paso a la vez hasta que
Va’ ≥ Va. A este se lo llama
convertidor A/D con rampa digital ya que la forma de onda en Va’ es una rampa
que funciona paso por paso (en realidad es escalón por escalón) como la que se
muestra en la figura siguiente.
Convertidor A/D con rampa
digital
Va puede ser el resultado de un muestreo
y retención de las señal analógica original.
ADQUISICIÓN DE
DATOS CON UN ADC CON RAMPA DIGITAL
En la figura se muestra la forma en que una
microcomputadora se conecta a un ADC con rampa digital con el fin de adquirir
datos. La computadora genera las
pulsaciones START que inician cada nueva conversión A/D. La señal EOC (fin de conversión) del ADC se
alimenta a la computadora. La computadora
examina esta señal EOC para indagar cuándo se completa la conversión de
corriente A/D; después transfiere los datos digitales de la salida del ADC a su
memoria.
Sistema de adquisición de
datos por computador común.
Las formas de onda de la figura
siguiente ilustran la forma en que la computadora adquiere una versión digital
de la señal analógica, Va. La onda de
escalinata Va’ que se genera internamente en el ADC se muestra superpuesta en
la onda Va con fines ilustrativos. El
proceso comienza en t0 cuando la computadora genera un pulso de
START para dar inicio a un ciclo de conversión A/D. El contador se ponen en cero, la conversión
se completa al tiempo t1 cuando la escalinata excede de Va, y EOC se
pone en bajo para indicar a la computadora que el ADC tiene una salida digital
que ahora representa el valor de Va en el punto a, y la computadora cargará
estos datos en su memoria. La
computadora genera un nuevo pulso de START poco tiempo después de t1
para dar inicio a un segundo ciclo de conversión.
Formas de onda
que muestran cómo la computadora inicia cada nuevo
ciclo de conversión y luego carga los datos digitales en la memoria al término
de la conversión.
A parte del ADC con rampa digital, existen
otras dos variedades:
-
ADC
de aproximaciones sucesivas: es el más usado, tiene circuitos más
complejos que el ADC con rampa digital y su tiempo de conversión es mucho más
corto que es fijo y no depende del valor de la entrada analógica. En vez de utilizar un contador como el ADC
con rampa digital, utiliza un registro que alimenta al DAC y que a su vez
manejado por una lógica de control.
-
ADC
de ráfaga: es el más rápido pero requiere de una circuitería
mucho más compleja, por ejemplo, un ADC de ráfaga de 6bits requiere de 63
comparadores mientras que, otro de 10bits requiere 1023 comparadores, es decir,
que para N bits de salida se requieren (2N - 1) comparadores. Los comparadores son amplificadores
operacionales cuyas entrada inversora es común a la señal analógica de entrada
y las entradas no inversoras están dispuestas ordenadamente en un divisor de
tensión; sus salidas alimentan a un codificador cuya salida es el equivalente
digital de la entrada.
TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Para realizar cualquier tipo de adquisición de datos
usando una computadora personal (PC), es necesario de una tarjeta de
adquisición de datos (TAD) que realice la conversión de la señal y un programa
que lea los valores de la señal en la PC. LabVIEW es un software que permite
hacer esta adquisición utilizando funciones de alto nivel de interface con el
usuario, mientras que a nivel de hardware la adquisición ocurre al más bajo
nivel de la TAD. El software intermedio que controla la comunicación entre LabVIEW
(alto nivel) y el hardware (bajo nivel) es el software manejador (driver).
Sobre PC’s el driver emplea librerías de enlace dinámico (DLL’s) para realizar
esta comunicación con LabVIEW.
La expresión de “adquisición
de datos” ha sido empleada para referirse a distintos tipos de
tareas, tales como medición de señales analógicas, generación de señales
analógicas, adquisición y generación de señales digitales y operaciones con
contadores. Medición de señales analógicas se refiere a aplicaciones donde se realiza
mediciones de señales físicas, tales como temperatura, voltaje, presión etc.,
en términos de voltajes o corrientes. Generación de señales es lo opuesto a
medición y tiene que ver con la generación de señales analógicas CA o CD. Si se
están generando o adquiriendo señales de niveles TTL, se estaría hablando de
generación y medición de señales digitales, las cuales se implementan
frecuentemente en la comunicación entre dispositivos digitales tales como
escáneres, impresoras y computadoras. Aplicaciones con contadores involucran
medición de frecuencia, medición de la duración de un pulso, medición de
período, conteo de pulsos digitales.
Colocar una interface o una
tarjeta de ampliación en un ordenador no suele ser tan sencillo como limitarse
a instalar dichos elementos en la ranura correspondiente, sobre todo si ya hay
instaladas varias tarjetas en el sistema.
Como sabemos, todas las
tarjetas se comunican con el ordenador a través de una determinada dirección de
comunicaciones que define un canal de entrada salida.
Lo primero que hay que
tener en cuenta es que no puede haber dos tarjetas que tengan la misma
dirección de comunicaciones instaladas en el mismo ordenador, ya que en ese
caso las direcciones de ambas tarjetas colisionarán provocando que ni el ordenador
ni los elementos asociados a las tarjetas funcionen de forma correcta.
Todas las tarjetas suelen
tener una serie de puentes o micro interruptores que permiten modificar algunos
parámetros de funcionamiento de las mismas, entre los que se encuentran las
direcciones de acceso y las interrupciones que utiliza para comunicarse con el
sistema en el que se encuentra instalada.
Antes de instalar la
tarjeta en el ordenador habrá que comprobar las direcciones utilizadas por las
otras tarjetas ya instaladas y seleccionar en la tarjeta a utilizar una
dirección de las que existan libres. Por este motivo es conveniente apuntar y
guardar en un lugar seguro la información relativa a la configuración e
instalación de las tarjetas, por si en alguna ocasión hay que hacer alguna
modificación o consulta. Con el fin de variar las especificaciones adaptadas
inicialmente.
La digitalización de
señales es realizada por las tarjetas de adquisición de datos. La digitalización de sonidos, por su parte,
es un proceso realizado por algunas tarjetas especializadas como pueden ser las
de sonido, las de correo vocal o incluso las que incluyen los sistemas MIDI.
Normalmente, la
digitalización de señales se realiza mediante un convertidor analógico/digital
que muestra la señal que se introduce a través de un censor o transductor.
Al digitalizar una señal de
determinada frecuencia, la frecuencia de muestreo deberá elegirse de acuerdo
con la frecuencia de la señal a muestrear, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea
la frecuencia de muestreo, mejor será la calidad de la señal digitalizada.
¿Pueden hablar lo
ordenadores? ¿Y escuchar?. En lo referente a los
llamados sintetizadores de voz para ordenadores existe bastante confusión entre
los distintos tipos y sus capacidades. Conviene no llamarse a engaño y tener
claro cuáles son las posibilidades reales de estos sistemas, las cuales se
intentarán clarificar a continuación.
Hacer hablar a un ordenador
es bastante simple. Un programa adecuado, un circuito de generación de sonidos
vocales y ya está listo para repetir como un loro todo lo que se introduzca a
través del teclado. En estos circuitos integrados se encuentran almacenados los
patrones sonoros de los distintos fonemas, es decir, los sonidos
correspondientes a los caracteres del alfabeto. Existen varios de estos
sistemas en el mercado, comercializados en forma de tarjeta que se conecta en
las ranuras de expansión del ordenador y que disponen de un altavoz para la
emisión de sonidos. Su utilidad queda restringida a los programas educativos.
No debe esto confundirse
esto con los dispositivos capaces de grabar la voz y almacenarla en forma de
información binaria en la memoria del ordenador. En éstos
la voz (o cualquier otro tipo de sonido) es digitalizada por el sistema de
muestreo. Se toman valores puntuales de la onda sonora, llegando a reproducir
ésta con bastante calidad si se emplea un número elevado de divisiones. Cuanto
más preciso sea el muestreo de los sonidos, mayor será el parecido con el
sonido original, pero también ocupará más espacio en memoria.
Avanzando un paso más se
encuentran los intérpretes de comandos vocales. Estos sistemas son de nueva
creación y todavía no están muy extendidos ni perfeccionados. En ellos la voz
se recoge a través de un micrófono y también es muestreada para, una vez
convertida en información binaria, comparar esta onda digitalizada con los
patrones sonoros de varias palabras que se encuentran almacenadas en memoria.
Si la onda digitalizada coincide en su forma con alguna de éstas, el ordenador
reconoce la palabra que se ha pronunciado y es capaz de ejecutar un comando
asociado a esa palabra.
Al principio, una de las
asignaturas pendientes de los ordenadores compatibles era el sonido. El pequeño
altavoz que incorpora y los pitidos de frecuencia y duración variable que
produce no son suficientes para ciertas aplicaciones como pueden ser los juegos
o las presentaciones multimedia. Actualmente, en el mercado han aparecido una
serie de tarjetas que permiten producir sonidos y digitalizarlos a un precio
asequible. La principal característica que hay que tener en cuenta a la hora de
comprar una de estas tarjetas es que sea compatible con los programas
existentes para lograr así mejorar los efectos de sonido que dichos programas
incluyen. Entre las tarjetas más difundidas destacan la Thunder Board, la AdLib
y la SoundBlaster.
Dado que las tarjetas de
sonido están orientadas principalmente al mundo de los juegos de ordenador,
suelen incorporar un puerto para joystick. Además suelen proporcionar hasta 11
voces de música codificada en frecuencia modulada (igual que un sintetizador
musical) con lo que permiten realizar la digitalización de sonidos a través de
una toma de micrófonos para después reproducirlos, filtrarlos, o incluso
comprimir los archivos de sonido generados para que ocupen poco espacio en el
disco. Además de todo esto, cuentan con una simple conexión para dos altavoces
externos conectada a un amplificador de dos o cuatro vatios y con la
posibilidad de conexión a un sistema MIDI. Normalmente estas tarjetas vienen
acompañadas de un software de demostración que suele consistir en un
digitalizador, un programa que permite convertir el teclado de un ordenador en
un órgano electrónico, programas de edición de sonidos, etc.
LAS DIRECCIONES
DE LAS TARJETAS
Colocar un interface o una
tarjeta de ampliación en un ordenador no suele ser tan sencillo como limitarse
a instalar dichos elementos en la ranura correspondiente, sobre todo si ya hay
instaladas varias tarjetas en el sistema.
Como sabemos, todas las
tarjetas se comunican con el ordenador a través de una determinada dirección de
comunicaciones que define un canal de entrada salida.
Lo primero que hay que tener
en cuenta es que no puede haber dos tarjetas que tengan la misma dirección de
comunicaciones instaladas en el mismo ordenador, ya que en ese caso las
direcciones de ambas tarjetas colisionarán provocando que ni el ordenador ni
los elementos asociados a las tarjetas funcionen de forma correcta.
El primer consejo es leer
de forma detenida el manual que acompaña a la tarjeta y comprobar que la
garantía del ordenador no queda invalidada si el usuario lo abre para instalar
dicho elemento.
Todas las tarjetas suelen
tener una serie de puentes o micro interruptores que permiten modificar algunos
parámetros de funcionamiento de las mismas, entre los que se encuentran las
direcciones de acceso y las interrupciones que utiliza para comunicarse con el
sistema en el que se encuentra instalada.
Las tarjetas disponen de unos puentes o
micro interruptores que permiten modificar la dirección de la tarjeta a fin de
adaptarlas a las especificaciones propias del equipo
Antes de instalar la
tarjeta en el ordenador habrá que comprobar las direcciones utilizadas por las
otras tarjetas ya instaladas y seleccionar en la tarjeta a utilizar una
dirección de las que existan libres. Por este motivo es conveniente apuntar y
guardar en un lugar seguro la información relativa a la configuración e
instalación de las tarjetas, por si en alguna ocasión hay que hacer alguna
modificación o consulta. Con el fin de variar las especificaciones adaptadas
inicialmente.
En caso de duda lo mejor es
informarse en el servicio técnico de la empresa que vendió la tarjeta y no
realizar pruebas ya que se pueden producir daños en el hardware.
La digitalización de
sonidos es un proceso realizado por algunas tarjetas especializadas como pueden
ser las de sonido, las de correo vocal o incluso las que incluyen los sistemas
MIDI.
Normalmente, la
digitalización de sonido se realiza mediante un convertidor analógico/digital
que muestra la señal que se introduce a través de un micrófono.
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La digitalización de la voz por medio
del muestreo posibilita el reconocimiento de palabras y la interpretación de
estas por parte del ordenador |
El principal problema de
los archivos de sonido es que, como la frecuencia de muestreo es elevada, una grabación
suele generar un archivo de grandes dimensiones. Para evitar este problema
muchos sistemas de digitalización disponen de sistemas de compresión de
información. La longitud del archivo depende de la frecuencia de muestreo y de
la duración de la grabación: cuanto mayor es la frecuencia de muestreo, mayor
será el tamaño del archivo. De esta forma, mientras que una grabación de 60
segundos muestreada a 8KHz ocupa aproximadamente 500kB, si aumentásemos la
frecuencia de muestreo a 22KHz. el volumen de memoria ocupado se incrementaría
aproximadamente a los 1,4MB.
Esto quiere decir que si se
desea digitalizar un sonido de determinada frecuencia, la frecuencia de
muestreo deberá elegirse de acuerdo con la frecuencia del sonido a muestrear,
teniendo en cuenta que cuanto mayor sea la frecuencia, mejor será la calidad
del sonido digitalizado.
Publicado en Junio de 2003 por
José Eduardo Niño
www.angelfire.com/al3/joseddon
