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CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL

E DIGITAL ANALÓGICA

• Conversores A/D e D/A são a base de todo o interfaceamento eletrônico entre o mundo analógico e o mundo digital.

• Estão presentes na grande maioria dos instrumentos de medida atuais e são os responsáveis pelo aumento significativo nos níveis de precisão e exatidão assim como o barateamento e popularização de instrumentos de medida digitais.

Importância

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

• Tais grandezas, como temperatura, pressão, velocidade, etc., são representadas por valores contínuos, sendo que para poderem ser processadas por sistemas digitais precisam ser convertidas para uma cadeia de bits.

• Esta conversão é conhecida como Conversão Analógica-Digital.

Importância

Conversor Analógico-Digital

Conversor AD

Conversor Digital-Analógico

Conversor DA

Processamento Digital de Sinais

Hardware

Para poder representar um som num computador, é necessário conseguir convertê-lo em valores numéricos, porque este só sabe trabalhar com este tipo de valores.

Chama-se esta ação de amostragem ou digitalização do som.

Sinais Digitais

• O áudio digital é, essencialmente, uma representação numérica do som.

• De uma maneira muito básica, esse conceito remonta a Pitágoras, para quem o número era a essência de todas as coisas.

• A tecnologia digital é capaz de representar imagens e sons em forma de números.

• A conversão do sinal analógico para o sinal digital é realizada por uma sequência de amostras da variação de voltagem do sinal original.

Processo de Amostragem

Taxa de Amostragem

O intervalo de tempo entre duas amostras chama-se

taxa de amostragem.

Tfamostragemdefrequência A

1=→

Áudio Digital

• A taxa de amostragem de áudio em um CD é de 44.100 Hz.

• Significa que a cada segundo de som são tomadas 44.100 medidas da variação de voltagem do sinal.

HzfamostragemdeTaxa A 100.44==

Frequência de Nyquist

• A taxa de amostragem dever ser pelo menos duas vezes a maior frequência que se deseja registrar.

• Esse valor é denominado de frequência de Nyquist.

MAXA ff 2>

Aliasing• A figura abaixo representa uma onda de

17.500 Hz (em amarelo) digitalizada com uma taxa de amostragem de 20.000 Hz. Cada amostra é representada pelos pontos verdes.

• A onda em azul é a onda resultante do efeito de aliasing .

Frequency aliasing

• Sobreposição de frequências

• Sobreposição espectral ('aliasing')

• Este fenômeno ocorre quando a frequência mais elevada do sinal (Fentrada) é maior do que metade da frequência de amostragem (Famostragem/2).

Frequência de Amostragem


1=→

Frequência de Amostragem

Quanto maior a Frequência de Amostragem maior fidelidade ao sinal original e mais precisa é a

representação do sinal


1=→

Conversor Analógico-Digital Conversor A/D

• O conversor analógico-digital (A/D) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica.

Sinal Analógico Representação Binária (Digital)

Armazenamento

• Memórias RAMRandom-Access MemoryMemória de Acesso Aleatório

Flash ADC Conversor tipo Paralelo

ADC - Analog Digital Converter

É a forma mais simples, precisa, eficiente e direta de conversão.

Flash ADC Conversor tipo Paralelo

ADC - Analog Digital ConverterÉ a forma mais simples, eficiente e direta de conversão.

Conversor A/D de 3 bits

É a forma mais simples e direta de conversão.

CONVERSÃO PARALELA

Tem como vantagem a velocidade de conversão extremamente rápida.

Necessita de 2N-1 comparadores para converter N bits.

Conversor A/D de N bits

Resolução

“Valor mínimo de variação que o circuito conversor é capaz de discriminar.”

• É fácil concluir que a resolução depende do número de dígitos binários (bits) da saída.

• Por exemplo, com 3 bits, temos uma resolução 1/23 = 0,125 ou 12,5%.

Áudio Digital

• Um CD tem uma resolução de 16 bits o que permite uma resolução binária com 65.534 (216) valores.

Questão Teórica

Qual a memória ocupada em um CD para armazenar 1 minuto de música estéreo ?

Taxa de Amostragem = 44.100 Hz

Resolução = 16 bits

Memória para Armazenamento

• Em um CD em que o áudio é armazenado com 44,1 kHz/16 bits, em dois canais (estéreo), um minuto de música ocuparia aproximadamente 10Mb de espaço:

(44.100 Hz) X (16 bits / 8) x (2 canais) x (60 segundos) = 10.584.000 bytes

Conversor Digital-Analógico Conversor D/A

• Conversor D/A pode ser usado para converter a representação digital do sinal de áudio para uma tensão analógica a ser aplicada em um amplificador de áudio capaz de alimentar um alto-falante.

Representação Binária (Digital) Sinal Analógico

Conversor D/A de 6 bits

Conversor Analógico-Digital


1=→

• O conversor analógico-digital (A/D) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica.

Sinal Analógico Representação Binária (Digital)

Conversor Digital-Analógico


[ ]DCBAVR

RV RF

o3210 2222 +++−=

Conversor D/A tipo R/2R

Conversor D/A de N bits

Conversor D/A tipo R/2R

Parâmetros

• Resolução é a menor quantidade que pode ser convertida dentro da faixa dinâmica do sinal de entrada. É especificada pelo número de bits do conversor.

• Faixa Dinâmica é a faixa de amplitude de operação do sinal analógico (em geral uma tensão) dentro da região de trabalho (linear) do conversor.

• Tempo de amostragem é o tempo necessário para se obter o valor na saída (digital para o A/D; analógico para o D/A) a partir do momento em que o sinal de entrada foi aplicado e iniciado o processo de conversão.

• Erro de linearidade: expressa o desvio do resultado de conversão de uma reta ideal.

Resolução

Conversor A/D por Aproximação Sucessiva

• Para analisar o funcionamento do conversor A/D por aproximação sucessiva, tomemos o exemplo, que consiste em um conversor com intervalo de 0V a 15V e um degrau de tensão de 1V.

• Deste modo, obtém-se 16 níveis e são necessários 4 bits.

Aproximação Sucessiva

Sample & Hold

Comparador de Tensão Simples


• Usa apenas uma referência de tensão.

Comparadores de Tensão

Comparadores de Tensão Classificação

•

Simples

•

Janela (Window)

•

Histerese (Schmitt-Trigger)


• Usa apenas uma referência de tensão.

Aplicação Geração de Sinal PWM

• A modulação PWM permite a transmissão de sinais analógicos em formato binário, sendo portanto, mais imune a ruídos aditivos existentes no meio transmissor, favorecendo uma recepção com maior fidelidade.

Facilidade para MODULAR e DEMODULAR

Espectro de Frequência Sinal PWM

• Presença de uma componente contínua que reproduz o sinal modulante.

• As demais componentes aparecem nos múltiplos da frequência da portadora sendo, relativamente fáceis de filtrar dada sua alta frequência.

Duty-cycle

M

PR F

FModuladoraldoFrequência

PortadoradaFrequênciaF ==sin

Definições

Razão de Frequência - FR

M

PR F

FModuladoraldoFrequência

PortadoradaFrequênciaF ==sin

PM

tcdePicotmdePicoM D ==)()(

Pronfundidade de modulação - MD

Comparador de Tensão Janela

Comparador de Tensão JanelaUsa duas referências de tensão.


• Usa duas referências de tensão.

Comparador de Tensão com Histerese

Schmitt-Trigger

Biestável Dois estados estáveis

Timer 555 Temporizador

• Alimentação: VCC = 5V a VCC = 15V

• 2 Comparadores de Tensão• 1 Divisor Resistivo• 1 Flip-Flop RS• 1 Transistor• 1 Buffer de saída

Astável

PLL Phase-Locked Loop

• O primeiro PLL foi proposto pelo cientista francês Henri de Bellescize em 1932.

Malha de Captura de Fase PLL – Phase Locked Loop

• Malha de Captura de Fase (Phase-Locked Loop) é um sistema de realimentação em que o sinal de realimentação é usado para sincronizar a frequência instantânea do sinal de saída com a frequência instantânea do sinal de entrada.

• Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.

Malha de Captura de Fase PLL – Phase Locked Loop

Funcionalidade

PLL – Phase Locked Loop

• Detector de fase• VCO (Voltage Controlled Ocillator)• Filtro Passa-baixa

Aplicações

O PLL é um dispositivo muito usado em controle, telecomunicação e outros campos, com as mais diversas finalidades:

• Geração de sinais FM ou FSK• Demodulação de sinais FM ou FSK• Recuperação de portadora em PSK e QAM• Recuperação de relógio (sincronismo) em

transmissões digitais• Sintetizador de freqüência para geração de portadoras

e sinais de sincronismo.

Basicamente, o PLL é um elo fechado com três componentes :

• Um detector de fase• Um VCO (Oscilador Controlado por Tensão) • Um Filtro Passa baixa

Vantagens

• O grande mérito do PLL é que ele consegue gerar uma réplica limpa e quase sem ruído de um sinal misturado com ruído, interferências, com tremor de fase e até mesmo com cortes de curta duração.

• O PLL permite reconstituir ou recondicionar sinais deteriorados pelo ruído, ou ainda, separar um determinado sinal no meio de muitos outros.

VCO Voltage Controlled Oscillator

Oscilador Controlado por Tensão

• Na ausência de sinal de entrada Ve, a tensão VC é zero e o VCO oscila na frequência central fo.

• Com sinal de entrada Ve, e frequência fe dentro da faixa de captura ou aquisição Fa, aparece uma tensão Vd na saída do detector de fase, tal que a freqüência do VCO seja alterada até ser igual a freqüência do sinal de entrada, porém mantendo um erro ou diferença de fase constante e tal que gere um Vc que sustente esta nova freqüência do VCO.

Funcionalidade

• Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.

Funcionalidade

Aplicação

• Um exemplo típico de uso do PLL é o demodular sinais em FM.

• O sinal FM é aplicado na entrada do PLL.• Vc terá uma componente alternada igual ao sinal

modulante, pois Vc e fv do VCO irão acompanhar as variações de freqüência de entrada

Detector de Fase

Funcionalidade

• O sinal de saída do multiplicador é função da diferença de fase dos dois sinais de entrada.

• Esta informação é útil e podemos usá-la para sincronizar os dois sinais.

• O sinal de saída do multiplicador é função da diferença de fase dos dois sinais de entrada.

Funcionalidade

Operação

• Quando se aplica um sinal na entrada do circuito, o detector de fase recebe esse sinal e compara a sua fase com a do sinal fornecido pelo VCO, gerando uma tensão de erro.

Princípio de funcionamento

Detector de Fase

MODULADOR & DEMODULADOR FM

Sintetizador de frequência

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