Informe Final Lab Electronica 3 Convertidores DAC

IUPSM Puerto Ordaz Jueves 13 de noviembre de 2014 Escuela de Ingeniería Electrónica Código 44 Laboratorio de Electrónica 3

Informe de Convertidores Digital-Analógico

Profesora: Milianghelys del Jesús Rondón Meza

Alumnos: TSU. Asdrubal J. Fuentes M. CIV12.665.283 Br. Pedro Ascanio CIV24.504.936

Introducción Los sistemas electrónicos de la actualidad tienden a digitalizar nuestro mundo logrando que nuestras sensaciones lleguen al mundo virtual cada vez con mayor exactitud a lo que se llama la realidad aumentada. Sin embargo para llegar a esta hazaña los investigadores e ingenieros electrónicos tuvieron que pasar por una serie de ensayos para poder primero captar dichas sensaciones o convertirlas en señales adquiribles eléctricamente, lo que se conoce como transducción y por otro lado captarlas y llevarlas al mundo digital mediante convertidores. El proceso de adquisición primario Realidad-Virtualización se conoce como conversión AnálogoDigital y el proceso inverso se conoce como conversión digital analógico, lo cual sería traducir la respuesta del sistema digital por completo para llevarla al mundo real. Ejemplos en la vida real existen muchísimos, por ejemplo típico tenemos el amplificador clase D o PWM, la señal de audio que varía en magnitud presión se lleva a señal eléctrica mediante un transductor piezoeléctrico, dinámico o capacitivo; posteriormente esa señal que por lo general es muy débil se amplifica hasta los niveles mas aceptables y luego es convertida a digital mediante un modulador PWM que en realidad es una forma de conversión análoga a digital luego dichas señales PWM son llevadas a etapas SWITCHING o conmutadas para excitar a transistores MOSFET y finalmente sucede el proceso inverso, se convierte la señal switchada a su correspondiente analógico y es enviada a un transductor corriente presión que es una corneta o altavoz. Lo que acabamos de describir existe en la mayoría de los amplificadores de audio profesionales existentes de la actualidad y cada vez son mas exactos y su sonido refinado y agradable. Lo que queremos enfatizar aquí son los métodos de conversión y en lo que corresponde con este informe se ahondará en la técnica final de conversión digital a analógica que de hecho fue la experiencia que fue llevada a cabo en laboratorio.

Conversor Digital-Analógico R2R Esta técnica consiste en armar una red de resistencias en configuración pi en cascada, a la que sus puntos de entrada representa los niveles discretos 0 o 1 (abierto cerrado, todo-nada, on-off), en fin valores binarios que pueden ingresar y cuya salida es una representación proporcional al voltaje de referencia seleccionado. En nuestra práctica y en el binomio de laboratorio de este informe nuestro valor de referencia siempre fue el de +5Vdc. La resistencia R se seleccionó de 10K y por supuesto la de 2R 20K, la salida de la red R2R es conectada a un amplificador en configuración seguidor de voltaje o buffer seguidor como se muestra en la imagen, se aprecia un sistema CDA de 8 entradas conectado a un generador de palabras

Montaje:

En el montaje de laboratorio al generador de palabras se le sustituyó por cables de conexión que podrían cambiarse entre 0V y 5V, los resultados en la salida del amplificador operacional son muy similares con la excepción de ciertos errores que se explicarán en el análisis.

Resultados: En la simulación con un conteo de 0 a 255 en binario el resultado es el siguiente:

El contador estaba calibrado a una frecuencia de conteo de 50Hz lo que hacía que se contara a una velocidad de 50bps completando su máximo conteo en 5,1 segundos, el tamaño de cada escalón es de 5v/256=19,53mV, escalón que se da con cada incremento unitario del conteo.

La ecuación en la práctica es la siguiente: Vo= 5V(Palabra Binaria+1)/256 En nuestro caso probamos con las palabras 56h, 25h y FA Los resultados prácticos leídos con un Fluke 87V fueron: 1.68V, 0.73V y 4,88V respectivamente. De acuerdo a la ecuación anterior los voltajes debieron ser 1.699V, 0.742V y 4.902V sin embargo existe una diferencia o error entre ellos.

Análisis El error siempre es de (1.699-1.68)=0.019V, 0.012V y 0.022 respectivamente con un promedio de 17,6mV de error y una taza de un bit de error aproximadamente lo que brinda una incertidumbre de 0,4% de error de escala lo cual es un bit de error. ¿A qué se debe la discrepancia aunque ligera respecto de la ecuación de transferencia del circuito? La principal razón es que ninguno de los componentes es de alta precisión, las resistencias en su mayoría son de 10% de tolerancia lo cual implica que hay variaciones de valores, otro caso es el voltaje de offset del LM324 el cual puede afectar el mínimo de voltaje y como el error es constante podría constatarse llevando el contador a cero y leer cuál es su valor mínimo para restarlo o sumarlo a la medición final. Otra razón puede estar en los cables utilizados como conmutadores, los cuales pueden introducir pequeñas resistencias a las resistencias de la red R2R y agregar efectos no deseados al error.

Conclusión Para mejorar el rendimiento del circuito se deben usar resistencias menores a 5% de tolerancia y seleccionándolas con valores iguales con la ayuda de un ohmímetro de clase menor a 1%, otra es probar un amplificador operacional de instrumentación o de alta precisión de bajo offset o los OPAMP con corrección o compensación de Offset como el LM741, pero para ello el integrado deberá alimentarse con fuente bipolar. Si se utiliza un circuito de lógica TTL se debe tomar en consideración los voltajes de VoH y VoL los cuales no son exactamente 5V y 0V para esto es mejor la lógica CMOS.

DAC con resistencias ponderadas En este tipo de convertidor DAC la conversión se efectúa en una red de resistencias configuradas por ponderación de la entrada a la cual se aplica el voltaje de referencia. La salida es la sumatoria de voltajes ponderados de referencia e ingresa a un amplificador operacional en modo seguidor de voltaje o buffer seguidor (nuestra experiencia) de esta experiencia se obtuvo la siguiente función de transferencia: Vo=Vref(VB3/2 + VB2/4 + VB1/8 + VB0/16) para el caso de un DAC de 4 bit. Nuestro caso resulta en algo diferente al montaje teórico: Es un montaje para fuentes unipolares y cuya ganancia en lazo abierto es unitaria. De manera que es simple y no se agrega ninguna otra fuente de ruido o error.

Montaje:

Como puede apreciarse en el montaje el Bit menos significativo lleva una resistencia que es 1/8 de veces menor que la del mas significativo, la relación de esta hace que si se ingresa por ejemplo el número binario 1000 el resultado sería Vo=5V(1/2 + 0 + 0 + 0)=2,5V, lo cual 1000 representa al número 8 que es la mitad de 16 (número máximo de una palabra de 4 bit), probemos ahora con el número binario 0111, el resultado de la función de transferencia sería Vo=5V(0 + ¼ +1/8 +1/16)=2,19V. La resolución de este convertidor depende de la cantidad de bit que maneje por eso el voltaje de referencia se divide en el máximo número posible de combinaciones obtenidas con 4 bit es decir P=5V/16=0,312V, si hacemos la diferencia entre dos números por ejemplo la conversión entre el nro 1000b y el 0111b (un bit) es de 2,5V-2,19V=0,31 V lo cual es la precisión es decir es el mínimo cambio que se puede obtener por cada bit de incremento o decremento en nuestro convertidor.

Resultados: En simulación se obtuvo el siguiente resultado para una palabra de 4 bit en modo contador a una velocidad de 5bps, con un ciclo de conteo de 3 segundos la palabra completa, se pueden apreciar los voltajes escalonados de 0,31V, 5V el máximo y 0V el mínimo:

En la experiencia de laboratorio el circuito armado fue el mismo que en el diagrama anterior pero utilizando los cables selectores de voltaje discreto en cada canal que representan los bits del cuarteto o nibble el circuito fue probado con las siguientes palabras de 4 bits: 0010, 0101, 1001 y 1011. Los valores teóricos para esas combinaciones son: 0.625V, 1.563V, 2.813V, 3.438V y los obtenidos son: 0.62V, 1.57V, 2.81V, 3.44V.

Análisis Los errores obtenidos fueron casi imperceptibles y no son de importancia debido a la apreciación del instrumento utilizado. El error absoluto de conversión es (0.05+0.06+0.03+0.02)/4=0.035 lo cual es un 3.5% por cada medida, la resolución es de 0,31V para 5V de referencia. Y el error es del 11.3% sobre la resolución del convertidor.

Conclusión El análisis anterior arroja un resultado abrumador, la configuración representa una ventaja respecto al montaje anterior que está sujeto a las condiciones de las resistencias, aunque este también posee los mismos inconvenientes se puede notar que mejora notablemente el error de conversión y muy a pesar de ser de menos cantidad de bits.

Anexos: Simulación del Circuito de Resistencias ponderadas (Circuit Wizard V1.15)

Simulación del Circuito de red R2R (Circuit Wizard V1.15)