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Convertidor análogo-digital Sigma-Delta




Enviado por jvillep



    Convertidor analogo-digital
    Sigma-Delta

    Las técnicas de modulación Sigma-Delta han
    sido usadas muy satisfactoriamente en las aplicaciones que
    requieren conversión análogo digital, en las
    últimas dos décadas. Aunque los conceptos de
    Sigma-Delta existen desde la mitad del siglo, solo con los
    recientes avances en tecnologías VLSI ha sido posible
    darle un manejo adecuado al flujo de bits generado por el ADC de
    1 bit.

    La operación básica de un convertidor
    Sigma-Delta es intercambiar tasa de muestreo por
    resolución. Las señales son muestreadas a una tasa
    mucho mayor que la de Nyquist, pero con un solo bit de
    resolución en amplitud.

    Un típico modulador Sigma-Delta es mostrado en la
    figura:

    La señal análoga de entrada y el flujo de
    bits (bitstream), cuya densidad de un
    bit es una representación de la magnitud de la
    señal análoga, son sumadas. Luego son integradas y
    entran a un comparador el cual tiene como salida 0 o 1
    dependiendo sí la salida del integrador es mayor o menor
    que el voltaje de referencia del comparador.

    La forma más simple de entender la
    operación es suponer una pequeña variación
    de una condición, en estado estable
    y ver que pasa. Por ejemplo, suponer una entrada análoga
    positiva y el promedio del "bitstream" alto comparado con la
    entrada análoga, entonces la salida del sumador
    será negativa. Esto en el tiempo
    dará como resultado una salida del integrador la cual
    hará que el comparador de un cero como resultado. Es claro
    que el promedio del "bitstream" debe seguir de cerca de la
    señal análoga de entrada.

    El comparador es simplemente un amplificador con muy
    alta ganancia el cual tendrá salidas de 1 o 0 dependiendo
    de la diferencia entre la entrada y su voltaje de
    referencia.

    Esta configuración forma un lazo de
    retroalimentación negativa fuerte y de alta ganancia el
    cual da al ADC Sigma- Delta excelente linealidad y un error muy
    pequeño. Esto además minimiza los efectos del
    deterioro de los componentes con el tiempo, haciendo
    del convertidor Sigma-Delta muy estable comparado con sus primos
    de lazo abierto.

    En la modulación Sigma –Delta la integral
    de la señal de entrada es codificada en lugar de la propia
    señal, la modulación puede ser entendida como un
    modulador Delta convencional precedido de una malla de integración. En la modulación Delta
    la señal análoga es aproximada con series de
    segmentos, cada segmento de la señal aproximada es
    comparado con la señal original para determinar si crece o
    decrece en amplitud; el valor de los
    siguientes bits está determinado por esta
    comparación, y solo los cambios de información son transmitidos, es decir, si
    no existe cambio en la
    comparación se seguirá transmitiendo el mismo
    valor (0 o
    1).

    El modulador Sigma – Delta descrito hasta ahora es
    esencialmente un ADC con solo un bit de resolución. La
    resolución puede ser aumentada promediando la salida del
    modulador, lo cual se puede lograr a través de un filtro
    pasabajos, seguido de un decimador el cual convierte la
    señal de un bit (bitstream) en una señal PCM
    multibit a la tasa de Nyquist.

    Ventajas y Desventajas:

    El precio que
    tiene que pagarse por la alta resolución de la tecnología Sigma
    – Delta siempre ha sido velocidad; el
    hardware tiene
    que operar a una tasa de sobremuestreo, mucho más alta que
    el ancho de banda de la señal, demandando circuitos
    digitales complejos. Debido a esta limitación estos
    convertidores han sido tradicionalmente relegados a aplicaciones
    de muy alta resolución y baja frecuencia, y más
    recientemente a audio y velocidades medias (100 KHz – 1MHz
    )

    La mayoría de la circuiteria de los convertidores
    Sigma – Delta es digital. Esto implica que el rendimiento
    no se deteriora significativamente con el tiempo y la
    temperatura,
    además la incorporación del convertidor en un solo
    chip con circuiteria adicional como un DAC, microcontrolador, o
    DSP es posible, y su costo es bajo y
    decreciente.

    No se requiere un circuito externo de "sample and hold"
    dada la alta tasa de muestreo en la
    entrada y la baja precisión del ADC. El requerimiento de
    filtros para evitar sobrelapamiento es mínimo, en la
    mayoría de los caso un simple filtro RC con un solo polo
    es suficiente. En contraste los filtros requeridos para
    aplicaciones de media y alta resolución usando otras
    tecnologías son muy sofisticados, difíciles de
    diseñar, grandes y costosos.

    El nivel de ruido de fondo
    que determina el SNR es independiente del nivel de la
    señal. Debido a la existencia de un filtro digital
    después de la etapa de conversión AD, el ruido
    inyectado durante este proceso de
    conversión puede ser controlado muy
    efectivamente.

    El convertidor al contrario de otros tipos; se comporta
    como un pasabajos para la señal y un pasaltos para el
    ruido.

    Javier Villegas

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