Slide 1
Propaganda
ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL CONVERSORES DE SINAL 1 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL CONTEÚDO 6 - Conversores de Sinal (3 aulas) 1. Introdução à conversão de sinal A/D e D/A: definições e características. 2. Conversores D/A: resistivos e de corrente 3. Conversores A/D: - de processamento sequencial: conversor com realimentação e conversor de dupla rampa, conversor por aproximações sucessivas - de processamento paralelo: conversores de “flash”. 2 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL CONVERSÃO DE SINAL: ANALÓGICA / DIGITAL e DIGITAL / ANALÓGICA Palavra digital de N-bits ADC DAC Entrada Saída Entrada Saída Analógica Digital Digital Analógica 3 CONVERSORES DE SINAL ELECTRÓNICA GERAL Processamento de Sinal Analógico. Sinais físicos (transdutor) sinais analógicos; processamento analógico. Exemplo: (1) em instrumentação usa-se transdutor + A.O. Diferencial + filtro + operações algébricas. alternativa: - Sinal amostrado analógico (transdutor) sinal digital (Conversão Analógica Digital A/D); processamento digital. - uso circuitos integrados digitais, (economia e precisão) -Exemplos: (1) voltímetro digital, valores digitais, algoritmo de filtragem; (2) sistemas comunicações, sinal é transmitido numa sequência de impulsos binários sem degradação da amplitude do sinal, apresentação de resultados de fácil leitura (dígitos) - Sinal digital sinal analógico (Conversão Digital Analógica D/A) CONVERSÃO ANALÓGICA / DIGITAL ADC Entrada Analógica CONVERSÃO DIGITAL / ANALÓGICA Palavra digital de N-bits Saída Digital Entrada Digital DAC SaídaAnalógica 4 CONVERSORES DE SINAL ELECTRÓNICA GERAL CONVERSÃO DE SINAL: ANALÓGICA / DIGITAL Amostragem de sinais analógicos Sinal analógico de entrada Circuito de Sample-and-hold (S/H) O interruptor fecha durante uma fracção de tempo (t) do período de clock (T). Sinal de amostragem (controlo do interruptor) Sinal de saída para alimentar o conversor AD 5 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL Valor em [V] Quantização do Sinal EXEMPLO: • Sinal analógico que varia entre 0 e 10V • Será convertido num sinal digital de 4 bits • Sinal digital de 4 bits → 16 configurações diferentes, 0 a 15 • A resolução será 10V/15intervalos=2/3V Erros de quantização → aumentar a resolução → aumenta nº de bits binário 0 0000 2/3 = 0,666 0001 4/3 = 1,333 0010 6/3 = 2 0011 8/3 = 2,666 0100 10/3 = 3,333 0101 12/3 = 4 0110 14/3 = 4,666 0111 16/3 = 5,333 1000 18/3 = 6 1001 20/3 = 6,666 1010 22/3 = 7,333 1011 24/3 = 8 1100 26/3 = 8,666 1101 28/3 = 9,333 1110 30/3 = 10 1111 6 CONVERSORES DE SINAL ELECTRÓNICA GERAL CONVERSÃO DE SINAL: DIGITAL / ANALÓGICA Depois de feito o processamento digital criar uma saída analógica b1 Palavra digital de N-bits b2 b3 DAC vA Saída Analógica bN Palavra digital .b1b2 ...bN (número binário normalizad o) bN b1 b2 b3 (valor decimal ) D 1 2 3 ... N 2 2 2 2 Saída Analógica porporcional a D vA KVREF D bN b1 b2 v A KVREF 1 2 ... N 2 2 2 7 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO CONVERSORES DE SINAL DAC Circuito Básico Resistências Ponderadas • Tensão de Referência VREF • Resistências ponderadas R, 2R, 4R, 8R,......, 2N-1R • • • N interruptores Si AMPOP Rf=R/2 Si controlados por uma palavra digital D de N bits bi=0→Si na posição 1 MSB D LSB bN b1 b2 b3 ... 21 2 2 23 2N bi=1→Si na posição 2 8 CONVERSORES DE SINAL ELECTRÓNICA GERAL DAC CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO Circuito Básico com Resistências Ponderadas D bN b1 b2 b3 ... 21 2 2 23 2N bi=0→Si na posição 1 bi=1→Si na posição 2 A corrente em cada resistência é constante quer Si esteja na posição 1 (massa) ou 2 (massa virtual). A corrente total que flúi na resistência Rf é Tensão de saída proporcional a D vO iO R f VREF D iO VREF V V b1 REF b2 ... NREF bN R 2R 2 1 R iO iO b 2VREF b1 b2 b3 1 2 3 ... NN R 2 2 2 2 2VREF D R 9 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL DAC A precisão do DAC depende de: 1) Precisão na tensão VREF. 2) Precisão das resistências ponderadas. 3) Perfeição dos interruptores. DESVANTAGEM: Para um grande nº de bits (N>4) a relação entre a resistência mais alta e a mais baixa é muito grande e há dificuldade em manter a precisão. 10 CONVERSORES DE SINAL ELECTRÓNICA GERAL DAC CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO Circuito escada de Resistências R-2R I1 2I 2 I 2 2I 3 I 3 2I 4 I1 2 I 2 4 I 3 ..... 2 N 1 I N VREF 2R V io REF D 2R I1 vO iO b b b VREF 1 22 ... NN R 2 2 2 Rf N-2 2R R R N-1 2R R N R 2R 2R 11 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL DAC CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO Circuito com fontes de corrente em sequência binária e R-2R As correntes ponderadas I1, I2, ...IN, são geradas por transistores bipolares com áreas proporcionais MSB LSB I1 MSB, IN, LSB I VN VBEN N 2 R 2I 4I VN 1 VN N R VBEN N I1 2 I 2 4 I 3 ..... 2 N 1 I N I1 I REF R VREF RREF 12 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL ADC Conversor AD Sequencial com realimentação Funcionamento: • Quando a entrada do contador está a zero as suas saídas estão a zero e a saída do DAC é nula. • A comparação de va com vo dá um 1 à saída do comparador, o que põe o contador a contar. • À medida que a contagem aumenta a tensão à saída do DAC aumenta. O processo continua até a tensão vO igualar valor va. • Nessa altura o contador pára. A saída do contador será o valor digital da tensão va de entrada 13 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL Funcionamento: FASE 1 CONVERSORES DE SINAL ADC Conversor sequencial AD de dupla rampa 1. Inicialmente S2 “on”, descarregando o condensador e V1=0. 2. Abrindo S2 e ligando a entrada do integrador a vA. Como VA é negativa, estabelece-se uma corrente I=vA/R. A tensão v1 vai crescer linearmente com um declive I/C=vA/RC vA<0 3. Simultaneamente o contador é activado e conta os impulsos de relógio. Este processo continua para uma duração fixa T1, e pára quando o contador atinge uma configuração fixa nREF (=2N), fazse neste ponto o reset do contador a zero. 4. VPEAK/T1=vA/RC. 14 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL Conversor sequencial AD de dupla rampa Funcionamento: FASE 2 1. Em T1 liga-se a entrada do integrador a VREF através de S1. A corrente na resistência inverte o seu sentido sendo igual a VREF/R. v1 decresce linearmente com um declive VREF/RC. 2. Simultaneamente o contador é activado e conta os impulsos de relógio. 3. Quando v1 atinge 0 volts o comparador activa a lógica para parar o contador. 4. VPEAK/T2=vREF/RC. VPEAK/T1=vA/RC VPEAK/T2=vREF/RC Como nREF proporcional a T1 e n proporcional a T2 vA T2 T1 VREF v n nREF A VREF n é o equivalente digital de vA 15 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL Conversor sequencial AD de aproximações sucessivas Mais rápido que os anteriores: frequência de amostragem 105Hz resolução 12bits 1.v A São determinados os valores de cada bit a começar pelo (MSB) b1 e terminando em bN (LSB). 2. O sistema lógico coloca inicialmente b1 a “1”no registo, com os restantes a “0”. 3. O conteúdo do registo é convertido na forma analógica vx no DAC. A tensão vx é comparada com vA. Se vA>vX b1=1 se vA<vx b1=0. 4. A seguir determina-se b2 começando por colocar b2 a “1”, se vA>vX b2=1 vA + - Sistema Lógico Registo b1 b2 ... bN comparador CLOCK MSB b1 b2 bN vx Saída analógica DAC LSB se vA<vx b2=0 5. Continua-se de igual modo para os outros bits. 16 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL Conversor sequencial AD de redistribuição de carga de 5 bits Fase de amostragem: 1 - O interruptor SB é fechado ligando um dos terminais de todos os condensadores à massa e fazendo vO=0. 2- Entertanto SA é ligado à tensão de entrada vA. 3 - Esta tensão aparece aos terminais da capacidade total de 2C, resultando numa carga total de 2CvA. (Carga armazenada proporcional à amostra de vA) (a) Fase de amostragem (b) Fase de carga Fase de carga: 1 - O interruptor SB é aberto e os interruptores S1 a S5 e ST são ligados à massa. 2 - SA é ligado a VREF. Os condensadores não descarregam ficando a sua carga total igual a 2CvA. (c) Fase de redistribuição de carga 17 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL Conversor sequencial AD de redistribuição de carga de 5 bits --- CMOS Fase de redistribuição de carga: 1 - O interruptor S1 é ligado a VREF através de SA . O circuito consiste em VREF, um condensador em série C e uma capacidade total de C à massa. Este divisor capacitivo provoca um acréscimo de tensão, VREF/2, no terminal superior dos condensadores. 2 - Se vA > VREF/2, a tensão vO mantém-se negativa, caso contrário fica positiva. O comparador detecta esta situação e envia um sinal para o controlador lógico para colocar S1 ligado à massa. (a) Fase de amostragem (b) Fase de fixação de carga 3 - Seguidamente S2 é ligado a VREF provocando um acréscimo de VREF/4 em vO. Se vA > VREF/4, a tensão vO mantém-se negativa, e S2 é deixado nesta posição, caso contrário VO fica negativa e S2 é ligado à massa. 4 - Seguidamente faz-se o mesmo com os interruptores que faltam. (c) Fase de redistribuição de carga 18 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL CONVERSORES DE SINAL ADC Conversor AD com processamento paralelo: conversor de “flash” Funcionamento: Utiliza 2N-1 comparadores para comparar o sinal de entrada com cada um dos 2N-1 níveis de quantificação VR2N-1. As saídas dos comparadores são processadas por um bloco codificador lógico para realizar a palavra de N bits de saída. Muito rápido Circuito muito complexo 19 ELECTRÓNICA GERAL CONVERSORES DE SINAL ADC CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL Conversor AD com processamento paralelo: conversor de “flash” vA VR - R/2 + FF 111 R + - FF FF R + R/2 b1b2b3 overflow + FF C O D I F I C A D O R MSB 110 b1 101 b2 100 011 bN LSB vR 010 (normalizado) 001 000 1/8 1/4 3/8 1/2 5/8 3/4 7/8 1 vA (normalizado) Característica de transferência do conversor AD de “flash” de 3bits 20
