Convertidores Digital-Analógico (DAC): Tipos Clave y sus Aplicaciones

¿Qué es un DAC (Convertidor Digital-Analógico)?

Un DAC (Convertidor Digital-Analógico) es un circuito integrado que convierte valores digitales, en forma de códigos digitales, a voltaje o corriente analógica. Las computadoras suelen utilizar DACs para comprender su operación analógica mediante otros dispositivos digitales, como un teléfono móvil.

Múltiples convertidores digital-analógico

¿Cómo Funciona un DAC?

Para entender el funcionamiento, consideremos el uso de un micrófono para grabar audio en una computadora.

En este caso, la señal de audio/voz es una variable física que necesita formato digital antes de ser grabada en la computadora. Por tanto, se emplea un Convertidor Analógico-Digital (ADC).

Micrófono

Posteriormente, si deseas reproducir el audio grabado a través de un altavoz, necesitarás un DAC. Este convertirá la señal digital nuevamente a una señal analógica.

Tipos de DAC

Convertidor D/A con Resistencias Ponderadas Binariamente

En este DAC se requiere una fuente de corriente o resistencia para convertir cada bit de entrada digital. Las resistencias se conectan entre el punto de suma y las entradas, y mediante un circuito amplificador sumador se genera la salida.

Diagrama de circuito de un DAC ponderado binariamente

Del diagrama anterior se observan los siguientes componentes:

• Un amplificador operacional, una resistencia de realimentación y cuatro resistencias adicionales conectadas al terminal de entrada del amplificador operacional.
• Las resistencias en el terminal del amplificador operacional son resistencias variables.

La ecuación para obtener el voltaje de salida del circuito amplificador sumador es:

V_o = –R (DR + C2R + B4R + A8R)

Donde:

• Las letras D, C, B y A son entradas digitales con diferentes valores. A corresponde al LSB (bit menos significativo), mientras que D corresponde al MSB (bit más significativo).
• V = Voltaje analógico de salida

Convertidor D/A con Escalera Binaria o Escalera R-2R

Un DAC de escalera binaria utiliza dos valores de resistencia: 2R y R. Sin embargo, su velocidad de conversión a menudo se reduce debido a la capacitancia parásita.

El bit de entrada controla el interruptor entre la entrada inversora del amplificador operacional y tierra. Tras introducir la información binaria en las resistencias (2R), se obtiene la salida en la base de la escalera binaria.

Diagrama de circuito de un DAC escalera R-2R

La fórmula para obtener el voltaje de salida de la escalera binaria es:

V_o = –R × (D2R + C4R + B8R + A16R)

DAC Segmentado

El DAC segmentado es un tipo de DAC cuyo diseño se basa en especificaciones de rendimiento. Combina dos o más DACs, ya que no requiere una arquitectura única. Por ejemplo, se combina un DAC con codificación termométrica con un DAC ponderado binariamente, separando el código binario de entrada en dos segmentos.

Convertidor Digital-Analógico segmentado

La estructura ponderada binariamente trabaja en el LSB, mientras que el DAC con codificación termométrica se aplica en el MSB. Esto permite un chip más compacto.

Además, a medida que aumentan los bits de entrada, crece el tamaño del codificador, requiriéndose más interconexiones e interruptores.

DAC Delta-Sigma

El DAC delta-sigma es, con mucho, el más preciso y rápido. Consta de los siguientes bloques:

• Filtro de interpolación: Reduce el tiempo de muestreo y aumenta la tasa de muestreo, incrementando la frecuencia de muestreo hasta cuatro veces. Los datos filtrados pasan al bloque modulador como entrada.
• Modulador Delta-Sigma: Funciona como filtro paso bajo para la señal de entrada y filtro paso alto para el ruido de cuantización.
• DAC de 1 Bit: Cada bit se convierte de muestras digitales a formas analógicas para amplificación adicional.
• Filtro de salida analógica: Filtra la salida del DAC y produce las señales analógicas finales.

DAC Delta-Sigma

Ventajas y Desventajas de los DAC

Ventajas

• Se puede lograr alta precisión y resolución.
• Su implementación es sencilla.
• El circuito de resistencias ponderadas es un circuito de conversión rápida comparado con otros métodos.

Desventajas

• Las resistencias ponderadas binariamente disipan alta potencia.
• Las resistencias en los circuitos pueden causar no linealidad, error de offset y error de ganancia.
• Algunos tipos de circuitos DAC requieren componentes adicionales, lo que puede ser poco práctico. No obstante, existen chips DAC discretos que se comunican con microcontroladores mediante I2C y SPI.
• Los convertidores de escalera R-2R presentan retraso, ya que el circuito requiere conmutación según las entradas.
• A pesar de su precisión, es imposible producir valores de voltaje continuos, pues el número binario determina los escalones de voltaje.
• En un DAC de resistencias ponderadas, todos los niveles de voltaje de entrada deben ser iguales; por ejemplo, un conversor de 4 bits necesita cuatro resistencias.

¿Cómo Utilizar un DAC?

Los DACs suelen encontrarse integrados en un microcontrolador o como circuitos integrados separados, siendo estos últimos más comunes. Ejemplos habituales de DACs en encapsulado IC son DAC0808, DAC0832, DAC7715, entre otros.

En esta sección utilizaremos el DAC IC MCP4725 para comprender mejor su uso. Al funcionar con Arduino, es fácil encontrar sus librerías y documentación.

Características del DAC IC MCP4725

• Su encapsulado está disponible en paquete SOT23-6, lo que ahorra espacio de almacenamiento.
• Funciona con interfaz de comunicación I2C, utilizando solo dos pines: reloj serie y datos serie. La velocidad puede oscilar entre 100 kHz y 3,4 MHz.
• Es posible cambiar la dirección I2C conectando el pin de dirección a GND o Vcc al usar múltiples dispositivos.
• Posee una resolución de 12 bits, superior a la de 8 bits de Arduino. Con una tensión de alimentación de 5 V, cada dígito binario se convierte en 1,22 mV (5 V / 2¹²).

Aplicaciones de los DAC

Los DACs se emplean en las siguientes aplicaciones:

• Potenciómetros digitales.
• Sistemas de adquisición de datos digitales.
• Procesamiento de señales digitales, como edición de audio.
• Fuentes de alimentación digitales para microcontroladores.

Conclusión

En conclusión, los DACs son componentes cruciales que vinculan señales analógicas y digitales. Permiten la conexión entre máquinas al convertir cuentas binarias en niveles de voltaje discretos.

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