R-2R Ladder en conversor digital analógico (CDA), by Kiara Navarro

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Este arcítulo sobre la escalera R-2R, una configuración muy utilizada en conversión analógico digital (CDA) es una colaboración de la compañera Kiara Navarro, del blog Clase911.com para Panama Hitek. Kiara es estudiante de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad Tecnológica de Panamá. Actualmente cursa el quinto año de su carrera y esta vez tenemos el honor de contar con su colaboración para traerles a ustedes este interesante tema.

 

Todos aquellos que alguna vez hayan trabajado con microcontroladores, habrán tenido la experiencia de escuchar o utilizar un conversor digital analógico. Por ejemplo, el microcontrolador ATMega 328p que utiliza la placa Arduino UNO tiene un conversor analógico digital de 10 bit. Un conversor analógico digital está basado en tres procesos básicos para la transformación de una señal analógica a digital, estos procesos son conocidos como: muestreo, cuantización y codificación. No entraré en detalles con estos procesos pero lo importante de ellos es que se encargan de muestrear una señal, cuantizarla asignando a cada valor de muestra un nivel y luego codificándola por lo general en una señal PCM. El resultado es la obtención de un número binario equivalente a la señal analógica tomada de la muestra.

Una aproximación de un conversor analógico digital necesita un conversor digital analógico, un registro encargado de convertir un voltaje desconocido a un valor digital, y un comparador que utiliza un voltaje de referencia, (para el Arduino UNO se conoce como AREF http://www.clase911.com/CV/index.php/component/content/article/45-technologie/technologie/191-para-que-sirve-el-pin-aref-en-arduino). Dentro de muchos conversores digital analógico se encuentra la existencia de un circuito llamado R-2R donde su función es la de suplir valores analógicos mediante el uso de resistencias utilizando referencias digitales. Es una configuración escalera de puras resistencias.

Veamos el diagrama de un circuito R-2R.

r-2r

Observa que el circuito tiene ciertas características, la primera de ellas ya la he mencionado y es su configuración de tipo escalera. La otra característica y ventaja es la utilización de únicamente dos valores de resistencias, donde el segundo valor es el doble del primero, de allí su nombre: R-2R mientras que la referencia digital se coloca en la terminal que no va conectada a la configuración.

Haciendo un análisis de Thévenin se puede entender mejor cómo funciona este circuito. Más que todo trabaja como un divisor de voltaje que por cada entrada binaria se presenta una ganancia. Un ejemplo similar a lo que acabo de mencionar, lo puedes encontrar en este artículo: http://www.clase911.com/CV/index.php/component/content/article/39-electronique/electronica/237-como-funciona-un-conversor-digital-analogico-de-tres-bits 

Si eres curioso y quisieras poner a prueba tus habilidades en circuitos, podrías calcular su equivalente Thévenin por cada entrada binaria tomando en cuenta la tierra virtual y observarás que la resistencia vista a la entrada es igual a R.

Este es un circuito puede ser económico dependiendo desde donde lo mires ya que sólo implementa el uso de dos valores de resistencias, pero éstas deben ser de precisión, especialmente para los bits más significativos (MSB). Una de las ventajas que ofrece con respecto a otras configuraciones es que el número de resistencias necesarias es proporcional a 2n y tiene alta velocidad en la conversión de la señal.

El R-2R brinda un voltaje a la salida que va entre 0 a 5 V si se considerada que las entradas digitales pueden brindar únicamente esos dos valores y tendrán 2^n valores analógicos posibles.

Muchos de los ADC están basados en esta red y es importante al menos tener una idea básica de su funcionamiento. Algo muy importante a mencionar es que esta red puede no presentarse en un microcontrolador, para eso existen integrados como el BCN31 Ladder o el 628 Ladder que pueden servirte a la hora de diseñar o elaborar proyectos. Puedes utilizarlo por ejemplo para diseñar sensor de presión de aire, o un LCD que trabaje para un dimmer, entre otros. Puedes utilizarlo tranquilamente con circuitos que trabajen a niveles de voltaje TTL.

Si decides en algún momento utilizarlo, es preferible que le añadas un buffer para que aisles la carga de la impedancia de salida. Un LM358 debería servirte. También a medida que incrementes la cantidad de entradas, es necesario que utilices una resistencia 2R puesta a tierra.

Espero que les haya gustado esta entrada. Y si este artículo te ayudó, y quisieras compartir tu nuevo conocimiento con los demás, ayúdanos a que otras personas como tú, pueden también leerlo.

Imagen tomada de: http://en.wikipedia.org/wiki/File:R2r-ladder.png