UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA DIGITAL - ET75C - Profª Elisabete N Moraes

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA ELETRÔNICA DIGITAL - ET75C - Profª Elisabete N Moraes AULA 15 CONVERSÃO A/D E D/A e CIRCUITOS GERADORES DE CLOCK Em 0 de fevereiro de 015. CONVERSÃO ANALÓGICA DIGITAL Sinal analógico: manipula grandezas físicas que são contínuas ao longo do tempo. Ex.: a temperatura, a velocidade, a pressão. Sinal digital: manipula sinais que assumem um conjunto finito de valores discretos no tempo. No caso, trataremos com sinais digitais na forma de 0 s e 1 s. -Tocci, cap. 10 -Tokhein, cap. 1 -Thomas Floyd, cap

2 CONTEXTUALIZAÇÃO Grandezas comumente medidas: Temperatura Umidade Pressão/Força Revoluções por minuto (velocidade) Fluxo Posição Sensor: detecta uma variável física de interesse. Transdutor: transforma a variável física de interesse em outra que seja mensurável. Ex.: sinal de temperatura em um sinal elétrico. Créditos: NISE, Norman S.. Engenharia de sistemas de controle. LTC, 000, 3ª ed. 3 SAÍDAS ANALÓGICAS PADRONIZADAS 4

3 SAÍDAS ANALÓGICAS PADRONIZADAS 5 CONCEITOS Necessidade de estabelecer uma relação entre os valores analógicos digitais. Por exemplo: 3 bits permitem escrever no sistema decimal de 0 a 7. Mas se os sinais não possuem esta relação, como no caso de 4 a 0mA? =4 1 = 0 = Dec ma 4??????? ma 4 6,3 8,6 10,9 13, 15,5 17,8 0, Resolução É necessário distribuir 0-4=16 ma em 7 níveis, ou seja: 16/7 =,8 ma,3ma Resolução: menor alteração que pode ocorrer na saída analógica como resultado da mudança da entrada digital. 6 3

4 Dec Ais =4 1 = 0 = Equação da reta out mA CONCEITOS ma 4 6,3 8, ,9 13, 15,5 17,8 0,1 out Ais R. in in is 0,1mA A fs A is R resolução n 1 Onde: Afs= nível analógico de fundo de escala. Ais= nível analógico de início de escala. n= número de bits envolvidos na conversão. 0 6,3 8,6 10,9,3mA 13,,3mA 15,5 17,8 0,1 7 CÁLCULO DA RESOLUÇÃO Resolução em bit: é definida pela quantidade de bits do conversor. Ex1: Conversor D/A de 10 bits para 0-10V. R 1 = 10-0/ 10-1 = 10/103 = 9,77mV R Ex: Conversor D/A de 5 bits para 0-10V. n 11 R = 10-0/ 5-1 = 10/31 = 33mV Ex3: Conversor D/A de 8 bits para 4 a 0 ma. R 3 = 0-4/ 8-1 = 16/55 = 6,7uA A fs A is Resolução percentual: quando é expressa como uma função percentual da saída do fundo de escala. R R%. 100 fundo escala ( FS ) Ex1: Conversor D/A de 10 bits para 0-10V. R 1 = 9,77mV/10V = 0,0977% Ex: Conversor D/A de 5 bits para 0-10V. R = 33mV/10V = 3,3% Ex3: Conversor D/A de 8 bits para 4 a 0 ma. R 3 = 6,7uA/0mA = 0,3135% Comentário sobre precisão da leitura. Supondo que o erro seja menor do que 1% Ex1 Ex 8 4

5 EXEMPLOS 1) Quantos bits devem ser previstos para a conversão DA de um sistema de temperatura de 0º a 50º que indique no mínimo uma variação de 1,5º (0º; 1,5º; 3º;...) A A n fs is A fs A is 1 n 50 0 R R 1 n 11 1,5 A A n fs is n 1 1n 5 R ) Calcule a resolução real na unidade de temperatura e em percentual. Afs Ais R R R%.100 n 1 FS ,9677º R R % R 0,9677º / bit R 1,935% 3) Estabeleça a relação entre a temperatura e o valor digital para as 3 primeiras correspondências: º ,9677º T T 1,9354º T 9 EXEMPLOS DO TOCCI Exemplo 1: Um conversor D/A de cinco bits tem saída de corrente. Para uma entrada digital de 10100, é produzida uma corrente de saída de 10 ma. Qual será a corrente I OUT para uma entrada digital de 11101? A entrada digital de é igual ao decimal 0. Uma vez que I OUT = 10 ma, o fator de proporcionalidade é de 0,5mA. Então, I OUT para qualquer entrada digital, tal como = 9 10 da seguinte forma: I OUT = (0,5 ma) x 9 = 14,5 ma Exemplo : Qual o maior valor da tensão de saída de um conversor D/A de oito bits, que produz 1,0 V na saída, para uma entrada de ? = ,0V = K x 50 K =0 mv A maior saída ocorrerá para uma entrada de = V OUT (máx.)= 0 mv x 55 = 5,10V Exemplo 3: Um conversor D/A de cinco bits produz V OUT = 0,V para uma entrada digital de Encontre o valor de V OUT para a entrada ,V é o peso do bit menos significativo. Então, os pesos dos outros bits devem ser de 0,4V, 0,8V, 1,6V e 3,V, respectivamente. Desta forma, para uma entrada digital de 11111, o valor de V OUT será de 3,V + 1,6V + 0,8V + 0,4 + 0, = 6,V. 10 5

6 EXEMPLOS DO TOCCI Exemplo 4: Qual a resolução do conversor D/A do exemplo? Descreva o sinal em escada presente na saída deste conversor D/A. O bit menos significativo do conversor tem um peso de 0,V. Esta é a resolução ou tamanho do degrau. Uma forma de onda em escada pode ser gerada pela conexão de um contador de cinco bits à entrada do conversor D/A. A escada terá 3 níveis de 0 a 6,V, e 31 degraus, de 0,V cada um. Exemplo 5: Para o conversor D/A do exemplo, determine V OUT para a entrada de O tamanho do degrau é de 0,V, que vem a ser o fator de proporcionalidade K. A entrada digital de corresponde a Então V OUT = (0,V) x 17 = 3,4 V. 11 EXEMPLOS DO TOCCI Exemplo 6: A figura abaixo mostra um computador controlando a velocidade de um motor. Uma corrente analógica entre 0 e ma é amplificada para produzir velocidades de 0 a 1000rpm (rotações por minuto). Quantos bits devem ser usados se o computador deve ser capaz de produzir velocidades que variem de no máximo rpm? Cada degrau da saída do conversor D/A vai produzir uma mudança na velocidade do motor. Desejamos que cada mudança seja de, no máximo, rpm. Então precisamos de, no mínimo, 500 degraus (10001 ). Precisamos determinar quantos bits são necessários para gerar um mínimo de 500 degraus de 0 até a velocidade máxima requerida. Sabemos que o número de degraus é dado por N -1, e desta forma podemos afirmar que N ou que N 500. Uma vez que 8 = 56 e que 9 = 51, o menor número de bits que irá produzir um mínimo de 500 degraus é igual a nove. Poderíamos usar mais de nove bits. Porém, isso aumentaria o custo do conversor. Conver sor D/A 1 6

7 EXEMPLOS DO TOCCI Exemplo 7: Usando nove bits, o quão perto de 36rpm poderemos levar a velocidade do motor do exemplo anterior? Com nove bits, existirão 9-1 = 511 degraus. Então a velocidade do motor pode chegar a 1000rpm, em intervalos de 1000/511 = 1,957rpm. O número de degraus necessários a chegar a 36rpm é 36/1,957 = 166,58. Tal valor não é um número inteiro de degraus e, desta forma, deve ser arredondado para 167. A velocidade real do motor no degrau de número 167 será de 167x1,957 = 36,8 rpm. Então, o computador precisa gerar uma saída de nove bits, equivalente a , para produzir a velocidade desejada do motor. 13 CONVERSÃO ANALÓGICO/DIGITAL (DIGITALIZAÇÃO) A transmissão de sinais analógicos, tais como sinais de áudio e vídeo, de maneira digital, esses precisam ser convertidos de uma forma para a outra. Esse processo é chamado de conversão analógica digital (A/D), sendo composto por três etapas: 1. Amostragem o sinal contínuo é amostrado pela medição da sua vo amplitude em instantes de tempo discretos. vo vin t v o t v in 14 7

8 . quantização atribuição aos níveis amostrados, um conjunto de valores pré-fixados. 3. codificaçãocada nível quantizado recebe um código binário. Fonte: FERNANDES, Tales G.; PANAZIO, Aline N. Do analógico ao digital: amostragem, quantização e codificação. Aula-4-PI1-EngTel Projeto Integrador 1 - Engenharia 15 CIRCUITOS CONVERSORES D/A 1) Amplificador operacional na configuração somador inversor. msb v 1 lsb v v 3 v 4 R1=1k R= k R3= 4k R4=8k - + Rf=8k v o v o n vi R f i1 Ri BIN v1 v v3 v4 DEC vo (-) 8V (-) 4V (-) V (-) 1V Desvantagem: Influência da temperatura nos resistores. Precisão dos resistores (principalmente os comerciais). Diferença entre os valores entre os resistores Rlsb e Rmsb é elevada, dificultando o projeto de CIs. 16 8

9 CIRCUITOS CONVERSORES D/A ) Amplificador operacional na configuração R/R. V V n REF OUT 1 B Total de bits do conversor Exemplo: supondo que para o conversor acima tenha-se a combinação binária igual 1100 e Vref = 5V. Qual é o valor de V OUT? V OUT = -(5/ 4-1 ).(1x 3 + 1x + 0x 1 + 0x 0 ) V OUT = -7,5 V Onde: B = valor decimal correspondente ao da entrada binária a n= total de bits 17 CIRCUITO CONVERSOR A/D + - AmpOp p como comparador não inversor 1º º 18 9

10 AMPOP COMO COMPARADOR NÃO INVERSOR Vref Vsat se Vin 0 V O Vsat se Vin 0 Exemplo: Característica de Transferência: +Vsat Vref=0V -Vsat 19 COMPARADOR NÃO INVERSOR COM MONOALIMENTAÇÃO E Vref 0V Vref Vsat se Vin Vref V O 0 se Vin Vref Exemplo: Característica de Transferência: 0 10

11 FUNCIONAMENTO Supondo incrementos de 0,75V no comparador não inversor: 3 1 FUNCIONAMENTO 11

12 CIRCUITOS GERADORES DE CLOCK Circuitos Multivibradores: Circuitos cuja saída varia entre dois estados. São empregados como osciladores ou circuitos modificadores de sinais: Biestáveis possuem dois estados estáveis e são exemplificados pelos FFs. Monoestáveis possuem um estado estável, no qual podem permanecer indefinidamente e, um estado quase estável, em que permanece por um intervalo de tempo predefinido que passado algum tempo regressa ao estado inicial. Uso como gerador de pulso. Ex: minuteria. Vout Astáveis não possuem estados estáveis, por isso a saída oscila indefinidamente entre dois estados possíveis, com uma frequência determinada. Vout Tocci, seção 5.4. Tocci, T seção Créditos: Prof. Hamilton Savi Créditos: Prof. Hamilton Savi 3 SCHMITT-TRIGGER Estrutura formada por um amplificador operacional que reúne as características da função como comparador com realimentação positiva. Também denominado como comparador regenerativo. Introduz na operação do circuito uma histerese entre a tensão de entrada e saída. Essa característica ao ser incorporada em portas digitais resulta no seguinte efeito, supondo uma porta inversora: Vout V1 VH V Vin Oscilações podem ocorrer na saída se os tempos de transição na entrada são muito longos. A saída possui transições rápidas independentes dos tempos de transição da entrada da porta lógica. Créditos: Prof. Hamilton Savi 4 1

13 5V Vout EXEMPLO DE UM BUFFER ST Sinal da rede: VH V1=0,8V Vin V=1,6V Créditos: Prof. Hamilton Savi 5 OSCILADOR DE ONDA QUADRADA COM 7414 Devido à sua curva de histerese e também por aceitar tensões de entrada variáveis, um inversor Schimitt-Trigger pode ser usado para implementar um circuito astável. R C Frequência em função do R e C, conforme datasheet do fabricante do CI. CI f (Hz) /RC, R LS14 0.8/RC, R k 74HC14 1./RC, R 10M Créditos: Prof. Hamilton Savi 6 13

14 CRISTAIS OSCILADORES Quando certos cristais são comprimidos ou expandidos em direções específicas, os mesmos geram cargas em suas superfícies. Este fenômenos é chamado de efeito piezoelétrico. Os cristais mais adequados para a finalidade em questão são o quartzo, sal de Rochelle e a Turmalina, sendo o quartzo é o mais usado devido ao baixo custo, robustez mecânica e pouca variação da frequência em função da temperatura. A faixa de frequência compreende desde 1kHz a 00MHz. Os cristais de quartzo são estruturas em que os átomos se dispõem de uma forma ordenada que se repete em toda a sua extensão. Assim, forma-se uma espécie de rede de átomos com uma disposição totalmente ordenada em toda sua extensão Ao ser excitado o cristal ressoa/vibra alguns milhões de vezes por segundo, com elevada ee adapecsão precisão. 7 GERADOR DE CLOCK A CRISTAL Circuitos RC não são precisos ou estáveis (temperatura, vida útil), desta forma geradores utiliza-se geradores a cristal de quartzo para esta finalidade. CRISTAL X OSCILADOR A CRISTAL Um cristal sozinho não pode entrar em vibração espontaneamente. A excitação que coloca um cristal em oscilação e depois mantém esta oscilação é obtida por meio de um circuito especial. Este circuito é um amplificador que tem um elo de realimentação e ao conjunto assim obtido denomina-se "oscilador a cristal. 8 14

15 CI 555 CI versátil usado em todas as áreas de eletrônica, alimentação 5 a18v para produzir atrasos de tempo ou oscilações. O corrente de saída compatível tempo é controlado precisamente por um capacitor com TTL (alimentação 5V) 00mA e resistor externos. Usado como Astável, temporização p ç mínima 10(s) ) Monoestável ou Schmitt Trigger. temporização máxima 5(minutos) período máximo 1400(s) frequência máxima 70(kHz) 1=terraterminal negativo da tensão de alimentação =disparotambém chamado de trigger, é a entrada do comparador inferior, é usado para levar a saída ao nível alto.o disparo é realizado quando a tensão neste terminal cair abaixo de 1/3 Vcc, ou metade da tensão de controle. 3=saída é o terminal de saída do circuito, seu nível de tensão quando ativado é igual a Vcc 4=reseto aterramento deste terminal, interrompe o ciclo do tempo, quando não utilizado, deve ser ligado a Vcc 5=tensão de referência ou controle este terminal dá acesso direto ao ponto de /3 de Vcc, que é o nível de referência do comparador superior.aplicando-se uma tensão externa a este ponto, alteram-se as tensões de limiar e de disparo.quando não utilizado, deve ser conectado a um capacitor de nf para massa. 6=tensão de limiaro ciclo termina, ou seja, a saída é desligada, assim que a tensão deste terminal atinge /3 Vcc, ou a tensão do terminal 5 7=descargaconectado à massa por um transistor operando em saturação,quando a saída estiver em nível baixo, e é isolado da massa, quando o transistor está cortado, em nível alto.desta forma controla-se a carga e descarga do capacitor externo de temporização 8=+Vcc terminal positivo da alimentação, 5 a 18V. 9 CI 555 Diagrama interno: A)Resistores: Formam um divisor resistivo. AO1 B)Bloco dos Amplificadores: Estão no modo sem realimentação, operando como comparadores. AO B1) Não inversor AO1 V6=Vin e V5=V- = Vref = /3Vcc V O Vsat Vsat se Vin Vref se Vin Vref B.) Inversor AO V=Vin e V+ = Vref = 1/3Vcc V O Vsat Vsat se Vin Vref se Vin Vref C) FF RS S R Q 0 0 Qa * 30 15

16 555 COMO ASTÁVEL (OSCILADOR) Os tempos alto ( T H ) e baixo ( T L ) são calculados por : T H = 0,69.( R A + R B ).C T L = 0,69.R B.C 31 EXERCÍCIO TOCCI Calcule a frequência e a taxa de ciclo da saída do multivibrador astável 555 para C=0,001uF, RA=kohms e RB=100kohms. Taxa de ciclo duty cycle 3 16