CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL E DIGITAL ANALÓGICA

Transcrição

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2 CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL E DIGITAL ANALÓGICA

3 Importância Conversores A/D e D/A são a base de todo o interfaceamento eletrônico entre o mundo analógico e o mundo digital. Estão presentes na grande maioria dos instrumentos de medida atuais e são os responsáveis pelo aumento significativo nos níveis de precisão e exatidão assim como o barateamento e popularização de instrumentos de medida digitais.

4 Importância Diversas grandezas físicas com as quais lidamos, são grandezas analógicas por natureza. Tais grandezas, como temperatura, pressão, velocidade, etc., são representadas por valores contínuos, sendo que para poderem ser processadas por sistemas digitais precisam ser convertidas para uma cadeia de bits. Esta conversão é conhecida como Conversão Analógica-Digital.

5 Conversor Analógico-Digital Conversor AD

6 Conversor Digital-Analógico Conversor DA

7 Processamento Digital de Sinais Hardware

8 Para poder representar um som num computador, é necessário conseguir convertê-lo em valores numéricos, porque este só sabe trabalhar com este tipo de valores. Chama-se esta ação de amostragem ou digitalização do som.

9 Sinais Digitais O áudio digital é, essencialmente, uma representação numérica do som. De uma maneira muito básica, esse conceito remonta a Pitágoras, para quem o número era a essência de todas as coisas. A tecnologia digital é capaz de representar imagens e sons em forma de números.

10 Processo de Amostragem A conversão do sinal analógico para o sinal digital é realizada por uma sequência de amostras da variação de voltagem do sinal original.

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12 Taxa de Amostragem frequência de amostragem f A = 1 T O intervalo de tempo entre duas amostras chama-se taxa de amostragem.

13 Áudio Digital A taxa de amostragem de áudio em um CD é de Hz. Significa que a cada segundo de som são tomadas medidas da variação de voltagem do sinal. Taxa de amostragem = f A = Hz

14 Frequência de Nyquist A taxa de amostragem dever ser pelo menos duas vezes a maior frequência que se deseja registrar. Esse valor é denominado de frequência de Nyquist. f > 2 f A MAX

15 Aliasing A figura abaixo representa uma onda de Hz (em amarelo) digitalizada com uma taxa de amostragem de Hz. Cada amostra é representada pelos pontos verdes. A onda em azul é a onda resultante do efeito de aliasing.

16 Frequency aliasing Sobreposição de frequências Sobreposição espectral ('aliasing') Este fenômeno ocorre quando a frequência mais elevada do sinal (Fentrada) é maior do que metade da frequência de amostragem (Famostragem/2).

17 Frequência de Amostragem frequência de amostragem f A = 1 T

18 Frequência de Amostragem Quanto maior a Frequência de Amostragem maior fidelidade ao sinal original e mais precisa é a representação do sinal

19 frequência de amostragem f A = 1 T

20 frequência de amostragem f A = 1 T

21 Conversor Analógico-Digital Conversor A/D

22 O conversor analógico-digital (A/D) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica. Sinal Analógico Representação Binária (Digital)

23 Armazenamento Memórias RAM Random-Access Memory Memória de Acesso Aleatório

24 Flash ADC Conversor tipo Paralelo ADC - Analog Digital Converter É a forma mais simples, precisa, eficiente e direta de conversão.

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27 Flash ADC Conversor tipo Paralelo ADC - Analog Digital Converter É a forma mais simples, eficiente e direta de conversão.

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29 Conversor A/D de 3 bits

30 Conversor A/D de 3 bits

31 Conversor A/D de 3 bits

32 Conversor A/D de 3 bits

33 É a forma mais simples e direta de conversão. CONVERSÃO PARALELA Tem como vantagem a velocidade de conversão extremamente rápida. Necessita de 2 N-1 comparadores para converter N bits.

34 Conversor A/D de 3 bits

35 Conversor A/D de N bits

36 Resolução Valor mínimo de variação que o circuito conversor é capaz de discriminar. É fácil concluir que a resolução depende do número de dígitos binários (bits) da saída. Por exemplo, com 3 bits, temos uma resolução 1/2 3 = 0,125 ou 12,5%.

37 Áudio Digital Um CD tem uma resolução de 16 bits o que permite uma resolução binária com (2 16 ) valores.

38 Questão Teórica Qual a memória ocupada em um CD para armazenar 1 minuto de música estéreo? Taxa de Amostragem = Hz Resolução = 16 bits

39 Memória para Armazenamento Em um CD em que o áudio é armazenado com 44,1 khz/16 bits, em dois canais (estéreo), um minuto de música ocuparia aproximadamente 10Mb de espaço: ( Hz) X (16 bits / 8) x (2 canais) x (60 segundos) = bytes

40 Conversor Digital-Analógico Conversor D/A

41 Conversor D/A pode ser usado para converter a representação digital do sinal de áudio para uma tensão analógica a ser aplicada em um amplificador de áudio capaz de alimentar um alto-falante. Representação Binária (Digital) Sinal Analógico

42 Conversor D/A de 6 bits

43 Conversor Analógico-Digital

44 frequência de amostragem f A = 1 T

45 O conversor analógico-digital (A/D) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica. Sinal Analógico Representação Binária (Digital)

46 Conversor A/D de 3 bits

47 Conversor Digital-Analógico

48 Conversor D/A de 4 bits V o = R R F V R [ A B C D]

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51 Conversor D/A de 6 bits

52 Conversor D/A tipo R/2R

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60 Conversor D/A de N bits

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62 Conversor D/A tipo R/2R

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64 Conversor D/A tipo R/2R

65 Conversor D/A tipo R/2R

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68 Parâmetros Resolução é a menor quantidade que pode ser convertida dentro da faixa dinâmica do sinal de entrada. É especificada pelo número de bits do conversor. Faixa Dinâmica é a faixa de amplitude de operação do sinal analógico (em geral uma tensão) dentro da região de trabalho (linear) do conversor. Tempo de amostragem é o tempo necessário para se obter o valor na saída (digital para o A/D; analógico para o D/A) a partir do momento em que o sinal de entrada foi aplicado e iniciado o processo de conversão. Erro de linearidade: expressa o desvio do resultado de conversão de uma reta ideal.

69 Resolução

70 Conversor A/D por Aproximação Sucessiva Para analisar o funcionamento do conversor A/D por aproximação sucessiva, tomemos o exemplo, que consiste em um conversor com intervalo de 0V a 15V e um degrau de tensão de 1V. Deste modo, obtém-se 16 níveis e são necessários 4 bits.

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73 Aproximação Sucessiva

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76 Sample & Hold

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80 Comparador de Tensão Simples

81 Comparador de Tensão Simples Usa apenas uma referência de tensão.

82 Comparador de Tensão Simples

83 Comparador de Tensão Simples

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89 Comparadores de Tensão

90 Comparadores de Tensão Classificação Simples Janela (Window) Histerese (Schmitt-Trigger)

91 Comparador de Tensão Simples Usa apenas uma referência de tensão.

92 Aplicação Geração de Sinal PWM A modulação PWM permite a transmissão de sinais analógicos em formato binário, sendo portanto, mais imune a ruídos aditivos existentes no meio transmissor, favorecendo uma recepção com maior fidelidade. Facilidade para MODULAR e DEMODULAR

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94 Espectro de Frequência Sinal PWM Presença de uma componente contínua que reproduz o sinal modulante. As demais componentes aparecem nos múltiplos da frequência da portadora sendo, relativamente fáceis de filtrar dada sua alta frequência.

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97 Duty-cycle

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100 Frequência da Portadora F R = = Frequência do sin al Modulador F F P M

101 Definições Razão de Frequência - F R Frequência da Portadora F R = = Frequência do sin al Modulador F F P M

102 Pronfundidade de modulação - M D Pico de m( t) M D = = Pico de c( t) M P

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106 Comparador de Tensão Janela

107 Comparador de Tensão Janela Usa duas referências de tensão.

108 Comparador de Tensão Janela Usa duas referências de tensão.

109 Comparador de Tensão Janela

110 Comparador de Tensão com Histerese Schmitt-Trigger

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113 Biestável Dois estados estáveis

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120 Timer 555 Temporizador Alimentação: V CC = 5V a V CC = 15V 2 Comparadores de Tensão 1 Divisor Resistivo 1 Flip-Flop RS 1 Transistor 1 Buffer de saída

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125 Astável

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128 PLL Phase-Locked Loop O primeiro PLL foi proposto pelo cientista francês Henri de Bellescize em 1932.

129 Malha de Captura de Fase PLL Phase Locked Loop Malha de Captura de Fase (Phase-Locked Loop) é um sistema de realimentação em que o sinal de realimentação é usado para sincronizar a frequência instantânea do sinal de saída com a frequência instantânea do sinal de entrada.

130 Malha de Captura de Fase PLL Phase Locked Loop Funcionalidade Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.

131 PLL Phase Locked Loop Detector de fase VCO (Voltage Controlled Ocillator) Filtro Passa-baixa

132 Aplicações

133 O PLL é um dispositivo muito usado em controle, telecomunicação e outros campos, com as mais diversas finalidades: Geração de sinais FM ou FSK Demodulação de sinais FM ou FSK Recuperação de portadora em PSK e QAM Recuperação de relógio (sincronismo) em transmissões digitais Sintetizador de freqüência para geração de portadoras e sinais de sincronismo.

134 Basicamente, o PLL é um elo fechado com três componentes : Um detector de fase Um VCO (Oscilador Controlado por Tensão) Um Filtro Passa baixa

135 Vantagens O grande mérito do PLL é que ele consegue gerar uma réplica limpa e quase sem ruído de um sinal misturado com ruído, interferências, com tremor de fase e até mesmo com cortes de curta duração. O PLL permite reconstituir ou recondicionar sinais deteriorados pelo ruído, ou ainda, separar um determinado sinal no meio de muitos outros.

136 VCO Voltage Controlled Oscillator Oscilador Controlado por Tensão

137 Na ausência de sinal de entrada Ve, a tensão V C ézeroe o VCO oscila na frequência central fo.

138 Funcionalidade Com sinal de entrada Ve, e frequência fe dentro da faixa de captura ou aquisição Fa, aparece uma tensão Vd na saída do detector de fase, tal que a freqüência do VCO seja alterada até ser igual a freqüência do sinal de entrada, porém mantendo um erro ou diferença de fase constante e tal que gere um Vc que sustente esta nova freqüência do VCO.

139 Funcionalidade Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.

140 Aplicação Um exemplo típico de uso do PLL é o demodular sinais em FM. O sinal FM é aplicado na entrada do PLL. Vc terá uma componente alternada igual ao sinal modulante, pois Vc e fv do VCO irão acompanhar as variações de freqüência de entrada

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143 Detector de Fase

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145 Funcionalidade O sinal de saída do multiplicador é função da diferença de fase dos dois sinais de entrada. Esta informação é útil e podemos usá-la para sincronizar os dois sinais.

146 Funcionalidade O sinal de saída do multiplicador é função da diferença de fase dos dois sinais de entrada.

147 Operação Quando se aplica um sinal na entrada do circuito, o detector de fase recebe esse sinal e compara a sua fase com a do sinal fornecido pelo VCO, gerando uma tensão de erro.

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149 Princípio de funcionamento

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151 Detector de Fase

152 Detector de Fase

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155 MODULADOR & DEMODULADOR FM

156 MODULADOR & DEMODULADOR FM

157 Sintetizador de frequência