También llamado el circuito de captura y retención o " sample and hold " utilizado en ADCs, su funcionamiento es el siguiente: el valor de las señales analógicas que deben convertirse a la forma digital corresponde a un cierto instante cuya duración, en algunos casos no va más allá de unas pocas millonésimas de segundo.
Por lo tanto, un primer bloque importante del convertidor es un circuito que lee el valor de la señal que se convertirá en un instante dado y la almacena de modo que incluso si la señal varía más adelante, los circuitos que hacen de la conversión tienen en una memoria su valor.
Este circuito se muestra en los bloques en la figura 1.
La señal a muestrear es amplificada mediante un buffer de entrada, cuyo propósito no es cargar el circuito externo y, al mismo tiempo, proporcionar aislamiento del circuito de conversión.
A la salida de este circuito tenemos una llave electrónica o conmutadora que determina el instante exacto en el que se debe hacer la lectura de la señal.
La llave se cierra durante una fracción de segundo (una frecuencia que depende de la velocidad de muestreo), lo que permite que la señal cargue el capacitor C.
Por lo tanto, cuando se abre la llave, a la espera de la siguiente lectura, el capacitor ha almacenado el valor de la magnitud analógica que se va a convertir.
Esta tensión en el capacitor se mantiene en el circuito del convertidor a través de un buffer de salida durante el tiempo que necesite hacerlo.
La figura 2 muestra un gráfico en el que representamos cómo varía la tensión de entrada y el circuito de muestreo y retención mantiene la salida constante durante los intervalos de conversión (que corresponden a los "escalones").
a) Sistema de conversión simultáneo
El sistema de conversión simultáneo (que es el más simple) tiene la configuración mostrada en la figura 3.
En este circuito tenemos una escala de 8 valores de salida posibles que pueden ser cubiertos por un sistema de 3 bits. Por lo tanto, es un convertidor A/D de 3 bits.
Los comparadores tienen tensiones escalonadas en sus entradas de referencia, que determinan el instante en que deben cambiar.
Por lo tanto, para 8 niveles de accionamiento, tenemos 7 tensiones escalonadas de 1/8 a 8/8 de Vcc, que es la tensión máxima que el circuito puede medir en su entrada. Por supuesto, este tipo de circuito está seriamente limitado por la cantidad de comparadores que podemos utilizar.
¡Para un sistema de 16 bits, por ejemplo, 4095 comparadores serían necesarios! Volviendo al circuito, los niveles lógicos obtenidos de las salidas del comparador son secuenciales, como vimos.
Para obtener una salida codificada en binario, necesitamos usar una matriz de codificador. Esta matriz se puede elaborar en esta configuración más simple a partir de inversores, puertos AND y OR. Con esto, obtenemos señales en su salida que corresponden a los 8 niveles de tensión posibles, a saber:
000
001
010
011
100
101
110
111
En este circuito tenemos un sistema adicional de RESET y puerto de lectura (READ).
El puerto de lectura es interesante porque le permite transferir los datos digitales al circuito externo tan pronto como queramos.
Por lo tanto, podemos dar al circuito tiempo para estabilizarse, lo que puede ser importante si utilizamos sensores rápidos, evitando que los valores oscilen rápidamente en la salida, lo que causaría una interpretación errática del ordenador o microprocesador donde está conectado.
Aplicando un pulso corto en esta entrada (READ), leemos el valor escaneado en ese instante. En el circuito indicado, este valor se almacena en un registro formado por un conjunto de flip-flops.
Por lo tanto, este valor se fija en la entrada y puede mantener activado, por ejemplo, un indicador. Para la siguiente lectura, el valor almacenado en el registro debe borrarse antes de realizar la relectura. Esto se logra mediante un pulso de RESET.
b) Circuito de Conversión por Contadores
En la figura 4 tenemos un diagrama de bloques de un convertidor que utiliza esta técnica.
Este circuito resalta el comparador único que tiene dos entradas.
En una entrada se aplica la señal que se medirá (una tensión dentro de una cierta banda de valores). En la otra entrada aplicamos una señal que es producida por un generador especial llamado "generador de escalera".
Esta señal consiste en una tensión que se eleva "a los saltos" con tantos escalones como sea necesario para la salida digital.
Por ejemplo, en un convertidor de 8 bits, esta señal consta de 256 "escalones" iguales de tensión.
Esta señal se puede generar fácilmente por el oscilador de clock que aplica su señal a un contador conectado a una red R/2R, tal y como se muestra en la figura 5.
Observamos que el clock de este circuito es habilitado por el propio circuito del comparador. Por lo tanto, suponiendo que hay una cierta tensión en la entrada y la conversión está habilitada, el oscilador de clock entra inmediatamente en funcionamiento.
Suponiendo que el contador esté a cero, entonces comienza la producción de la "escalera" de tensión que se aplica al comparador. En el instante exacto en que la escalera genera un escalón que es igual a la tensión de entrada, el comparador cambia.
El resultado de esto es la parada del clock y por lo tanto el recuento.
En este punto el contador habrá registrado el número de escalones contados, es decir, sabrá en qué valor binario ocurrió el cambio. Entonces basta con transferir este valor al circuito externo que se puede hacer, de la misma manera que en el proceso anterior a través de un registro.
Para la reconversión, que se puede hacer una fracción de segundo más tarde, o el tiempo que sea necesario, simplemente vuelva a escanear el contador y vuelva a habilitar el clock.
Además de estas dos configuraciones hay otras, como de aproximación sucesiva.