Circuitos de Amostragem e Retenção Conversores Digital ... · •DAC – Digital to Analogic...

IST Electrónica II, http://sips.inesc.pt/~eleII Moisés Piedade 1

Cap. 5- Conversores A/D D/A

ISTELECTRÓNICA II

Circuitos de Amostragem e RetençãoConversores Digital Analógico

2002-20032º semestre


Cap. 5- Conversores A/D D/A 4- Amostragem • Sistema de Processamento Digital de Sinais

•Blocos básicos:• Amplificador e multiplexador analógico ⇒ selecciona sinal a digitalizar (antes de vI)• Filtro de limitação de espectro com fCorte < fs/2 ( fS 0 freq. de amostragem - critério de Nyquist) (1 por canal)• Circuito de amostragem e retenção ⇒ retem um valor do sinal até que o A/D obtenha o código • Processador digital de sinal ”DSP” ⇒ processador ou circuito digital dedicado que faz as contas• Conversor D/A ⇒ converte os códigos de saída do sinal processado em tensões• Filtro de reconstrução ⇒ elimina repetições de espectro do sinal em múltiplos de fS

2*

1

*

)(

)(

REFIO

IO

REF

IfI

Vwfvwfw

Vv

w

×=

=

=

Função A/D

Função D/A


Cap. 5- Conversores A/D D/A 3.5- Amostragem • Amostragem de sinais

Sinal de entrada

Relógio de amostragem ts – tempo de aquisição tHtempo de retenção

Sinal amostrado e retido

SOC sinal de comando para iniciar conversão A/D

EOC sinal gerado pelo A/D indicando o fim da conversão e o comando do início da leitura pelo DSP

DSP demora tempo tpdig a fazer as contas mas só põe o resultado na saída quando ocorrer a próxima leitura de entrada

Saída digital do DSP

Número digital é retido na entrada do DAC durante tempo τ

Filtro de saída interpola - filtra – sinal mas também o atrasa


• Circuitos de amostragem e retenção• Formas de onda

Cap. 5- Conversores A/D D/A 5.1- Amostragem

M funciona como interruptor ON/OFF

Formas de onda nos nós

• Erros mais significativos do Circuito de S&H • O interruptor M tem RON e ROFF (típico 50 Ω e 10 MΩ)

• Ts >> RON C para que C carregue a VI (sem grande erro)• TH << ROFF C para que C não descarregue (sem grande erro)• O amp. op tem correntes de entrada e tensão de desvio

• que alteram a carga de C e introduzem desvios na tensão de saída

Seguimento

RetençãoSinal de comando amostragem/retenção


•Circuito S&H com 2 amp. op.•Tipo LF398

• Tem 2 amp. op. que podem ser usados numa montagem de realimentação global A = A1.A2 com A2 = 1 e β = 1.

Cap. 5- Conversores A/D D/A 4- Amostragem

Durante ts(amostragem), a realimação negativa acelera carga de C e reduz efeito de RonC

Durante tH não há realim. VO1 = VI. Mantém a carga e VO fica constante

Interruptor MOS e circuito lógico de comando

aON

f

ONa

AACRRCRR

ττ

τ

<<++

=

+=

21

1

1

1)()(

Acção da realimentação negativa global na fase de amostragem


•Conversor D/A•DAC – Digital to Analogic Converter - é um circuito multiplicador

•Circuito que multiplica um número representado pela palavra digital Wpor uma variável de referência VREF ou IREF

•Saída de DAC é em I ou V•Em corrente IO

• É a mais usual• Necessita de amp. op. exterior de precisão para converter I⇒V• Tem Rf é interior ao DAC para ter emparelhamento de erro com outras R’s do DAC

•Em tensão VO• Inclui o amp. op. de precisão• Amp. Op. introduz muitas limitações• É menos versátil do que saída IO e é mais limitada em termos de desempenho

Cap. 5- Conversores A/D D/A 4- Conversão D/A

)ou ()ou ( REFREFOO IVWIV ×=

DAREFO

REFDA

O

DA

REFO

RRVWV

VRR

WV

RVWI

××=

×

××=

×=

43421cancela erro

α

αDAC integrado é feito com resist. RDA ou seus múltiplos. Se R for integrada com DAC tem mesmo factor de erro de escala α de RDAErros de escalamento cancelam-se

Amp. Op. pode ser exterior R convém ser interior ao DAC

Símbolo do DAC


•Códigos binários•A palavra digital W pode ser representada em vários códigos, por ex.:


)ou ()ou ( REFREFOO IVWIV ×=

∑=

−

−

×=

×++×+×=

=

n

ii

i

nn

i

bW

bbbWb

1

1

12

11

0

2

2...22

;1ou 0 valer pode quebit

•Representação binária fraccionária (Muito usada)

Ex.: n=3, Wmáx = 7;W =1,0,1 =1 × 1 + 0×2 + 1 × 4= 5b1 = bit menos significativo LSB;b7 = bit mais significativo MSB

∑=

+−+−

−−

−−

×=

×++×+×==

n

iin

in

nn

nn

nf

f

bW

bbbW

W

11

1

11

11

2

2...222

Ex.: n=3, Wmáx = 2-1+ 2−2+ 2−3; Wmáx = 0,875.W =1,0,1 =1 × 0,5 + 0×0,25 + 1 × 0,125=0,625b1 = bit mais significativo MSB;b3 = bit mais significativo LSB

•Representação binária inteira (Muito usada)

•Representação binária inteira e fraccionáriaPouco usada

43421321Fraccion.

1321

Int.

123binário ponto

... . . −== nfI bbbbbbbWWW

Ex.: 3 bit na parte inteira e 3 bit na fraccionária, Wmáx = 22+ 21+ 20 , 2-1+ 2−2+ 2−3; Wmáx = 7,875.W =1,0,1. 1,0,1. =1× 4 + 0×2 + 1 ×1 . 1 × 0,5 +0×0,25 + 1 × 0,125 = 5,625


•Conversor D/A•Baseados em fontes de corrente escaladas•Baseados em divisores resistivos de correntes ou de tensões


• D/A baseado em fontes de corrente escalada

0.ou 1 valer pode b que em

)(

)(

i

3

1

332211

iii

O

O

bIRv

bIbIbIRv

××=

×+×+××=

∑=

32143421 REFV

REF

W

i

iiO

REF

iiiO

RIbV

I II II I

IbRV

××=

===

××=

∑

∑

=

−

=

3

1

11

22

3

3

1

)2(

2,

2;

2 se

)(

REFO VWV ×= W é a representação binária de um número representado sem parte inteira e só com parte fraccionária


)(

i

1ii

N

ibIW ×=∑

=


Cap. 5- Conversores A/D D/A 4- Conversão D/A• D/A baseado em fontes de corrente escalada

• DAC de 2 bit• Análise do comutador de corrente

2

2222

1

11111

221121 e "1" e "1"

RvvVii

RvvVii

iiiiVV

BEDCZEC

BEDCZEC

REREbb

−+==

−+==

====

α

αα

Rx tal que VDC = vEB1

RXR

R2R1DZ

T2

D2D1vEB1

VZ

T1

+VCC

vEB2

vb1vb2

vD1 vD2

vO

iR1iR2

iE1iE2

iC1iC2

DCVDC22

122

11

CZC

ZC

iR

Vi

RVi

==

=

α

αR2 = R1/2 e T1 = 2T2 em // ⇒ vEB1 = vEB2 ;α1= α2

• Análise do peso de 1 bit na corrente de saída• Bit a “1”



REF

W

i

iiO

REF

iiiO

RIbV

I II II I

IbRV

××=

===

××=

∑

∑

=

−

=

43421

3

1

11

22

3

3

1

)2(

2,

2;

2 se

)(

• D/A baseado em fontes de corrente escalada• DAC de 2 bit

• Análise do comutador de corrente

RXR

R2R1DZ

T2

D2D1vEB1

VZ

T1

+VCC

vEB2

vb1vb2

vD1 vD2

vO

iR1iR2

iE1iE2

iC1iC2

DCVDC

Vb1 = “0” ⇒ vEB1< 0 ⇒ iC1 = 0Vb2 = “0” ⇒ vEB2< 0 ⇒ iC2 = 0

• Análise do peso de 1 bit na corrente de saída• Bit a “0”



• D/A baseado em fontes de corrente escalada• Fontes obtidas de VREF e R´s escalados (pouco usado)

• Bits controlam interruptores inversores

Desvantagem:Em circuito integrado a relação de resistências pode ser muito grande e origina erros devido aos efeitos dos desalinhamentos de máscaras de fabricação.Convém usar resistências de tamanhos parecidos.


)2(

2...

2

i

1

121

ii

n

iREFOfO

nnREFREFREF

O

bViRv

bR

VbR

VbR

Vi

×−=×−=

×++×+×=

−

=

−

∑



• D/A baseado em fontes de corrente escalada

Vantagem:A relação de resistências é pequena e por isso pode ser conseguida com erro pequeno.

•Fontes obtidas de VREF e divisor de tensão resistivo em escada R-2R (muito usado)


)2(

22

i

1

1

1

1

ii

n

i

fREFOfO

i

n

i

iREFi

n

iiO

bRR

ViRv

bR

VbIi

×−=×−=

×=×=

−

=

=

+−

=

∑

∑∑

111

21

11

11

21

311

21

123

2 ;

2 ;

2 ;

;2

;2

;2

;

;

−

−

====

====

====

nnREF

nnREF

n

IIIIRVIVV

VVVVVVVV

RZZZRZ


•DAC0808•Blocos básicos:

•Conversor diferencial de tensão VREF em fonte de corrente•8 fontes de corrente em progressão geométrica de razão ½•Interruptores de corrente

Cap. 5- Conversores A/D D/A

1 2 3 4 5 6 7 8910111213141516

NC

GN

D-V

EE I O D7

D6

D5

D4

CO

MP

VR

-

VR

+

+VC

C

D0 D1

D2

D3

100

nC

4- Conversão D/A

Fontes de corrente escaladas:Baseadas em divisão resistiva por escada R – 2R

Fonte de corrente I:IR2 = 0 vP = 0, vN = 0, iR1 = VREF+/R1 = I. I sobre R e T6 e –VEE definem a tensão de saída do amp. op. que é usada para formar em T8 a corrente I/2

Interruptor de corrente:Bi a “1” corta TX2 , conduz TX1 e TX3 que passa a corrente biI2-i

para a saída


•DAC0808


Fontes de corrente escaladas:Baseadas em divisão resistiva por escada R – 2R

Fonte de corrente I:IR2 = 0 vP = 0, vN = 0, iR1 = VREF+/R1 = I. I sobre R e T6 e –VEE definem a tensão de saída do amp. op. que é usada para formar em T8 a corrente I/2


•DAC0808•Esquema total


Tensão aos terminais desta fonte de corrente é que vai ser dividida pela escada R -2R, gerando I/2 em T8, I/4 em T9, I/8 em T10 e I/16 em T11.

Corrente em T16 é a mesma do que a de T11 ou seja I/16, pois têm a mesma área e a mesma tensão vBE

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