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Como funciona el convertidor analógico a digital

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¿Qué es un convertidor analógico a digital?

Un convertidor analógico a digital o también conocido como ADC (Analog to Digital Converter), es un dispositivo que se utiliza para transformar cualquier tipo de señal variable, a un lenguaje que los circuitos electrónicos puedan comprender, es decir a una señal digital que solo trabaja con
0 y 1.

A los convertidores analógico a digital también se les conoce como CAD o ADC

Estas señales variables o mejor conocidas como señales analógicas, las podemos captar en toda la naturaleza a través de lo que conocemos como magnitudes físicas, como por ejemplo; la luz, el sonido, la temperatura, el viento, etc. En palabras sencillas un convertidor analógico a digital sirve para que los dispositivos electrónicos puedan interactuar con las magnitudes de la naturaleza.

Algunas de las magnitudes físicas que podemos encontrar

¿Cómo funciona un convertidor analógico a digital?

Estos convertidores funcionan a través de un proceso llamado modulación por impulsos codificados o PCM, este sistema consta de cuatro partes esenciales que describen como es el proceso de pasar de una señal variable a una discreta.



Muestreo

En esta parte como su nombre lo indica se toman muestras de la señal analógica, que sirven como referencia para los siguientes pasos. Cabe mencionar que la frecuencia de muestreo (Sampling rate) debe de ser mínimo el doble que la que tiene la señal, es decir, si tenemos una señal de 2 KHz nuestra frecuencia de muestreo debe de ser mínimo de 4 Khz, para que al momento de tomar las muestras se pierda la menor cantidad de información de la señal.

Señal analógica muestreada 20 veces

Cuantificación

La cuantificación se utiliza para asignarle un valor a todas las muestras tomadas, dependiendo de la precisión que se tenga el valor será más cercano al real, ya que si tenemos una precisión de 0.1v y la muestra nos arroja un 0.77 el sistema redondea el número a valor más cercano, es decir a 0.8V, Si nuestra precisión fuera de 0.05v el sistema haría la aproximación y quedaría en 0.75V.

Cuantificando una señal analógica previamente muestreada

Codificación

Una vez que los datos tienen su valor numérico el sistema los convierte en números binarios que representan las variaciones de la señal original. La cantidad de datos que arroje el sistema depende de que tanta precisión tenga, ya que a mayor frecuencia de muestreo, mayor es la cantidad de datos que procesa el convertidor.

Cada uno de los valores obtenidos en la cuantificación se convierten a números binarios

Compresión

Debido a que la cantidad de datos que se guardan de una señal es bastante grande, y en ocasiones tiene que ser transmitida hacia un dispositivo exterior, y este tiene una tasa de lectura baja, es necesario comprimir la información.

Esta compresión de la información se puede hacer por dos métodos diferentes. La compresión sin pérdidas que elimina la información redundante, o la compresión con pérdidas en la que la información menos relevante se desprecia.

A veces dentro de un sistema demasiado comprimido se pueden perder datos

Para rechazar la información se toman en cuenta las limitaciones del ser humano como aquella información que es difícil de percibir, cabe mencionar que una compresión excesiva por este método puede llevar a la disminución de la calidad.



Tipos de convertidores ADC

Existen diferentes tipos de convertidores analógico a digital cada uno con diferentes características que nos ayudan a trabajar en diferentes escenarios.

Flash

Este tipo de convertidor se caracteriza por ser uno de los más sencillos y más rápidos que existen, ya que solo están conformados por comparadores y resistencias.

Circuito básico de un ADC flash

Aproximaciones sucesivas (SAR)

Estos convertidores prácticamente son los más completos ya que ofrecen precisión, una alta velocidad y un bajo consumo de energía. A grandes rasgos este dispositivo cuenta con; un comprador, un modulo SAR y un convertidor Digital a analógico (DAC).

Circuito básico de un ADC SAR

De rampa

Los ADC de rampa se utilizan en donde se debe de tener una respuesta rápida y una linealidad de trabajo. también se caracterizan por trabajar con el tiempo, ya que tienen un temporizador, un contador, un registro de corrimiento de bits, un comparador y un convertidor digital a analógico (DAC).



Sigma delta

Este tipo de convertidor se caracteriza por tener un solo bit de resolución, una alta cantidad de muestro y una baja frecuencia, es decir; que este tipo de adc tiene una gran resolución pero es de los más lentos que existen. Se utiliza en aplicaciones que requieren una muy alta resolución y una baja velocidad, como por ejemplo en el audio.

Circuito básico de un ADC Sigma-Delta

Segmentado

Se utilizan en aplicaciones donde se requiere un muestreo con poco ruido y una alta linealidad, como puede ser en la adquisición de datos de alta velocidad como en; aplicaciones medicas, rayos x. espectrometría, citometría, etc.

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