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Oswaldo de Almada Aires
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1 Universidade Federal do ABC Eletrônica Digital Aula 20: Conversão Digital-Analógica (DA) Prof. Rodrigo Reina Muñoz

2 Quantidade Digital versus Quantidade Analógica Quantidade Digital Um valor especificado dentre duas possibilidades, 0 ou 1, Baixo ou Alto, Verdadeiro ou Falso etc. Quantidade Analógica Qualquer valor ao longo de uma faixa contínua de valores. Exemplo: transdutor analógico temperatura-tensão 27,6 ºC 2,76 V 23,4 ºC 2,34 V etc. 2

3 Conversão Digital-Analógica Em geral, as grandezas físicas são analógicas por natureza. Portanto, quando um sistema digital é usado para monitorar e/ou controlar um processo físico, temos de lidar com as diferenças entre os aspectos digitais do sistema eletrônico utilizado e a natureza analógica das variáveis do processo. [TOCCI, 10ªEd.] 3

4 Conversão Digital-Analógica É o processo no qual o valor representado em código digital é convertido em uma tensão ou corrente proporcional ao valor digital. Uma tensão de referência V ref é usada para determinar a saída de fundo de escala ou valor máximo que o conversor DA pode gerar. Geralmente: K = fator de proporcionalidade (valor cte.) Exemplo: [TOCCI, 10ªEd.] 4

5 Exemplo [11.1B Tocci, 10ªEd.] 5

6 A Saída Analógica de um DA A saída de um conversor DA não é, a rigor, uma quantidade analógica porque ela pode assumir apenas valores específicos (como, por exemplo, 16 níveis para V out ) desde que V ref permaneça constante. Entretanto, o número de valores (níveis) possíveis de saída pode ser aumentado e a diferença entre valores sucessivos diminuída com o aumento do número de bits de entrada. Isso permite gerar uma saída cada vez mais parecida com uma quantidade analógica (a qual varia continuamente ao longo de uma faixa de valores). 6

7 Pesos da Entrada Digital Cada entrada digital contribui com um peso diferente para a saída analógica. V out é a soma ponderada das entradas digitais. Por exemplo: Entrada Digital = 0111, produz V out = K x (0 x 8V + 1 x 4V + 1 x 2V + 1 x 1V) = K x 7 V [TOCCI, 7ªEd.] 7

8 Exemplo [11.2 Tocci, 10ªEd.] [TOCCI, 7ªEd.] 8

9 Resolução (Tamanho do Degrau) de um DA A resolução de um conversor DA é a menor variação que pode ocorrer na saída analógica como resultado de uma mudança na entrada digital. A resolução é sempre igual ao peso do LSB e, também, é conhecida como tamanho do degrau. Geralmente, para um conversor DA de N bits, o número de níveis diferentes é igual a 2 N e o número de degraus é 2 N 1. Nesse caso: 9

10 Exemplo: cálculo da resolução de um DA [TOCCI, 7ªEd.] [TOCCI, 7ªEd.] 10

11 Resolução Percentual de um DA A resolução pode ser expressa como uma porcentagem da saída de fundo de escala. A resolução determina quantos valores analógicos a saída pode fornecer. 11

12 Influência da Resolução em Aplicações Práticas Exemplo: considere o controle da velocidade de um motor F.S. Quantos bits devem ser usados para que a velocidade do motor esteja no máximo a 2 rpm da velocidade desejada?. [TOCCI, 7ªEd.] Usando n = 9 bits, temos 511 (2 9 1) degraus, Assim, a velocidade do motor varia com passo de 1,957 rpm. Exercício: a) Quantos bits deveriam ser usados para que o passo seja de, no máximo, 4 rpm? (Resp.: 8 bits.) b) Usando 9 bits, a qual valor próximo de 326 rpm que a velocidade do motor pode ser ajustada? (Resp.: ~326,8 rpm.) 12

13 Conversores DA Bipolares Muitos conversores DA geram tensões negativas por meio de pequenas alterações no circuito analógico de saída. Nestes casos, o intervalo de entradas binárias ( a ) vai de Vref a, aproximadamente, +Vref. Comp. 2 Entrada DA Vout do DA Mais positivo ~ +Vref Zero V Mais negativo ~ -Vref Obs.: basta inverter primeiro bit do número em complemento de 2 antes de entrar no DA para obter a saída correta. Muitos CIs DAC (Digital-to-Analog Converter) já possuem esse inversor dentro do chip, aceitando entradas em complemento de 2. 13

14 Circuitos de Conversores DA Existem vários métodos e circuitos para implementar a operação de conversão DA. Consideramos, a seguir, os mais simples. Conversor DA com saída de tensão [TOCCI, 7ªEd.] 14

15 A Precisão na Conversão A precisão depende da precisão e estabilidade de V ref e dos componentes. No esquema ao lado, as entradas analógicas podem vir de dispositivos TTL, cujas saídas estão na faixa 0 a 0,8V (para nível lógico baixo) e 2 a 5V (para nível lógico alto). [TOCCI, 7ªEd.] chave controlada por lógica (p. ex., transistor MOS) 15

16 Conversor DA com saída de Corrente A corrente pode ser convertida em tensão usando o circuito: Para I out ser precisa, RL deveria ser um curto. Na prática, emprega-se RL << R. V out é proporcional a I out e pode acionar uma ampla variedade de cargas (sem sobrecarga). [TOCCI, 7ªEd.] 16

17 Conversor DA com saída de Corrente: Rede R/2R [TOCCI, 7ªEd.] B é o valor da entrada binária, de 0000 (0) a 1111 (15). Vantagem: emprega apenas dois valores de resistores, facilitando a construção num CI e melhorando a precisão. O DAC básico (com ponderação binária) têm grande diferencia entre os 17 valores dos resistores (entre LSB e MSB).

18 Especificação de Conversores DA Os fabricantes de conversores DA usam alguns termos para especificar o desempenho dos CIs DAC. Resolução: fabricantes especificam como o número de bits. Precisão: especificada como erro de fundo de escala ou como erro de linearidade, ambos expressos como porcentagem do fundo de escala (%FS). Erro de Offset: na prática, quando a entrada digital é , existe uma pequena tensão na saída, conhecida como offset error. Tempo de Estabilização: representa a velocidade da conversão digital para analógica. Normalmente, é definido como o tempo que a saída demora para atingir metade do valor do último degrau quando as entradas digitais mudam abruptamente de para

19 Aplicações de DACs Controle: saída digital de computador convertida em sinal analógico de controle (de qualquer variável física através de um atuador apropriado). No exemplo, um controlador de corrente 4-20 ma. [AN-343, Circuit Ideas fo IC Converters] 19

20 Aplicações de DACs Reconstrução de Sinais Vantagens: - Isolamento entre a saída do DAC e carga. - Eliminação de harmônicos pares resultantes de saídas desbalanceadas do DAC. - Supressão L de imagens de Nyquist do DAC devido à largura de banda limitada do transformador. [AN-912, Driving a Center-Tapped Transformer with a Balanced Current-Output DAC] Outras aplicações: conversão de dados digitalizados de áudio e vídeo de volta para a forma analógica. 20

21 Aplicações de DACs Controle de Amplitude Digital Amplificador de ganho programável [AN-137, A Digitally Programmable Gain and Attenuation Amplifier Design] 21

22 Atividade Extra Aula Resolver os problemas do livro texto. Recomenda-se fazer, pelo menos, dois exercícios de cada seção. Aula 10: Sec ; Aula 11: Sec. 7.9; 7.10 (projeto de contador síncrono) Aula 12: Sec. 7.8, ; 7.20 Aula 13: Sec Aula 14: Sec (Expansão do tamanho da palavra e capacidade.) Aula 15: Sec

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