Electrónica Completa

Curso en línea gratis de Electrónica Completa por el Ing. Alberto Picerno

Circuitos digitales

En la entrega anterior analizamos algunos conversores A/D que nos permitían pasar del mundo analógico al digital. En el mundo digital procesábamos las señales hasta lograr la señal de salida deseada. Pero los órganos del ser humano son analógicos, no pueden entender el símil eléctrico de un número binario con sus ocho o mas líneas en estado alto o bajo. En efecto, en algún punto de nuestro equipo debemos intercalar un circuito conversor D/A que nos devuelva al mundo analógico que entienden nuestros ojos y nuestros oídos.

Conversores D/A

Como con los conversores A/D solo vamos a ver un conversor D/A porque por lo general son circuitos totalmente internos a un CI al que no podemos acceder. Es decir que solo veremos los conversores mas simples que son los llamados R/2R porque funcionan con resistores que son siempre del doble del valor del que lo precede. Y para simplificar la tarea solo vamos a analizar un conversor de 4 bits.

¿Qué tiene que hacer nuestro conversor?

Debe recibir 4 líneas de señal con estados alto o bajo que son la representación eléctrica (bits) de un número binario de 4 bits. Y debe generar una salida analógica por un solo conductor, que represente todos los números posibles de formar con esos 4 bits, que son precisamente 24=16. Esa representación ocurre en forma de una tensión analógica, aunque por el principio de la conversión, de los infinitos números posible de la salida analógica solo se pueden formar 16.

En la figura  se puede observar un posible circuito pero que no es el real sino un circuito didáctico.

Fig.1 Conversor D/A tipo R/2R

XWG1 es nuestro generador digital que fue programado para generar el equivalente eléctrico a los números binarios correspondientes a un diente de sierra descendente. Debajo del mismo se puede observar el programa del mismo que comienza con todas las salidas en alto para luego apagar el bit menos significativo y así sucesivamente hasta que en el paso de programa 16 todos los bits están en cero.

Cada paso de programa se mantiene por 1/16 de mS de modo que todo el ciclo dure 1 mS lo que corresponde a una frecuencia de repetición de 1 KHz para el diente de sierra completo.

Por supuesto que los bits se pueden programar para generar cualquier forma de señal. Nosotros elegimos esta simplemente porque existe memorizada en el generador de palabras y porque permite visualizar simplemente la linealidad del sistema.

En la misma figura se puede observar el frente ampliado del generador de palabras con la predisposición adecuada para nuestro caso. En la sección “Controls” (controles) se predispone en el modo ciclo que significa que las salidas van a pasar por los 16 estados posibles y a volver a empezar por 1111. En el modo burst pasa por los 16 estados posible y se detiene. En el modo step se avanza paso por paso cada ves que se pulsa el botón izquierdo del Mouse. Esto nos permite investigar el circuito con todo detalle y medir las corrientes por el resistor R5 en cada uno de los 16 casos.

En es sector frecuencia colocamos la frecuencia del bit menos significativo. La frecuencia de todo el ciclo será igual a este valor dividido 2n. En nuestro caso n=16 y frecuency deberá colocarse en 16 KHz para obtener un diente de sierra de 1KHz. Este generador se puede enganchar desde el exterior por el terminal de Trigger que en nuestro caso dejamos sin conectar.

Analicemos como se produce la conversión D/A. Realmente es muy simple; observe que el resistor R1 es la mitad del R2 y el R2 la mitad del R3 y el R3 la mitad del R4. Y que R4 está conectado al bit menos significativo generando el salto más pequeño posible sobre R5. Y que R1 esta conectado al bit mas significativo. Abriendo el osciloscopio de 4 canales XSC1 se pueden observar las formas de señales de los 4 bits perfectamente correlacionados entre si y con la forma de señal de tensión sobre R5 y la salida sobre R10.

Fig.2 Salidas binarias y analógica

Teniendo la simulación lista podemos provocar algunas fallas en la sección del conversor para que el técnico reparador pueda observar la influencia de los diferentes bits sobre la salida. En la figura 3 observamos como se ven los oscilogramas si abrimos el resistor R4 (bit menos significativo).

Fig.3 Oscilograma sin el bit menos significativo

Observe que realmente no hay una distorsión importante de la señal solo se nota que los escalones son mas largos. Si se trabaja a 8 o 16 bit le podemos asegurar que hay que tener un excelente oído para darse cuenta de la diferencia. Si se trata de video se observará una minima diferencia de definición de la imagen.

En la figura 4 se observan los oscilogramas con el bit mas significativo cortado.

Fig.4 Oscilogramas con el bit mas significativo dañado

Aquí si notamos un evidente error. En principio en este caso especial la forma de señal se mantiene pero se produce un cambio de frecuencia que ahora es de 2 KHz. Además se reduce la amplitud a la mitad. Con otras señales se podrían producir distorsiones de otro tipo sin cambio de frecuencia.

¿Por qué este conversor no se emplea con mas frecuencia?

Porque su construcción es absolutamente analógica con la distorsión altamente dependiente de la precisión de los resistores R/2R. La diferencia entre este conversor y el realmente utilizado se encuentra a nivel del amplificador de salida y el sumador de entrada que se basan en realidad en la utilización de amplificadores operacionales que no utilizan los capacitores C1 y C2 muy difíciles de integrar. Pero nosotros utilizamos amplificadores a transistor y sumadores resistivos porque no conocemos aun los amplificadores operacionales.

La distorsión de cuantificación

En la figura 1 se puede observar que la señal de salida tiene una clara distorsión aun con todos los componentes funcionando perfectamente bien. En efecto la intensión era generar una rampa y el resultado es evidentemente la generación de una escalera. Esta es la conocida distorsión de cuantificación.

La solución obvia es hacer los escalones mas pequeños y usar mayor cantidad de escalones. Pero esta solución implica transmitir una mayor cantidad de datos por segundo (reducir el tiempo de muestreo) y eso es el equivalente a aumentar el ancho de banda de la transmisión o el tamaño del disco de una grabación.

Pero existe una solución ampliamente utilizada que es la realización de un filtro llamado filtro de cuantificación o de muestreo. El mas simple es un capacitor agregado sobre el colector de Q1 de un valor tal que una los cantos de los escalones formando la rampa que estamos buscando.

Fig.5 Filtro de muestreo de una celda

Aquí podemos observar que el simple filtro capacitivo soluciona el problema de los escalones pero genera un problema en el flanco más alto. Por otro lado no sabemos realmente mucho con observar una escalera de 1 KHz. Lo más conveniente, es levantar la curva de respuesta en frecuencia del amplificador y comprobar cuanto se pierde a 20 KHz.

Fig.6 Caída de la respuesta en 20 KHz por el filtro de muestreo

Como podemos observar resolvimos un problema generando otro. Si nuestro equipo es de audio no debería tener una caída tan grande a 20 KHz. Nuestro capacitor debería diseñarse al revés. Es decir que solo podemos colocar un capacitor que no produzca una caída apreciable en la respuesta a altas frecuencias. Esto ocurre con un capacitor de unos 820 pF. Tal como se observa en la figura siguiente.

Fig.7 Capacitor de filtro elegido para que no corte en 20 KHz

Como podemos observar el corte en 20 KHz es muy pequeño pero ahora debemos observar si este capacitor corrige los escalones de la señal de 1 KHz. En la figura siguiente podemos observar el funcionamiento con 820 pF.

Fig.8 Corrección con el filtro capacitivo de 820 pF

Como podemos observar la acción correctiva es muy pequeña así que debemos encontrar un filtro de mejor calidad. El Worbench posee una sección de cálculo de filtros que nos permite calcular un filtro LC cuya respuesta se puede observar en la figura siguiente.

Fig.9 Filtro de muestreo compuesto

Como se puede observar este tipo de filtro mejora la pendiente pero no se puede evitar que generen algunas oscilaciones después de las transiciones. Por esa razón la solución empleada en la mayoría de los equipos modernos es utilizar un conversor D/A basado en un microprocesador que realiza sus funciones con una enorme precisión y hasta parece generar datos que realmente no fueron transmitidos.

Filtros de sobremuestreo

No existen más datos que los que están guardados en el disco o los que son transmitidos por una emisora. Si el tiempo entre muestras original duraba 60 uS no hay modo de obtener nuevos datos entre dos datos transmitidos. Pero el sonido en general no suele tener cambios bruscos de amplitud. Si una muestra es de 0,8V y la siguiente es de 1,2V podemos decir, sin temor a equivocarnos demasiado, que la muestra intermedia que no se transmitió es de 1V.

Diseñar un microprocesador que lea los estados (para nuestro ejemplo) de 4 líneas de entrada y los guarde en la posición 1 de una memoria es algo muy sencillo (guardamos el dato 1). Conseguir que el microprocesador vuelva a leer el dato 2 y lo guarde en la posición 3 tiene la misma complejidad. Lograr que la unidad aritmética y lógica (ALU) realice el promedio de esos dos números y guarde el resultado en la posición de memoria 2 también es muy simple. Por ultimo solo basta con leer esos valores guardados en orden para obtener un falso dato que probablemente se aproxime a la realidad.

Con todo esto repetido constantemente disminuimos la duración de los escalones y generamos datos intermedios a los 16 valores de rigor. Esto se llama sobremuestrear una señal y no solo se trabaja con el promedio entre dos datos sino que se llegan a calcular muchas posiciones intermedias. A veces tantas como 256 o más aun en un centro musical moderno.

Esto hace que prácticamente desaparezca la escalera y que un pequeño capacitor realice un filtrado perfecto evitando los filtros compuestos mencionados anteriormente. Con toda seguridad el alumno debe estar pensando como hace un microprocesador para realizar una cantidad tan grande de operaciones en un tiempo tan corto.

El microprocesador más conocido, el PIC16F84 que nosotros utilizamos en uno de los primeros capítulos de este curso puede procesar una sentencia cada 250 nS. La velocidad de muestreo en los CD es de unos 24 uS es decir 24.000 nS. Si dividimos ambos valores llegamos a que entre dato y dato un PIC puede realizar una 100 operaciones. Los microprocesadores utilizados en los conversores D/A modernos pueden trabajar aun a mayor velocidad porque no necesitan adaptarse a diferentes trabajos. Solo realizan el trabajo para el que fueron creados: “convertir”

Conclusiones

Con esta entrega terminamos nuestra primera incursión por los circuitos digitales. Evidentemente queda mucho por analizar aun pero nuestro criterio de apoyarse sobre conceptos claros fue cumplido.

En la próxima entrega entraremos de lleno en el receptor superheterodino comenzando por explicar el funcionamiento de una radio de AM clásica con tándem para luego explicar el concepto moderno con microprocesador.

Posteriormente encararemos el tema de las transmisiones de FM estereofónicas y por ultimo el de los receptores de TV. Es un largo camino pero que estamos recorriendo paso a paso para evitar vicisitudes. Si el lector desea obtener mayor conocimiento sobre el tema de las nuevas normas de TDT le recomendamos que lea los TIPs gratuitos sobre LCD y Plasma.

Apéndice: Reflexiones sobre la electrónica digital

Cuando digo que los equipos se digitalizan cada vez más muchos alumnos piensan que la electrónica dejará de usar los circuitos analógicos y que no tiene mayor sentido estudiarlos. De ningún modo es así. Otra creencia equivocada es considerar que los circuitos digitales son rápidos.

La realidad es que los circuitos analógicos son miles de veces más rápidos que los digitales. Para entender esto voy a dar un ejemplo de un dispositivo sobre el cual trabajé.  Este dispositivo era el TANQ; el tanque de guerra Argentino. En un tanque se aprecia mucho la posibilidad de mantener la puntería con el tanque en movimiento. Todos los tanques producidos en el mundo basaban su capacidad de seguir un blanco utilizando una computadora digital muy rápida, que movía los motores de la torreta en función de los parámetros cinemáticos del movimiento del tanque y del blanco. El TANQ hacia lo mismo, pero con una computadora analógica inspirada en un tanque Ruso 100 veces más rápida que la digital. Y así es como el TANQ ganaba todas las competencias militares en terrenos desparejos, acertando al blanco inclusive mientras el tanque pasaba una zanja. ¿Por qué no se usan entonces las computadoras analógicas con mayor asiduidad? Porque no son versátiles, debido a que no son programables. Se diseñan para una función y no sirven para otras.

En el momento actual las compuertas lógicas más rápidas solo llegan a los 100 MHz y con dificultades. Pero entonces para que sirven los microprocesadores que forman parte de todos los equipos modernos. TVs, radios, DVDs, etc. etc. sabemos que contienen por lo menos un microprocesador. Ya lo dijimos anteriormente; el microprocesador coordina y controla el funcionamiento de los circuitos analógicos que lo rodean. Uno de los primeros libros que escribí se llama “El Rey Micro” y es una descripción del funcionamiento de un microprocesador en los dispositivos de electrónica de entretenimiento modernos, escrito en forma de novela. En ese libro aseguro que el microprocesador opera como un rey de su comarca (el equipo). El no realiza ningún trabajo físico con las señales; solo ordena y controla que los dispositivos analógicos cumplan con su función.

Yendo a un ejemplo conocido. Antes, el usuario debía mover el tándem de la radio para sintonizar una emisora. Ahora oprime un pulsador (que inclusive puede ser remoto) y la radio sintoniza la emisora siguiente sin la menor ayuda; o el usuario teclea la frecuencia de una emisora y el centro musical la sintoniza con toda precisión.

Apéndice: Emisoras de radio y TV – pasado, presente y futuro

En la próxima entrega vamos a comenzar a explicar el funcionamiento del receptor superheterodino. Pero algunos alumnos me preguntan que sentido tiene estudiarlo si en poco tiempo mas comienzan las transmisiones digitales de TV llamadas TDT (televisión digital terrestre) que involucran también a las transmisiones de radio. Es tal la confusión generada que considero oportuno explicarle a mis alumnos que es la TDT y cuando y como, se desarrollará en las diferentes regiones del mundo.

• Los canales de TV que Ud. acostumbra a ver están transmitidos básicamente por una portadora modulada en amplitud como la que nosotros estudiamos al construir nuestro radio receptor. Este sistema de transmisión adolece de grandes dificultades y requiere un elevado ancho de banda aun para transmisiones de definición normal. En America se asignan 6 MHz para cada canal de TV. Con este sistema una transmisión de TV de alta definición (HDTV) requeriría tres canales comunes de TV. Las dificultades mencionadas son que las ondas solo se propagan en línea recta (alcance limitado por el horizonte) y que se reflejan en edificios y montañas generando molestos fantasmas.
• Las transmisiones de radio se pueden dividir entre las viejas emisiones de amplitud modulada que abarcan la banda comercial de 530 a 1650 KHz con una asignación de 10 KHz para cada emisora (lo que implica que pueden transmitir solo hasta 5 KHz de audio). Las bandas de OC tienen características similares y las transmisiones estereofónicas de FM en la banda de 88 a 108 MHz moduladas en frecuencia.

Digitalizando las transmisiones se logra un mayor aprovechamiento de la banda electromagnética, un mayor alcance (algo más del horizonte) y la ausencia de fantasmas. Pero sobre todo se logra una extraordinaria flexibilidad de servicio. En efecto tanto audio como video lo que se transmites son datos, léase números generalmente binarios. Y el dato de audio no se diferencia del dato de video, se pueden tratar del mismo modo y por un canal de 6 MHz se puede propagar dos emisiones de TV de definición normal y unas 30 radios estereofónicas o un canal de HDTV. Y también se puede dar servicio combinado de TV y radio etc. etc.

El mejor aprovechamiento del espectro es un tema de enorme interés económico para los gobiernos de todo el mundo, porque el espacio radioeléctrico es pago y cuanto mas información se puede transmitir mayor es la recaudación.

Silencio Analógico

Todos los países del mundo decretaron o van a decretar un día en que se producirá el “Silencio Analógico”. Ese día cesan todas las transmisiones analógicas y solo se transmiten señales digitales. Por lo general todos los canales de aire de la banda baja y alta de VHF (50 a 220 MHz) que se suele denominar TV abierta pasan a transmitir en la banda de UHF con un servicio de dos o tres canales de definición mejorada (tipo DVD) durante todo el día y con algunas transmisiones de HDTV en horarios centrales.

Los viejos receptores analógicos de TV y radio quedan obsoletos salvo que se les agregue un sintonizador digital que esté preparado para las nuevas emisiones. De cualquier modo aun con el sintonizador especial no es posible observar las transmisiones de HDTV que requieren por lo menos una pantalla boba (sin sintonizador) que tenga la definición y el formato de pantalla alargado (16/9). Es evidente que si el receptor de HDTV tiene sintonizador digital no requiere el receptor externo.

EEUU es el único país que posee una fecha cercana para el silencio analógico (mayo del 2009) aunque vale decir que esa fecha ya fue prorrogada tres veces. Para ayudar a los habitantes de menores recursos repartieron sintonizadores a la tercera parte de su valor real aunque en el momento actual los mismos están agotados.

Los diferentes países de Europa tienen fechas que parten de fines del 2009 hasta el 2013 pero nadie sabe a ciencia cierta como pueden ser afectadas estas fechas por la actual crisis económica mundial. En America latina son pocos los países que ya pusieron una fecha concreta como Brasil y Chile.

Hasta el momento existen tres normas de TDT que por supuesto involucran a la norma de HDTV. La Americana, la Europea y la Japonesa. Expliquemos las características particulares de cada una como una información general a nuestros alumnos antes de introducirnos en el tema de los receptores comerciales de radio y TV.

¿Qué es la televisión digital terrestre TDT?

Es una tecnología que permite redefinir el uso del espacio readioelectrico para transmitir señales de televisión y radio mediante el reemplazo de una señal analógica por una digital y así enviar más información por el mismo ancho de banda. Hasta 6 canales donde hoy solo es posible enviar uno.

Las transmisiones contemplan 3 alternativas de calidad: definición estandar SDTV, definición mejorada EDTV y alta definición HDTV.

• La SDTV es equivalente a la actual pero con mejor recepción ya que la transmisión digital soporta mejor las condiciones de ruido del medio (aire).
• La EDTV es equivalente a la definición de un DVD.
• HDTV o alta definición, que tiene una definición de calidad superior ya que aumenta la resolución de la imagen de las 625 originales a 720 líneas o 1080 de acuerdo al TV. Al hacer el cambio siempre será necesario tener un sintonizador que reciba la nueva señal digital, la programación transmitida puede ser decodificada por un receptor y ser convertida a analógica para ser vista en un televisor actual.

Cada canal puede ser utilizado para otro tipo de transmisiones como de radio o información tipo Internet.

¿Qué alternativas existen para las transmisiones de TDT?

Existen 3 Normas de TDT; la ATSC o norma americana la DVB-T o norma europea y la ISDB-T o norma japonesa. No podría haber un acuerdo para que exista una sola norma. Por supuesto pero ya hay millones de TV fabricados en esas tres normas y las mismas no son compatibles. Europa y Japón deberían pagar regalías a EEUU si pretendieran usar su norma y por eso es que en realidad generaron normas nuevas; claro que al hacerlo incorporaron mejoras sobre todo de compatibilidad con otros servicios y de versatilidad de las transmisiones.

La señal ATSC se adapta pobremente a los cambios del tipo de transmisiones futuras como ser el servicio de radiodifusión. Incorpora poca protección contra la piratería de los contenidos. Requiere mayor potencia para transmitir en áreas de malas condiciones de propagación. Inicialmente no contemplaba la encriptación pero fue modificada y las nuevas versiones la contemplan dando lugar a la TDT paga codificada (en Argentina lo explota Antina TV). Contempla la transmisión a receptores móviles pero no está optimizada para ello, lo que resulta un exceso de consumo de batería de los mismos.

Las ventajas de esta norma es que requiere menos potencia de transmisión que las otras en áreas cercanas. Es el estándar más adoptado a nivel mundial y obtiene la misma calidad de recepción que la DVB-T o la ISDV-T. Por supuesto que soporta las transmisiones de alta definición y ofrece una excelente recepción en zonas difíciles tanto urbanas como a dispositivos móviles que no tengan mayor problema con su fuente de energía como el transporte urbano de pasajeros (omnibus).

La norma DVB-T y la ISDV-T son variantes de la ATSC y muy similares entre si. Solo se diferencian en su adaptabilidad a los servicios móviles y a la incorporación de nuevos servicios. Pero fueron cambiados algunos parámetros fundamentales para que puedan considerarse normas diferentes y evitar de este modo el pago de regalías.

Lo importante para nosotros es que en las tres normas la información de datos se envía como modulación de una portadora que fue dejada en las mismas frecuencias actuales. Eso significa que los receptores funcionan de un modo similar hasta que se llega al demodulador en donde si comienza la diferencia. Es decir que nuestra próxima etapa de estudio; el receptor superheterodino que tiene vigencia desde hace 100 años seguirá vigente por mucho tiempo más y se impone su estudio como si fuera la más moderna innovación tecnológica.