CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA

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1 Página 1 de 8 Faça sua busca Assine SAC Canais CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CELSO SUCKOW DA FONSECA TÍTULO : CI s DE CONVERSÃO A/D E D/A

2 Página 2 de 8 NOME : MARCO ANTONIO MONTE ALEGRE 1 - CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICA (D/A) Basicamente, a conversão D/A é o processo onde um valor representado em determinado código binário é convertido para um valor de tensão ou corrente proporcional ao valor digital. Em um conversor de quatro bits, as entradas digitais D, C, B e A são via de regra, provenientes de um registrador de saída de um sistema digital. São 16 números binários diferentes representados por estes quatro bits. Para cada número na entrada, o conversor D/A associa um único valor de tensão de saída. Realmente, neste caso, a tensão analógica de saída Vout equivale em volts ao número binário de entrada.

3 Página 3 de 8 Saída Analógica. Tecnicamente, a saída de um conversor D/A não é considerada uma grandeza analógica pelo fato dela poder assumir somente valores específicos de tensão ou corrente. Considerando este fato, a grandeza em questão não pode ser considerada grandeza analógica, pois seu espectro de variação não é contínuo. No entanto, como veremos adiante, poderemos aumentar o números de valores diferentes para representar as saídas, diminuindo, assim, a diferença entre dois valores de saída sucessivos, com o consequente aumento do número de bits para representar a entrada. Com efeito isto vai produzir uma saída cada vez mais parecida com uma quantidade analógica, cuja principal característica é sua variação contínua sobre um espectro de valores. Em outras palavras, a saída de um conversor D/A é uma grandeza "pseudo-analógica". Entradas Ponderadas. No conversor D/A deve ser observado que cada entrada digital contribui com uma quantidade diferente para a formação da saída analógica. As contribuições de cada entrada digital são ponderadas, ou seja, têm um peso, de acordo com sua posição no número binário de entrada. Resolução(Tamanho do degrau). Definimos a resolução de um conversor D/A como sendo a menor modificação que pode ocorrer em sua saída analógica, resultante de uma alteração na entrada digital. A resolução é sempre igual ao peso do dígito menos significativo da entrada, sendo muitas vezes denominada tamanho do degrau, por ser a quantidade que Vout vai mudar de um degrau para outro ESPECIFICAÇÃO DOS CONVERSORES D/A Precisão Os fabricantes de conversores D/A expressam a precisão de seus produtos de diversas maneiras diferentes. Asduas formas mais comuns são através do erro de fundo de escala (full scale) e do erro de linearidade, expressos como uma porcentagem do valor de fim de escala do conversor. O erro de fundo de escala (FE) é definido como o desvio máximo da saída do vonversor em relação ao seu valor ideal, expresso como porcentagem do valor de fim de escala. Por exemplo, assuma que o conversor D/A tem uma precisão de ± 0,01% FE. Como tal conversor D/A tem uma tensão de fim de escala 9,375V, esta percentagem pode ser convertida para o seguinte valor de tensão: ± 0,01% X 9,375 = ± 0,9375mV Isto significa que a saída do conversor D/A pode, em qualquer instante de tempo, sofrer um desvio de no máximo 0,9375mV de seu valor esperado. Tempo de estabilização A velocidade de operação de um conversor D/A é expressa por seu tempo de estabilização, que vem a ser o tempo gasto pela saída do conversor para de zero ao seu valor de final de escala, enquanto todos os valores de entrada mudam de 0 para 1. Na prática, o tempo de estabilização é medido como o tempo gasto para a saída do conversor estabilizar-se dentro da faixa de ± 1/2 do tamanho do degrau de seu valor de fim de escala. Por exemplo, se a resolução do conversor D/A for de 10mV, o tempo de estabilização é medido como o tempo gasto para a saída estabilizar-se dentro da faixa de

4 Página 4 de 8 5 mv, em torno de seu valor de final de escala. Tensão de Compensação Teoricamrnte, a tensão de saída de um conversor D/A será de zero volt, se todos os seus bits de entrada estiverem em zero. Mesmo com as entradas nesta situação, na prática haverá uma tensão bem pequena na saída do conversor, tensão esta denominada de tensão de compensação. Tal erro, se não for corrigido, será adicionado a saída do conversor para todas as situações presentes na entrada. Resolução À resolução percentual de um conversor D/A só depende do número de bits na entrada de tal conversor. Por isso os fabricantes preferem especificar a resolução de seus produtos através de número máximo de bits presentes na entrada. Um conversor D/A de 10 bits tem uma resolução melhor do que um de 8 bits APLICAÇÕES DOS CONVERSORES D/A Controle. A saída de um computador pode ser convertida em sinal de controle analógico para ajustar a velocidade de rotação de um motor, ou a temperatura de um forno ou para controlar qualquer variável física. Teste Automático. Um computador pode der programado para gerar sinais analógicos necessários a testar determinado circuito analógico. A resposta deste teste normalmente é digitalizada por um conversor A/D, e apresenta ao computador para ser armazenada ou analizada. Reconstituição de sinal. Em muitas aplicações, um sinal analógico precisa ser digitalizado, o que significa que sucessivos pontos do sinal são convertidos para valores digitais correspondentes, e armazenados na memória de um computador. Esta conversão é realizada por um conversor A/D. Um conversor D/A pode ser usado para converter novamente o sinal digitalizado para analógico, um ponto de cada vez, reconstituindo o sinal original. Esta combinação de digitalização e reconstrução é usada em osciloscópio com memória digital e em sistemas de áudio digitais. 2 - CONVERSÃO ANALÓGICO - DIGITAL (A/D) Um conversor analógico- digital recebe uma ebtrada analógica e, após certo intervalo de tempo, transforma-a numa saída digital correspondente à entrada analógica. O processo de conversão A/D é mais complicado e mais demorado do que o D/A, havendo uma grande variedade de métodos para realizar tal conversão. Varios tipos de conversores A/D usam conversores D/A como parte de seus circuitos. A temporização da operação do circuito é feita por um sinal de clock. A unidade de controle contém os circuitos lógicos para geração da sequência apropriada de operações em resposta ao comando de início, que começa o processo de conversão. O amplificador operacional, usado como comparador tem duas entradas analógicas e uma saída digital que muda de estado, dependendo de qual das entradas analógicas é maior.

5 Página 5 de 8 A operação básica dos conversores A/D é a seguinte: 1. Um pulso de início inicia a operação. 2. A unidade de controle modifica continuamente o número binário armazenado no registrador, numa cadência ditada pelo clock. 3.O número binário armazenado no registrador é convertido para um valor analógico Vax, pelo conversor D/A. 4. O comparador compara Vax com a entrada analógica Va. Enquanto Vax for menor do que Va, a saída do comparador permanece no nível lógico ALTO. Quando Vax exceder Va de um valor mínimo Vt, a saída do comparador vai para nível lógico BAIXO, interrompendo o processo de modificação do conteúdo do registrador. Neste ponto, Vax é muito próximo de Va. O valor digital armazenado no registrador, que é o valor digital equivalente a Vax, é também equivalente a Va, respeitados os níveis de precisão e resolução do sistema. 5. A lógica de controle ativa o sinal EOC, de término do processo de conversão CONVERSÃO A/D EM RAMPA Uma das versões mais simples do conversor genérico usa um contador binário como registrador, e permite que o clock incremente o contador um passo de cada vez, até que Vax Va. Tal processo é denominado conversão A/D em rampa, porque a forma de onda de Vax assemelha-se a uma rampa. Ele contém um contador, um conversor D/A, um comparador analógico e uma porta a AND de controle. A saída do comparador serve como sinal de término da conversão, sinal este ativo-baixo. Se assumirmos que Va, o sinal analógico a ser convertido, é positivo, a operação processa-se como descrito a seguir: 1. Um pulso de início é aplicado para resetar o contador. O nível ALTO do pulso de início também serve para inibir a passagem dos pulsos de clock pela porta AND, em direção ao contador. 2. Com todas as suas entradas em zero, a saída do conversor D/A será Vax = 0V. 3. Sendo Va> Vax, a saída EOC do comparador irá para o nível lógico ALTO. 4. Quando INÏCIO volta ao nível lógico BAIXO, a porta AND é habilitada, e os pulsos de clock entram no contador. 5. À medida que o contador avança, a saída do conversor D/A, Vax, cresce um passo a cada instante. 6. Este processo continua até que Vax chegue a um valor que ultrapasse Va por uma quantidade maior ou igual a Vt. Neste ponto, EOC vai para o nível lógico BAIXO e inibe o fluxo de pulsos para o contador, que pára, então, a sua contagem. 7. O processo de conversão está agora completo, sinalizado pela transição de ALTO para BAIXO do sinal EOC, e o conteúdo do contador é a representação digital de Va.

6 Página 6 de 8 8. O contador segura o valor digital nele armazenado, até que o próximo pulso de INÏCIO inicie uma nova conversão. Tempo de conversão O tempo para conversão da entrada analógica na saída digital é o intervalo de tempo decorrido entre o final do pulso de INÏCIO e a ativição de EOC. O contador começa sua contagem de zero, indo até Vax exceder Va, quando EOC assume o nível lógico BAIXO, encerrando o processo de conversão. Deve ficar claro que o tempo de conversão depende de Va, pois quanto maior for este valor, mais degraus serão necessários antes que a tensão da escada exceda Va, provocando o encerramento do processo de conversão CONVERSÃO A/D POR APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS O conversor A/D que usa o método das aproximações sucessivas é um dos tipos de conversor mais utilizados atualmente. Seus circuitos são mais complexos do que os do conversor em rampa, porém seu tempo de conversão é muito menor, o que torna seu uso bastante atrativo. Além disso, os conversores A/D por aproximações sucessivas têm um tempo de conversão fixo, que não depende do sinal analógico presente em sua entrada. O esquema básico deste conversor é similar ao do conversor em rampa. No entanto o conversor A/D por aproximações sucessivas não utiliza um contador para gerar a entrada do conversor D/A, usando, em seu lugar, um registrador comum. A lógica de controle modifica o conteúdo deste registrador bit a bit, até que o dado armazenado no registrador seja equivalrnte à entrada Va, dentro da resolucão do conversor. Como exemplo escolhemos um conversor bem simples, de quatro bits, com um degrau de 1V. Mesmo considerando o fato de que na prática os conversores A/D por aproximações sucessivas possuem mais bits e uma resolução bem menor. Antes de prosseguir, observe que os quatro bits que saem do registrador e alimentam o conversor D/A possuem pesos de 8, 4, 2 e 1V, respectivamente, do menos significativo para o mais significativo. Vamos assumir que o valor da entrada analógica é de 10,4 V. A operação inicia-se com a lógica de controle zerando todos os bits do registrador, fazendo Q3 = Q2 = Q1 = Q0 = 0. Expressamos este fato pela notação [Q] = Isto faz com que a saída do conversor D/A seja Va = 0 V. Com Vax < Va, a saída digital do comparador assume o nível lógico ALTO. No passo seguinte, a lógica de controle faz com que o bit mais significativo do registrador passe a valer 1, fazendo com que o valor armazenado passe a ser [Q] = O valor de Vax passe a ser 8 V. Como Vax < Va, a saída COMP do comparador continua em ALTO, indicando para a lógica de controle que a colocação do bit mais significativo do registrador em 1 não tornou Vax maior que Va, de modo que a lógica de controle mantém tal bit em 1. A lógica de controle prossegue, fazendo o bit Q2 = 1, de maneira a tornar [Q] = 1100 e Vax = 12 V, no próximo instante. Em vista de Vax assumir um valor maior do que Va, a saída COMP vai para o nível lógico BAIXO, indicando à lógica de controle que o valor de Vax tornou-se muito grande. Neste momento, o próximo instante, a lógica de controles zera Q2, levando [Q] de volta a 1000 e fazendo Vax voltar a 8 V, tornando-se

7 Página 7 de 8 novamente menor do que a entrada Va. O próximo passo ocorre quando a lógica de controle faz o bit Q1 = 1, tornando [Q] = 1010 e Vax = 10 V. Com Vax < V, COMP assume o nível lógico ALTO, informando à lógica de controle que o bit Q1 deve ser mantido em 1. O passo final ocorre quando a lógica de controle faz Q0 = 1 levando [Q] a valer 1011, e, em consequência, Vax = 11V. Como Vax > Va, a saída COMP vai para o nível BAIXO, sinalizando que Vax é muito grande, fazendo com que a lógica de controle retorne o valor de Q0 a zero no próximo passo. Neste ponto, todos os bits do registrador já foram processados, fazendo com que a lógica de controle ative o sinal EOC, dando por encerrado o processo de conversão, e sinalizando que um valor digital equivalente a Va esta armazenado no registrador. Neste exemplo, a saída digital equivalente a 10,4V foi Observe que 1010 equivale a 10V, valor menor que o da entrada analógica. Este fato é característico do método de conversão por aproximações sucessivas. A diferenças entre os valores digital e analógico diminui com o aumento do número de bits do registrador e do conversor D/A. Lembre-se de que, na conversão em rampa, a saída digital equivante à entrada analógica equivalia sempre a uma tensão que estava em degrau abaixo de Va CONVERSORES A/D INSTANTÂNEOS (FLASH) Os conversores instantâneos são aqueles que possuem a maior velocidade de conversão entre todos os conversores A/D disponíveis, requerendo, circuitos muito mais elaborados que os demais. Por exemplo, um conversor A/D instantâneos de 6 bits precisa de 63 comparadores analógicos, enquanto um de 8 bits precisa de 255 comparadores e um de 10 bits de 1023 comparadores. O grande número de comparadores analógicos necessários ao projeto de conversores instantâneos tem limitado enormemente o tamanho de tais conversores, que estão disponíveis atualmente em unidades de 2 a 8 bits. Alguns fabricantes já estão anunciando para breve a colocação no mercado de conversor instantâneo de 9 a 10 bits. O princípio da operação destes conversores vai ser descrito tomando por base um conversor de 3 bits, de maneira a permitir o estudo de seus circuitos. Desde que a operação de tal conversor tenha sido entendida, basta entender a idéia básica para conversores instantâneos maiores. Um conversor instantâneo tem uma resolução de 3 bits e um degrau de 1V. O divisor de tensão extrai da tensão básica de 10V uma tensão de referência para cada um dos 8 comparadores. A tensão de referência Va é conectada a outra entrada de cada comparador. Com Va < 1 V, todas as saídas dos comparadores, de C1 a C7, estarão no nível lógico ALTO. Com Va > 1V, uma ou mais das saídas dos comparadores irão para o nível BAIXO. Todas as saídas dos comparadores são ligadas a um circuito codificador com prioridade, que gera uma saída binária correspondente à saída do comparador associado à entrada que estiver no nível lógico BAIXO e possuir a numeração mais elevada. Por exemplo, quando Va estiver entre 3 e 4V, as saídas C1, C2 e C3 estarão no nível BAIXO, estando as demais no nível ALTO. O codificador com prioridade vai responder apenas ao nível BAIXO presente em C3, produzindo uma saída binária CBA = 011, que representa o valor digital equivalente a Va, dentro da resolução de 1V. Quando Va for

8 Página 8 de 8 maior do que 7V, as entradas de C1 a C7 estarão todas no nível BAIXO, e o codificador vai produzir uma saída CBA = 111, representando a saída digital equivalente à entrada analógica Va. O conversor instantâneo tem uma resolução de 1V, pois a entrada analógica precisa sofrer uma variação de 1V de forma a levar a saída digital para seu próximo valor. Para conseguir uma resolução mais fina, poderemos aumentar o número de níveis de tensão de entrada, usando mais resistores para divisão de tensão, e em consequência aumentando o número de comparadores analógicos. Por exemplo, um conversor instantâneo de 8 bits requer 256 níveis diferentes de tensão, incluindo 0V, sendo então necessários 256 resistores e 255 comparadores analógicos.as saídas dos 255 comparadores devem alimentar as entradas de um codificador com prioridade, que produz na saída um código de 8 bits que corresponde aom número do comparador de mais alta ordem, cuja saída esta no nível lógico BAIXO. Em geral, um conversor instantâneo de N bits precisa de 2-1 comparadores, 2 resistores, além da lógica do codificador com prioridade. Tempo de Conversão O conversor instantâneo não usa sinal de clock, pois não há necessidade de sequenciamento de suas operações. A conversão ocorre de uma só vez. Quando muda o valor da entrada analógica, as saídas dos comparadores também mudam, forçando a mudança na saída do codificador. O tempo de conversão é o tempo necessário ao aparecimento de uma nova saída digital, em resposta a uma mudança ocorrida na entrada analógica Va, e depende única e exclusivamente do retardo de propagação introduzido pelos comparadores e pela lógica de codificação. Por isso, os conversores instantâneos têm tempos de conversão extremamente pequenos. Por exemplo, o AD9002, da Analog Devices, é um conversor A/D instantâneo de 8 bits, com tempo de conversão menor do que 10ns.