Conversão Analógica Digital

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1 Slide 1 Conversão Analógica Digital Até agora, discutimos principalmente sinais contínuos (analógicos), mas, atualmente, a maioria dos cálculos e medições é realizada com sistemas digitais. Assim, precisamos de alguns meios de capturar um sinal analógico e digitalizá-lo. entrada sinal relógio Semicondutores 1 Para digitalizar um sinal, precisamos de uma base de tempo e um Conversor Analógico Digital (ADC), que fornece uma aproximação digital do sinal original. A aproximação digital é registrada em N bits (nesse caso 4) e a variação pode ser reduzida para uma precisão de, no máximo, 1 parte de 2^N. A base de tempo determina a velocidade como que podemos amostrar a forma de onda e varia mais com o tipo de ADC. É possível ter uma precisão de 24 bits e freqüências de 1 GHz, mas não simultaneamente. Em geral, quanto maior for o número de bits, mais lento o dispositivo. O bit mais significativo (msb) é o que registra a maior variação de tensão, e o bit menos significativo (lsb) registra a menor variação de tensão.

2 Slide 2 Conversão Analógica Digital (cont.) A conversão A/D mais simples de entender talvez seja a conversão flash. Ela usa um conjunto de comparadores analógicos bastante semelhantes aos que vimos na apresentação sobre o amplificador operacional. alto baixo dados de baixo engate Codificador octal para binário engate ativa V ent Semicondutores 2 O digitalizador flash é usado muito raramente, mas é mais simples de entender. Ele é simplesmente um conjunto de comparadores, e saída simplesmente diz em qual faixa de tensão a entrada apareceu. O truque é ter um conjunto de resistores precisos, de forma que haja uma escada de tensões bem-definida. A saída dos comparadores precisa ser convertida para um número binário e então armazenada temporariamente até que seja lida por um computador, etc. A mudança de codificação será coberta em apresentações futuras.

3 Slide 3 Tabela do Conversor Flash Semicondutores 3 Isso mostra simplesmente, com mais detalhes, as saídas como uma função da tensão de entrada. Observe que a única informação é qual é o bit mais significativo que é configurado?

4 Slide 4 Conversor Flash (cont.) benefício de alta velocidade contudo, muitos comparadores de 8 bits exigem 255 amplificadores operacionais em um chip grande dissipação de potência Exemplo: Datel AD apenas 50ns ou amostras por segundo Com mais freqüência, os conversores flash são usados com amostra & retenção e fator de escala Dispositivos Analógicos AD733A ns com apenas 48 amplificadores operacionais Semicondutores 4 Se você deseja ir realmente rápido, e o calor e o custo não forem problema, esse é o dispositivo certo para você.

5 Slide 5 Conversor D/A A maioria dos conversores A/D inclui um conversor A/D e um comparador Semicondutores 5 Para entender como a maioria dos ADCs úteis funciona, primeiro precisamos ver o problema oposto, de como capturamos uma palavra digital e a convertemos para um sinal analógico. Isso pode ser facilmente conseguido em uma única etapa, mais uma vez usando uma rede de resistores em escada. Aqui, a rede em escada é criar um divisor de tensão. Lembre-se de que a importância de um sinal que vai para um amplificador operacional depende de sua impedância de fonte (a corrente de entrada é o que importa). Aqui, por meio da configuração dos comutadores, definimos a importância de cada estágio. Os comutadores são, evidentemente, controlados pela lógica, e são, mais convenientemente, um tipo de FET.

6 Slide 6 Conversor A/D (cont.) 2R 2R R R Série R 2R A corrente se divide em duas trajetórias em cada nó. Lembre-se de que a saída do amplificador operacional é proporcional à corrente Semicondutores 6 Essa rede em escada tem a boa propriedade de sempre se assemelhar a um divisor por 2. Já que estamos usando codificação binária, por 2 é conveniente.

7 Slide 7 Conversor D/A (cont.) A corrente total que flui para o amplificador operacional é: S l = comutação para o bit menos significativo S N = comutação para o bit mais significativo Vamos re-escalar isso por Reconhecemos que S N S l simplesmente corresponde à representação binária de V ref Semicondutores 7 Dada uma escada de divisão por duas redes, uma codificação binária de informação é a escolha óbvia.

8 Slide 8 Problema Mostre que, se você deseja medir uma corrente, e não uma tensão Aqui, você precisa projetar o sistema de tal forma que a rede de resistor não arraste para massa a fonte de corrente (a impedância da fonte deve ser alta em comparação com a carga) Semicondutores 8

9 Slide 9 Conversão A/D via Aproximações Sucessivas D para A Vent lógica de controle limpar registro configurar MSB = 1 comparar resetar para 0 LBS atingido Sim concluir configurar próximo bit = Semicondutores 9 Uma abordagem antiga para a conversão A/D é por aproximações sucessivas, começando com o bit mais significativo e indo até o menos significativo. O comparador simplesmente informa se a aproximação é alta demais. Podemos pensar nisso como um elo de realimentação buscando seu ponto operacional, mas, na verdade, ele nunca será encontrado, já que a aproximação não é igual a V ent

10 Slide 10 Conversor A/D de Rastreamento Vent contador para cima para baixo relógio controle Se V + > V - (V ent ), então V saída é alto, e contamos para baixo. Se V + < V - (V ent ), então V saída é baixo, e contamos para cima. Quanto mais próximo a V ent, mais lento é o relógio; melhor aproximação Semicondutores 10 O rastreamento funciona pela saída de um comparador impulsionando a direção de contagem. O contador emite uma palavra digital que o D/A converte para V+. O sinal de controle configura a taxa do relógio, então, à medida que o contador vai para a frente e para trás em volta do binário de Vent, o relógio é desacelerado para conseguir uma representação melhor. A característica interessante do A/D de rastreamento é que ele segue um alvo em movimento.

11 Slide 11 Conversor Carga-Equilíbrio com V ent fixo, a integração gera uma inclinação negativa. V C é igual a V - do comparador, portanto quando V < -0,6V, a saída do comparador vai para cima e aciona a única tentativa (mono estável). A única tentativa liga a fonte de corrente, que atrai a corrente para fora do capacitor. q = 1mA. τ única tentativa O processo todo se repete, e o sistema é mantido em equilíbrio se freqüência de pulso Semicondutores 1 O projeto de equilíbrio de carga é mais comum para dispositivos lentos e de baixo custo (mas pode ser bastante preciso). A idéia é carregar um capacitor via V ent de sinal integrado. Isso é usado para acionar um mono-estável que envia um pulso de gatilho breve para uma fonte de corrente precisa. A freqüência da fonte de corrente irá cancelar a construção da carga no capacitor em função do integrador e, portanto, a freqüência fornece uma medida da tensão de entrada. A freqüência é medida com um contador que não é mostrado.

12 Slide 12 Conversor de Inclinação Dual ent controle relógio tempo contador nº de ciclos do relógio para cima e para baixo inclinação a precisão é de Semicondutores 12 O conversor A/D de inclinação dual é apenas uma versão do dispositivo de equilíbrio de carga mas, nesse caso, uma referência conta para baixo e a entrada, para cima (o comutador, evidentemente, é um FET). Medindo-se a razão de inclinações, a tensão de entrada pode ser aproximada e a precisão é relacionada ao número de ciclos contados para a medição.

13 Slide 13 Amostragem e Retenção Objetivos: Amostrar e armazenar uma tensão por um período de tempo longo o suficiente para fazer medições repetidas (com comparações). Durante Amostragem Ganho unitário; taxa de amostragem alta o suficiente. Amostragem para Retenção Há uma medição temporária antes que uma medição boa possa ser feita (5 100ns) Retenção evitar queda de tensão C está em pf (resposta rápida) e I fuga em pa (tecnologia MOSFET) está em V/s Alimentação de passagem um pouco da entrada passa mesmo que o dispositivo esteja em estado de retenção Semicondutores 13

14 Slide 14 Circuitos de Amostragem e Retenção V saída V ent V saída V ent melhor em baixas freqüência V saída V ent Semicondutores 14 Três versões de amostragem e retenção. As duas primeiras são semelhantes a circuitos que vimos anteriormente, com buffers separando um capacitor de armazenamento. O terceiro tem a capacidade de armazenamento no elo de realimentação.

15 Slide 15 Circuitos de Amostragem e Retenção (cont.) V ent saída ent saída saída ent saída saída saída saída saída ent saída Semicondutores 15 Uma análise simples de um circuito de amostragem e retenção com a capacidade de armazenamento no elo de realimentação. Observe que a saída deve ir para uma carga de impedância alta.

16 Slide 16 Manual TC7129 nº Semicondutores 16

17 Slide 17 Manual TC7129 nº Semicondutores 17

18 Slide 18 Manual TC7129 nº Semicondutores 18

19 Slide 19 Manual TC7129 nº Semicondutores 19

20 Slide 20 Manual TC7129 nº Semicondutores 20

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