Principios de análisis instrumental

78 Capítulo 4 Electrónica digital y computadoras <« 4C.6 Convertidores de señales digitales en analógicas A menudo, las señales digitales se transforman en sus equivalen– tes analógicos para controlar instrumentos, representar resultados en pantallas, como en los medidores y osciloscopios; o bien, como parte de los convertidores de señales analógicas en digitales. En la figura 4.6 se ilustra un convertidor digital en analógico (DAC, por sus siglas en inglés) y el principio de una de las maneras comunes de lograr esta conversión, la cual se basa en una red de escaleras de resistores ponderados. Observe que el circuito es similar al circuito sumador que se ilustra en la figura 3.16b, con cuatro resistores pon– derados en la relación 8:4:2:1. De acuerdo con el análisis de los cir– cuitos suma, se puede demostrar que la salida v 0 Ac está dada por VoAC = -V,er (_Q + ~ + ~ + ~) 1 2 4 8 (4.1) donde V,er es el voltaje del estado lógico 1, y D, C, By A designan los estados lógicos (O o 1) para un número binario de 4 bits, donde A es el bit menos significativo y D el más significativo. Si A está en estado lógico 1, el interruptor A está cerrado, si B está en estado lógico 1, el interruptor B está cerrado y así sucesivamente. En la tabla 4.3 se enlista la salida analógica de acuerdo con la escala de resistores ponderados que se muestra en la figura 4.6, cuando V,er es de 5 V y varias combinaciones de interruptores están cerradas. La resolución de un convertidor de señales digitales enana– lógicas depende de la cantidad de bits de entrada que pueda aco– modar. La resolución de un dispositivo de n bit es de una parte en 2". Por consiguiente, un convertidor de señales digitales enana– lógicas de 1 O bits tiene un voltaje de salida de 2 10 , es decir 1024, y A 40R SR v'"'{l 20R iOR "DAC SR FIGURA 4.6 Convertidor de señales digitales en analógicas de 4 bits . En este caso, A, 8, C y D son + 5 Vpara el estado lógico 1 y OVpara el estado lógico O. TABLA 4.3 Salida analógica del convertidor de señales digitales en analógicas de la figura 4.6 :··~úmero binari~ E~ui~ai~~t~ · ·, I~ten;úptor(es) -· < ' . DCBA . · ~- . · deci~al · ... cérrado(s) · VoAe> V ... .h.~:--"'-~·~--~·,.,~---·~-~--·''. --- 0000 0001 0010 0011 0100 0101 o 2 3 4 5 Ninguno A B AyB e AyC ~ Simulación: Aprenda más acerca de DAC en _E.!:r..l __ www.tinyurl.com/skoogpia * ' Este material se encuentra disponible en inglés. 0.0 -1.0 -2.0 -3.0 -4.0 -5.0 por tanto, su resolución es de una parte en 1024; la resolución de un convertidor de 12 bits es de una parte en 4096.0bserve que al tratar los convertidores de señales digitales en analógicas (DAC) y los convertidores de señales analógicas en digitales (ADC) se usa la letra n para representar la cantidad de bits de resolución del dis– positivo y N para representar la salida digital. 4C.7 Convertidores de señales analógicas en digitales La salida de la mayor parte de los transductores que se utilizan en los instrumentos analíticos es una señal analógica. Para darse cuenta de las ventajas de la electrónica digital y del manejo de los datos mediante una computadora, es necesario pasar la señal analógica del dominio analógico al dominio digital. En la figura 4.1 se ilustra el proceso de digitalización. Se aplican numerosos métodos para esta clase de conversiones. Dos tipos comunes de ADC se describen en esta sección: el convertidor en escalera y el de aproximación sucesiva. ADC en escalera En la figura 4.7 se ilustra un esquema simplificado de un disposi– tivo para transformar un voltaje analógico desconocido V; en un número digital N. En este caso se usa un contador binario de n bits, controlado mediante una señal proveniente de un reloj de cuarzo, para activar un convertidor de señales digitales en ana– lógicas (DAC) de n bits, similar al que se describe en la sección anterior. La salida del DAC es la salida de voltaje en escalera VoAc que se observa en la parte inferior de la figura . Cada paso de esta señal corresponde a un incremento de voltaje, como de 1 m V. La salida del DAC se compara con la entrada desconocida V; mediante el comparador. Cuando los dos voltajes se vuelven idénticos den– tro de la resolución del DAC, el comparador cambia de estado de HI a LO, lo cual detiene a su vez el contador. Entonces, el conteo N corresponde al voltaje de entrada en unidades de milivolt. Al cerrar el conmutador reiniciador se restaura el contador en cero como preparación para la conversión de un nuevo voltaje, que ini– cia al abrir el conmutador reiniciador. El voltaje de entrada V; se debe mantener constante durante el proceso de conversión con el fin de asegurar que la salida digital corresponda al voltaje deseado. Cuanto más alta es la resolución del DAC, con más preci– sión representará el número a v¡. Este tipo de convertidor ilus– tra con claridad el proceso de medición. La salida del DAC de señales digitales es una referencia estándar que se compara con v; mediante el detector diferencial (el comparador). El tiempo de conversión es te=·NtP, donde N es la salida del contador, que varía con V¡, y tP es el periodo del reloj. Este tiempo de conversión es ventajoso si se sabe que V; es relativamente pequeño la mayor parte del tiempo. Si V; es grande la mayor parte del tiempo, enton– ces te será mayor en proporción. Este tipo de ADC se utiliza con frecuencia en la espectroscopia nuclear y los campos relacionados en los cuales se detectan señales de fondo de baja intensidad. La frecuencia del oscilador puede ser hasta de 100 MHz cuando se usan contadores de alta velocidad, convertidores de señales digi– tales en analógicas y comparadores. [§) Simulación: Aprenda más acerca de ADC en -~-- www.tinyurl.com/skoogpia* *Este material se encuentra disponible en inglés.