Exemplos de Atuadores

Universidade Federal de Itajubá
Instituto de Engenharia de Sistemas e Tecnologias da Informação
Engenharia da Computação
ELT403 – Eletrônica Aplicada II
Conversores de Dados
(Introdução e Conversores D/A)
Prof. Paulo C. Crepaldi
Prof. Leonardo B. Zoccal
Itajubá, Agosto de 2010
1
Considerações Gerais
Atualmente, é comum o uso de máquinas digitais (um computador pessoal,
por exemplo) para o controle e a supervisão de processos.
O processamento digital apresenta vantagens como a operação em tempo real
e a flexibilidade de mudanças que podem ser efetuadas por software.
Contudo, devemos ter em mente que os sinais provenientes deste processos
são sinais físicos e analógicos com temperatura, pressão, deslocamentos, etc.
Portanto, é necessário, antes de tudo, o uso de sensores e transdutores que irão
converter os sinais físicos em sinais elétricos. Não basta apenas esta
conversão para sinais elétricos mas, também, uma conversão adicional para
sinais elétricos que sejam corretamente interpretados pela máquina digital, ou
seja, é preciso o uso de conversores analógico-digitais (conversores A/D).
Se a máquina digital precisa intervir no processo, também é necessário um
caminho inverso de conversão, ou seja, os sinais digitais são convertidos em
sinais analógicos pelo uso de conversores digital-analógicos (conversores
D/A) e, na seqüência, entregues a circuitos especializados denominados de
atuadores. Os atuadores irão agir no processo de forma a se obter os
resultados desejados de operação.
2
Diagrama de blocos de um Sistema de Controle Digital
Sinal Elétrico
(analógico)
Sensores
Transdutores
Sinal Elétrico
(analógico)
Tratamento e
Condicionamento
Sinal Elétrico
(digital)
Conversão A/D
Sinal Elétrico
(digital)
Máquina Digital
Sinal Elétrico
(analógico)
Conversão D/A
Atuadores
Processo
(Variáveis Físicas: Pressão, Temperatura, etc)
O bloco de tratamento e condicionamento é fundamental para adequar
o sinal elétrico, proveniente dos sensores/transdutores, aos conversores
A/D. Suas principias funções são: Amplificação, Isolação,
Multiplexagem, Filtragem, Linearização e Excitação.
Os atuadores agem nos equipamentos presentes no processo. Os
atuadores mais comuns são dispositivos pneumáticos, hidráulicos e
eletro-eletrônicos de potência.
Neste curso, o objetivo será a análise dos conversores A/D e D/A.
3
Exemplo de um Sistema de Aquisição de Dados (PC-Based)
4
Exemplos de Sensores:
5
Exemplos de Sensores:
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Exemplos de Sensores:
7
Exemplos de Sensores: Aplicações Biomédicas
8
Exemplos de Sensores: Aplicações Automotivas
9
Exemplos de Atuadores:
10
Exemplos de Atuadores:
11
Exemplos de Atuadores:
Atuadores Elétricos (Outras Empresas)
12
Exemplos de Atuadores:
13
Conversor Digital-Analógico (D/A ou DAC)
Um DAC converte um sinal digital, expresso por um número
binário de n bits, em uma tensão analógica. Esta tensão analógica
“equivalente” pode assumir 2n valores distintos.
O DAC pode ser classificado, ainda, como unipolar ou sinalizado.
Os conversores unipolares apresentam uma tensão analógica de saída
sempre positiva. Para os sinalizados é pressuposto que o número
binário é sinalizado e, desta forma, a polaridade da tensão analógica
de saída depende do bit de sinal (geralmente o MSB).
Normalmente, o DAC é representado
como ilustrado na Figura ao lado.
Observar a necessidade de uma
tensão de referência (estável) que
servirá de base para produzir o sinal
analógico de saída.
b1
b2
b3
bn
Conversor D/A
(DAC)
.
.
.
Vo
n-bits
VREF
14
DAC – Função de Transferência
Uma das características mais importantes para se compreender a ação
de um conversor D/A e analisando a sua função de transferência (FT).
Como exemplo, está ilustrada a seguir uma FT para um DAC
unipolar de 3 bits.
Saída Analógica Vo / Vref
8/8
7/8
6/8
5/8
1 LSB = ⅛
4/8
3/8
2/8
1/8
0/8
000
001
010
011
100
101
110
111
(1000)
Código Digital de Entrada
A tensão de saída está normalizada em relação a VREF.
15
DAC – Função de Transferência
Matematicamente, podemos interpretar alguns pontos importantes da FT:
Vo  Vref (b1 2 1  b 2 2 2    bn 2  n )
Os valores máximo e mínimo de VO serão:
1

VO (max)  VREF 1  n 
2 

VO (min)  0
Observar que a menor mudança que pode ser provocada na tensão de saída
corresponde a variação de um bit menos significativo (LSB). Assim, temos:
LSB 
1
2n

VLSB 
VREF
2n
Exemplo: Um DAC unipolar de 4 bits vai apresentar em sua saída 16 níveis
diferentes de tensão (24 = 16). Se a tensão de referência for de 10V, a tensão
mínima será de 0V e a tensão máxima será de 9,375V (10.(1-24)) . A tensão VLSB
será de 0,625V (10/24).
16
DAC – Características Estáticas
Existe um conjunto de características (estáticas e dinâmicas)
associadas aos conversores que representam figuras de mérito
importantes. Principalmente quando for necessário fazer a escolha
de um conversor para uma dada aplicação. É essencial fazer a
escolha que maximize a solução custo-benefício.
Inicialmente, vamos abordar as características estáticas:
 Resolução;
 Fundo de Escala (Full-Scale output voltage);
 Exatidão.
Depois de abordadas as suas definições vamos verificar que existem
erros (erro de offset, erro de ganho e erro de linearidade) que
podem afetá-las.
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DAC – Características Estáticas – Fundo de Escala (FS) e Resolução
FS: É definida como sendo a diferença entre as tensões analógicas
produzidas pela maior e pela menor palavra digital de entrada. Deve-se
considerar, entretanto, que a resolução do conversor é infinita (n=∞):
1 

VFS  VO (max)  VO (min)  VREF 1     0  VREF
2 

Resolução: 1) É o número de diferentes valores analógicos de saída, sendo
expressa em número de bits:
Resolução = n [bits]
2) É o “degrau” de tensão que existe quando se varia 1LSB na
palavra digital de entrada:
Resolução = VO(max)/(2n-1) [V/LSB]
Atenção: observe que pelo fato dos conversores reais não terem resolução
infinita, o máximo valor analógico de saída é inferior a FS. Um conversor
apresentar uma alta resolução não é um indicativo de boa exatidão.
18
DAC – Características Estáticas – Exatidão
Exatidão: É definida como sendo a diferença entre a resposta ideal
esperada e a resposta real do conversor incluindo os erros de
Offset, de Ganho e de Linearidade.
Esta figura de mérito é expressa através de uma porcentagem do
fundo de escala, em número de bits ou em função do LSB.
Atenção:
1. Os erros de Offset e Ganho podem ser minimizados (em alguns
casos até eliminados), na prática, por um processo de calibragem
chamado de “trimming”;
2. O projeto ou especificação de um bom conversor D/A necessita
que a exatidão seja menor que a sua resolução.
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DAC – Erro de Offset
Saída Analógica Vo / Vref
8/8
7/8
6/8
5/8
4/8
3/8
2/8
1/8
0/8
001
010
011
100
101
110
111
(1000)
Código Digital de Entrada
Corresponde à diferença entre o valor real e o ideal da saída analógica do
conversor quando a palavra digital de entrada é zero. Resulta em um erro
constante da tensão de saída até FS, para todas as palavras digitais de
entrada. Tal erro é relacionado com o offset de entrada dos amplificadores
e comparadores utilizados nos circuitos internos do conversor.
A linha tracejada representa a resposta ideal de um DAC de 3 bits.
20
DAC – Erro de Ganho
Saída Analógica Vo / Vref
8/8
7/8
6/8
5/8
4/8
3/8
2/8
1/8
0/8
000
001
010
011
100
101
110
111
(1000)
Código Digital de Entrada
Corresponde a uma mudança na inclinação da função de transferência do
conversor, quando o erro de offset é reduzido a zero. Pode ser causado
por imprecisões no fator de escala ou mesmo na tensão de referência.
A linha tracejada representa a resposta ideal de um DAC de 3 bits.
21
DAC – Erro de Linearidade
Saída Analógica Vo / Vref
8/8
7/8
6/8
5/8
4/8
3/8
2/8
1/8
0/8
000
001
010
011
100
101
110
111
(1000)
Código Digital de Entrada
É o desvio da função de transferência real de uma linha reta (linear), quando
calibrado os erros de offset e de ganho; sendo classificado como erros de
INL e DNL. É um erro decorrente da não linearidade intrínseca dos
dispositivos semicondutores utilizados no conversor.
A linha tracejada representa a resposta ideal de um DAC de 3 bits.
22
DAC – INL e DNL
INL – Integral Nonlinearity
(Algumas vezes referenciada como Relative Accuracy ou Static Accuracy)
Corresponde ao maior desvio da saída analógica em relação a uma linha reta
desenhada entre a origem e o fundo de escala (conversor ideal).
Normalmente expressa em LSB ou em % de FS.
DNL – Differential Nonlinearity
Corresponde ao máximo desvio de quaisquer duas saídas analógicas
adjacentes com relação ao degrau de transferência ideal de 1LSB. Também
expressa em LSB ou em % FS.
Atenção:
O DAC é dito ser Monotônico se a tensão analógica de saída aumenta ou
permanece constante para um respectivo incremento do código digital de
entrada. Para tanto:
INL  
1
LSB e DNL   1LSB
2
23
DAC – INL e DNL
Exemplo de avaliação dos erros DNL e INL. Observar que podem
assumir valores negativos.
Saída Analógica Vo / Vref
8/8
INL = 1LSB
7/8
6/8
5/8
transição
4/8
3/8
DNL = 2LSB-1LSB = 1LSB
2/8
1/8
0/8
000
001
010
011
100
101
110
111
(1000)
Código Digital de Entrada
24
DAC – Características Dinâmicas
Settling Time
Tempo necessário para que a saída analógica atinja o seu final dentro de uma
faixa de erro pré estabelecida (normalmente ± ½ LSB). Tipicamente situa-se
na faixa de centenas de nS a unidades de mS.
Taxa de Amostragem
Corresponde a velocidade com a qual o DAC pode realizar conversões
sucessivas. Esta grandeza é afetada pelas demoras de propagação, “slew rate”
e settling time dos circuitos internos do conversor. Normalmente expressa em
conversões por segundo (Samples/s).
Faixa Dinâmica
Representa a amplitude a qual o sinal de saída pode excursionar mantendo o
grau de linearidade estabelecida para o conversor. Os sinais devem ser
condicionados de forma a possibilitar a utilização otimizada desta faixa.
25
DAC – Topologias Básicas
Existem 3 topologias básicas para a construção dos conversores D/A:
Conversores com Rede Ponderada;
Conversores com Malha R-2R (ou Multiplicativos);
Conversores por Modulação de Largura de Pulso (PWM).
Os conversores em CI comerciais mais comuns (série DAC 08XX, por
exemplo) utilizam a conversação através da malha R-2R. O conversor
por PWM pode ser obtido, de forma simples, usando-se a saída PWM
que um microcontrolador usualmente oferece e um filtro RC.
26
DAC – Conversor (4 bits) com Rede Ponderada (Weighted Resistors)
Vref
I1
1R
I2
2R
b1
I3
4R
b2
I4
b3
8R
Conversor Corrente-Tensão
(Somador)
b4
R/2
Vo
Chaves Eletrônicas
Terra Virtual
I1  b1
VREF
V
 20 b1 REF
R
R
V
V
I2  b2 REF  21 b2 REF
2R
R
VO  
I3  b3
VREF
V
 22 b3 REF
4R
R
I4  b 4
VREF
V
 23 b 4 REF
8R
R
R
I1  I 2  I 3  I 4   R  20 b1 VREF  21 b2 VREF  22 b3 VREF  23 b4 VREF 
2
2
R
R
R
R 

VO   VREF b1 21  b2 2 2  b3 23  b 4 2 4

27
DAC – Conversor (4 bits) com Malha R-2R (R-2R Ladder)
R
R
R
2R
Vref
2R
2R
2R
2R
b1
b2
b3
b4
R
Vo
Este conversor é muito semelhante ao anterior, contudo, apresenta a vantagem de
apresentar apenas dois valores distintos de resistores (R e 2R) o que pode aumentar a
exatidão do circuito. Outra vantagem é a diminuição da área de silício uma vez que no
conversor com rede ponderada os resistores aumentam de valor em uma proporção
geométrica.
28
DAC – Característica da Malha R-2R
R
R
R
2R
Vref
I1
2R
b1
I2
2R
b2
I3
2R
b3
I4
2R
b4
IO
IO=b1I1+b2I2+b3I3+b4I4
O lado inferior dos resistores
2R sempre “enxergam” o
potencial zero,
independentemente da
posição das chaves.
Terra Virtual
(AMPOP)
Para qualquer um dos nós, em relação à referência, observa-se, então, que o circuito
equivalente consiste de dois resistores iguais a 2R em paralelo. Desta forma, as
correntes são divididas por 2 sucessivamente. Com uma dedução semelhante a do
conversor com rede ponderada chega-se a:

VO   VREF b1 2 1  b 2 2 2  b3 2 3  b 4 2 4

29
DAC – Interfaceamento
Barramento de Dados
Barramento de Endereços
mP
b0 ~ bn
a0 ~ am
R/W
Decodificador
de
Endereços
DAC
n bits
CE
Vo
WR
VREF
Basicamente, trata-se de um dispositivo de E/S para o qual deverá ser alocado uma
posição específica de endereçamento através do decodificador de endereços. O chip é
habilitado por linhas do tipo Chip Select (CS) ou Chip Enable (CE). Alguns DACs
apresentam latchs internos para receber a palavra digital a ser convertida e apresentam
linhas adicionais do tipo Write (WR).
30
Exemplo: DAC0800 (descrição geral)
31
Exemplo: DAC0800 (Estrutura Interna e Encapsulamento)
Observar que o DAC0800 oferece o sinal
analógico de saída sob a forma de corrente
(IOUT e IOUT). É necessário a presença de um
conversor corrente-tensão para se obter uma
saída analógica em tensão.
32
Exemplo: DAC0800 (Estrutura Interna Simplificada)
Recommended Full Scale Adjustment Circuit
33
Exemplo: DAC0800 (Valores Típicos)
A corrente de fundo de escala (IFS)
será dada por:
As correntes IO e IO são
complementares.
Para estes valores, IFS é de
aproximadamente 2mA
(1,992mA).
34
Exemplo: DAC0800 (Unipolar Negative Operation)
Observe que os resistores de 5K fazem a conversão corrente-tensão.
35
Exemplo: DAC0800 (Bipolar Negative Operation)
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Exemplo: DAC0800 (Positive Low Impedance Output Operation)
Neste caso, o AMPOP faz a
conversão corrente-tensão.
Recordando os conceitos de Ciclo de Trabalho e Valor Médio
D
t ON
t
 ON
t ON  t OFF t W
VAVG  Vhi  Vlo .D  VOFFSET
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DAC por Modulação de Largura de Pulso (PWM)
A partir de um microcontrolador, por exemplo, que normalmente oferece uma saída
do tipo PWM, é possível recuperar o valor DC usando-se um simples filtro RC.
Observe que o conversor é, na realidade, implementado por software e a resolução
obtida é diretamente relacionada com o número de bits do contador interno do
microcontrolador associado ao PWM.
mC
PWM_OUT
Filtro
Analógico
(Passa-Baixa)
DC
w
|H(jw)|
wC
A freqüência de operação do
w PWM deve estar dentro da “stop
band” do filtro.
38
Exemplo: DAC (PWM) usando microcontrolador da família Z8
Filtro Passa Baixa
(2ª ordem)
Buffer
39
Exemplo: DAC0830
40
Exemplo: DAC0830
Observar a presença de dois
registros internos e a necessidade de
uma carta de tempo para ilustrar as
temporizações envolvidas.
A presença deste resistor, interno ao
CI (≈ 20K), facilita a interface com
um AMPOP para produzir a
conversão corrente-tensão.
41
Exemplo: DAC0830
42