MODULO CONVERTIDOR ANALOGICO DIGITAL DE 3 DIGITOS

En diversas ocasiones hemos visto que un mismo "aparato" puede ser utilizado para realizar diversas teras, como puede ser un multímetro digital, que aparte de medir los valores eléctricos del voltaje corriente y resistencia, puede ser empleado también, para medir temperatura. Esto último puede ser posible debido a que se cuenta con un convertidor analógico-digital (ADC) y dependiendo de la circuitería que adecúa los niveles de voltaje, podemos contar con diversos aparatos que pueden medir cualquier variable.

INTRODUCCION

El circuito que aquí se propone tiene la misión de actuar como un módulo de conversión Analógico – Digital “universal”, que convierte niveles de voltaje analógico a valores digitales bajo los parámetros de la lógica TTL. (Figura 1)

En general, con este circuito convertidor se podrá medir cualquier variable física que se encuentre en la naturaleza o proceso de producción, tan sólo necesitamos emplear el transductor adecuado para cada caso, y acondicionar su señal eléctrica para no exceder los niveles de voltaje que requiere el módulo concertador analógico a digital, ya que éste se encuentra diseñado para operar dentro de un rango establecido de voltaje.

En la figura 2, vemos el diagrama interno del circuito convertidor ADC CA3161E.

El ADC que es empleado en este circuito, trabaja mediante la técnica de conversión conocida como de “doble rampa”, en la cual el proceso de conversión requiere de dos etapas. En la primer etapa, un capacitor tiene que ser cargado a cierto nivel de voltaje que corresponde con el valor que tiene que ser convertido. Para ello, un contador interno del propio ADC fija un tiempo establecido y cuando éste ha expirado, termina la primer parte y comienza la segunda parte del proceso. En la segunda parte del proceso, el contador interno del ADC vuelve a activarse, pero ahora para contabilizar el tiempo en que tarda el capacitor en descargarse, ese tiempo tiene un valor proporcional al valor final de la conversión.

 
DISEÑO DEL CIRCUITO
El elemento principal del módulo convertidor ADC es el circuito integrado identificado como IC1, cuya matrícula es CA3162E y se trata, precisamente, del circuito integrado que se encarga de convertir los valores analógicos de voltaje en sus correspondientes combinaciones binarias, en la figura 2 se muestra el detalle del circuito IC1.

El circuito identificado como IC2, que posee la matrícula CA3161E, es de un circuito complementario que auxilia al IC1 en la conversión analógico a digital, el circuito IC2 es un decodificador que interpreta las combinaciones binarias y enciende los segmentos de los displays de acuerdo con el valor que corresponda, formando números que podemos leer.

Ver figura 3.

El proceso de conversión analógico a digital comienza en el circuito IC1, al cual se le hace llegar el valor analógico de voltaje a través del conector CN1 en el cual se encuentran las terminales 10 y 11 de IC1 (observe el diagrama de la figura 3), este voltaje comienza a cargar el capacitor C1 que está conectado en la Terminal 12 de IC1, y tiene la función de predeterminar el rango de tiempo en el cual se realizará la conversión analógico a digital, lo que da origen a la primera etapa de la conversión. Al finalizar la primera etapa, el bloque que tiene a las terminales 10 y 11 de IC1 (observe la figura 2), las desconecta del capacitor C1 dando comienzo a la segunda etapa de la conversión. Ahora es conectado hacia el capacitor una fuente de corriente constante, pero con polaridad opuesta a la anterior, esto es con motivo de provocar la descarga del capacitor C1, a la vez el contador que fue restaurado a su posición original al comienzo de la segunda etapa, lleva el conteo de tiempo que origina la descarga del capacitor hasta el valor de 0 volts, el contador en esta segunda etapa se encuentra acoplado a un multiplexor con salidas BCD, las cuales muestran el valor del conteo cuando el capacitor ha sido descargado totalmente, el valor que muestran las salidas BCD es proporcional al valor correspondiente a la digitalización del valor analógico, pero este dato se muestra mediante una combinación binaria de 4 bits. En la figura 4 vemos el circuito impreso del módulo convertidor analógico digital.

El contador interno del circuito IC1 es controlado por un oscilador que aporta la llamada frecuencia de muestreo, la Terminal 6 del circuito IC1 llamada “control de conversión” es en donde se fijan las condiciones de operación del oscilador interno del convertidor, de acuerdo a lo siguiente:

Si se le hace llegar 5V a la terminal 6 de IC1, se fija una frecuencia de muestreo de 96Hz para establecer un muestreo de alta velocidad, para ello un jumper se fija en el conector CN2 en donde se encuentra la identificación A.V.

Si se le hace llegar 0V ó GND a la Terminal 6 de IC1, se fija una frecuencia de muestreo de 4Hz para establecer un muestreo de baja velocidad, para ello un jumper se fija en el conector CN2 en donde se encuentra la identificación B.V.

Si se le hace llegar 1.2V a la Terminal 6 de IC1, se elimina la frecuencia de muestreo para establecer la función de retención o guardado en memoria del último valor digitalizado, para ello el jumper se quita totalmente del conector CN2.

Se mencionó en líneas anteriores que se utilizan 4 bits para desplegar la información del valor digitalizado, estos 4 bits contienen la información BCD del dato digital esto es, se pueden tener las combinaciones de la tabla 1.

Las combinaciones binarias restantes no se ocupan (1010, 1011, 1100, 1101, 1110 y 1111) ya que BCD significa “Código Binario Digital” por sus siglas en inglés BCD.

Como se podrán dar cuenta, de esta manera se tiene la posibilidad de desplegar sólo un dígito, pero nuestro convertidor es de 3 dígitos. Esto es posible debido a que, dentro del circuito IC1, el multiplexor contador va desplegando un solo dígito a la vez comenzando por el menos significativo (unidades), y al mismo tiempo que la información BCD se hace llegar al decodificador que se encuentra en el circuito IC2. A través de la terminal 4 del IC1 se activa la base del transistor Q1 (que se trata de uno tipo PNP con matrícula BC557) que le hace llegar el voltaje de VCC a la terminal ánodo común del Display correspondiente, provocando el encendido de sus segmentos que corresponden con el valor que se tiene que mostrar en el display identificado como DS1, manteniendo apagados los otros 2 displays. Posteriormente, para mostrar la información de las decenas, ahora se envía la correspondiente información BCD al decodificador del circuito IC2, al mismo tiempo a través de la terminal 3 de IC1 se activa la base del transistor PNP identificado como Q2, provocando que se apaguen los otros 2 displays y mostrando los segmentos iluminados el display identificado como DS2. Por último, para mostrar la información de las centenas se envía la correspondiente información BCD al decodificador del circuito IC2, al mismo tiempo a través de la terminal 4 de IC1 se activa la base del transistor PNP identificado como Q2, provocando que se apaguen los otros 2 displays y mostrando los segmentos iluminados el display identificado como DS3.

En la figura 5 se observa la colocación de los dispositivos en el módulo convertidor ADC.

Cuando se termina el proceso, se vuelve a repetir nuevamente mostrando primeramente la información a través del display de las unidades DS1, posteriormente por el display de las decenas DS2, y por último en el display de las centenas DS3, pero como este proceso se lleva a cabo a una frecuencia de aproximadamente 500Hz, da el efecto óptico de que los displays se encuentran permanentemente iluminados. Los displays DS1, DS2 y DS3 son del tipo ánodo común. En los display pueden aparecer los valores desde 000, 001, 002,…, 098,…, 267,…, 854,…, hasta 999, pero por medio de los siguientes valores se indican los valores fuera de rango, ya sean positivos o negativos. Ver tabla 2.

El rango de operación del módulo convertidor ADC va de 0V a 999mV, por lo que si el valor de voltaje que se va a digitalizar sobrepasa 999mV, se tendrá que emplear un divisor de voltaje para adecuar el nivel y no sobrepasarlo, ya que de otra forma lo que únicamente se observará en los display será “EEE”. En la figura 6, vemos el Kit armado del módulo convertidor analógico digital.

Este módulo convertidor ADC tiene que ajustarse, ya que de otra manera el valor mostrado será muy distinto del real, es a través del preset VR2 (50KW), en donde se ajusta el valor de 0V que sirve de referencia. Para ajustar a cero el módulo ADC, se debe conectar en ambas terminales del conector CN1 el valor de GND, esto tiene que provocar que en los displays se muestre la combinación “000”, cualquier otro dato significa que se requiere del ajuste, realizando éste manipulando el preset VR2, ubicando en los displays el valor 000.

El preset identificado como VR1 (10 KW) sirve para ajustar la ganancia, esto es, fijar el nivel de voltaje de referencia para tomar la base del valor de conversión, para ajustarlo se requiere utilizar una fuente de voltaje “exacta” y fijarla a 500mV (0.5V), este voltaje se hace llegar a las terminales del conector CN1 respetando la polarización, y en los displays debe de mostrarse el valor de “500”, una vez realizado el ajuste primero de VR2 y después de VR1, ahora si las terminales del conector CN1 se deben hacer llegar al sensor o al circuito del cual se tiene que digitalizar el valor de voltaje.

Este módulo convertidor ADC requiere energizarse con 5VCD, para una perfecta operación. En la fig. 7 vemos el Kit para armar el módulo convertidor analógico digital.

 
Autor: Ing. Ismael Cervantes de Anda
E-Mail: icervantes@saberinternacional.com.mx
FIGURA 1
 
FIGURA 2
 
FIGURA 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
FIGURA 6
 
FIGURA 7
 
TABLA 1
 
TABLA 2
 
MATERIALES