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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