Aula 10 – Interface com o Mundo Analógico

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Eletrônica Digital II
ELT013
Engenharia de Computação
Aula 10
INTERFACE COM O MUNDO
ANALÓGICO
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Quantidade Digital Vs. Quantidade Analógica
 Quantidades Digitais
 Podem assumir um entre dois valores possíveis.
 Por exemplo, 0 ou 1, ALTO ou BAIXO, VERDADEIRO ou FALSO, etc.
 Podem estar em um intervalo especificado, o valor exato não é
tão importante.
 0 a 0,8 V nível lógico 0
 2 a 5 V nível lógico 1
 Quantidades Analógicas
 Podem assumir um número infinito de valores dentro de uma
faixa
 Seu valor exato é bastante importante.
 Ex.: Sensor de temperatura a variação de mV já implica na mudança de
alguns °C na temperatura medida.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (1)
 A maioria das variáveis físicas são analógicas e podem assumir
qualquer valor dentro de uma faixa contínua de valores.
 Temperatura, pressão, posição, velocidade, etc.
 A variável física é geralmente uma grandeza não elétrica.
 Um transdutor converte uma variável física em elétrica.
 Quantidade elétrica é proporcional à quantidade da variável monitorada.
 Exemplos: sensores de temperatura, fotocélulas, fotodiodos, medidores de
vazão, transdutores de pressão, tacômetros.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (2)
 Saída elétrica do transdutor analógico serve como entrada
analógica para um conversor analógico-digital (ADC).
 ADC converte essa entrada analógica em saída digital
 Saída digital é um número de bits que representa o valor da
entrada analógica.
 Saída binária do ADC é número binário proporcional à tensão da
entrada analógica.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (3)
 Representação digital da variável física é transmitida a
partir do ADC para o sistema digital.
 Valor digital é armazenado e processado de acordo com o
programa de instruções que ele está executando.
 Programa pode executar cálculos ou outras operações para
produzir uma saída que acabará sendo usada para controlar um
dispositivo físico.
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Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (4)
 Saída digital é conectada a um conversor digital-analógico (DAC)
 Converte para uma tensão ou corrente analógica proporcional.
 Sinal analógico muitas vezes é ligado um dispositivo ou circuito que
serve como um atuador
 Controla a variável física, como uma válvula eletricamente controlada, um
termostato, etc.
 Deve-se lidar com a diferença natural entre o sinal digital e analógico
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CONVERSÃO DIGITAL-ANALÓGICA
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Conversão D/A
 Na conversão D/A o valor representado em código digital é
convertido em uma tensão ou corrente proporcional ao
valor digital.
 Saída de DAC não é tecnicamente uma quantidade analógica, pois
assume apenas valores específicos.
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Valor de Referência
 Tensão de referência Vref
 Determina o fundo de escala, ou o máximo que valor que o
conversor D/A gera
 Entradas digitais
 São geralmente conectadas à saída de um registrador de um
sistema digital
 Para cada número de
entrada, a tensão de
saída do conversor
D/A é única.
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Valor de Saída (1)
 Neste caso, o valor da saída VOUT é o mesmo valor da
entrada binário
 Mas poderia ser o dobro, metade, 1/15, etc. Sempre mantendo a
proporcionalidade
 Mesma abordagem é válida para uma saída de corrente IOUT
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Valor de Saída (2)
 Para cada número de entrada, a tensão de saída D/ do
conversor é um valor único:
Saída Analógica = K * Entrada Digital
 onde K é o fator de proporcionalidade
 constante para um dado DAC ligado a uma tensão de referência
fixa.
 Exemplo: K = 1V
VOUT = K * Entrada Digital
VOUT = 1V * 11002
VOUT = 1V * 1210
VOUT = 12V
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Saída Analógica (1)
 A saída de um DAC é “pseudo-analógica”
 Apenas aproxima da analógica pura, conhecida como analógica
por conveniência.
 Quantidade de possíveis valores para a saída pode ser
aumentada, aumentando-se os bits de entrada.
 Desta forma, a diferença entre os valores sucessivos diminui
 Isso permite gerar saídas mais parecidas com uma
quantidade analógica
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Saída Analógica (2)
 Cada entrada digital contribui com
um valor diferente para a saída
analógica
 São ponderadas de acordo com sua
posição no número binário.
 Pesos são dobrados sucessivamente
para cada bit, começando com o LSB.
 VOUT pode ser considerado a soma
ponderada das saídas digitais.
 VOUT = 01112 = 0V + 4V + 2V + 1V =
7V
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Resolução (1)
 Resolução de um conversor D/A é definida como a menor
alteração da saída analógica como resultado de uma
alteração na saída digital.
 Resolução é o mesmo que o fator de proporcionalidade
entrada/saída DAC.
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Resolução (2)
 Resolução sempre é igual ao peso do LSB ou tamanho do
degrau
 Quantidade de VOUT que mudará na medida em que o valor da
entrada digital mudar de uma etapa para a outra.
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Implicações da Resolução
na Conversão D/A
 O projetista deve escolher a resolução com base na
precisão necessária
 O controle de um motor ou vazão de uma válvula para um
faixa de 0V a 10V
 Seis bits → 63 degraus de 0,159V
 Oito bits → 255 degraus de 0,039V
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Conversores D/A Bipolares
 DACs também podem produzir tensões negativas, fazendo
pequenas alterações ao circuito analógico na saída do DAC.
 Outros DACs podem ter circuitos internos extras e aceitar
números com sinal em forma de complemento de 2 como
entradas.
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CIRCUITOS CONVERSORES D/A
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Conversores D/A Simples (1)
 DAC simples usando um amplificador operacional na configuração
amplificador somador com resistores com ponderação binária
 Razão entre RIN e RF faz a atenuação do sinal de entrada
VOUT
1
1
1 

 VD  VC  VB  VA 
2
4
8 

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Conversores D/A Simples (2)
 Valores de resistência de entrada são binariamente ponderados.
 Exemplo: Tensão de entrada é de 5V no nível ALTO e 0V no nível
BAIXO e a entrada digital for 1010 então:
VOUT
1
1
1 

  5V  0V  5V  0V   6,25V
2
4
8 

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Conversores D/A Simples (3)
 Resolução do conversor é o peso do LSB
 1/8 x 5V = 0,625V
 Contundo essa configuração não é muito precisa já que:
 0 a 0,8 V nível lógico BAIXO
 2 a 5 V nível lógico ALTO
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Precisão da Conversão
 O quão perto o circuito chega de produzir os valores ideais de VOUT
depende principalmente de dois fatores:
 A precisão dos resistores de entrada e de realimentação.
 A precisão dos níveis de tensão de entrada.
 Resistores podem ser feitos com valores precisos (erro de 0,01% dos
valores desejados).
 Saídas digitais não podem estar conectadas às saídas de FFs ou portas
lógicas, porque os níveis de saídas lógicas dessas variam dentro de
determinadas faixas
 É necessário adicionar um circuito entre cada entrada digital e o seu
resistor de entrada para o amplificador somador.
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Conversores D/A Completo (1)
 Cada entrada digital controla uma chave semicondutora,
como uma porta de transmissão CMOS.
 Quando a entrada é ALTO
 Chave conecta uma fonte
de referência de precisão
para o resistor de entrada.
 Quando a entrada é
BAIXO
 Chave está aberta
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Conversores D/A Completo (2)
 A fonte de referência produz uma tensão muito estável,
precisa, necessária para saídas analógicas precisas.
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Conversor D/A Básico Com Saída em
Corrente
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Rede R/2R (1)
 Circuitos com resistores binário ponderados causam um problema
devido à grande diferença de valores entre LSB e MSB.
 Em um sistema com 12bits, o MSB seria de 1kΩ e o LSB seria de 2MΩ
 A escada R/2R usa resistências que abrangem apenas um intervalo de
2 para 1.
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Rede R/2R (2)
 A corrente IOUT depende da posição das quatro chaves, as entradas
binárias B3B2B1B0 controlam os estados
 Corrente pode fluir pelo amplificador operacional na configuração
conversor corrente-tensão para gerar VOUT
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ESPECIFICAÇÃO DE
CONVERSORES D/A
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Especificações Principais de DAC (1)
 Muitos DACs estão disponíveis como CIs ou módulos
encapsulados e as especificações principais são:





Resolução
Precisão
Erro de offset
Tempo de estabilização
Monotonicidade
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Especificações Principais de DAC (2)
 Precisão
 Denominados de erro de fundo de escala ou de linearidade,
expressos como porcentagem da saída (% F.S.)
 ±0,01% x 9,375 V = ±0,9375 mV
 Erro de Offset
 Idealmente a saída de um DAC deve ser 0 quanto todos os bits
forem 0s.
 Na prática existe uma tensão pequena na saída
 Quando não é corrigido é somado à saída esperada do DAC
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Circuito Integrado DAC
 O AD7524, um CMOS IC é um conversor D/A de oito bits
que usa uma rede de escada R/2R.
 Esse DAC tem uma entrada de oito bits que pode ser
armazenada internamente sob o controle das entradas
seleção do chip [Chip Select (CS)] e WRITE (WR).
 Quando qualquer entrada de controle se torna ALTO, os
dados da entrada digital são travados, e os de saída
analógica permanecem no nível correspondente aos dados
digitais travados.
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 DAC de oito bits AD7524 com entradas com latch.
 Conversor amp-op de corrente para tensão fornece tensão de saída
variando de 0 V a –10 V.
 Circuito amp-op para gerar saída bipolar de –10 V a
aproximadamente +10 V.
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APLICAÇÕES DAC
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Aplicações DAC
 Usado quando a saída do circuito digital deve fornecer uma
tensão analógica ou corrente:
 Controle - usa a saída de um computador digital para ajustar a
velocidade de um motor ou a temperatura de um forno.
 Testes Automáticos -sinais gerados por computadores para testar
circuitos analógicos.
 Reconstruções de um sinal analógico depois de convertido para
digital.
 Controle de Amplitude Digital - usados para reduzir a amplitude
de um sinal analógico.
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EXERCÍCIOS PROPOSTOS
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Exercícios Propostos
 Exercícios da seção 11.1 até 11.7
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