CONVERSORES DE SINAL.

Apresentação em tema: "CONVERSORES DE SINAL."— Transcrição da apresentação:

1 CONVERSORES DE SINAL

2 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”.

3 Palavra digital de N-bits
CONVERSÃO DE SINAL: ANALÓGICA / DIGITAL e DIGITAL / ANALÓGICA Palavra digital de N-bits ADC DAC Entrada Analógica Saída Digital Entrada Digital Saída Analógica A maior parte dos sinais físicos obtidos à saída de transdutores são sinais analógicos. Grande parte do processamento necessário nestes sinais é realizado de forma analógica. Por exemplo em instrumentação usa-se um amplificador diferencial á saída do transdutor (com alta impedância de entrada, ganho elevado, e elevada razão de rejeição de modo comum). Seguidamente utiliza-se um filtro para eliminar interferências. Normalmente executam-se ainda operações algébricas sobre o sinal obtido para, por exemplo, se for o caso, realizar funções de controlo. Tudo de forma analógica. Muitas formas de processamento de sinal são feitos de forma totalmente analógica. Existe contudo, uma alternativa: A partir do sinal amostrado é feita uma conversão desse sinal num sinal digital, e partir daí o sinal passa a ser manipulado e processado de forma digital. Isto premite usar circuitos integrados digitais, com toda a economia, precisão e conveniencia que daí decorre. (exemplo: voltímetro digital, podemos representar valores de uma forma fácil de ler (digitos)). Podemos implementar um algorítmo de filtragem por exemplo. Outro exemplo de processamento digital é o utilizado em sistemas comunicações onde o sinal é transmitido numa sequência de impulsos binários com a vantagem de não existir degradação da amplitude do sinal. Uma vez que o processamento digital esteja concluído podemos apresentar resultados em forma de display ou em listas impressas com algarismos. Por outro lado podemos necessitar de uma saída analógica pelo que será necessário proceder a uma conversão analógica digital.

4 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 CONVERSÃO DIGITAL / ANALÓGICA Palavra digital de N-bits A maior parte dos sinais físicos obtidos à saída de transdutores são sinais analógicos. Grande parte do processamento necessário nestes sinais é realizado de forma analógica. Por exemplo em instrumentação usa-se um amplificador diferencial á saída do transdutor (com alta impedância de entrada, ganho elevado, e elevada razão de rejeição de modo comum). Seguidamente utiliza-se um filtro para eliminar interferências. Normalmente executam-se ainda operações algébricas sobre o sinal obtido para, por exemplo, se for o caso, realizar funções de controlo. Tudo de forma analógica. Muitas formas de processamento de sinal são feitos de forma totalmente analógica. Existe contudo, uma alternativa: A partir do sinal amostrado é feita uma conversão desse sinal num sinal digital, e partir daí o sinal passa a ser manipulado e processado de forma digital. Isto premite usar circuitos integrados digitais, com toda a economia, precisão e conveniencia que daí decorre. (exemplo: voltímetro digital, podemos representar valores de uma forma fácil de ler (digitos)). Podemos implementar um algorítmo de filtragem por exemplo. Outro exemplo de processamento digital é o utilizado em sistemas comunicações onde o sinal é transmitido numa sequência de impulsos binários com a vantagem de não existir degradação da amplitude do sinal. Uma vez que o processamento digital esteja concluído podemos apresentar resultados em forma de display ou em listas impressas com algarismos. Por outro lado podemos necessitar de uma saída analógica pelo que será necessário proceder a uma conversão digital analógica. ADC DAC Entrada Analógica Saída Digital Entrada Digital SaídaAnalógica

5 CONVERSÃO DE SINAL: ANALÓGICA / DIGITAL
CONVERSÃO DE SINAL: ANALÓGICA / DIGITAL Amostragem de sinais analógicos Sinal analógico de entrada Circuito de Sample-and-hold (S/H) Sinal de amostragem (controlo do interruptor) O interruptor fecha durante uma fracção de tempo (t) do período de clock (T). O interruptor fecha periodicamente durante um curto intervalo de tempo, controlado por um impulso de relógio. As amostras obtidas são armazenadas num condensaor (sample and hold). O sinal obtido é colocado à entrada do conversor A/D que providencia na sua saída um número binário proporcional ao valor do sinal amostrado. Sinal de saída para alimentar o conversor AD

6 Quantização do Sinal EXEMPLO: Sinal analógico que varia entre 0 e 10V
Valor em [V] binário 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 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

7 Palavra digital de N-bits Saída Analógica porporcional a D
CONVERSÃO DE SINAL: DIGITAL / ANALÓGICA Depois de feito o processamento digital criar uma saída analógica b1 b2 b3 bN Palavra digital de N-bits DAC Saída Analógica O interruptor fecha periodicamente durante um curto intervalo de tempo, controlado por um impulso de relógio. As amostras obtidas são armazenadas num condensaor (sample and hold). O sinal obtido é colocado à entrada do conversor A/D que providencia na sua saída um número binário proporcional ao valor do sinal amostrado. Saída Analógica porporcional a D

8 CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO 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 MSB LSB bi=0→Si na posição 1 bi=1→Si na posição 2

9 CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO DAC
Circuito Básico com Resistências Ponderadas 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

10 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.

11 CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO DAC
Circuito escada de Resistências R-2R A resistência à direita de cada nó é 2R pelo que a corrente em cada interruptor é igual à corrente que vai para a resistência horizontal e portanto A corrente à entrada de cada nó é igual ao dobro da corrente em cada interruptor. Se começarmos da direita para a esquerda 2R em Paralelo com 2R dá R, pelo que I3 tem na sua frente R+R: I1=2I2, I2=2I3, I3=2I4, N-1 N-2 R 2R N

12 CONVERSOR DIGITAL / ANALÓGICO DAC
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 LSB MSB I1 MSB, IN, LSB As correntes nos emissores de Qt e QN são iguais a IN/alfa. A tensão entre as bases dos transistores e o ponto N é dada por.... Onde VBEN é a tensão base emissor de QN. Como a corrente que flui através da resistência R é 2IN/alfa, a tensão entre o ponto B e N-1 é Asim o transistor QN-1 terá uma corrente de colector que é o dobro da do transistor QN. Os dois transistores terão o mesmo VBE se as suas áreas de junção forem escalonadas na mesma proporção que as correntes. Continuando obtem-se I1=2I2=4I3 ... A corrente em Qref é igual a Vref/Rref independente de VBE e de alfa, devido ao zero virtual que o ampop gera no colector de Qref. O ampop fornece também as correntes de base.

13 Conversor AD Sequencial com realimentação
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

14 CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL ADC
Funcionamento: FASE 1 Inicialmente S2 “on”, descar-regando o condensador e V1=0. 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 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), faz-se neste ponto o reset do contador a zero. VPEAK/T1=vA/RC. Conversor sequencial AD de dupla rampa vA<0

15 VPEAK/T1=vA/RC VPEAK/T2=vREF/RC Conversor sequencial AD de dupla rampa
Funcionamento: FASE 2 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. Simultaneamente o contador é activado e conta os impulsos de relógio. Quando v1 atinge 0 volts o comparador activa a lógica para parar o contador. VPEAK/T2=vREF/RC. Características: Muito exacto, porque a sua performance é independente dos valores exactos e R e de C. Muito usado. Como nREF proporcional a T1 e n proporcional a T2 VPEAK/T1=vA/RC VPEAK/T2=vREF/RC n é o equivalente digital de vA

16 Conversor sequencial AD de aproximações sucessivas
Mais rápido que os anteriores: frequência de amostragem 105Hz resolução 12bits 1. 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”. 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. A seguir determina-se b2 começando por colocar b2 a “1”, se vA>vX b2=1 se vA<vx b2=0 5. Continua-se de igual modo para os outros bits. + Sistema Lógico Registo b1 b2 ... bN - MSB comparador CLOCK LSB DAC Saída analógica Características: Muito exacto, porque a sua performance é independente dos valores exactos e R e de C. Muito usado.

17 Conversor sequencial AD de redistribuição de carga de 5 bits
(a) Fase de amostragem (b) Fase de carga 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) 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. Destinado a implementação em tecnologia CMOS. O circuito utiliza um array de condensadores ponderados, um comparador de tensão, e interruptores analógicos é também necessária a utilização de lógica de controlo. (c) Fase de redistribuição de carga

18 Conversor sequencial AD de redistribuição de carga de 5 bits --- CMOS
(a) Fase de amostragem (b) Fase de fixação de carga 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. 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. Destinado a implementação em tecnologia CMOS. O circuito utiliza um array de condensadores ponderados, um comparador de tensão, e interruptores analógicos é também necessária a utilização de lógica de controlo. Durante a fase de redistribuição de carga a tensão no terminal superior dos condensadores vai descendo incrementalmente para zero. D=011010 (c) Fase de redistribuição de carga

19 CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL 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

20 Característica de transferência do conversor AD de “flash” de 3bits
CONVERSOR ANALÓGICO / DIGITAL ADC Conversor AD com processamento paralelo: conversor de “flash” LSB bN + - b1 b2 overflow R/2 R FF vA VR CODIFICADOR 111 110 101 100 011 001 010 000 1/8 1/4 3/8 3/4 5/8 1/2 1 7/8 Característica de transferência do conversor AD de “flash” de 3bits vA (normalizado) vR (normalizado) b1b2b3 MSB