PDF de programación - Entradas y Salidas analógicas

ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS

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ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS

Índice

Presentación
Conversión de tensión analógica/digital (A/D)
Conversión analógica/digital (A/D): cuantificación, muestreo y aliasing
Conversión de tensión digital/analógica (D/A)
Entrada analógica (A/D): bits de conversión, rango de medida y resolución
Relación entre la tensión de entrada analógica y el valor digital
Configuración del conversor A/D en el ATmega328
Ejemplo de configuración del módulo de entrada analógica
Salidas PWM (Pulse Width Modulation)
Las salidas PWM en el ATmega328
Resumen
Referencias bibliográficas

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ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS

Presentación

En este
microcontroladores
microcontroladores, que no son habituales en microprocesadores de uso general.

recurso vamos a presentar algunas funcionalidades específicas para
funcionalidades específicas para

Los microcontroladores están pensados para trabajar como dispositivos empotrados
dispositivos empotrados,
controlando sistemas en un amplio espectro de aplicaciones: juguetes, robótica, domótica,
automatización de procesos industriales, electrónica de consumo (lavadoras, TV, estaciones
meteorológicas), etc. Por tanto, deben incluir circuitería específica
circuitería específica para realizar tareas
como:

Minimizar el consumo energético
Minimizar el consumo energético, dado que a menudo se operan desde baterías. Se
posibilita la activación o desactivación selectiva de módulos funcionales (se retira la
alimentación de aquellos módulos del micro que no sean necesarios), y se implementan
diferentes modos de reposo (sleep modes) para evitar consumo eléctrico innecesario.

Si funcionan de manera aislada, deben disponer de un sistema de reinicio automático
sistema de reinicio automático
si un programa se cuelga, dado que no hay nadie que lo reinicie manualmente. Este
mecanismo se conoce como watchdog (perro guardián).

Interactuar con otros dispositivos digitales
Interactuar con otros dispositivos digitales , empleando entradas y salidas digitales,
donde solo hay dos posibles niveles de tensión significativos (alto o bajo).

Interactuar con dispositivos analógicos
Interactuar con dispositivos analógicos (típicamente sensores y actuadores), donde las
tensiones pueden tomar cualquier valor significativo entre un mínimo y un máximo (por
ejemplo, 0.7 V, 2.3 V, 4.1 V, o cualquier otro valor).

Controlar motores u otros actuadores
Controlar motores u otros actuadores (iluminación, electroimanes, etc.), mediante
señales en Modulación de Ancho de Pulso (PWM o Pulse Width Modulation).

En este recurso nos centraremos en estas dos últimas características.

Los objetivos

objetivos que se pretenden alcanzar con este recurso son los siguientes:

Identificar algunas funcionalidades

funcionalidades específicas para microcontroladores.

Estudiar la interconexión
tanto entradas como salidas.

*
interconexión con las señales analógicas de los procesadores ATmega ,

Revisar algunos dispositivos analógicos
actuadores
actuadores.

dispositivos analógicos, tanto sensores como motores u otros

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*

Esta marca es una marca registrada que se cita para uso exclusivamente docente.

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Conversión de tensión analógica/digital (A/D)

tensión analógica es un valor continuo ( como estos ejemplos ), por lo que es necesario
Una tensión analógica
digitalizarla para que un micro pueda conocer su valor. Esta operación se realiza
empleando un circuito llamado conversor analógico/digital
conversor analógico/digital:

Algunos ejemplos de señales de tensión analógicas
Algunos ejemplos de señales de tensión analógicas

Sensores de temperatura
Sensores de temperatura: termopares, RTD (Resistor Temperature Detector),
termistores, circuitos integrados como el LM35, LM135 o AD580.

Sensores de
Sensores de
fototransistores).

iluminación
iluminación: LDR

(Light Dependent Resistors),

fotodiodos,

Potenciómetros ajustables
Potenciómetros ajustables (de giro o desplazamiento).

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El proceso para digitalizar

digitalizar una tensión analógica es como sigue:

Seleccionar un canal de entrada
Seleccionar un canal de entrada. La tensión se mide entre ese canal y la referencia de
tensiones GND.

Iniciar la conversión
Iniciar la conversión tomando una muestra de la tensión, empleando un circuito de
muestreo y retención (sample&hold) que mantiene la medida estable mientras se hace
la digitalización (que tarda un cierto tiempo).

Completada la digitalización, el valor digital correspondiente está listo para ir al bus de
valor digital correspondiente está listo para ir al bus de
datos
datos.

El proceso anterior permite tomar una medida instantánea (muestra
muestra), empleando m bitsm bits
para codificarla en binario. Si la medida se actualiza periódicamente, el tiempo entre
muestras se denomina periodo de muestreo
(seg.). Su inversa es el número de muestras
por segundo, denominada frecuencia de muestreo

frecuencia de muestreo ff en Herzios (Hz):
en Herzios (Hz):

SS

periodo de muestreo TT (seg.).

SS

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Conversión analógica/digital (A/D): cuantificación,
muestreo y aliasing

Cuando se digitaliza una señal analógica se pierde información

se pierde información por dos razones:

La codificación con un número finito (m) de bits implica que las amplitudes sese
truncarán al valor binario más cercano
truncarán al valor binario más cercano (cuantificación). El error que introduce esta
codificación se reduce
incrementando el número de bits empleado, pero en
contrapartida aumenta el tiempo de medida, el tamaño de los datos, y el coste.

desconocidos entre muestra y muestra . Esto es,
Los valores de la tensión analógica son desconocidos entre muestra y muestra
solo conocemos cuánto vale la tensión en los momentos en que se mide. Los cambios
cambios
en la tensión
en la tensión que se produzcan entre muestras no se conocen
no se conocen. Por lo tanto, si el
muestreo es demasiado lento, los cambios de la señal que se han perdido pueden
incluir información importante. Por ejemplo, en la siguiente figura la onda de color azul
onda de color azul
se muestrea demasiado lentamente: solamente conocemos de ella las muestras en
color rojo:

La señal en color verde
color verde (más lenta) produciría exactamente las mismas muestras. Por tanto
como solo conocemos las muestras, identificaremos la señal verde que la representan, pero
no podemos adivinar la azul que las originó en realidad. La señal verde (errónea) se
denomina un alias
aliasing. Solo puede
evitarse empleando un muestreo lo bastante rápido
muestreo lo bastante rápido. En general, si la frecuencia más alta de
la señal a digitalizar es ff
MAXMAX

alias de la señal azul (real), y este efecto se denomina aliasing

, se debe usar una frecuencia de muestreo f que cumpla:

S

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Conversión de tensión digital/analógica (D/A)

tensión analógica
tensión analógica, se emplea un conversor
Para ofrecer una salida de
salida de
digital/analógico, que genera como salida una tensión continua correspondiente al
valor digital de entrada (en m bitsm bits). Este conversor mantiene además la tensión de
salida constante hasta que se actualice con una nueva entrada.

Los micros de Atmel no disponen de conversor D/A
modulación de ancho de pulso (PWM).

*

conversor D/A, en su lugar ofrecen varias salidas de

 Conversor A / D especializado
Ejemplo

Conversor A/D especializado
Conversor A/D especializado

conversor A/D especializado de un solo canal: la
Un laptop ordinario suele contar con un conversor A/D especializado
analógica, en un rango típico de -0.2
entrada de micrófono. La señal de un micrófono es analógica
a +0.2 V. Esta entrada es digitalizada para poder grabar sonido. Asimismo, incluye una
salida analógica especializada de dos (o más) canales: las salidas de altavoces/cascos
salidas de altavoces/cascos.
Genera la tensión analógica que hace vibrar una membrana en los altavoces que es la
que origina las ondas de sonido en el aire
ondas de sonido en el aire . Con ciertas precauciones eléctricas se pueden
emplear para digitalizar (o generar) otras señales también.

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ENTRADAS Y SALIDAS ANALÓGICAS

Entrada analógica (A/D): bits de conversión, rango de
medida y resolución

, V

min max

La tensión analógica de entrada debe encontrarse dentro de un cierto rango de medi