Eletrônica Digital II. Engenharia de Computação

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1 Eletrônica Digital II ELT013 Engenharia de Computação

2 Aula 10 INTERFACE COM O MUNDO ANALÓGICO ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 2

3 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 5V 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 mvjá implica na mudança de alguns C na temperatura medida. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 3

4 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 4

5 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 éum número de bits que representa o valor da entrada analógica. Saída binária do ADC é número binário proporcional à tensão da entrada analógica. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 5

6 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 armazenadoe processadode 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 6

7 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 7

8 CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICA ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 8

9 Conversão D/A Na conversão D/A o valor representado em código digital é convertido em uma tensão ou corrente proporcionalao valor digital. Saída de DAC não é tecnicamente uma quantidade analógica, pois assume apenas valores específicos. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 9

10 Valor de Referência Tensão de referência V ref 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 10

11 Valor de Saída (1) Neste caso, o valor da saída V OUT 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 I OUT ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 11

12 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 = 1V V OUT = K * EntradaDigital V OUT = 1V * V OUT = 1V * V OUT = 12V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 12

13 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 13

14 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. V OUT pode ser considerado a soma ponderada das saídas digitais. VOUT = = 0V + 4V + 2V + 1V = 7V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 14

15 Resolução (1) Resolução de um conversor D/A é definida como a menor alteraçãoda saída analógica como resultado de uma alteração na saída digital. Resolução é o mesmo que o fator de proporcionalidade entrada/saída DAC. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 15

16 Resolução (2) Resolução sempre é igual ao peso do LSB ou tamanho do degrau Quantidade de V OUT que mudará na medida em que o valor da entrada digital mudar de uma etapa para a outra. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 16

17 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 17

18 Conversores D/A Bipolares DACstambém podem produzir tensões negativas, fazendo pequenas alterações ao circuito analógico na saída do DAC. Outros DACspodem ter circuitos internos extras e aceitar números com sinal em forma de complemento de 2 como entradas. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 18

19 CIRCUITOS CONVERSORES D/A ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 19

20 Conversores D/A Simples (1) DAC simples usando um amplificador operacional na configuração amplificador somador com resistores com ponderação binária Razão entre R IN e R F faz a atenuação do sinal de entrada V OUT = VD + VC + VB + VA ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 20

21 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: V OUT = 5V + 0V + 5V + 0V = 6, 25V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 21

22 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 22

23 Precisão da Conversão O quão perto o circuito chega de produzir os valores ideais de V OUT 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 FFsou 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 23

24 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 24

25 Conversores D/A Completo (2) A fonte de referência produz uma tensão muito estável, precisa, necessária para saídas analógicas precisas. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 25

26 Conversor D/A Básico Com Saída em Corrente ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 26

27 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 1kΩe o LSB seria de 2MΩ A escada R/2R usa resistências que abrangem apenas um intervalo de 2 para 1. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 27

28 Rede R/2R (2) A corrente I OUT depende da posição das quatro chaves, as entradas binárias B 3 B 2 B 1 B 0 controlam os estados Corrente pode fluir pelo amplificador operacional na configuração conversor corrente-tensão para gerar V OUT ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 28

29 ESPECIFICAÇÃO DE CONVERSORES D/A ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 29

30 Especificações Principais de DAC (1) Muitos DACsestão disponíveis como CIsou módulos encapsulados e as especificações principais são: Resolução Precisão Erro de offset Tempo de estabilização Monotonicidade ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 30

31 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 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 31

32 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 32

33 DAC de oito bits AD7524 com entradas com latch. Conversor amp-opde corrente para tensão fornece tensão de saída variando de 0 V a 10 V. Circuito amp-oppara gerar saída bipolar de 10 V a aproximadamente +10 V. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 33

34 APLICAÇÕES DAC ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 34

35 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. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 35

36 EXERCÍCIOS PROPOSTOS ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico 36