conversores analógico-digital sistemas digitais. introdução diversas grandezas físicas com as...

Conversores Analógico-Digital

Sistemas Digitais

Introdução

• Diversas grandezas físicas com as quais lidamos, são grandezas analógicas por natureza.

Introdução• Valores analógicos não podem ser diretamente processados por sistemas digitais.• Precisam ser convertidos para uma cadeia de bits.• Esta conversão é conhecida como Conversão Analógica-Digital.

Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas

Transdutores são equipamentos que convertem grandezas físicas em sinais elétricos (correntes ou tensões proporcionais) e vice-versa. Exemplo: Tacômetros, Termistores, Células de carga, etc.

Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas

Muitas vezes é necessário realizar o condicionamento do sinal analógico.Tipos de Condicionamento:• ajuste de níveis máximo e mínimo de amplitude;• filtragem em uma banda adequada de frequência, etc.

Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas

Conversão do sinal por um Conversor A/D, resultando no sinal digitalizado.

Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas

O processamento do sinal é feito por um Sistema Digital. Os sistemas digitais apresentam maior flexibilidade e facilidade de depuração. Tipos de elementos de Processamento de Sinal Digital:Microprocessadores, microcontroladores, FPGAs e DSPs.

Etapas de Tratamento de Grandezas Físicas

A conversão do sinal digital presente na saída do Sistema Digital é feita por um Conversor D/A.

Por que usar Sistemas Digitais?

Facilmente programáveis Maior precisão e exatidão (Imunidade a ruídos) Maior reprodutibilidade Facilitam o armazenamento (apenas dois valores, 0 ou 1) São compactos

Digitalização de Sinais Analógicos

Digitalização de Sinais Analógicos

Digitalização de Sinais Analógicos

Teorema da Amostragem de NyquistUm sinal pode ser reconstituído desde que forem extraídas amostras com no mínimo o dobro da freqüência de Nyquist.

Teorema da Amostragem de Nyquist

kHzN 20 kHzS 40

Freqüência de Nyquist é a maior componente de frequência de um sinal.

Teorema da Amostragem de Nyquist

Obs: Em geral utiliza-se frequências de amostragens pelo menos 10 vezes maior do que a frequência de Nyquist.

Quantização

Erro de Quantização

Erro de Quantização

Conversão Analógica-Digital

Para digitalizar um sinal, precisamos de uma base de tempo e um Conversor Analógico Digital (ADC), que fornece uma aproximação digital do sinal original.

Conversão Analógica-Digital

A aproximação digital é registrada em N bits (nesse caso 4) e a variação pode ser reduzida para uma precisão de, no máximo, 1 parte de 2^N.

Técnicas de Conversão Analógica-Digital

A determinação de qual utilizar leva em conta: a precisão desejada; e o tempo máximo aceitável para se realizar uma conversão.

As técnicas de conversão A/D São: Codificação Paralela (Conversor A/D Flash); Contador Gerador de Rampa; Aproximações Sucessivas.

Conversor A/D Flash

Necessita-se de um conjunto de resistores precisos, de forma que as frações de tensões de referência sejam bem-definidas.

Conversor A/D Flash

Tem como vantagem a velocidade de conversão. Mas é expressivamente caro por necessitar de 2N-1 comparadores para converter N bits.

Conversor A/D Flash

Ve Vs(1/4Vref) Vs(2/4Vref) Vs(3/4Vref)

0 a Vref/4 0 0 0

Vref a 2/4Vref 1 0 0

2/4Vref a 3/4Vref 1 1 0

3/4Vref a Vref 1 1 1

Funcionamento

Conversor A/D Flash

Rede de Codificação

Johnson BCD

0 0 0 0 0

0 0 1 0 1

0 1 1 1 0

1 1 1 1 1

Código Johnson

Código BCD

D0 = E1D1=E0+E1’E2

Conversor A/D Tipo Rampa

1) É gerado um sinal de clear para resetar o contador

Conversor A/D Tipo Rampa

2) Ve é a tensão analógica de entrada. Se Ve > Vr (no início Vr=0) o clock é habilitado para o contador (saída do comparador é positivo)

Conversor A/D Tipo Rampa

3) A saída do contador passa por um conversor D/A para gerar a tensão de referência (Vr)

Conversor A/D Tipo Rampa

4) Enquanto Vr < Ve o contador é incrementado

Conversor A/D Tipo Rampa

5) Se Vr > Ve, o clock é desabilitado (saída do comparador é zero) ao mesmo tempo que é fornecido um sinal de clock para os FF-tipo D (sensíveis à borda de descida do controle clock) que armazenam a saída do contador, que é o valor binário proporcional à entrada analógica

Conversor A/D Tipo Rampa

A desvantagem deste conversor está no tempo de resposta. Como o contador sempre começa em zero e realiza a contagem por meio de uma seqüência binária normal, podem ser necessárias (no pior caso) 2n contagens antes da conversão ser completada!

Conversor A/D Tipo Rampa

Ve

Conversor A/D Por Aproximação Sucessiva

Conversor A/D Por Aproximação Sucessiva

1) O sistema é zerado e o bit mais significativo do registrador é colocado em 12) O conversor D/A converte os dígitos binários, gerando a tensão Vr para o comparador3) No comparador: se Ve > Vr este dígito é deixado em 1; se Vr < Ve este dígito é zerado4) O bit mais significativo seguinte é colocando em 15) O processo continua voltando ao passo 2 até o último bit ser verificado

Conversor A/D Por Aproximação Sucessiva

A vantagem deste conversor está na velocidade de conversão, sendo necessário, para um sistema de N bits, o tempo de N períodos de clock!

Aplicação de Conversor A/D – Voltímetro Digital

Conversor A/D

Decodificador BCD/7 Seg

Decodificador BCD/7 Seg

7

7Ve