CIRCUITOS E SISTEMAS ELECTRÓNICOS

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1 INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS DO TRABALHO E DA EMPRESA Enunciado do 2º Trabalho de Laboratório CIRCUITOS E SISTEMAS ELECTRÓNICOS MODELAÇÃO E SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS DE CONVERSÃO ANALÓGICO-DIGITAL E DIGITAL-ANALÓGICO

2 Índice Objectivos e regras de funcionamento:...1 Definições... 2 Lista de material...3 Material de laboratório... 3 Software... 3 Parâmetros e dimensionamento...3 Procedimento Experimental...3 Parte I... 3 Estudo de circuitos de conversão de sinal digital-analógico... 3 Tipologia de conversão D/A paralela (flash)... 4 Tipologia de conversão D/A com base num agregado binário... 4 Tipologia de conversão D/A com base numa malha R-2R... 5 Parte II... 6 Estudo de circuitos de conversão de sinal analógico-digital... 6 Tipologia de conversão A/D paralela (flash)... 6 Tipologia de conversão A/D multi-passo (pipeline)... 7 Elaboração do Relatório...8 Elementos a incluir no relatório:... 8 Material a entregar:...9 Horário de apoio à realização dos trabalhos... 9 Notas importantes...9

3 Objectivos e regras de funcionamento: Embora a funcionalidade da maioria dos circuitos integrados mistos (analógicos e digitais) seja naturalmente assegurada pelos seus blocos digitais, a generalidade dos sinais provenientes de sensores ou transdutores que captam e/ou agem sobre os sistemas físicos são inerentemente analógicos. Por variadas razões, o processamento de sinais analógicos é frequentemente levado a cabo no domínio digital, através da amostragem do sinal de entrada e reconstrução do sinal analógico de saída. Deste modo, os blocos de conversão de sinal desempenham um papel fundamental no âmbito dos sistemas em que estão inseridos. Com este trabalho pretende-se levar a cabo um estudo genérico e comparativo das tipologias básicas de conversão de sinal. Nesta análise deve ser dada especial atenção ao efeito das não idealidades dos componentes no desempenho geral das tipologias de conversão simuladas. É interessante comparar a sensibilidade de cada tipologia a estas imperfeições e os seus campos de aplicação específicos. O trabalho de laboratório é composto por duas sessões, sendo as demonstrações experimentais feitas no final da segunda sessão. 1/9

4 Parte I Modelação e Simulação de Circuitos de Conversão Analógico-Digital e Digital-Analógico o Modelação e simulação de circuitos de conversão de sinal digital-analógico o Análise dos efeitos das não-idealidades dos componentes e das variações inerentes ao fabrico e desemparelhamento no funcionamento de circuitos de conversão D/A o Estudo da tipologia de conversão paralela e das tipologias com base em Parte II agregados de resistências Tipologia paralela (flash) Agregado binário de resistências Malha R-2R o Modelação e simulação de circfuitos para conversão de sinal analógico-digital o Estudo das limitações causadas por não-idealidades dos componentes e variações durante o processo de fabrico na resolução e velocidade dos circuitos de conversão A/D o Estudo da tipologia de conversão paralela e da tipologia pipeline Tipologia paralela (flash) Tipologia de conversão multi-passo (pipeline) Definições f s frequência de amostragem (sample) - frequência à qual são tiradas amostras do sinal de entrada 2/9

5 Lista de material Material de laboratório Módulo experimental #3 Osciloscópio Gerador de sinal Fonte de alimentação Multímetro Software MATLAB / Simulink Parâmetros e dimensionamento = + = + Procedimento Experimental Parte I Estudo de circuitos de conversão de sinal digital-analógico Na primeira parte do trabalho devem ser desenvolvidos os blocos não disponíveis de forma a poder simular o comportamento dos conversores de sinal digital-analógico. O estudo comportamental dos conversores D/A deve incluir a análise teórica dos circuitos simulados e os resultados de simulação em condições ideais. Devem ser igualmente testados em condições não ideais, nomeadamente devem ser testados os efeitos do desvio processual e do desemparelhamento no valor nominal dos componentes, bem como os tempos de atraso associados à lógica digital e à comutação de interruptores. 3/9

6 Tipologia de conversão D/A paralela (flash) O circuito ilustra um conversor genérico de N bits em tipologia paralela (também conhecida como flash). É formado por uma malha resistiva de 2 N resistências e interruptores. O código binário de entrada actua sobre um circuito digital de descodificação que selecciona um dos interruptores, correspondente ao valor de tensão desejado. A tensão no nó selecionado ataca a entrada da montagem seguidora de saída. Figura 1. Conversor D/A em tipologia paralela. Obtenha a característica de tranferência v o (código). Caracterize e comente a resposta temporal a uma transição de escala completa (i.e. entre o código 0 e o código 2 N -1). Determine e comente a variabilidade dos resultados devida a variações processuais e de desemparelhamento dos componentes utilizados. Descreva analiticamente o funcionamento do circuito e comente os factores que limitam a resolução e a velocidade do conversor. Tipologia de conversão D/A com base num agregado binário A figura seguinte ilustra um conversor de 3 bits construído com base num agregado binário de resistências. O circuito é formado por N+1 resistências e interruptores e o código binário de entrada ataca directamente os interruptores. O valor da corrente i o é proporcional ao código de entrada e a tensão de saída vem invertida. 4/9

7 Figura 2. Conversor D/A em tipologia baseada num agregado binário de resistências. Obtenha a característica de transferência v o (código). Caracterize e comente a resposta temporal a uma transição de escala completa. Determine e comente a variabilidade dos resultados devida a variações processuais e de desemparelhamento dos componentes utilizados. Sugira, simule e comente e uma alteração ao circuito que permita calibrar erros de offset e de ganho do conversor. Descreva analiticamente o funcionamento do circuito, e comente as diferenças relativamente aos resultados de simulação. Comente os factores que limitam a resolução e a velocidade do conversor. Tipologia de conversão D/A com base numa malha R-2R O circuito seguinte é um conversor genérico de N bits construído com base numa malha de resistências em disposição R-2R. O seu comportamento é semelhante ao circuito anterior, sendo igualmente a corrente de saída i o proporcional ao código de entrada e a tensão de saída negativa. Figura 3. Conversor D/A em tipologia baseada numa malha de resistências R-2R. 5/9

8 Obtenha a característica de transferência v o (código). Caracterize e comente a resposta temporal a uma transição de escala completa. Determine e comente a variabilidade dos resultados devida a variações processuais e de desemparelhamento dos componentes utilizados. Compare os resultado obtidos com este circuito com os do conversor anterior. Descreva analiticamente o funcionamento do circuito, e comente as diferenças relativamente aos resultados de simulação. Comente os factores que limitam a resolução e a velocidade do conversor. Parte II Estudo de circuitos de conversão de sinal analógico-digital Na segunda parte do trabalho pretende-se simular o comportamento dos conversores de sinal analógico-digital. Novamente, o estudo comportamental dos conversores A/D deve incluir uma análise teórica dos circuitos simulados e resultados de simulação em condições ideais. As simulações em condições não ideais, e o seu impacto na velocidade e resolução dos conversores das diversas tipologias deve ser comentado no relatório. Tipologia de conversão A/D paralela (flash) A tipologia seguinte é semelhante à que é utilizada no conversor D/A (flash), incluindo do mesmo modo uma malha resistiva e um circuito digital. Neste caso, o bloco digital é um bloco de codificação utilizado para converter o código termómetro à saída dos comparadores para código binário. Figura 4. Conversor A/D em tipologia paralela. Obtenha a característica de transferência código(v in ). 6/9

9 Caracterize e comente os factores que limitam a velocidade de resposta do conversor. Determine e comente as limitações na resolução do conversor devidas ao desemparelhamento das resistências. Sugira e comente técnicas de correção digital e de calibração de erros de offset. Tipologia de conversão A/D multi-passo (pipeline) O figura seguinte representa um conversor analógico-digital multi-passo. O funcionamento do circuito tem por base um conjunto de N andares de conversão e amplificação de resíduo. Neste exemplo, cada andar é composto por um conversor A/D e D/A de 2 bits. A cada passo, o resíduo do andar anterior é passado ao andar seguinte, ao mesmo tempo que os bits convertidos passam para os registos de modo a armazenar e sincronizar os bits de saída dos diversos andares. Em cada andar, entende-se por resíduo o resultado da subtracção do valor convertido pelo valor de entrada, ou seja, o erro de quantização do andar. Tal como em outros exemplos práticos de arquitecturas pipeline, o conversor demora N ciclos de relógio para realizar a primeira conversão, fornecendo daí em diante uma conversão por ciclo. Figura 5. Conversor A/D em tipologia multi-passo concorrencial. Modele e caracterize um andar de conversão. Construa um conversor multi-passo concorrencial de 4 andares. Obtenha a característica de transferência código(v in ). Caracterize e comente a sensibilidade dos resultados às características não ideais consideradas. Compare a sua influência no resultado final quando afectam o primeiro andar do conversor ou quando afectam o último andar de conversão. Comente os factores que limitam a resolução e velocidade do conversor. 7/9

10 Elaboração do Relatório Elementos a incluir no relatório: Os valores das resistências, condensadores e bobines utilizados nos dimensionamentos teóricos. Descrição pormenorizada do procedimento experimental e dos problemas ocorridos durante a simulação. Descrição das condições de simulação, nomeadamente do tempo de simulação, do tipo de sinais e das frequências e amplitudes quando estas não estejam especificadas. Todos os gráficos referidos ao longo do enunciado correspondentes aos resultados de simulação. Todos os cálculos analíticos e comentários às diferenças entre estes e os resultados de simulação. Comentários sempre que existam diferenças entre os resultados de simulação, os valores esperados analiticamente e os resultados observados durante a demonstração experimental. Lista descritiva com todas as escolhas/decisões tomadas no decurso do trabalho. Opções de implementação e demonstração de resultados utilizadas. Não se esqueça de numerar e comentar as figuras apresentadas no relatório. Não se esqueça de incluir o número do grupo no relatório. Pagine e documento e não ultrapasse as 25 páginas. 8/9

11 Material a entregar: Relatório com os elementos pedidos no enunciado (deve incluir os modelos de simulação utilizados). Prazo limite para entrega: uma semana após a realização da última sessão de cada trabalho de laboratório Horário de apoio à realização dos trabalhos Os alunos tem acesso ao laboratório de ETI todos os dias da parte da manhã. Às quartas-feiras de manhã o laboratório está aberto e tem o apoio do técnico de laboratório. As sessões especiais de preparação das demonstrações experimentais assistidas pelo docente serão em hora a combinar com os alunos. Serão esclarecidas dúvidas sobre o trabalho de laboratório no horário de dúvidas acordado com os alunos. Notas importantes As aulas de laboratório devem ser usadas para realizar as soluções idealizadas à priori. É fortemente recomendável que as opções de projecto e estratégias de implementação resultem de uma leitura atenta e antecipada do enunciado. Cada projecto envolve a realização de um relatório (25 páginas no máximo) a entregar na semana seguinte à sua conclusão. O enunciado dos trabalhos está disponível na página da cadeira 9/9