UFJF FABRICIO CAMPOS

Transcrição

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2 Cap 11) Interface com o mundo analógico Conversores DA Conversores AD Compreender, Especificar, Comparar os tipos Introdução ao PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS

3 Capítulo 11) Conversores DA/AD

4 11.1) Quantidade Digital x Analógica Uma quantidade DIGITAL terá um valor que é especificado entre duas possibilidades. Uma quantidade Analógica pode assumir qualquer valor ao longo de uma faixa contínua. A maioria das variáveis físicas é analógica e pode assumir qualquer valor dentro de uma faixa de valores contínuos. Qualquer informação que tenha de entrar em um sistema digital deve primeiro ser colocada no formato digital.

5 11.1) Quantidade Digital x Analógica Elementos envolvidos quando um computador, microcontrolador ou DSP está monitorando, controlando ou processando variáveis físicas

6 11.1) Quantidade Digital x Analógica 1) Transdutor: Converte a variável física em elétrica. (termistores, fotocélulas, fotodiodos, microfone,...) 2) Conversor ADC: Converte uma tensão elétrica analógica em uma saída digital (um número binário). 3) Computador, microcontrolador, DSP: Armazena o valor digital e o processa. 4) Conversor DAC: Converte o valor digital em uma tensão/corrente analógica 5) Atuador: A partir do sinal analógico, controla a variável física.

7 11.2) Conversão Digital-Analógica Conversão D/A é o processo onde o código digital é convertido em uma tensão/corrente que é proporcional ao valor digital. 4 BITS DE DADOS DIGITAIS 16 VALORES ANALÓGICOS

8 11.2) Conversão Digital-Analógica V ref é usada para determinar a saída de fundo de escala ou o valor máximo que o conversor pode gerar Exemplo: Considere um conversor de 4 bits com fundo de escala de 15V. Qual o valor analógico para 0101? (Fig. 11.2) 0101->5 V out =1*5=5V Pode ser por regra de três x 0101 x (0101) *15 5*15 (1111) 15 2 = = = 2 5V

9 11.2) Conversão Digital-Analógica saída analógica = K x entrada digital Exemplo: Considere DAC de 5 bits. Para é gerado 10mA. Qual I out para a entrada 11101? 10mA 10mA k = = = 0,5mA (10100) 20 2 I = k *(11101) = 0,5* 29 = 14,5mA out 2

10 11.2) Conversão Digital-Analógica RESOLUÇÃO = Tamanho do degrau = k Menor variação que pode ocorrer na saída analógica Temos 2 n valores e 2 n -1 degraus RESOLUÇÃO k = AFS n 2 1

11 11.2) Conversão Digital-Analógica RESOLUÇÃO PERCENTUAL A resolução percentual se torna menor conforme o número de bits aumenta Tamanho do Degral RESOLUÇÃO % = *100% Fundo de Escala

12 11.3) Circuitos conversores D/A Estudaremos os tipos de DAC com: - Amplificador Somador - Saída em Corrente - Rede R2R Revisão de Amplificador operacional

13 O Amplificador Operacional Um amplificador operacional é um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois terminais de entrada: terminal inversor(-) / terminal não inversor(+). A tensão de saída é a diferença entre as entradas + e -, multiplicado pelo ganho em malha aberta. V = ( V V )* a out + O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projetado inicialmente para realizar operações matemáticas.

14 O Amplificador Operacional Principais características: Ganho a: no ideal, seria infinito. Na prática, valores tão altos como são possíveis. Impedância de entrada: infinita no ideal. Na prática, valores como 10 MΩ são possíveis (isso significa que o amplificador não consome corrente pelas entradas). Impedância de saída: nula no ideal. Valores como 75 Ω são encontrados na prática, significando ausência de queda de tensão interna na saída. Resposta de freqüência: de 0 ao infinito no ideal. Na prática escolhem-se tipos com resposta bastante acima da freqüência na qual irão operar para dar uma aproximação do ideal.

15 Amplificador Operacional Circuito multiplicador Desde que a impedância das entradas seja muito alta, pode-se supor que nenhuma corrente será drenada pela entrada inversora. Assim, segundo a lei das correntes de Kirchhoff aplicada ao nó S, a corrente em R 1 deve ser igual à corrente em R 2 : ( ) = ( ) v v / R v v / R i o 2 De outra forma ( ) = ( ) R v v R v v 2 i o Sabemos ( ) v = a v v = a v porque v = 0. Substituindo na anterior o R v + R v / a = R v / a R v como a é muito alto o 2 i 2 o 1 o 1 o R v = R v v 2 i 1 o R v 2 = i R1

16 1 Amplificador Operacional Circuito somador ( ) A expressão v = R / R v do circuito multiplicador o 2 1 i pode ser escrita como v / R = v / R i 1 o 2 Isso est á de acordo com o conceito de terra virtual Se R é substituído por um conjunto de resistências, como R, R e R v / R + v / R + v / R = v / R a a b b c c o 2 De outra forma, v ( ) = R v / R + v / R + v / R o 2 a a b b c c a b c

17 Amplificador Operacional Terra Virtual Um fato interessante é observado quando se determina a impedância no nó S do circuito do tópico anterior. A impedância é dada pela relação entre o potencial no nó (v 2 ) e a corrente em R 1 : Z = v 2 /I 1 Já visto que a corrente em R 1 é igual à corrente em R 2 : I 1 = I 2 = (v 2 v o )/R 2 Substituindo, Z = v 2 R 2 / (v 2 v o ) = R 2 / (1 v o /v 2 ) Portanto, R 2 Z S = ~ 0 1+a Desde que o ganho (a) é muito grande, a impedância é muito baixa (nula no caso ideal), embora o nó não esteja diretamente em contato com o terra. Daí a denominação terra virtual. Isso, em outras palavras, pode ser explicado pela realimentação negativa, que tende a anular a entrada em S, mantendo-a no potencial da massa. Também significa que não há corrente circulando entre o nó S e a terra.

18 Amplificador Operacional Regras de ouro Considerando alguns detalhes temos as regras: 1) Impedância de entrada infinita: As entradas de um AmpOp não "puxam" corrente (impedância de entrada infinita) 2) Terra virtual: O valor de tensão na saída (fornecido pelo AmpOp), será o necessário para que as a diferença de voltagem entre as entradas seja igual a zero.

19 11.3) Circuitos conversores D/A Amplificador Somador: Multiplica cada tensão de entrada pela razão entre o resistor de alimentação RF e o resistor da entrada VOUT = ( VD + VC + VB + VA) Cuidado com Arredondamento

20 11.3) Circuitos conversores D/A Exemplo: (Fig. 11.5) Qual o valor analógico correspondente à entrada 1010? Qual é a resolução deste conversor? V V V V D C B A = 5V = 0V = 5V = 0V VOUT = ( ) = ( , ) = 6, 25V RESOLUÇÃO é igual ao peso do LSB 1 k = 5 V = 0,625 V 8

21 11.3) Circuitos conversores D/A Podemos melhorar a precisão da conversão usando: 1) Resistores de precisão; 2) Fonte de referência de precisão.

22 11.3) Circuitos conversores D/A DAC COM SAÍDA EM CORRENTE: Teremos uma corrente de saída proporcional à entrada binária.