SISTEMAS DE ADQUISICIУN DE DATOS CONVERTIDORES D/A Y A/D

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SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOSCONVERTIDORES
D/A Y A/D

• Ramón Ruiz Merino

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ÍNDICE

• Ventajas de las técnicas digitales
• Esquema general de un sistema de procesamiento de
  señales
• Muestreo y cuantización de señales
• Funciones previas a la conversión A/D
• Estructuras de conversión D/A y A/D
• Soluciones comerciales y criterios de selección

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VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
Sustitución de sistemas de procesamiento
analógicos por digitales razones
4
VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
5
VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
ESTABILIDAD Y REPETIBILIDAD
6
VENTAJAS DE LAS TÉCNICAS DIGITALES
PRESTACIONES

• Implementación más fácil de algoritmos
  adaptativos
• Códigos correctores de errores inclusión de
  redundancia
• Compresión sin pérdidas
• Filtros

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ESQUEMA GENERAL DE UN SISTEMA DE PROCESAMIENTO DE
SEÑALES
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
Cambio de naturaleza Señal analógica ??secuencia
valores numéricos ??señal analógica
SECUENCIA DE OPERACIONES
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
MUESTREO Transformación de una señal analógica en
una secuencia de muestras ? valores en instantes
discretos

• Tipos de muestreo
• Muestreo en tiempo real (ideal uniforme)
• Muestreo en tiempo equivalente

• Señales periódicas o de características
  repetitivas
• Las muestras se forman sobre sucesivos ciclos en
  diferentes instancias de la señal
• Anchos de banda superiores a la frecuencia de
  muestreo

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
MUESTREO POR TREN DE PULSOS DOMINIO DEL TIEMPO
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
MUESTREO TREN DE PULSOS DOMINIO FRECUENCIAL
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
MUESTREO TREN DE PULSOS DOMINIO FRECUENCIAL
2?m f Nyquist
13
MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
MUESTREO TREN DE PULSOS DOMINIO FRECUENCIAL
Error de reconstrucción de la señal muestreada
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
MUESTREO TREN DE IMPULSOS
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
ARMÓNICOS PUROS ALIAS
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO FILTROS ANTIALIASING
Condiciones de reconstrucción

• Señal limitada en banda
• fm lt 2 fs (fs10fm typ)

Filtros antialiasing
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
SEÑALES DE ESPECTRO EXTENSO FILTROS ANTIALIASING
EJEMPLO Señal DC - 100 Hz (-3dB) -12
dB/octava fmax200 Hz ADC 10 bits (60
dB) fs800Hz (4? fmax) Atenuación 600Hz
Butterworth de 4º orden, fc200Hz (-38dB_at_600Hz)
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
CUANTIZACIÓN Asignación a cada muestra de un
código binario

• Discretización del valor de las muestras
  definición de bandas
• Convertidor A/D
• Necesidad de mantener la muestra (SH)

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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
CUANTIZACIÓN

• Margen de entrada (M) diferencia entre el mayor
  y menor valor de la entrada analógica
• Intervalo de cuantización (q) diferencia entre
  mayor y menor valor asignados a un mismo código
  digital de salida
• Resolución (N) número de códigos del cuantizador
  Suele ser una potencia de dos N 2n (n bits)

Cuantización uniforme q M/2n
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
Error (ruido) de cuantización
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
Transferencia estática
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
Suma de un offset de ½ LSB
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MUESTREO Y CUANTIZACIÓN
CUANTIZACIÓN NO UNIFORME

• Error relativo grande para pequeñas entradas en
  esquemas uniformes
• Mantenimiento de la relación señal-ruido
• Variación de la cuantificación proporcional al
  nivel de entrada

(Pre-énfasis)
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REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO

• Calidad de los datos sistema adquisición de
  datos
• Relación señal-ruido (SNR) de entrada analógica
• Resolución de la cuantización

• SNR compatible con cuantización de n bits
• Ruido menor que mínima señal discernible
  (0.5/2n)
• Entrada sinusoidal escala completa

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REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO
Requisitos SNR de entrada mínimos en función del
número de bits (entradas fondo escala)
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REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO
Efecto del promediado sobre múltiples ciclos
RESOLUCIÓN Y RELACIÓN SEÑAL-RUIDO (SNR)
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REQUISITOS RELACIÓN SEÑAL-RUIDO
SNR intrínseco de la cuantización (SER)
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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN BASADO EN COMPUTADOR
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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
Configuraciones sistemas ADQ (1)
A. Time skew
B. Sin Time skew
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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
Configuraciones sistemas ADQ (2)
C. Alta velocidad (sigma-delta)
D. Sensores similares Velocidad baja
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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO

• TAREAS DEL SUBSISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO
• Escalado para ajustar la salida de los
  transductores al rango de entrada del conversor
  A/D
• Minimización del ruido
• Adaptación del espectro de frecuencias de la
  salida de los sensores para seleccionar bandas de
  información y facilitar la obtención de muestras
  digitales válidas

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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO FUNCIONES

• Amplificación señales procedentes de
  transductores de bajo nivel (termopar 7 a 40 ?V)
  ? ajuste rango de señal al de entrada de ADC para
  incrementar resolución y sensibilidad
• Aislamiento (óptico, capacitivo, transformador)
  diferencias en tierras (lazos de tierra), espigas
  alta tensión o señales modo común ? evita ruidos
  y daños a equipos
• Filtrado eliminación de ruidos HF, ruido de red
  yaliasing
• Excitación para transductores resistivos ?
  aplicación de corrientes o tensiones en
  estructuras de medida (puentes)
• Linealización dado que ciertos transductores
  (p.e. termopares) tienen una respuesta no lineal

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FUNCIONES PREVIAS A LA CONVERSIÓN A/D
ACONDICIONAMIENTO ANALÓGICO
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MULTIPLEXADO ANALÓGICO
Time Decimation MUX (TDM)
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MULTIPLEXADO ANALÓGICO
TIPOS DE INTERRUPTORES

• RELÉS
• Resistencia pequeña en ON y muy grande en OFF
• Tensiones de margen amplio (gt15V)
• Aislamiento galvánico control-acción
• Baja dependencia con T
• ESTADO SÓLIDO
• Durabilidad y robustez
• Bajo consumo y coste
• Tamaño reducido y sin rebotes
• Rápidos

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MUESTREO RETENCIÓN
Muestreo-retención frente a seguimiento-retención
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MUESTREO RETENCIÓN
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MUESTREO RETENCIÓN
Track-and-Hold Amplifier (THA)
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MUESTREO RETENCIÓN
Parámetros temporales THA
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CONVERTIDORES D/A

• CARACTERÍSTICAS
• Resolución número de bits de entrada
• Conversión unipolar o bipolar
• Codificación de la información digital
• Tiempo de conversión
• Tensión de referencia interna o externa
  (multiplicador)

• TIPOS
• Estructura multiplicadora (fuentes corriente o
  resistencias ponderadas)
• Redes de resistencias R-2R
• Generación de impulsos

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CONVERTIDORES D/A
Tiempos característicos convertidores D/A
Valores typ. (100ns,8bits) (1.2?s,12bits)
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CONVERTIDORES D/A
FUENTES DE CORRIENTE PONDERADAS
(Código binario natural)
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CONVERTIDORES D/A
RESISTENCIAS PONDERADAS
(Binario natural)
Sumador
Multiplicador (?Vref)

• VENTAJA
• Rapidez tiempos conversión (100ns,8bits)
• INCONVENIENTE
• Precisión en resistencias de valores muy
  distintos (lt8 bits)

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CONVERTIDORES D/A
RESISTENCIAS EN ESCALERA (R-2R)
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CONVERTIDORES D/A
GENERACIÓN DE IMPULSOS

• Método indirecto
• Disminución del número de resistencias calibradas
• Sobremuestreo incremento de resolución a costa
  del muestreo

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CONVERTIDORES D/A
GENERACIÓN DE IMPULSOS
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CONVERTIDORES D/A
GENERACIÓN DE IMPULSOS
Reconstrucción PWM
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CONVERTIDORES D/A
GENERADOR DE PATRONES PWM
(Integrador)
N ciclos ? 1 muestra
Condición no rizado ? filtro gtgt periodo conv. ?
Limitación dinámica severa
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CONVERTIDORES D/A
GENERADOR DE PATRONES PDM
(?1 bit DAC)
(Pseudoaleatorio)
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CONVERTIDORES D/A
DENSIDAD DE PULSOS (PDM)

• Conteo desordenado
• Probabilidad aparición pulsos X/N
• Mejora tiempo respuesta

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CONVERTIDORES D/A
ESQUEMAS PRÁCTICOS DITHERING
Dither señal pseudoaleatoria sumada
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CONVERTIDORES D/A
ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN

• Audio digital (CD) 16 bits a una fs de 44.1 kHz
• Necesidad de un reloj de 216 ? 44.1 ? 103 3 GHz
• Sobremuestreo sobre DAC de más de un bit
• Uso de interpolación ( pasa-baja)

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CONVERTIDORES D/A
ESQUEMAS DE INTERPOLACIÓN
Esquema de Philips interpolación bit stream
Primer filtro implementado para función de
antialiasing
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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

• CAUSAS
• Forma de hacer conversión
• Componentes
• Condiciones operativas

• Diferencia pendientes
• Compensación ajuste Vref
• Dependencia de T y Vcc

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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A
Error de offset

• Traslación vertical
• Dependencia de T, Vcc y tiempo

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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A
Error de monotonía(no linealidad diferencial)

• Incrementos (q) no constantes
• Aumento de un bit disminución salida (falta de
  monotonía)
• Más acusado DAC resistencias ponderadas

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ERRORES EN CONVERTIDORES D/A

• Falta de continuidad en determinados cambios
  salida
• Tiempo de paso a conducción de fuentes diferente

Error de transición
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CONVERTIDORES A/D

• CRITERIOS DE SELECCIÓN
• Velocidad de conversión
• Resolución (número de bits)
• Coste

• CLASES DE CONVERTIDORES A/D
• Conversión directa comparación tensión de
  referencia (flash)
• Métodos indirectos transformación a una variable
  intermedia (p.e. tiempo)
• Estructuras realimentadas
• Convertidores sigma-delta (oversampling)
• Estructuras pipeline

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CONVERTIDORES A/D
FLASH

• Escalera de comparadores
• Máxima velocidad (10-100MHz)
• Resolución limitada (número de resistencias) lt 8
  bits
• Resistencias precisas ajuste láser
• Aplicaciones osciloscopios, vídeo, radar, ...

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CONVERTIDORES A/D
FLASH
R, ... ,R
3R/2, R, ... ,R/2
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CONVERTIDORES A/D
RAMPA

• Método indirecto transformación de la entrada en
  variable intermedia ? tiempo
• Integración de tensión de referencia (rampa)
  hasta alcanzar tensión de entrada

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CONVERTIDORES A/D
DOBLE RAMPA

• Aumento precisión de convertidores de rampa
• Doble integración eliminación de errores por
  variaciones C y frec
• Primera integración a tiempo constante (Vx)
• Segunda integración a tensión fija (Vref)

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CONVERTIDORES A/D
DOBLE RAMPA

• Aplicaciones alta precisión, lentas (instrum.
  Digital)

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CONVERTIDORES A/D
APROXIMACIONES SUCESIVAS

• Estructura realimentada con D/A
• Registro de aproximaciones sucesivas varía 1 bit
  cada vez (MSB-LSB)
• Tiempo de conversión reducido respecto a rampa 1
  50 ?s
• Precisión de 8 a 12 bits
• Baratos, precisos y rápidos vs. problemas ante
  cambios abruptos

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CONVERTIDORES A/D
APROXIMACIONES SUCESIVAS
Registro de aproximaciones sucesivas
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA

• Concepto introducido en 1962, pero no
  implementado hasta VLSI
• Estructura predominantemente digital (90) ?
  integración en un solo chip con DSPs
• Buenas características de ruido y alta resolución
• Señales de ancho de banda moderado voz (4kHz a
  14 bits) y audio digital alta fidelidad (20-24kHz
  a 16-18 bits)
• Sobremuestreo y ADC de baja resolución

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
SOBREMUESTREO Y RUIDO

• Menores requerimientos en filtro antialiasing
• Reparto ruido de cuantización (blanco) en rango
  mayor de frecuencia

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
SOBREMUESTREO Y RUIDO

• Eliminación del ruido por filtro pasa-baja
  (incremento SNR) ?
• sub-muestreo manteniendo alto SNR (decimación)

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
SOBREMUESTREO Y RESOLUCIÓN
Si relación sobre-muestreo fS/2fB 2r
Cada fs ? 2 ? 3 dB mejora en SNR ? 0.5 bit mejor
resolución
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
SOBREMUESTREO Y RESOLUCIÓN
Ejemplo

• Sinusoide con amplitud V1 (potencia V 2/20.5)
• Ancho de banda de audio digital (fB20KHz)
• Resolución requerida 16 bits (audio digital) ?
  SNR 98 dB
• Uso de un conversor de 8 bits (N) sobremuestreado
• Si se calcula ?x2/?e2 de este N se puede despejar
  r ? fS

fS 2.64 GHz imposible para convertidores de 8
bits en la actualidad
Necesidad conversores menor resolución ? 1 bit
(Sigma-delta)
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN DELTA

• Codificación y cuantización de diferencia entre
  muestras sucesivas
• Integrador tecnología de condensadores
  conmutados
• Cuantizador de 1 bit comparador

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

• Salida señal modulada en densidad de pulsos
  (PDM)
• Realimentación fuerza salida a igualarse a
  entrada
• Promedio temporal salida del modulador ? entrada

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)
un señal de error vn señal a cuantizar
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN SIGMA-DELTA (1er ORDEN)

• Prestaciones de ruido dependientes de la
  frecuencia
• Filtro pasa-baja para la señal de entrada y
  pasa-alta para el ruido

Cada fs ? 2 ? 9 dB mejora en SNR ? 1.5 bit mejor
resolución
Ejemplo fs96.78 MHz
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
CONVERTIDOR A/D SIGMA-DELTA
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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN)

• En la práctica existen ciclos límite en el
  primer orden que introducen tonos (oscilaciones)
  ?
• Moduladores 1er orden raramente utilizados en voz
  o audio
• Esquemas de segundo orden

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CONVERTIDORES A/D SIGMA-DELTA
MODULACIÓN SIGMA-DELTA (2o ORDEN)

• La señal cuantizada (v2) es una versión integrada
  del error fino (u2)
• u2 y v2 representaciones más precisas ? salida
  más precisa
• Dominio z
• Relación señal-ruido

Cada fs ? 2 ? 15 dB mejora en SNR ? 2.5 bits
mejor resolución
Ejemplo fs6.12 MHz
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CONVERTIDORES A/D PIPELINE
Convertidor serie-paralelo
24(A-B)
24(A-B)
(residuo)
(residuo)

• Compromiso entre velocidad, precisión y coste

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CONVERTIDORES A/D PIPELINE
80
CONVERTIDORES A/D PIPELINE
Estructura de 10 bits

• 1.5 bit/etapa
• Buffers SC
• SH entre etapas (concurrencia)
• Corrección digital (18-10 bits)
• 14.3 Ms/s

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CONVERTIDORES A/D PIPELINE
Estructura de etapas
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CONVERTIDORES A/D COMPARATIVA

• Video-rate ADC
• fs gt 5 Ms/s flash y pipeline
• Bajo consumo flash de baja resolución
• Bajo consumo 8-12 bits pipeline

83
CONVERTIDORES A/D COMPARATIVA
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C.I. COMERCIALES
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C.I. COMERCIALES
Chip de interfase analógico TLC32044
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C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A DAC0800 (National)
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C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A DAC0800 (National)
A Factores multiplicactivos áreas de emisor
88
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A DAC0800 (National)
89
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A dual AD7528 (Analog Devices)
90
C.I. COMERCIALES
Convertidor D/A DAC0800 (National)
91
C.I. COMERCIALES
CA3162 doble rampa (3 dígitos BCD)
92
C.I. COMERCIALES
ADC0801 (National) Aproximaciones sucesivas
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C.I. COMERCIALES
AD9000 convertidor A/D flash
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C.I. COMERCIALES
TLC320AD58C sigma-delta
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TARJETAS DE ADQUISICIÓN
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TARJETAS DE ADQUISICIÓN

• Modos de transferencia de datos
• Acceso directo a memoria (DMA)
• Entrada/salida programada (control del procesador)

• Amplificadores de entrada
• Ganancia programable digital
• Entradas single-ended (valores relativos tensión
  común)
• Entradas diferenciales

Funciones de temporización
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TARJETAS DE ADQUISICIÓN
CRITERIOS DE SELECCIÓN

• Número de canales single-ended ? diferenciales
• Rechazo al modo común (CMRR) entradas
  diferenciales
• Rango de señales de entrada (mono o bipolar)
• Ancho de banda señal de entrada (frecuencia de
  adquisición)
• Throughput cantidad de muestras / tiempo
  (tiempos de setup MUX, amplificadores y SH,
  tiempo conversión)
• Resolución (nº de bits) y precisión medidas
  relativas a rangos de error
• No linealidad diferencial (DNL - code widths) y
  precisión relativa (LSB)
• Repetibilidad proximidad entre medidas sucesivas
  idénticas ( FSR)
• Salidas analógicas y E/S digitales

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TARJETAS DE ADQUISICIÓN
NO LINEALIDAD DIFERENCIAL (DNL)
99
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
PRECISIÓN RELATIVA (LSB)
100
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
NO LINEALIDAD INTEGRAL (INL)
101
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
DISTORSIÓN ARMÓNICA (THD)
102
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
NÚMERO EFECTIVO DE BITS (ENOB)
Errores y distorsión ? disminución del SNR hasta
no verificar los requisitos de la cuantización
Número efectivo de bits de un sistema de
adquisición
103
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
DAQ-516 (National Instr.)
104
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
DT2831 (Data Translat.)
105
TARJETAS DE ADQUISICIÓN
106
BIBLIOGRAFÍA

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  CMOS Pipeline Analog-to-Digital Converter. IEEE
  Journal of Solid-Satate Circuits, Vol.34, no.5,
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  Processing Magazine. Enero, 1996.
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• N. Gray. The ABCs of ADCs Analog-to-Digital
  Converter Basics. National Semiconductors. 2003.
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• C. Marven y G. Ewers. A simple Approach to
  Digital Signal Processing. Texas Instruments.
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