convertidor analógico-digital

Un convertidor analógico-digital (ADC) es un dispositivo semiconductor que muestrea una señal continua de voltaje o corriente a intervalos regulares y expresa cada muestra como un número binario. Los sistemas industriales utilizan los ADC para cerrar la brecha entre el mundo físico, donde la mayoría de las mediciones son analógicas (temperatura, presión, vibración), y los sistemas de control digital que procesan valores numéricos discretos. Sin un ADC, un PLC o microcontrolador no puede reaccionar a los datos del sensor.

El proceso de conversión ocurre en dos etapas: muestreo y cuantificación. Durante el muestreo, el ADC mide el voltaje de entrada a intervalos de tiempo fijos, que suelen oscilar entre kilohercios y gigahercios, según la aplicación. Durante la cuantificación, el voltaje medido se redondea al nivel discreto más cercano dentro de la resolución del convertidor. Un ADC de 8 bits produce 256 posibles valores de salida; un convertidor de 12 bits produce 4096. La diferencia entre niveles consecutivos se denomina bit menos significativo (LSB) o tamaño de paso. Un ADC de 12 bits con un rango de entrada de 0 a 10 voltios, por ejemplo, tiene un LSB de aproximadamente 2.4 milivoltios.

Los ADC industriales vienen en varios tipos de arquitectura, cada uno con diferentes características de velocidad y potencia. Los registros de aproximaciones sucesivas (SAR) dominan en los sistemas de adquisición de datos, ofreciendo un buen equilibrio entre velocidad y resolución con un consumo de energía moderado. Los convertidores flash sacrifican la resolución por una velocidad extrema en aplicaciones de video y RF. Los convertidores sigma-delta destacan por su alta resolución con filtrado intenso, común en básculas de precisión e instrumentos analíticos. La elección depende de la velocidad de conversión requerida (muestras por segundo), la resolución (bits) y el ancho de banda de entrada.

Los modos de falla comunes incluyen el aliasing, donde las señales más rápidas que la mitad de la frecuencia de muestreo se pliegan en la salida como falsas señales de baja frecuencia; y el error de cuantificación, un piso de ruido irreducible inherente a la resolución finita. Para evitar el aliasing, se coloca un filtro analógico de paso bajo (llamado filtro anti-aliasing) antes del ADC para eliminar el contenido de frecuencia por encima de la mitad de la frecuencia de muestreo. La precisión del ADC también depende de la estabilidad del voltaje de referencia; cualquier deriva o ruido en la referencia corrompe directamente los códigos de salida.

Los ADC industriales aparecen en casi todas las aplicaciones de control y monitoreo: los variadores de frecuencia muestrean la corriente y el voltaje del motor, los controladores de proceso leen los transmisores de temperatura y presión, los sistemas de monitoreo de vibraciones capturan las firmas de los rodamientos. Están integrados en módulos de adquisición de datos, incrustados en acondicionadores de señal de sensores y construidos en los canales de entrada analógica de PLCs y computadoras industriales. El término refleja la dirección de la conversión: los sistemas digitales deben convertir el mundo analógico en números antes de poder actuar sobre él.