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CONVERTIDOR ANALGICO DIGITALCONVERTIDORCONVERTIDOR ANALANALGICO
DIGITALGICO DIGITAL
SU CONEXIN Y APLICACIONESSU CONEXISU CONEXIN Y APLICACIONESN Y
APLICACIONES
Microprocesadores Microprocesadores Convertidor Anlogo
Digital
M.C. Carlos E. Canto Quintal
ConversiConversin Analn Analgica gica -- DigitalDigital
La conversin A/D es un proceso de cuantizacin en la cual una
seal analgica es representada por su equivalente en estados
binarios
La digitizacin de las seales tienen sus desventajas: La seal
analgica nunca puede ser exactamente representada o
reconstruida. Siempre habr algo de error. Una seal digitizada ,
cuando se transmite por un canal de
comunicacin, requiere un ancho de banda mayor que la del canal
original. Por ejemplo, un canal telefnico de voz anlogo requiere un
ancho de banda de aproximadamente 4Khz pero su equivalente digital
el canal es de 64 kbps
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Tiempo de Tiempo de conversionconversion:: es el tiempo
requerido para completar una conversin de la seal de entrada.
Establece el lmite de la frecuencia ms alta de la seal que puede
ser muestreada sin aliasing.
ResoluciResolucin :n : el nmero de bits del convertidor da la
resolucin y por lo tanto la seal analga de entrada ms pequea para
la cual el convertidor producir un cdigo digital. Puede ser dada en
trminos de la seal de entrada de plena escala:
fMAX=1
2* tiempo de conversin
Resolucin = Seal de plena escala2 n
Frecuentemente la resolucin se da solo con el nmero de bits,n, o
como un por ciento del mximo
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Especificaciones de un convertidor A/DEspecificaciones de un
convertidor A/D
Exactitud:Exactitud: la exactitud relaciona la seal ms pequea
con la seal medida. La exactitud es dada como un por ciento y
describe que tan cerca es la medicin del valor real
La seal es exacta dentro de = VRESOLUCINVSEALX100%
Especificaciones de un convertidor A/DEspecificaciones de un
convertidor A/D
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LinearidadLinearidad:: Es la desviacin de los cdigos de salida
de la lnea recta trazada entre el cero y el valor de plena escala.
La mejor que se puede conseguir es del bit menos significativo (
)
+-1/2LSB
01
10
11
00Plena escala
Voltaje de entrada
Cdigo de salida
+-1/2LSB+-1/2
Especificaciones de un convertidor A/DEspecificaciones de un
convertidor A/D
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Especificaciones de un convertidor A/DEspecificaciones de un
convertidor A/D
Errores de los convertidores A/DErrores de los convertidores
A/D
El error fundamental en una conversin es llamado error de
cuantizacin. Este se debido a la resolucin del convertidor y no
puede ser menor de LSB.
Hay tres fuentes de error en una conversin A/D: Ruido,
Traslapamiento (Aliasing) y tiempo de apertura
+-
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Errores de los convertidores A/DErrores de los convertidores
A/D
El RUIDO:El RUIDO: todas las seales tienen ruido, lo deseable es
que el valor de pico a pico del ruido sea menor que . Esto
significa que debemos escoger la resolucin del convertidor
apropiadamente o reducir el ruido de la seal
+- LSB
Seal +RuidoSeal +Ruido
LSBLSB+-VRuido
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Errores de los convertidores A/DErrores de los convertidores
A/D
TraslapamientoTraslapamiento ((AliasingAliasing):): los errores
debidos al traslapamiento son difciles de cuantificar. Dependen de
amplitud relativa de la seal a frecuencias abajo y arriba de la
frecuencia de Nyquist. El diseo del sistema debe incluir un filtro
paso bajo para atenuar las frecuencias de la seal arriba de la
frecuencia de Nyquist.
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V +- LSBApertura del A/DApertura del A/DApertura del A/D
Error de tiempo de Error de tiempo de apertutraapertutra:: un
error significativo en un sistema digitizador es debido a la
variacin de la seal durante el tiempo de apertura.
Un buen diseo deber tener un incertidumbre ,V, menor que un bit
menos significativo.
El tiempo de apertura necesario para reducir el error a es:
Errores de los convertidores A/DErrores de los convertidores
A/D
tAPtAP ==11
2 2 ffMAXMAX 22nn
tAP
+- LSB
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SampleSample andand HoldHold En muchos convertidores A/D, el
tiempo de apertura y el
tiempo de conversin es lo mismo. El A/D est observandoa la seal
mientras est convirtindola
+1+1+1+1Entrada Entrada ananlogaloga
Muestreo Muestreo
SeSeal al ananloga loga sostenida sostenida
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Escogiendo un convertidor A/D
El diseEl diseador debe escoger:ador debe escoger: El nEl nmero
de bits o resolucimero de bits o resolucin y la velocidad o n y la
velocidad o
tiempo de conversitiempo de conversin del convertidor. n del
convertidor. El tipo de cEl tipo de cdigo digital de salida del
convertidor.digo digital de salida del convertidor. El tiempo de
apertura debe ser calculado y tomar la El tiempo de apertura debe
ser calculado y tomar la
decisidecisin de incluir o no un n de incluir o no un
samplesample-- holdhold y un filtro y un filtro antialiasantialias
en el sistema.en el sistema.
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Escogiendo un convertidor A/D
Hay dos formas para escoger la Hay dos formas para escoger la
resolucresolucnn del ADC:del ADC: La primera es encontrar el rango
dinLa primera es encontrar el rango dinmico de la semico de la seal
de al de
entrada y escoger el nentrada y escoger el nmero de bits basado
en mero de bits basado en steste..
El rango dinEl rango dinmico de cualquier semico de cualquier
seal es definido como:al es definido como:VVMAXMAXVVRuidoRuido
Rango DinRango Dinmico=mico=
Donde: VDonde: VMAXMAX es el Valor mes el Valor mximo de la
seximo de la seal de entrada al de entrada VVRUIDORUIDO es el valor
del ruidoes el valor del ruido
Nos gustarNos gustara que el ruido este dentro del a que el
ruido este dentro del LSB, y para que esto LSB, y para que esto sea
verdad, el nsea verdad, el nmero de bits es:mero de bits es:
+-
N>= N>= loglog 22 VVMAXMAXVVRuidoRuido
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Escogiendo un convertidor A/D
La otra manera de escoger el nLa otra manera de escoger el nmero
de bits de un ADC, es mero de bits de un ADC, es basada en la
resolucibasada en la resolucin requerida en la sen requerida en la
seal .al .
AquAqu , V, VMINMIN es la resolucies la resolucin requerida , y
determina el n requerida , y determina el nnmero de bits mero de
bits
N>= N>= loglog 22 VVMAXMAXVVMINMIN
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CARACTERSTICAS MS IMPORTANTES DEL ADC0804
ResoluciResolucin De 8 Bitsn De 8 Bits Habilidad De
ConexiHabilidad De Conexin Directa Al Bus Del n Directa Al Bus
Del
MicroprocesadorMicroprocesador Tiempo De ConversiTiempo De
Conversin
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Diagrama de bloques de un convertidor A/D de aproximaciones
sucesivas tpico como un circuito integrado
SALIDA DIGITAL
LSB
DATA READY O BUSY
+ -
Un pulso en START inicia el proceso de conversiUn pulso en START
inicia el proceso de conversin y deshabilita el buffer n y
deshabilita el buffer tritri--state de salida. Al final del periodo
de conversistate de salida. Al final del periodo de conversin. Se
activa la salida n. Se activa la salida DATA READY y la salida
digital queda disponible en el buffer de DATA READY y la salida
digital queda disponible en el buffer de salida. salida.
Registro de Aproximaciones
SucesivasSAR
Registro de Aproximaciones
SucesivasSAR
Convertidor D/AConvertidor D/A
ClockClock
RefRef
MSB
Comparador
Entrada Analgica MSB
LSB
Start
Buffertri-stateBuffer
tri-state
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Par utilizar un ADC con un microprocesador, Par utilizar un ADC
con un microprocesador, ste debe realizar lo ste debe realizar lo
siguiente:siguiente:
1.1.--Enviar un pulso a la terminal Enviar un pulso a la
terminal START.EstaSTART.Esta puede ser puede ser derivada de una
sederivada de una seal de control tal como la al de control tal
como la writewrite (WR).(WR).
2.2.-- Esperar hasta el final de la conversiEsperar hasta el
final de la conversin. El final del periodo n. El final del periodo
de converside conversin puede ser verificado ya sea n puede ser
verificado ya sea checandochecando el el status (status
(pollingpolling) o usando interrupciones.) o usando
interrupciones.
3.3.--Leer la seLeer la seal digital por un puerto de entradaal
digital por un puerto de entrada
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CONEXIN DEL ADC0804 CON EL MICROPROCESADOR
Entrada Diferencial
PROCESADORPROCESADOR
CS
RD
WR
INTR
DB7
DB0
1
2
3
11
5
18 DGND
AGND
Vref/2
Vin(+)
Vin(-)
CLK IN
CLK R
V+
10K
150 pF
10
9
8
7
6
4
19
20BUSES DEL SISTEMABUSES DEL SISTEMA
El ADC0804 de El ADC0804 de NationalNational Semiconductor tiene
implementadas todas las Semiconductor tiene implementadas todas las
seseales de control necesarias para conectarse a un
microprocesadorales de control necesarias para conectarse a un
microprocesador
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Inicio de la conversin
Una conversiUna conversin inicia activando las sen inicia
activando las seales CS y WR. Y al final de la conversiales CS y
WR. Y al final de la conversin, el n, el convertidor genera una
seconvertidor genera una seal INTR ( similar al DATA READY). Esta
seal INTR ( similar al DATA READY). Esta seal puede usarse al puede
usarse para interrumpir al procesador indicpara interrumpir al
procesador indicndole que el byte de dato estndole que el byte de
dato est listo y que ya puede listo y que ya puede ser leser ledo.
do.
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Habilitacin de la salida y reset de INTR
El procesador lee el byte activando la seEl procesador lee el
byte activando la seal RD y puede iniciar con la siguiente al RD y
puede iniciar con la siguiente conversiconversin si fuera
necesaria.n si fuera necesaria.
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ADC0804ADC0804
Entradas analgicas del ADC0804
(b) para detectar una entrada con un desvo respecto a tierra
+
-
Vin (+)
Vin (-)
Entrada analgica
(a) para detectar una entrada de 0 a+5 volts.
ADC0804ADC0804
+
-
Vin (+)
Vin (-)
Entrada analgica
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Generacin de la seal de relojEl ADC0804 requiere un reloj para
funcionar. El reloj puede ser externo, conectado a la terminal CLK
IN o puede ser generado por un circuito RC.El rango de frecuencias
del reloj permisibles est entre 100KHz y 1460 KHZ. Para que el
tiempo de conversin sea menor es conveniente usar la frecuencia ms
alta posibleSi el reloj se genera con un circuito RC, se utilizan
las terminales CLK IN y CLK R conectadas con un circuito RC, como
se muestra en la figura. La frecuencia del reloj se calcula
con:
F= 11.1 RC CLK R
CLK IN
C
R
ADC0804ADC0804ADC0804ADC0804
CLK INosciladoroscilador
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ADC0804 ADC0804
D0-D7
Bus de datosBus de datos
LM35 LM35
74LS13874LS138
CS
RD
WR
Z80
IORQ
WR
RD
IOWR
IORD
88h~8Fh
Con cualquiera de estas direcciones se activa el
ADC
Con cualquiera de estas direcciones se activa el
ADC
INTR
INT
y0y1y2
D0-D7
10K
150 pF
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CONEXIN DEL ADC0804 CON EL MICROPROCESADOR Z-80
-
-+5V
IOWR
A7
ADC0804
1817161514131211
1
235
8
6
7
19
4
9
20
10
DB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7
CS
RDWRINTR
AGND
VI+
VI-
CLKR
CLK
VREF
VCC
GND
SENSOR DE TEMPERATURALM35 PARA GRADOS CENTGRADOS ( 10 mV/C)
CONENCAPSULADO TO-92
INT
APLICACIN DEL ADC0804 EN UN MEDIDOR DETEMPERATURA
+Vs
+5v
10k
74LS138
123
645
15141312111097
ABC
G1G2AG2B
Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7
GND
BUS DE DIRECCIONES
Vout
+5v
88H-8FH
75 ohms
1K
BUS DE DATOS
Ntese que, ya que el ADC solo tiene un registro,no se requuiere
ninguna lnea del bus dedirecciones para seleccin de registros, por
lo tantono importa con que direccin se habilite su CS.
10uF
Visto deabajo
A2
16K
1 uF
f=1/1.1RC
A3A4
+
150pf
2K
IORD
A5A6
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Interfase de un ADC0804 al Z80 para sensar temperatura y
desplegarla en el LCD
ADC0804 ADC0804
Temperatura : 24 CPuerto A
PC5
PC7
RS E R/ W
D0-D7
Bus de datosBus de datos
LM35 LM35
74LS13874LS138
Implementado en prcticas anteriores
CS
RDWR
Z80
IORQ
WR
RD
IOWR
IORD
IOWR
IORD
88h~8Fh
Con cualquiera de estas direcciones se activa el
ADC
Con cualquiera de estas direcciones se activa el
ADC
LCD
INT
INTR
INT
PPI
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