Sistemas Digitais II. Interface com o mundo analógico. Prof. Marlon Henrique Teixeira Abril/2014

Transcrição

1 Sistemas Digitais II Interface com o mundo analógico Prof. Marlon Henrique Teixeira Abril/2014

2 Objetivos Compreender a teoria de funcionamento e as limitações dos circuitos de diversos tipos de conversores digital-analógicos (DACs). Ler e entender as diversas especificações dos fabricantes de DACs. Usar diferentes procedimentos de testes para analise de defeitos em circuitos com DACs. Comparar as vantagens e desvantagens entre os ADCs de rampa dupla, de aproximações sucessivas e do tipo flash. Analisar o processo pelo qual um computador em conjunto com um ADC digitaliza um sinal analógico e então reconstrói esse sinal a partir dos dados digitais. Descrever a operação básica de um voltímetro digital. Entender a necessidade do uso de circuitos de amostragem e retenção em conjunto com ADCs. Descrever a operação de um sistema de multiplexação analógico. Entender as características e a operação básica de um osciloscópio de memória digital. Entender os conceitos básicos do processamento digital de sinais. 2

3 Analógico x Digital Uma quantidade digital terá um valor que é especificado entre duas possibilidades, como 0 ou 1, BAIXO ou ALTO, verdadeiro ou falso, e assim por diante. Na pratica, uma quantidade digital como uma tensão pode ter um valor que esta dentro de faixas especificadas, e definimos que valores dentro de uma determinada faixa possuem o mesmo valor digital. Os valores exatos de tensão não são importantes, porque os circuitos digitais respondem da mesma forma a todos os valores de tensão dentro das faixas determinadas. Por outro lado, uma quantidade analógica pode assumir qualquer valor ao longo de uma faixa contínua de valores e, o que e mais importante, o seu valor exato é relevante. Cada valor possível de uma quantidade analógica tem um significado diferente. A maioria das variáveis físicas é analógica por natureza e pode assumir qualquer valor dentro de uma faixa de valores contínuos. Temperatura, pressão, intensidade luminosa, sinais de áudio, posição, velocidade 3 rotacional e velocidade de fluxo.

4 Analógico x Digital Os sistemas digitais realizam todas as suas operações internas usando circuitos digitais e operações digitais. Qualquer informação que tenha de entrar em um sistema digital deve primeiro ser colocada no forma to digital. De forma similar, as saídas de um sistema digital estão sempre no formato digital. Quando um sistema digital, como um computador, é usado para monitorar e/ou controlar um processo físico, temos de lidar com as diferenças entre a natureza digital do computador e a natureza analógica das variáveis do processo 4

5 Analógico x Digital 5

6 Analógico x Digital Transdutor. A variável física é geralmente uma grandeza não-elétrica. Um transdutor é um dispositivo que converte a variável física em uma variável elétrica. A saída elétrica do transdutor é uma tensão ou corrente analógica que é proporcional a variável física que é monitorada. Conversor analógico-digital (ADC). A saída elétrica analógica do transdutor serve como entrada analógica do ADC. Este converte essa entrada analógica em uma saída digital, que por sua vez consiste de um número de bits que representa o valor da entrada analógica Computador. A representação digital da variável de processo é transmitida do ADC para o computador digital, que armazena o valor digital e o processa de acordo com as instruções do programa que esta sendo executado. Conversor digital analógico (DAC). Essa saída digital do computador esta conectada a um DAC, que a converte em uma tensão ou corrente analógica proporcional. Atuador. O sinal analógico do DAC é freqüentemente conectado a algum dispositivo ou circuito que serve como um atuador para controlar a variável física. 6

7 Conversão Digital-Analógica É o processo em que o valor representado em código digital (como binário direto ou BCD) é convertido em uma tensão ou corrente que é proporcional ao valor digital. Saída de fundo de escala saída analógica = K. entrada digital Pseudo-analógica 7

8 Conversão Digital-Analógica Pesos das entradas 8

9 Conversão Digital-Analógica Resolução (Tamanho do degrau) Resolução de um conversor D/A é definida como 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 Saída de fundo de escala 9

10 Conversão Digital-Analógica Exemplos 1 - Um DAC de cinco bits tem uma saída em corrente. Para uma entrada digital de 10100, é gerada uma corrente de saída de 10 ma. Qual será a I out para uma entrada digital de 11101? 2 - Qual o maior valor de tensão de saída de um DAC de oito bits que gera 1 V para uma entrada digital de ? 3 - Um conversor D/A de cinco bits gera V out = 0,2 V para uma entrada digital de Determine o valor de V out para uma entrada de Qual a resolução (tamanho do degrau) do DAC do Exemplo anterior? Descreva o sinal de saída do tipo escada desse DAC. 5 - Para o DAC do Exemplo anterior, determine V out para uma entrada digital de

11 Conversão Digital-Analógica 1 - Quantos bits deveriam ser usados se o computador fosse capaz de produzir uma velocidade no motor que estivesse, no máximo, a 2rpm da velocidade desejada? 2 - A que valor próximo de 326rpm a velocidade do motor pode ser ajustada? 11

12 Circuitos Conversores D/A Conversor D/A com amplificador operacional 1 - Determine o peso de cada bit de entrada 2 - Mude Rf, para 250 ohms e determine a saída de fundo de escala 12

13 Circuitos Conversores D/A Precisão da conversão 13

14 Circuitos Conversores D/A Conversor D/A com saída em corrente Considere V ref = 10V e R = 10 Kohms. Determine a resolução e a saída de fundo de escala para esse DAC. Considere que RL seja muito menor do que R. 14

15 Circuitos Conversores D/A Conversor D/A com rede R-2R Quais são a resolução e a saída de fundo de escala desse conversor para Vref = 10V?

16 Especificação de DACs Resolução A resolução percentual de um DAC depende apenas do número de bits. Por essa razão, os fabricantes geralmente especificam a resolução de um DAC como o numero de bits. Um DAC de 10 bits tem uma resolução fina (menor) que um DAC de 8 bits. Precisão Os fabricantes de DACs costumam especificar a precisão de diversas formas. As duas formas mais comuns são denominadas erro de fundo de escala e erro de linearidade, que são normalmente expressos como uma porcentagem da saída de fundo de escala (% F.S.). O erro de fundo de escala é o desvio máximo da saída do DAC do valor esperado (ideal), expresso como uma porcentagem do fundo de escala. Exemplo: Um determinado DAC de oito bits tem uma saída de fundo de escala de 2 ma e um erro de fundo de escala de +/- 0,5% F.S. Qual a faixa de saídas possíveis para uma entrada de ? 16

17 Especificação de DACs Erro de offset Idealmente, a saída de um DAC será zero volt quando a entrada binária estiver com todos os bits em 0. Entretanto, na pratica, existira uma tensão muito pequena na saída para essa situação. Isso é denominado erro de offset. Tempo de estabilização A velocidade de operação de um DAC é geralmente especificada fornecendo-se o seu tempo de estabilização, que é o tempo necessário para a saída do DAC ir de zero ao fundo de escala conforme a entrada binária muda desde todos os bits em 0 ate todos em 1. Monotonicidade Um DAC e monotonico se sua saída aumenta conforme a entrada binária é incrementada de um valor para o próximo. Uma outra forma de descrever isso e que a saída do tipo escada não tem nenhum degrau para baixo conforme a entrada binária for incrementada de zero ate o fundo de escala. 17

18 Aplicações de DACs Controle A saída digital de um computador pode ser convertida em um sinal analógico de controle para ajustar a velocidade de um motor ou a temperatura de um forno ou controlar praticamente qualquer variavel física. Teste automático Computadores podem ser programados para gerar sinais analógicos (por meio de um DAC) necessários para testar circuitos analógicos. A resposta analógica de saída dos circuitos de teste normalmente é convertida em valores digitais por um ADC e enviada ao computador para ser armazenada, amostrada e, algumas vezes, analisada. Reconstrução de sinais Em muitas aplicações, um sinal analógico é digitalizado; ou seja, pontos sucessivos do sinal são convertidos em seus equivalentes digitais e armazenados numa memória. Essa conversão e realizada por um conversor analógico-digital (ADC). Um DAC pode então ser usado para converter os dados digitalizados, que foram armazenados, de volta para a forma analógica, um ponto de cada vez, reconstruindo dessa forma o sinal original. 18

19 Aplicações de DACs Conversão A/D Diversos tipos de ADCs usam DACs como parte dos seus circuitos. Controle de amplitude digital 19

20 Lista 1 Problemas página 646: 11.1 a a Para entregar dia: 27/06/13 20

21 Conversão Digital-Analógica Exemplos 1 - Um DAC de cinco bits tem uma saída em corrente. Para uma entrada digital de 10100, é gerada uma corrente de saída de 10 ma. Qual será a I out para uma entrada digital de 11101? 2 - Qual o maior valor de tensão de saída de um DAC de oito bits que gera 1 V para uma entrada digital de ? 3 - Um conversor D/A de cinco bits gera V out = 0,2 V para uma entrada digital de Determine o valor de V out para uma entrada de Qual a resolução (tamanho do degrau) do DAC do Exemplo anterior? Descreva o sinal de saída do tipo escada desse DAC. 5 - Para o DAC do Exemplo anterior, determine V out para uma entrada digital de