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Eletrônica Digital IIELT013ELT013

Engenharia de Computação

INTERFACE COM O MUNDO ANALÓGICO

Aula 10

2ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

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 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. Quantidade elétrica é proporcional à quantidade da variável monitorada.

Exemplos: sensores de temperatura, fotocélulas, fotodiodos, medidores de vazão, transdutores de pressão, tacômetros.



Saída elétrica do transdutor analógico serve como entradaanalógica 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 Saída binária do ADC é número binário proporcional à tensão da entrada analógica.



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 produzir uma saída que acabará sendo usada para controlar um dispositivo físico.



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


CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICA


Conversão D/A

Na conversão D/A o valor representado em código digital é convertido em uma tensão ou corrente proporcional ao valor digital.

Saída de DAC não é tecnicamente uma quantidade analógica, pois assume apenas valores específicos.


Valor de Referência

Tensão de referência Vref

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 digitalsistema digital


Para cada número de entrada, a tensão de saída do conversor D/A é única.

Valor de Saída (1)

Neste caso, o valor da saída VOUT é o mesmo valor da entrada binário

Mas poderia ser o dobro, metade, 1/15, etc. Sempre mantendo a proporcionalidade

Mesma abordagem é válida para uma saída de corrente IOUT


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.constante para um dado DAC ligado a uma tensão de referência fixa.


Exemplo: K = 1V

VOUT = K * Entrada Digital

VOUT = 1V * 11002

VOUT = 1V * 1210

VOUT = 12V

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 Desta forma, a diferença entre os valores sucessivos diminui

Isso permite gerar saídas mais parecidas com uma quantidade analógica


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 Pesos são dobrados sucessivamente para cada bit, começando com o LSB.

VOUT pode ser considerado a soma ponderada das saídas digitais.

VOUT = 01112 = 0V + 4V + 2V + 1V = 7V


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.


Resolução (2)

Resolução sempre é igual ao peso do LSB ou tamanho do degrau

Quantidade de VOUT que mudará na medida em que o valor da entrada digital mudar de uma etapa para a outra.


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


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.


CIRCUITOS CONVERSORES D/A


Conversores D/A Simples (1)

DAC simples usando um amplificador operacional na configuração amplificador somador com resistores com ponderação binária

Razão entre RIN e RF faz a atenuação do sinal de entrada

+++−= ABCDOUT VVVVV8

1

4

1

2

1



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:

VVVVVVOUT 25,608

15

4

10

2

15 −=

+++−=



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 ALTO2 a 5 V nível lógico ALTO


Precisão da Conversão

O quão perto o circuito chega de produzir os valores ideais de VOUT

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).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.


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 de referência de precisão

para o resistor de entrada.

Quando a entrada é

BAIXO

Chave está aberta


Conversores D/A Completo (2)

A fonte de referência produz uma tensão muito estável, precisa, necessária para saídas analógicas precisas.


Conversor D/A Básico Com Saída em Corrente


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.


Rede R/2R (2)

A corrente IOUT depende da posição das quatro chaves, as entradas binárias B3B2B1B0 controlam os estados

Corrente pode fluir pelo amplificador operacional na configuração conversor corrente-tensão para gerar VOUT


ESPECIFICAÇÃO DE CONVERSORES D/A


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 Tempo de estabilização

Monotonicidade


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


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.


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.


APLICAÇÕES DAC


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.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.


EXERCÍCIOS PROPOSTOS


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