Transcript Aula 10 – Interface com o Mundo Analógico
Eletrônica Digital II ELT013 Engenharia de Computação
Aula 10
INTERFACE COM O MUNDO ANALÓGICO
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Quantidade Digital Vs. Quantidade Analógica
Quantidades Digitais Podem assumir um entre dois valores possíveis. Por exemplo, 0 ou 1, ALTO ou BAIXO, VERDADEIRO ou FALSO, etc.
Podem estar em um intervalo especificado, o valor exato não é tão importante.
0 a 0,8 V nível lógico 0 2 a 5 V nível lógico 1 Quantidades Analógicas Podem assumir um número infinito de valores dentro de uma faixa Seu
valor exato
é bastante importante.
Ex.: Sensor de temperatura a variação de mV já implica na mudança de alguns °C na temperatura medida.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (1)
A maioria das variáveis físicas são analógicas e podem assumir
qualquer valor
dentro de uma faixa contínua de valores.
Temperatura, pressão, posição, velocidade, etc.
A variável física é geralmente uma grandeza não elétrica.
Um transdutor converte uma variável física em elétrica.
Quantidade elétrica é proporcional à quantidade da variável monitorada.
Exemplos: sensores de temperatura, fotocélulas, fotodiodos, medidores de vazão, transdutores de pressão, tacômetros.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (2)
Saída
elétrica do
transdutor analógica
analógico serve como
entrada
para um conversor analógico-digital (ADC).
ADC converte essa entrada analógica em saída digital Saída digital é um número de bits que representa o valor da entrada analógica.
Saída binária do ADC é número binário proporcional à tensão da entrada analógica.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (3)
Representação digital da variável física é transmitida a partir do ADC para o sistema digital.
Valor digital é
armazenado
e
processado
de acordo com o programa de instruções que ele está executando.
Programa pode executar cálculos ou outras operações para produzir uma saída que acabará sendo usada para controlar um dispositivo físico.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (4)
Saída digital é conectada a um conversor digital-analógico (DAC) Converte para uma tensão ou corrente analógica proporcional.
Sinal analógico muitas vezes é ligado um dispositivo ou circuito que serve como um atuador Controla a variável física, como uma válvula eletricamente controlada, um termostato, etc.
Deve-se lidar com a diferença natural entre o sinal digital e analógico ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 7
CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICA
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Conversão D/A
Na conversão D/A o valor representado em
código digital
é convertido em uma tensão ou corrente valor digital.
proporcional
ao Saída de DAC não é tecnicamente uma quantidade analógica, pois assume apenas valores específicos.
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Valor de Referência
Tensão de referência V ref Determina o fundo de escala, ou o máximo que valor que o conversor D/A gera Entradas digitais São geralmente conectadas à saída de um registrador de um sistema digital Para cada número de entrada, a tensão de saída do conversor D/A é única.
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Valor de Saída (1)
Neste caso, o valor da saída V OUT entrada binário é o mesmo valor da Mas poderia ser o dobro, metade, 1/15, etc. Sempre mantendo a proporcionalidade Mesma abordagem é válida para uma saída de corrente I OUT ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 11
Valor de Saída (2)
Para cada número de entrada, a tensão de saída D/ do conversor é um valor único:
Saída Analógica = K * Entrada Digital
onde K é o fator de proporcionalidade constante para um dado DAC ligado a uma tensão de referência fixa.
Exemplo: K = 1V V OUT = K * Entrada Digital V OUT = 1V * 1100 2 V OUT = 1V * 12 10 V OUT = 12V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 12
Saída Analógica (1)
A saída de um DAC é “pseudo-analógica” Apenas aproxima da analógica pura, conhecida como analógica por conveniência.
Quantidade de possíveis valores para a saída pode ser aumentada, aumentando-se os bits de entrada.
Desta forma, a diferença entre os valores sucessivos diminui Isso permite gerar saídas mais parecidas com uma quantidade analógica ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 13
Saída Analógica (2)
Cada entrada digital contribui com um valor diferente para a saída analógica São ponderadas de acordo com sua posição no número binário.
Pesos são dobrados sucessivamente para cada bit, começando com o LSB. V OUT pode ser considerado a soma ponderada das saídas digitais.
VOUT = 01112 = 0V + 4V + 2V + 1V = 7V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 14
Resolução (1)
Resolução de um conversor D/A é definida como a
menor alteração
da
saída analógica
como resultado de uma
alteração
na
saída digital
.
Resolução é o mesmo que o fator de proporcionalidade entrada/saída DAC.
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Resolução (2)
Resolução sempre é igual ao peso do LSB ou tamanho do degrau Quantidade de V OUT que mudará na medida em que o valor da entrada digital mudar de uma etapa para a outra.
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Implicações da Resolução na Conversão D/A
O projetista deve escolher a resolução com base na precisão necessária O controle de um motor ou vazão de uma válvula para um faixa de 0V a 10V Seis bits → 63 degraus de 0,159V Oito bits → 255 degraus de 0,039V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 17
Conversores D/A Bipolares
DACs também podem produzir tensões negativas, fazendo pequenas alterações ao circuito analógico na saída do DAC.
Outros DACs podem ter circuitos internos extras e aceitar números com sinal em forma de complemento de 2 como entradas.
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CIRCUITOS CONVERSORES D/A
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Conversores D/A Simples (1)
DAC simples usando um amplificador operacional na configuração amplificador somador com resistores com ponderação binária Razão entre R IN e R F faz a atenuação do sinal de entrada
V OUT
V D
1 2
V C
1 4
V B
1 8
V A
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Conversores D/A Simples (2)
Valores de resistência de entrada são binariamente ponderados.
Exemplo: Tensão de entrada é de 5V no nível ALTO e 0V no nível BAIXO e a entrada digital for 1010 então:
V OUT
5
V
1 2 0
V
1 4 5
V
1 8 0
V
6 , 25
V
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Conversores D/A Simples (3)
Resolução do conversor é o peso do LSB 1/8 x 5V = 0,625V Contundo essa configuração não é muito precisa já que: 0 a 0,8 V nível lógico BAIXO 2 a 5 V nível lógico ALTO ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 22
Precisão da Conversão
O quão perto o circuito chega de produzir os valores ideais de V OUT depende principalmente de dois fatores: A precisão dos resistores de entrada e de realimentação.
A precisão dos níveis de tensão de entrada. Resistores podem ser feitos com valores precisos (erro de 0,01% dos valores desejados).
Saídas digitais não podem estar conectadas às saídas de FFs ou portas lógicas, porque os níveis de saídas lógicas dessas variam dentro de determinadas faixas É necessário adicionar um circuito entre cada entrada digital e o seu resistor de entrada para o amplificador somador.
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Conversores D/A Completo (1)
Cada entrada digital controla uma chave semicondutora, como uma porta de transmissão CMOS.
Quando a entrada é ALTO Chave conecta uma fonte de referência de precisão para o resistor de entrada.
Quando a entrada é BAIXO Chave está aberta ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 24
Conversores D/A Completo (2)
A fonte de referência produz uma tensão muito estável, precisa, necessária para saídas analógicas precisas.
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Conversor D/A Básico Com Saída em Corrente
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Rede R/2R (1)
Circuitos com resistores binário ponderados causam um problema devido à grande diferença de valores entre LSB e MSB.
Em um sistema com 12bits, o MSB seria de 1kΩ e o LSB seria de 2MΩ A escada R/2R usa resistências que abrangem apenas um intervalo de 2 para 1.
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Rede R/2R (2)
A corrente I OUT depende da posição das quatro chaves, as entradas binárias B 3 B 2 B 1 B 0 controlam os estados Corrente pode fluir pelo amplificador operacional na configuração conversor corrente-tensão para gerar V OUT ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 28
ESPECIFICAÇÃO DE CONVERSORES D/A
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Especificações Principais de DAC (1)
Muitos DACs estão disponíveis como CIs ou módulos encapsulados e as especificações principais são: Resolução Precisão Erro de offset Tempo de estabilização Monotonicidade ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 30
Especificações Principais de DAC (2)
Precisão Denominados de erro de fundo de escala ou de linearidade, expressos como porcentagem da saída (% F.S.) ±0,01% x 9,375 V = ±0,9375 mV Erro de Offset Idealmente a saída de um DAC deve ser 0 quanto todos os bits forem 0s.
Na prática existe uma tensão pequena na saída Quando não é corrigido é somado à saída esperada do DAC ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 31
Circuito Integrado DAC
O AD7524, um CMOS IC é um conversor D/A de oito bits que usa uma rede de escada R/2R.
Esse DAC tem uma entrada de oito bits que pode ser armazenada internamente sob o controle das entradas seleção do chip [Chip Select (CS)] e WRITE (WR).
Quando qualquer entrada de controle se torna ALTO, os dados da entrada digital são travados, e os de saída analógica permanecem no nível correspondente aos dados digitais travados. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 32
DAC de oito bits AD7524 com entradas com latch.
Conversor amp-op de corrente para tensão fornece tensão de saída variando de 0 V a –10 V.
Circuito amp-op para gerar saída bipolar de –10 V a aproximadamente +10 V.
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APLICAÇÕES DAC
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Aplicações DAC
Usado quando a saída do circuito digital deve fornecer uma tensão analógica ou corrente: Controle - usa a saída de um computador digital para ajustar a velocidade de um motor ou a temperatura de um forno. Testes Automáticos -sinais gerados por computadores para testar circuitos analógicos.
Reconstruções de um sinal analógico depois de convertido para digital.
Controle de Amplitude Digital - usados para reduzir a amplitude de um sinal analógico.
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EXERCÍCIOS PROPOSTOS
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Exercícios Propostos
Exercícios da seção 11.1 até 11.7
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