12.7: Resumen

En este capítulo hemos cubierto los conceptos básicos de conversión analógico-digital y digital-analógica. Al colocar una señal en el dominio digital, se dispone de una variedad de nuevas técnicas de análisis, almacenamiento y transmisión.

El proceso de transformar una señal analógica en una representación digital se conoce como cuantificación, o más simplemente, como digitalización o muestreo. Uno de los métodos más populares utilizados es PCM, modulación por código de pulso. En este esquema, la señal de entrada es medida, o muestreada, a una velocidad constante. Cada punto de muestra se representa como una palabra digital. La secuencia de palabras describe la señal de entrada y se utiliza para recrearla, si es necesario. La máxima precisión de la conversión depende de la resolución y la velocidad de muestreo del sistema. Resolución se refiere al número de bits presentes en la palabra digital. Una palabra de 8 bits puede representar 256 pasos, mientras que una palabra de 16 bits es mucho más fina, ofreciendo 65.536 pasos discretos. Con tantos pasos, el error de redondeo es un problema mucho menor en sistemas de 16 bits que en, digamos, sistemas de 8 o 12 bits.

La frecuencia de muestreo mínima permitida es el doble de la frecuencia de entrada más alta. En otras palabras, se requieren al menos dos muestras por ciclo para el armónico más alto en la señal de entrada. Otra forma de afirmar esto es que ningún componente de frecuencia de entrada puede exceder la frecuencia Nyquist, la cual se define como la mitad de la frecuencia de muestreo. Si la entrada excede este límite, se puede producir distorsión de alias. Los alias son frecuencias no armónicamente relacionadas que se crean efectivamente mediante un muestreo incorrecto. Para eliminar toda posibilidad de distorsión de alias, normalmente se colocan filtros especiales de paso bajo de alto orden, llamados filtros anti-alias, antes del circuito de muestreo.

Dos métodos populares de conversión analógico-digital son el flash y las técnicas de aproximación sucesiva. Los convertidores flash son muy rápidos, pero requieren un comparador por paso de salida, por lo que normalmente no se utilizan donde se requiere alta resolución. La aproximación sucesiva lleva más tiempo que la conversión flash, pero puede producir resoluciones superiores a 16 bits. En cualquier caso, el proceso de conversión no es instantáneo, y cualquier fluctuación de la señal de entrada durante la conversión puede producir errores. Para aliviar esta dificultad, se utilizan amplificadores especiales de seguimiento y retención entre los filtros anti-alias y el convertidor AD para crear una señal no variable.

Una vez que la señal ha sido digitalizada, puede almacenarse en RAM o algún otro medio para uso futuro, o analizarse directamente. A menudo, una computadora personal puede resultar muy útil para el análisis de formas de onda.

Para reconstruir la forma de onda, se utiliza un convertidor digital a analógico. En esencia, esto suele ser poco más que un amplificador sumador ponderado. Debido a la precisión y limitaciones de construcción, a menudo se emplea una técnica de\(R/2R\) escalera. Para suavizar la forma de onda resultante y eliminar cualquier “falla” digital restante, la señal se pasa a través de un filtro de reconstrucción. Este es un filtro de paso bajo y a menudo se llama filtro de suavizado. Generalmente, el proceso de conversión digital a analógico es mucho más rápido que la conversión de analógico a digital. De hecho, el esquema de aproximación sucesiva de analógico a digital requiere un convertidor interno de digital a analógico.

Las aplicaciones para convertidores AD y DA van desde instrumentos de laboratorio como osciloscopios digitales de muestreo y multímetros digitales de mano, hasta instrumentos industriales y control de dispositivos. Los sistemas AD y DA han encontrado un gran mercado de aplicaciones en el sector comercial. Los usos incluyen el popular reproductor de CD de música y el equipo de teclado musical.