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CONVERSORES D/A e A/DCONVERSORES CONVERSORES D/A e A/DD/A e A/D

SEL 414 - Sistemas Digitais Prof. Homero Schiabel

SEL 414 SEL 414 -- Sistemas Digitais Sistemas Digitais Prof. Homero Prof. Homero SchiabelSchiabel

CONVERSOR DIGITAL-ANALÓGICOCONVERSOR CONVERSOR DIGITALDIGITAL--ANALÓGICOANALÓGICO

1. Introdução1. Introdução

Os conversores A/D e D/A fazem a interface entre o mundo analógico e o digital. Ex.:• Comunicação: sinal voz pulsos sinal voz reconstruído• Proc. Imagens: sinal vídeo níveis binários (digitaliz.) memória processamento reconstrução

Os conversores A/D e D/A fazem a interface entre o mundo analógico e o digital. Ex.:• Comunicação: sinal voz pulsos sinal voz reconstruído• Proc. Imagens: sinal vídeo níveis binários (digitaliz.) memória processamento reconstrução

Conversor D/AConversor D/A

Grandeza física

Grandeza física

Grandeza física

Grandeza física

tt tt

Variação contínua(ANALÓGICO)

Variação contínua(ANALÓGICO)

Variação discreta(DIGITAL)

Variação discreta(DIGITAL)

Quantização transferência de um sinal contínuo analógico num conjunto de estados discretos

Quantização transferência de um sinal contínuo analógico num conjunto de estados discretos


2. Teoria da Quantização2. Teoria da Quantização

Codificação associação de um código digital a cada um desses estados

Codificação associação de um código digital a cada um desses estados

Estados de

Saída

Estados de

Saída

Entrada (ex.: V)Entrada (ex.: V)

Conversor idealConversor ideal

Q

Resolução: no estados de saída e = 2n

Quantum: tamanho da qti// analógica correspondente a um est. saída discreto

Q = V / 2n

Q = menor diferença analógica sensível ao conversor

Resolução: no estados de saída e = 2n

Quantum: tamanho da qti// analógica correspondente a um est. saída discreto

Q = V / 2n

Q = menor diferença analógica sensível ao conversor

3.Conversor Digital-Analógico (D/A) 3.Conversor Digital-Analógico (D/A)

Circuito básico (Conversor por rede proporcional): Circuito básico (Conversor por rede proporcional):


VSVS

RR

2R2R

4R4R

2n-1 R2n-1 R

A1A1

A2A2

A3A3

AnAn

R’R’

I/2I/2

I/4I/4

I/8I/8

I/2nI/2n

VS = R’ Σ Ai (I / 2i) VS = R’ Σ Ai (I / 2i)

Generalizando: VS = R’ N I

onde N = a1 2-1 + a2 2-2 + ... + an 2n

Generalizando: VS = R’ N I

onde N = a1 2-1 + a2 2-2 + ... + an 2n


Melhoramento:Melhoramento:


VSVS

RR

2R2R

4R4R

2n-1 R2n-1 R

A1A1

A2A2

A3A3

AnAn

Desvantagens:Desvantagens:

Para muitos bits há necessi-dade de valores muitos altos de R para o LSB;

correntes muito reduzidas nos bits menos significativos (ruído);

necessidade de grande preci-são dos valores de componen-tes riscos de não monotonici-dade;

velocidade de conversão limi-tada pela velocidade de comu-tação da chave (e, eventual-mente, qualidade do amp. op.)

Para muitos bits há necessi-dade de valores muitos altos de R para o LSB;

correntes muito reduzidas nos bits menos significativos (ruído);

necessidade de grande preci-são dos valores de componen-tes riscos de não monotonici-dade;

velocidade de conversão limi-tada pela velocidade de comu-tação da chave (e, eventual-mente, qualidade do amp. op.)

--

++

R0R0


Conversor por rede R-2R:Conversor por rede R-2R:


2R2R2R2R

RR

2R2R

RR

2R2R

RR

2R2R 2R2R VSVS

A1A1A2A2A3A3An ...An ...

• VS -A1 = VCC / 3• VS -A2 = VCC / 6• VS -A3 = VCC / 12• VS -A4 = VCC / 24...

• VS -A1 = VCC / 3• VS -A2 = VCC / 6• VS -A3 = VCC / 12• VS -A4 = VCC / 24...

Vantagens:Vantagens:

Elimina o problema da ampla variação de valores do CDA proporcional

Mais facilidade para precisão dos componentes (só 2 valores - R e 2R)

Elimina o problema da ampla variação de valores do CDA proporcional

Mais facilidade para precisão dos componentes (só 2 valores - R e 2R)

CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITALCONVERSOR CONVERSOR ANALÓGICOANALÓGICO--DIGITALDIGITAL

Conversores A/DConversores A/D

1. Conversor Contador (ou de rampa simples) 1. Conversor Contador (ou de rampa simples)

DD

DD

DD

DD

CkCk

CkCk

CkCk

CkCkQQ

QQ

QQ

QQ

AA

BB

CC

DD

ContadorDécada

ContadorDécada

ConversorD/A

ConversorD/A

VinVin

VrefVref

CkCkCkCk

CLCL

SS

CkCk


VREFVREF

tt

Vin = 5 VVin = 5 V

VREF comparada com Vin:• se VREF < Vin S = 1

(contador continua a contagem)• se VREF > Vin S = 0

(contador pára e valor digital é mostrado)

VREF comparada com Vin:• se VREF < Vin S = 1

(contador continua a contagem)• se VREF > Vin S = 0

(contador pára e valor digital é mostrado)

1. Conversor Contador (ou de rampa simples) 1. Conversor Contador (ou de rampa simples)


2. Conversor Integrador (ou de rampa dupla) 2. Conversor Integrador (ou de rampa dupla)

----

++++

Chave analógicaChave analógica

-VA-VA

VRefVRef

RR

CC

VINTVINT

Lógica de Controle

Lógica de Controle

ClockClock

ContadorContador SAÍDA DIGITALSAÍDA

DIGITAL

ENTRADA ANALÓGICAENTRADA

ANALÓGICA

VINTVINT

tt

VINT-BVINT-B

VINT-AVINT-A

t1t1 t2At2A

t2Bt2B

CC

----

++++

Chave analógicaChave analógica

-VA-VA

VRefVRef

RR

VINTVINT

Lógica de Controle

Lógica de Controle

ClockClock

ContadorContador SAÍDA DIGITALSAÍDA

DIGITAL


ANALÓGICA


VA = VRef (t2 / t1)VA = VRef (t2 / t1)

VRef = cte.t1 = cte.

VRef = cte.t1 = cte.

VA = f (t2)VA = f (t2)


ComparadorComparador

3. Conversor de Aproximação Sucessiva3. Conversor de Aproximação Sucessiva

--

++

REGISTRADOR DE APROXIMAÇÃO

SUCESSIVA

REGISTRADOR DE APROXIMAÇÃO

SUCESSIVA

CONVERSORD/A

CONVERSORD/A

. . .. . .

VAVA


ANALÓGICA

SAÍDA DIGITALSAÍDA

DIGITAL

VRefVRef

Início de conversãoInício de

conversão CkCk


4. Conversor Paralelo (ou tipo “flash”) 4. Conversor Paralelo (ou tipo “flash”)

--

++

--

++

--

++

+3Vref / 4+3Vref / 4

+Vref / 2+Vref / 2

+Vref / 4+Vref / 4

VAVA


ANALÓGICA

DECODIFI-CADOR

Saída 21

Saída 21

Saída 20

Saída 20

TENSÃODE

ENTRADA

(VA)

TENSÃODE

ENTRADA

(VA)

SAÍDA DO

COM-PARA-DOR

SAÍDA DO

COM-PARA-DOR

C1C1

C2C2

C3C3

0a

+V/4

0a

+V/4

+V/4a

+V/2

+V/4a

+V/2

+V/2a

+3V/4

+V/2a

+3V/4

+3V/4a

+V

+3V/4a

+V

0 0

0 0

0 0

11

0 0

0 0

1 1

1 1

0 0

1 1

1 1

1 1

C3C3

C2C2

C1C1


4. Conversor Paralelo (ou tipo “flash”) 4. Conversor Paralelo (ou tipo “flash”)


ANALÓGICA

C7C7

7V/87V/8

C6C6 C5C5 C4C4 C3C3 C2C2 C1C1

VAVA

VV

S2S2 S1S1 S0S0SAÍDA

DIGITALSAÍDA

DIGITAL

TENSÃO DE REFERÊNCIATENSÃO DE

REFERÊNCIA

3V/43V/4 5V/85V/8 V/2V/2 3V/83V/8 V/4V/4 V/8V/8

DECODIFICADORDECODIFICADOR


5. Comparações5. Comparações

TÉCNICA DE CONVERSÃOTÉCNICA DE CONVERSÃO

CONTADOR (RAMPA

SIMPLES)

CONTADOR (RAMPA

SIMPLES)

• Simplicidade• Baixo custo • Simplicidade• Baixo custo

VANTAGENSVANTAGENS DESVANTAGENSDESVANTAGENS APLICAÇÕES PRINCIPAIS

APLICAÇÕES PRINCIPAIS

INTEGRADOR (RAMPA DUPLA)

INTEGRADOR (RAMPA DUPLA)

APROXIMAÇÃO SUCESSIVA

APROXIMAÇÃO SUCESSIVA

PARALELO (FLASH)

PARALELO (FLASH)

• Lento• Precisão depende do

CDA

• Lento• Precisão depende do

CDA

• Medidores digitais em geral

• Medidores digitais em geral

• Precisão depende de VREF

• Capaz de operar com 12 bits (3 dígitos BCD)• boa rejeição ao ruído

• Precisão depende de VREF

• Capaz de operar com 12 bits (3 dígitos BCD)• boa rejeição ao ruído

• Tempo de conversão pequeno: ~10 a 20 µs• Tempo de conversão pequeno: ~10 a 20 µs

• Extrema rapidez (conversão praticamente

em tempo real)

• Extrema rapidez (conversão praticamente

em tempo real)

• Tempo de conversão ainda grande (~ 10 ms

ou mais)

• Tempo de conversão ainda grande (~ 10 ms

ou mais)

• Precisão depende muito do CDA interno e seus

componentes

• Precisão depende muito do CDA interno e seus

componentes

• Alto custo• Alto custo

• Multímetros digitais e outros medidores

comerciais

• Multímetros digitais e outros medidores

comerciais

• Aquisição de sinais para processamento

• Aquisição de sinais para processamento

• Digitalização de sinais de alta freqüência (vídeo,

áudio...)

• Digitalização de sinais de alta freqüência (vídeo,

áudio...)

ANÁLISE DE ERROS EM CONVERSORES D/A-A/DANÁLISE DE ERROS EM ANÁLISE DE ERROS EM CONVERSORES CONVERSORES D/AD/A--A/DA/D

Análise de errosAnálise de erros

Saída analógicaSaída analógica

1. Erro de Off-set1. Erro de Off-set

Entrada bináriaEntrada binária

idealideal

com errocom erro

Saída bináriaSaída binária

Entrada analógicaEntrada analógica

idealidealcom errocom erro

ee


Saída Saída

2. Erro de Ganho 2. Erro de Ganho

Entrada Entrada

idealidealcom errocom erro

erroerro

Fundo de escalaFundo de escala



3. Erro de Linearidade3. Erro de Linearidade


idealideal

realreal



idealideal

desvio máximodesvio máximo



idealideal

LINEARIDADE INTEGRALLINEARIDADE INTEGRAL LINEARIDADE DIFERENCIALLINEARIDADE DIFERENCIAL

CONVERSOR D/ACONVERSOR D/A

CONVERSOR A/DCONVERSOR A/D


4. Perda de Monotonicidade4. Perda de Monotonicidade



idealideal

Não monotônicoNão monotônico



idealideal

Não monotônicoNão monotônico


5. Erro de chaveamento(glitch)

5. Erro de chaveamento(glitch)



Perda de códigoPerda de código

6. Perda de código6. Perda de código

0111011110001000

00000000

0111011110001000

11111111

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