Un convertidor de analógico a digital, o también llamado ADC o convertidor de A a D, es un dispositivo electrónico mediante el cual una señal analógica (como puede ser una voz grabada) es transformada a digital para hacer más fácil su procesamiento y que la señal digital quede libre de las interferencias que afectan a las señales analógicas.
Funcionamiento de un convertidor analógico a digital
Las señales analógicas son aquellas que tienen amplitud continua y continuidad en el tiempo. Por su parte, las señales digitales tienen amplitud discreta y de tiempo también discreto. Gracias al convertidor y mediante un proceso periódico que limita el ancho de banda de la señal de entrada, la señal analógica se transforma en digital al salir.
La conversión analógica-digital, o digitalización, mide periódicamente la amplitud o tensión de la señal para luego convertir esos valores en niveles de cuantificación, es decir, un conjunto de finito de niveles preestablecidos de tensión que es registrado como números enteros en una memoria o soporte.
Procesos de la conversión
En este mecanismo intervienen una serie de procesos que son: el muestreo, la retención, la cuantificación y la codificación.
- Muestreo: es la medición periódica de la amplitud de una señal para poder evaluar su nivel. Sin embargo, este proceso no se contempla desde el punto de vista matemático, puesto que es un recurso técnico sin modelo matemático y con limitaciones prácticas. Durante el muestreo y aún en la retención, la señal sigue siendo analógica ya que ésta puede tomar cualquier valor. Es a partir de la cuantificación cuando la señal adquiere valores finitos y se transforma en digital.
- Retención: en esta etapa, las muestras son retenidas por un circuito de retención para que se pueda evaluar su nivel. Matemáticamente, este proceso tampoco es tenido en cuenta por las mismas razones que el muestreo.
- Cuantificación: en este proceso lo que se mide es el voltaje de cada muestra, asignándoles un margen de valor de una señal analizada a un único nivel de salida. La desventaja es que siempre el resultado lleva una distorsión llamada “ruido de cuantificación”.
- Codificación: codificar es la acción por la cual los valores que se obtuvieron en la cuantificación se traducen en un código binario o en otro tipo de códigos similares.
Tipos de convertidores analógicos a digitales
Existen diferentes procesos para la conversión de señales analógicas de entrada a señales digitales de salida.
Flash ADC
Se trata de un convertidor de tipo directo y es uno de los más rápidos. El convertidor flash posee un conjunto de comparadores con terminales inversores que se conectan a una escalera divisora de voltaje, mientras que los terminales no inversores se conectan a la señal de entrada analógica. Las resistencias de la escalera están conectadas a un voltaje de referencia que se utiliza como comparador. Luego viene la etapa de amplificación, tras la cual el código aparece como una serie de valores binarios. El amplificador, además, elimina el desplazamiento del comparador.
Estos convertidores poseen alta frecuencia de muestreo, lo que los hace ideales para aplicaciones como la detección mediante radares o las radios de banda ancha. Además, tienen una alta velocidad de operación, tienen circuitos simples y realiza la conversión de manera inmediata en una única operación, ya que están formados por una cadena de divisores de tensión y comparadores. Su principal desventaja es su alto valor.
Tipo de aproximación sucesiva ADC
Este tipo de convertidor también utiliza la búsqueda binaria de los niveles de cuantificación. La diferencia radica en la subdivisión de procesos que componen la conversión: existe un circuito de retención amplio que registra la entrada de señal analógica llamado Vin; también un comparador encargado de cotejar el voltaje analógico con el ADC interno y un registro de aproximación sucesiva (SAR), que registra la entrada y los datos de comparación.
Se trata de los convertidores de analógico al digital más usados, puesto que pueden utilizarse en aplicaciones que no requieran grandes resoluciones ni velocidades; además tienen un costo bajo que permite su implementación en un solo chip para numerosas aplicaciones de control y dan los resultados más precisos. Su principal desventaja radica en la gran cantidad de tiempo que tarda en realizar la conversión. Cabe destacar que existen dos tipos de ADC de aproximación sucesiva: de contador y de seguimiento de servo.
Integración de tipo ADC
Este tipo de ADC convierte la señal analógica de entrada de tiempo y amplitud continuos en una señal digital integrada en el tiempo utilizando un integrador junto a un amplificador operacional. Para esta operación, se utiliza una tensión de entrada analógica no identificada y se le permite aumentar durante un lapso, conocido como “periodo de aceleración”. Luego se aplica un voltaje predeterminado de referencia de polaridad opuesta al que también se lo deja aumentar hasta que el integrador dé la salida como cero. A este periodo se lo conoce como “de agotamiento”.
Este tipo de convertidores no se utiliza en aplicaciones de procesamiento de señal digital o procesamiento de audio, sino que se prefieren para medidores digitales como amperímetros o voltímetros, u otros instrumentos donde se requiera una precisión alta debido a que la velocidad y la resolución son inversamente proporcionales. Este tipo de ADC también posee dos tipos: de equilibrio de carga y de doble pendiente.
ADC de D. Wilkinson
Se trata de un convertidor ideado por DH Wilkinson en 1950, el cual consta de un condensador que debe cargarse, un comparador que verifica esto y un capacitador que se descarga de manera lineal produciendo una señal de rampa. Mientras ocurre este proceso, comienza el pulso de puerta que se mantiene encendido hasta que se descarga el capacitador, al mismo tiempo que opera una puerta lineal que recibe la entrada de pulsos de un reloj oscilador de alta frecuencia que son contados durante el proceso entero.
Convertidor analógico a digital de extensión de tiempo (TS – ADC)
Se trata de un tipo de ADC que combina varias tecnologías y puede digitalizar una señal con un alto ancho de banda superior al que suelen leer los ADC comunes, por lo cual se lo llama también “digitalizador de estiramiento de tiempo fotónico”. Además de la conversión digital, también se lo utiliza para equipos de alto rendimiento en tiempo real, como pueden ser imágenes o la espectroscopia.
Convertidor analógico a digital Sigma-delta (ΣΔ)
La modulación Sigma-Delta (ΣΔ) o Delta-Sigma (ΔΣ) es un tipo de conversión analógica a digital o digital a analógica, respectivamente. Los circuitos ADC que usan esta técnica pueden fabricarse con sistemas CMOS de bajo costo, similares a los que se usan para la creación de circuitos integrados digitales por lo cual, pese a haberse inventado en la década de 1960, sólo en fecha reciente se ha generalizado su utilización. Se trata de ADC con una baja velocidad máxima de conservación, pero que se compensa con la mejor relación de señal a sonido.
Otros tipos de convertidores de analógico a digital:
- El ADC codificado en Delta
- El ADC canalizado,
- Los ADC intercalados en el tiempo, etc.
Aplicaciones de ADC
El convertidor de analógico a digital es uno de los dispositivos electrónicos más importantes de nuestra época ya que, aunque estamos en la era digital, nuestro tiempo real sigue siendo analógico, por lo cual esta conversión es imprescindible. Algunas de las aplicaciones más importantes de los ADC son:
- Procesamiento de señales digitales: editar, modificar, procesar, almacenar y transportar datos del campo analógico al digital es una de las principales aplicaciones de los convertidores analógico-digitales. Entre los dispositivos que ocupan estas aplicaciones están los microcontroladores, los osciloscopios digitales y el software crítico.
- Instrumentos científicos: las imágenes digitales para la digitalización de píxeles, tecnologías de radar y muchos sistemas de teledetección son algunos de los ejemplos más notables de la utilidad de los ADC en los instrumentos y sistemas electrónicos necesarios para la medicina y la ciencia.
- Procesamiento de audio: también en el ámbito de la música tienen aplicaciones los ADC. Por ejemplo, las voces analógicas pueden grabarse y conservarse en plataformas digitales gracias a los convertidores.
