Principios de análisis instrumental

~io Analógico Enlrada analógica ))) 4C Circuitos digitales básicos 79 V¡ V¡ ---------~ 1 1 1 1 1 1 1 OL__L____ __L__ _ Inicio! Cuenta 1 Paro FIGURA 4.7 Convertidor en escalera de señales analógicas en digitales (ADC). La operación del ADC en escalera tiene la capacidad de ser continua si se reemplaza el contador por un contador/desconta– dor controlado por el comparador. Si v¡ se incrementa, la salida del comparador es HI y el contador cuenta, pero si V¡ disminuye, el contador descuenta. Cuando la salida del convertidor de seña– les digitales en analógicas cruza V¡, el contador alterna entre N y N- 1, un intervalo que está dentro de ::+::: t LSB de v¡. Este tipo de ADC funciona en forma aceptable solo cuando V¡ varía len– tamente en relación con el tiempo de conversión o cuando es importante una lectura continua. ADC de aproximación sucesiva Para entender cómo trabaja un convertidor de señales analógicas en digitales de aproximación sucesiva, reflexione sobre la cuestión siguiente: ¿cuál es la cantidad mínima de ensayos para determi– nar con certeza, un número N que esté entre O y 15? Suponga que después de cada intento se le dice si su número es mayor o menor. La respuesta es que no se necesitan más de cuatro intentos. Para ilustrarlo, suponga que 10 es el número objetivo. Primero divida el intervalo a la mitad y conjeture que el número desconocido es 7. El número 7 es menor que 10, de modo que la mitad superior del intervalo 1-7 se parte a la mitad y se suma a 7 para obtener un segundo número para intentarlo, N= 7 + 4 = 11 . Este número es mayor, de modo que se desecha el 4 y la mitad de 4 se suma a 7, con lo que se tiene N= 9, que es menor. Para terminar, la mitad de 2 se suma a 9 y así se obtiene el valor objetivo N= 10. Las reglas para las aproximaciones sucesivas son las siguientes: 1. Empezar con una conjetura de una mitad del intervalo completo. 2. Si es demasiado grande, desechar la conjetura. 3. Si es demasiado pequeño, conservarlo. 4. Sumar la mitad del incremento anterior. 5. Repetir los pasos 2 a 4 hasta finalizar. Observe que para determinar un número en el intervalo de O a 2" - 1 se requieren n conjeturas. Por ejemplo, se necesitan hacer 12 suposiciones para determinar con certeza un número entre O y 4095. El ADC de aproximación sucesiva aplica exactamente la misma lógica para llegar a un número binario o decimal codifi– cado en binario (DCB) para representar un voltaje desconocido V¡, como se ilustra en la figura 4.8a. En este caso, el convertidor de señales digitales en analógicas de 4 bits de la figura 4.6 se utiliza para ilustrar la manera en que se efectúa el proceso de aproxima– ción sucesiva. Suponga que V¡= 5.1 V y que todos los bits están inicialmente en O. El primer ciclo del oscilador fija el MSB = 2 3 en 1, lo que ocasiona que el voltaje DAC v 0 Ac cambie a 8 V, como se muestra en la figura 4.8b. A esto se le llama periodo de prueba y se designa con T en la figura. Puesto que v 0 Ac > V¡, el registro de aproximación sucesiva (SAR, por sus siglas en inglés) quita el 2 3 bit = 1 durante el periodo posterior, señalado P. El ciclo siguiente del oscilador ocasiona que el 2 2 bit se fije en el estado lógico 1 para dar v 0 Ac = 4 V. Como v 0 Ac < V¡, la. salida del com– parador va al estado lógico 1 (HI), lo cual resulta en que el SAR establece este bit en un estado lógico 1 durante el periodo poste– rior. El ciclo siguiente causa entonces que el bit 2 1 quede en 1, lo que da como resultado v 0 Ac = 6 V, que es mayor que V¡. La salida del comparador va a O, por lo tanto el SAR quita el bit 2 1 • Para finalizar, el registro de aproximación sucesiva fija 2° = 1, para dar v 0 Ac = 5 V, que es < v¡. Esto da como resultado que se conserve el bit 2° en el estado lógico l. El proceso se presenta en un esquema en la figura 4.8b. El número binario resultante, 0101, representa la tensión de entrada 5 V ::+::: 0.5 V. Observe que la resolución es ::+:::tLSB, que en este caso es ::+:::0.5 V. Con el fin de aumentar la resolución del convertidor de seña– les analógicas en digitales (ADC), se necesita un convertidor de señales digitales en analógicas (DAC) de la resolución requerida y correspondientemente el SAR deberá tener un número más grande de bits. Los más usados son los ADC de 12 bits con rangos de entrada de convertidores de señales analógicas en digitales con entradas de ::+:::5 V,± 10 V, o de O a 10 V. Éstos tienen un tiempo de conversión fijo, casi siempre de 2 a 8 flS para 12 bits. Los converti– dores de aproximación sucesiva de este tipo se usan ampliamente en la adquisición de datos temporizados mediante computadora.