Los convertidores analógicos a digitales (ADC) se utilizan en la mayor parte de la electrónica de consumo moderna y en muchas aplicaciones comerciales. Cada vez que necesite convertir variables de entrada del mundo real (como audio de micrófono o una imagen) en una señal digital para almacenamiento informático, manipulación u otras aplicaciones, utilizará un ADC. Existen muchos tipos diferentes de ADC disponibles en el mercado, y cada diseño diferente tiene sus fortalezas y debilidades específicas. La elección del ADC correcto depende en gran medida del conocimiento de las necesidades.
Para seleccionar el ADC correcto, deberá primero considerar cuatro factores críticos:
- Resolución
- Velocidad
- Precisión
- Ruido
Una vez evaluadas las necesidades de su proyecto en esas áreas, puede limitar la selección aún más considerando variables menos importantes, tales como:
- Tensión de entrada
- Interfaz
- Cantidad de canales
Criterios de selección de ADC por considerar
A medida que explora el mundo de los ADC, puede resultar útil recordar de qué manera la resolución, la velocidad, la precisión y el ruido afectarán su elección.
Esolución se refiere al número de bits de salida que el ADC puede generar por cada conversión. Esta cifra determina la señal de entrada más pequeña que el sistema puede representar. La resolución también define el menor cambio progresivo en la señal analógica que puede expresar el ADC.
Velocidad tiene que ver con la tasa de muestra del dispositivo; en otras palabras, ¿cuál es el mayor número de conversiones por segundo que puede manejar el ADC? La tasa de muestra está determinada por el tiempo que demora realizar una sola conversión. Esa cifra determina cuántas muestras por segundo son posibles en un escenario ideal.
Precisión es relativamente directa. ¿Qué tan estrechamente coincide la salida con la entrada? ¿Qué cantidad de la salida corresponde a la señal deseada? Generalmente, evaluamos la precisión en términos del ruido presente en la señal de salida, mediante una cifra denominada relación señal-ruido (SNR), donde más alta es mejor (más señal por cantidad determinada de ruido). Incluso en un ADC ideal, habrá cierta cantidad de ruido presente ya que el redondeo necesariamente debe producirse en orden para digitalizar una señal analógica (ruido de cuantificación, que se explica a continuación). Por lo general, una mayor resolución también genera mayor precisión, ya que cuanto menor sea el error de redondeo, más cierta será la salida digital en relación con la entrada analógica.
Ruido de cuantificación es uno de varios tipos de ruido que contribuyen a la precisión del dispositivo. Este tipo de ruido merece su propia mención porque el ruido de cuantificación es inevitable en la conversión analógica a digital. En términos sencillos, cuando un conjunto continuo se convierte en un conjunto discreto, podemos esperar la pérdida de alguna información. Nos referimos a esa información perdida como ruido de cuantificación, que se manifiesta como una señal de ruido de dientes de sierra. Con una resolución suficientemente alta, es posible contrarrestar el ruido de cuantificación funcionalmente, pero seguirá siendo una parte inherente del proceso de ADC.
Descripción general de las arquitecturas comunes de ADC
Los diversos diseños de ADC tienen su propias fortalezas y debilidades. Como resultado, su proyecto y el caso de uso previsto dictarán en gran medida qué tipo de ADC opta por usar. Una idea clara de lo que desea que su dispositivo logre le permitirá dar prioridad a los cuatro factores que describimos anteriormente y guiarlo hacia el tipo correcto de arquitectura de ADC.
Las arquitecturas de ADC más comunes son:
- Flash
- Aproximación sucesiva (SAR)
- Delta-sigma
- Segmentada
|
Tipo |
Frecuencia máxima de muestreo |
Resolución (bits máximos) |
|
Flash |
10 gigamuestras/s |
4-12 |
|
SAR |
10 megamuestras/s |
8-18 |
|
Delta-sigma |
1 megamuestra/s |
8-32 |
|
Segmentada |
1 gigamuestra/s |
8-16 |
Para un tipo de arquitectura determinado, mientras más alta sea la resolución de un ADC, más baja será su velocidad (y viceversa), debido a que una mayor resolución significa más datos que convertir. Sin embargo, los ADC segmentados tienen un método bastante particular: combinan algunas de las mejores cualidades de los SAR y de los ADC tipo flash, logrando alcanzar alta velocidad y alta resolución.
Si bien los ADC flash son grandes y costosos, su velocidad los convierte en candidatos de calidad para convertir la grabación analógica de video en digital, un proceso que aborda enormes cantidades de datos. Los SAR son my populares en las aplicaciones de instrumentación y de adquisición de datos, en donde la ultraalta velocidad es menos crítica y la precisión es reina soberana.
La arquitectura delta-sigma (uno de los diseños más recientes) puede jactarse de una precisión asombrosa, pero también es el más lento de los diseños populares, lo que la hace muy adecuada para las aplicaciones de audio de alta fidelidad. En esas instancias, capturar incluso matices pequeños es crítico, pero la cantidad total de datos no es extrema (comparado con el video, por ejemplo). Como resultado, verá que los diseños delta-sigma se emplean en gran medida para el audio digital y la instrumentación.
Por último, los ADC segmentados se vuelven cada vez más populares gracias a su capacidad para combinar tanto resoluciones razonablemente altas como velocidades. Esencialmente, los diseños de segmentación son una versión más refinada del SAR y están bien adaptados para una amplia variedad de aplicaciones, entre ellas:
- Creación de imágenes médicas por ultrasonidos
- Video digital
- Escenarios de Internet de alta velocidad, como módems por cable, xDSL, etc.
En cuanto a la precisión, es el resultado de la combinación de resolución y velocidad de muestra. La resolución determina la precisión de la amplitud y el error de redondeo (y, por lo tanto, el ruido de cuantificación y una pérdida de referencia de la precisión). Mientras tanto, la velocidad de muestra determina la precisión y la exactitud de la temporización (mientras más veces por segundo se muestrea la fuente, más precisa será la temporización). En una hoja de estadísticas de ADC se registrará la precisión general y el ruido de cuantificación específico en la línea de "relación señal/ruido". Conviene que este valor sea lo más alto posible (más potencia de señal por cantidad determinada de ruido).
Otros elementos que considerar
No olvide considerar los aspectos prácticos. Diferentes unidades de ADC varían ampliamente en cuanto a:
- Tamaño físico
- Número de entradas posibles
- Requisitos de potencia
Los ADC flash, por ejemplo, no se adaptan bien a los dispositivos portátiles debido a que sus diversos componentes afectan el tamaño y el consumo de potencia. Cualquiera que pretenda construir un dispositivo portátil probablemente deberá ignorar los ADC flash y considerar algo más adecuado a un dispositivo y sistema eléctrico más pequeños. De manera similar, muchos ADC solo permiten dos entradas, de modo que si su aplicación requiere más de dos posibles entradas, puede ahorrar tiempo limitando la búsqueda a ADC multicanal.
Recuerde que, independientemente de qué arquitectura elija, la frecuencia de muestreo mínima (denominada tasa de Nyquist) debe ser por lo menos el doble de la frecuencia máxima de la entrada. Sobre la base de la frecuencia esperada de los datos entrantes, conviene asegurarse de que la tasa de muestra es lo suficientemente alta.