Convertidor de senyal digital a analògic

De Viquipèdia
Salta a la navegació Salta a la cerca
Figura 1 - Representació en el diagrama temporal d'un senyal analògic. S'observa que, l'ordenada de la funció pot adquirir qualsevol valor i, entre 2 punts, n'existeixen infinits. 

El convertidor de senyal digital a analògic és un dispositiu per convertir un codi digital (generalment binari, compost de zeros i uns) a un senyal analògic (com el corrent, el voltatge o la càrrega elèctrica). Hi ha diferents components que poden intervenir en aquest procés, com interruptors simples, xarxa de resistors, fonts actuals o condensadors. Un convertidor de senyal analògic a digital (ADC) realitza l'operació inversa.[1]

Característiques bàsiques[modifica]

Els principals paràmetres que defineixen un convertidor digital analògic són:

  • La seva resolució, que depèn del nombre de bits d'entrada del convertidor.
  • La possibilitat de conversió unipolar o bipolar.
  • El codi utilitzat en la informació d'entrada. Generalment, els convertidors digitals-analògics operen amb el codi binari natural o amb el decimal codificat en binari (BCD).
  • El temps de conversió. És el temps que es necessita per efectuar el màxim canvi de la seva tensió amb un error mínim en la seva resolució.
  • La seva tensió de referència. Pot ser interna o externa (si és externa pot variar dins d'uns certs marges). La tensió de sortida vindrà donadaper aquest factor anterior, construint-se aquest a través d'un convertidor multiplicador. Així mateix, haurà de tenir-se en compte la tensió d'alimentació, el marge de temperatura i la seva tecnologia interna. 

Utilitats[modifica]

La majoria dels senyals d'àudio moderns s'emmagatzemen de forma digital (per exemple:, MP3s i CDs) i per poder ser escoltats a través d'altaveus han de ser convertits en analògics. Els lectors de CD, els reproductors digitals de música, i les targetes de so dels PC contenen un dispostiu d'aquest tipus de forma interna. 

L'ús d'un DAC independent (en aquest nombre de CEC s'analitza un d'ells), també es pot trobar com un xassís separat en sistemes d'alta fidelitat. Aquests DAC separats prenen la sortida digital d'un lector de CD (o del transport dedicat) i converteixen el senyal per enviar-la a l'amplificador. Alguns d'ells poden connectar-se a ordinadors personals usant una interfície de l'USB.

Especificacions d'un DAC[modifica]

Existeix una àmplia varietat de DAC com a circuits integrats o bé com a paquets encapsulats. Cal conèixer les especificacions més importants dels fabricants a fi d'avaluar un DAC en una determinada aplicació:

  • Resolució: La resolució percentual d'un DAC depèn únicament del nombre de bits. Per aquesta raó, en les fitxes tècniques es detalla d'aquesta manera. Un DAC de 10 bits té una resolució més sensible (major exactitud) que un de 8 bits. Aquesta dada és extrapolable a les especificacions de lectors de CD o equips integrats.
  • Precisió: Els fabricants de DAC tenen diverses maneres d'establir la precisió o exactitud. A les dues més comunes se les coneix com a error d'escala completa i error de linealitat (o a vegades, directament linealitat), que normalment s'expressen com un percentatge de la sortida d'escala completa del convertidor (%FS). L'error d'escala completa és la màxima desviació de la sortida del DAC del seu valor estimat (teòric). L'error de linealitat és la desviació màxima en la grandària d'etapa del teòric. Alguns dels DAC menys econòmics tenen errors d'escala completa i de linealidad en l'interval 0.01 % - 0.1 %.
  • Temps de resposta: La velocitat d'operació d'un DAC s'explica com a temps de resposta, que és el període que es requereix perquè la sortida passi de zero a escala completa quan l'entrada binària canvia de tots els zeros a tots els uns. Els valors comuns del temps de resposta variaran de 50 ns a 10 ms. En general, els DAC amb sortida de corrent tindran temps de resposta més breus que aquells amb una de voltatge. 
  • Voltatge de balanç: En teoria, la sortida d'un DAC serà de zero volts (V) quan en l'entrada binària siguin tot zeros. En la pràctica, hi haurà un voltatge de sortida petit produït per l'error de balanç de l'amplificador del DAC. Aquest desplaçament és comunament 0.05 % FS. Gairebé tots els DAC amb voltatge tindran una capacitat d'ajust de balanç extern que permetrà eliminar el desequilibri.

Si bé les indicacions dels fabricants freqüentment no s'ajusten a la realitat, almenys ja se sap per a què serveix i com funciona un convertidor digital analògic. L'objectiu, com sempre es fa en CEC, és que el lector tingui el seu propi criteri per afrontar la cerca o compra d'un DAC. 

Aplicacions[modifica]

Els DAC s'utilitzen sempre que la sortida d'un circuit digital ha d'oferir un voltatge o corrent analògics per impulsar o activar un dispositiu del mateix format. Algunes de les aplicacions més comunes es descriuen a continuació:

  • Control: La sortida digital d'una computadora pot convertir-se en un senyal de control analògica per ajustar la velocitat d'un motor o per controlar gairebé qualsevol variable física.
  • Anàlisi automàtica: Els ordinadors personals poden ser programats per generar els senyals analògics (a través d'un DAC) que es necessiten per analitzar circuits analògics. La resposta de sortida analògica del circuit de prova normalment es convertirà en valor digital per un ADC.
  • Control d'amplitud digital: Un DAC multiplicatiu es pot utilitzar per ajustar digitalment l'amplitud d'un senyal analògic. Cal recordar que aquest genera una sortida que és el producte d'un voltatge de referència i l'entrada binària. Si aquest voltatge és un senyal que varia amb el temps, la sortida del DAC seguirà aquest senyal, però amb una amplitud determinada pel codi d'entrada binari. Una utilització normal d'aquesta aplicació és el “control de volum” digital, on la sortida d'un circuit o computadora digital pot ajustar l'amplitud d'un senyal d'àudio.
  • Convertidors A/D: Diversos tipus de convertidors A/D utilitzen uns DAC que són part dels seus circuits.

Un convertidor de senyal digital a analògic o convertidor digital-analògic, CDA o DAC ( de l'anglès digital to analogue converter) és un dispositiu per convertir senyals digitals amb dades binàries en senyals de corrent o de tensió analògica.Els senyals en la naturalesa tenen les característiques de ser continus en la seva magnitud i en el diagrama temporal. La digitalització és necessària per al processament, emmagatzematge i filtrat de senyals analògics amb els beneficis que els senyals digitals comporten, com a major immunitat al soroll, circuits electrònics més simples per al processament i emmagatzematge. És, doncs, una representació unívoca dels elements, la quantitat de símbols dels quals és proporcional a , sent n la quantitat de bits.

Implementació[modifica]

La forma d'implementar un DAC és mitjançant xarxes resistives, ja sigui xarxa escala o xarxa R-2R.

Mètode dels corrents ponderats[modifica]

Figura 2 - Convertidor digital-analògic (DAC) - mètode de corrents ponderats.

Cada clau ɗ simbolitza un commutador, el qual pot ser implementat per transistors JFET i en la comporta dels quals està relacionada elèctricament amb la sortida d'un bit d'un circuit digital, sent MSB el bit amb major pes ponderat i LSB el bit amb menor pes de ponderació. Mentre major és la ponderació del bit, major és el corrent que circula per la branca. Aquestes concorren en un únic node i segons la llei de corrent de Kirchhoff, la suma d'aquestes convergeixen en l'entrada no inversora, de manera que la tensió de sortida és:

On

L'inconvenient principal és que es requereix un rang de valors de resistència i una precisió molt grans, difícilment obtenibles en la pràctica. Per exemple, per a n = 10 l'error en la resistència 2R ha de ser < 1/211 ≅ 0,05 % per assegurar que l'error total sigui menor que ½ salt d'1 LSB. Si en aquestes condicions fos 2R = 100 kΩ, llavors 2nR = 51,2 MΩ. Un valor menor per a 2R redundaria en errors inadmissibles deguts a la resistència Ron de les claus analògiques, que ronda els 100 Ω.

Xarxes escala[modifica]

Figura 3 - Xarxa-escala

Les xarxes escala permeten reduir el rang de valors de les resistències. En la figura 5 es mostra un exemple, encara que no s'aprofundirà en aquest tipus de circuits, ja que en l'actualitat estan superats per les xarxes R-2R.

Xarxes R-2R[modifica]

Figura 4 - Xarxa R-2R

Una xarxa resistiva, com la indicada en la figura 4, té la particularitat que sigui quin sigui el nombre de seccions, la resistència vista (excepte al final) és R. Aquest circuit pot usar-se per obtenir un convertidor digital analògic molt eficient.

Una implementació de la xarxa R-2R en corrent és com es mostra en la figura 5. La massa virtual en l'entrada inversora de l'amplificador operacional garanteix que la propietat de la xarxa R-2R es compleixi.

Que el règim sigui igual al de la xarxa escala original ho garanteix el fet que malgrat la clau estigui en una o una altra posició, el terminal de baix de cada resistència està a un potencial 0 (ja sigui massa real o virtual). Atès que el corrent subministrat pel potencial de referència és i = Vref / R, la forma en què es reparteixen aquests corrents permet concloure que,

figura 5 - Implementació R-2R en forma de corrent

sent l'equació corresponent la implementació del mètode dels corrents ponderats, també és possible implementar el convertidor R-2R en forma de tensió. L'anàlisi de l'operació d'aquest circuit es realitza per superposició, obtenint a la sortida:

*figura 6 - Conversor R-2R en mode tensió

Temps d'establiment[modifica]

És el màxim temps transcorregut després d'un canvi de codi d'entrada arbitrari per aconseguir el valor analògic corresponent a un error de com a màxim ± 0,5 LSB. El temps d'establiment d'un convertidor DAC té dos components: un a causa del comportament dinàmic lineal i un altre a causa del Slew-Rate de l'amplificador operacional (fenomen no lineal). El primer es deu a les capacitats paràsites en paral·lel amb les claus electròniques, que fan que la commutació entre un codi d'entrada i un altre no sigui instantània. Les seves característiques són similars a les de qualsevol transitori, amb una aproximació exponencial al valor final. El component degut al slew-rate de l'amplificador es caracteritza per un creixement lineal amb pendent fix, per la qual cosa com més gran sigui l'amplitud del salt (per exemple un canvi en l'entrada de 00...0 a 11...1) major serà el temps de creixement. En general predomina l'efecte del slew-rate, tret que s'usin amplificadors d'alta velocitat.

Sobrepic i glitch[modifica]

El sobrepic és el resultat d'una resposta subamortiguada en l'amplificador. El glitch és un efecte similar al que en lògica es denomina “aleatori”, que consisteix que les claus no commuten instantàniament ni simultàniament. Així, en un DAC de 8 bits, en passar del codi 127 al 128 en l'entrada, podria haver-hi un moment en què totes les claus condueixen (és a dir que s'encengui la que correspongui al MSB abans d'apagar-se les restants), o viceversa. El resultat és un pic de corrent curt (d'un o un altre signe) però de gran amplitud. Aquest pic podria atenuar-se a causa del slew-rate de l'amplificador de sortida.

Vegeu també[modifica]

Referències[modifica]

  1. CEC, Revista «Convertidor Digital Analógico (DAC)» (en es-es). Revista CEC.