Eletrônica Digital II ELT013

Eletrônica Digital IIELT013

Engenharia de Computação

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

INTERFACE COM O MUNDO ANALÓGICO

Aula 10


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 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.


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. Exemplos: sensores de temperatura, fotocélulas, fotodiodos, medidores de

vazão, transdutores de pressão, tacômetros.


Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (2) Saída elétrica do transdutor analógico serve como entrada

analógica 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

entrada analógica.


Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (3) 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 dispositivo físico.


Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (4) 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 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.

Exemplo: K = 1VVOUT = 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

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

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 VVVVV

8

1

4

1

2

1


Conversores D/A Simples (2) 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

154

102

15


Conversores D/A Simples (3) 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 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).

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 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 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. 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


Exercícios Propostos Exercícios da seção 11.1 até 11.7

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