12.1: Introducción a la conversión de analógico a digital a analógico

Hasta ahora, todos los circuitos que has estudiado en este libro eran circuitos analógicos. Es decir, las formas de onda de entrada eran continuas en el tiempo y tenían una resolución infinita a lo largo de los ejes de tiempo y amplitud. Es decir, podrías discernir cambios cada vez más pequeños y más finos a medida que examinabas una sección en particular. No importa si el circuito era un amplificador simple, sintetizador de funciones, integrador, filtro, o lo que tengas, la naturaleza analógica de la señal siempre fue cierta. Fundamentalmente, el universo es de naturaleza análoga (al menos hasta donde podemos decir, hasta que alguien descubre una partícula cuántica del tiempo). Nuestra única desviación real del sistema analógico puro fue el uso del comparador. Aunque la entrada al comparador era analógica, la salida era decididamente digital; su salida era una lógica alta\((+V_{sat})\) o una lógica baja\((−V_{sat})\). Se puede pensar que la salida del comparador tiene muy baja resolución, ya que solo son posibles dos estados. La salida del comparador sigue siendo continua en el tiempo, ya que una transición lógica puede ocurrir en cualquier momento. Esto contrasta con un sistema digital puro donde las transiciones son discretas en el tiempo. Esto significa que los niveles lógicos solo pueden cambiar en momentos específicos, generalmente controlados por alguna forma de reloj maestro. Un sistema puramente digital entonces, es la antítesis de un sistema analógico puro. Un sistema analógico es continuo en el tiempo y tiene una resolución de amplitud infinita. Un sistema digital es discreto en el tiempo y tiene resolución de amplitud finita (dos estados en nuestro ejemplo).

Como sin duda ha notado en su trabajo paralelo, los sistemas digitales tienen ciertas ventajas y beneficios en relación con los sistemas analógicos. Estas ventajas incluyen inmunidad al ruido, capacidad de almacenamiento y potencia de procesamiento numérico disponible. Tiene sentido, entonces, que una combinación de sistemas analógicos y digitales pueda ofrecer lo mejor de ambos mundos. Este capítulo examina los procesos de convertir señales analógicas a un formato digital y convertir las palabras digitales en una señal analógica. También se presentan algunos ejemplos representativos del procesamiento de la señal en el dominio digital. Algunos ejemplos con los que quizás ya estés familiarizado incluyen el disco compacto estéreo (CD) y el osciloscopio de almacenamiento digital. Desglosaremos este tema en dos amplias secciones: conversión analógica a digital (AD) y conversión digital a analógica (DA). Dado que muchos sistemas AD requieren convertidores de digital a analógico, primero examinaremos los sistemas DA.

12.1.1: Las ventajas y desventajas de trabajar en el dominio digital

Dado el tiempo suficiente, un circuito analógico puede diseñarse y fabricarse para prácticamente cualquier aplicación. ¿Por qué, entonces, alguien desearía trabajar en el dominio digital? Quizás la razón principal para trabajar en el dominio digital es la flexibilidad que ofrece. Una vez que las señales se representan en forma digital, pueden ser manipuladas por diversos medios, incluyendo programas de software. Probablemente hayas descubierto que replicar un programa de computadora es mucho más fácil que replicar un circuito analógico. Además, un programa es mucho más fácil de actualizar y personalizar que un circuito de hardware. Debido a esto, es posible manipular una señal de muchas maneras diferentes con el mismo hardware digital/informático; todo lo que necesita ser alterado son las instrucciones de manipulación (es decir, el programa). El circuito analógico, por el contrario, necesita ser re-cableado, y se deben agregar componentes adicionales o quitar porciones viejas. Esto puede ser mucho más costoso y requiere mucho tiempo que solo actualizar el software. Al trabajar en el dominio digital, los circuitos de procesamiento no existen per se; más bien, se utiliza un IC genérico como una CPU para crear un “circuito virtual”. Con cierta cantidad de inteligencia en el diseño del sistema, el circuito virtual puede ser capaz de alterar su propio rendimiento para adaptarse con precisión a diversas señales. Todo esto se reduce al hecho de que un esquema digital puede ofrecer mucha mayor flexibilidad para las tareas involucradas y permite una solución de hardware genérica y simplificada para aplicaciones complejas. Debido a este atributo, la solución digital puede terminar siendo significativamente menos costosa que su contraparte analógica.

Cuando una señal analógica se transfiere al dominio digital, se representa como una serie de números (generalmente, niveles lógicos binarios altos/bajos). Una buena propiedad de esta representación es que es exactamente repetible. Es decir, se puede generar un número infinito de copias de los datos, y no aparecerán distorsiones ni desviaciones del original. El último ejemplar será idéntico al primero. Compare esto con una copia analógica simple. Por ejemplo, si tuvieras que grabar una canción con una grabadora de casetes y luego hacer una copia de la cinta, la copia de segunda generación sufriría un aumento de ruido y distorsión. Una copia del segundo ejemplar produciría resultados aún peores. Cada vez que se copia la señal, se produce cierta corrupción. Es por ello que las llamadas telefónicas tempranas de larga distancia fueron de tan baja calidad. Los sistemas de comunicación modernos emplean técnicas digitales que permiten una calidad mucho mayor, aunque una persona esté en Nueva York y la otra en Australia, a la mitad del planeta.

Además de ser un atributo matemático deseable, la repetibilidad también se presta al problema del almacenamiento a largo plazo. Un medio de almacenamiento para una señal binaria solo necesita resolver dos niveles, mientras que el medio analógico necesita resolver cambios muy finos en la intensidad de la señal. Como se puede adivinar, el deterioro del medio analógico es un problema grave y da como resultado la pérdida de información. El medio digital teóricamente puede sobrevivir a un nivel mucho mayor de deterioro sin pérdida de información. En un sistema computarizado, los datos pueden almacenarse en una variedad de formatos, incluyendo RAM (Random Access Memory) y cinta magnética o disco. Solo para reproducción (es decir, solo lectura), los datos pueden almacenarse en ROM (memoria de solo lectura) o formatos de disco láser (como DVD o CD de audio).

Como siempre, los beneficios del esquema digital llegan con desventajas específicas. Primero, para aplicaciones más simples, el costo del enfoque digital es muy alto y no puede justificarse. Segundo, el proceso de convertir una señal entre los dominios analógico y digital es inexacto. Alguna información sobre la señal se perderá durante la conversión. Esto se debe a que la representación digital tiene resolución finita. Esto significa que solo los cambios de señal mayores que un cierto tamaño mínimo (el tamaño del paso de resolución) son discernibles y, por lo tanto, es inevitable alguna forma de error de redondeo. Esta característica ayuda a determinar el rango de señales permisibles, desde la señal detectable más pequeña hasta la señal máxima antes de que ocurra una sobrecarga. En tercer lugar, los sistemas analógicos son inherentemente más rápidos que los sistemas digitales. Las soluciones analógicas pueden procesar señales de entrada a frecuencias mucho más altas que los esquemas digitales. Además, los sistemas analógicos funcionan en tiempo real, mientras que los sistemas digitales podrían no hacerlo. Los sistemas digitales solo pueden funcionar en tiempo real si la señal de entrada no es una frecuencia muy alta, si la tarea de procesamiento no es demasiado compleja, o si se agregan circuitos de procesamiento especializados. No todas las aplicaciones requieren rendimiento en tiempo real, por lo que esta limitación no siempre es un problema. Además, debido a que podemos esperar que la potencia informática se vuelva cada vez menos costosa en los próximos años, el procesamiento digital rentable sin duda se expandirá a nuevas áreas.