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Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Eletrônica para Controle de Automação Carlos Humberto Llanos Quintero.

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1 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Eletrônica para Controle de Automação Carlos Humberto Llanos Quintero

2 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Pré-requisitos da Aula Curso de Eletrônica (Dispositivos eletrônicos, amplificadores e amplificadores operacionais) Curso de Circuitos Digitais

3 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Roteiro da Aula 1.Discussão do Mundo Digital 2.Discussão do Mundo Analógico 3.Como conectar os dois Mundos 4.Princípios de Conversão D/A 5.Apresentação do Tema da Próxima Aula (outras técnicas de conversão D/A e conversão A/D)

4 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação No mundo digital trabalhamos com 0s e 1s Em tecnologia TTL temos: De 0V a 0,8V0 lógico De 2V a 5,0V1 lógico O valor exato da tensão não tem importância Os circuitos lógicos respondem da mesma maneira a todos os valores dentro de um intervalo O Mundo Digital

5 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação No mundo digital podemos: processar dados Tomar decisões Controlar processos O Mundo Digital

6 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Elementos envolvidos no Mundo Digital Circuitos Digitais Combinacionais Seqüenciais Computadores Digitais

7 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Elementos Básicos do Mundo Digital O elemento Básico do Mundo Digital é o Transistor

8 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Transistores O anterior implementa perfeitamente os dois estados básicos do Mundo Digital: No Mundo Digital o transistor trabalha em dois estados: Saturação Corte Falso, Verdade 0, 1

9 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Um Transistor NMOS funcionando Transistores são formados por 3 terminais: fonte(source), portão(gate) e sorvedouro(drain):

10 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Um Transistor NMOS funcionando No transistor tipo n, tanto a fonte quanto o sorvedouro têm carga negativa (difusões) e ficam sobre uma placa (substrato) de silício tipo p carregada positivamente.

11 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Um Transistor NMOS funcionando Quando aplicamos uma tensão positiva no portão, elétrons no silício tipo p são atraídos para a área embaixo do portão, formando um canal de elétrons entre a fonte e o sorvedouro.

12 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Porta NAND Porta NOR Vdd A B Out Vdd A B Out A B A B AB AB Portas Lógicas CMOS

13 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação No mundo analógico temos valores que podem assumir qualquer quantidade Este valor pode estar dentro de uma intervalo continuo de valores O valor exato destes valores é muito importante O Mundo Analógico

14 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: o valor de saída de um conversor de temperatura para tensão é de 2,76 V Este valor deve ser tomado exatamente como foi obtido Este valor pode representar uma temperatura de 27,6 o C O Mundo Analógico

15 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Cada um dos possíveis valores analógicos representam fatos diferentes do mundo real A maioria das grandezas físicas tomam valores analógicos representando fatos diferentes O Mundo Analógico

16 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Elementos envolvidos na monitoração e controle do mundo analógico Transdutores: converte uma variável física em variável elétrica Exemplo: termistores, sensores, fotocélulas, fotodiodos, tacómetros, transdutores de pressão Sonda para medicina

17 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Acionadores: Elementos que pode realizar uma tarefa específica num sistema de controle Exemplo: o acionador pode ser uma válvula eletricamente controlada Elementos envolvidos na monitoração e controle do mundo analógico

18 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Outros Elementos Eletrônicos envolvidos no mundo analógico Transistores trabalhando na região linear (por exemplo, fazendo a função de amplificadores) Amplificadores Operacionais (por exemplo, trabalhando como comparadores ou somadores)

19 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação O grande Problema Como comunicar o mundo digital com o mundo analógico? Como comunicar o mundo analógico com o mundo digital?

20 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação O Conversor D/A: Uma entrada digital vinda de um sistema digital é convertida num sinal analógico O Conversor A/D converte a entrada analógica numa saída digital A Solução Usar conversores Digital-Analógicos (CDAs) Usar conversores Analógico-Digitais (CADs)

21 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Conv. A/D Transdutor Conv. D/A Acionador Sistema Digital (Ex. Computador) Como contextualizar a nossa Solução Pensemos num sistema envolvendo Transdutor, CAD, CDA, Computador e Acionador

22 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Como a Solução Funciona O transdutor converte uma variável física num sinal elétrico (analógico) O CAD converte o sinal analógico num valor digital

23 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Computador Digital: os valores digitais são passados para um computador digital Um programa encarrega-se de processar os valor O computador pode gerar uma saída digital para controlar um processo Como a Solução Funciona

24 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Conversor Digital/Analógico (D/A): a saída digital do computador é enviada para um conversor D/A O conversor D/A converte o sinal num valor analógico correspondente Por exemplo: um conversor D/A pode receber um valor digital entre e e o converte num valor analógico na faixa de 0 a 10V Como a Solução Funciona

25 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação O Conversor Digital-Analógico Vamos a estudar agora, o problema de como converter um Sinal Digital para um Sinal Analógico Conversor D/A (DAC) D C B A Vout Saída Analógica V out pode ser uma voltagem ou uma corrente

26 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação DCBAVout Volts Conversor D/A (DAC) D C B A Vout Saída Analógica Conversor D/A de 4 bits

27 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Podemos dizer que: Onde K representa um valor de proporcionalidade (K é um peso) O Conversor Digital-Analógico saída analógica = K entrada digital

28 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação K representa um valor de proporcionalidade Este valor de K é constante para um conversor D/A V out = (1V) 12 = 12V Supondo K = 1 V Temos para entrada = = O Conversor Digital-Analógico

29 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: um conversor D/A de 5 bits tem saída de corrente. Para uma entrada digital de é produzida uma corrente de 10 mA. Calcular a I out para uma entrada digital de Solução: a entrada digital = mA = K 20K = 0,5 mA Para a nova entrada: = temos I out = (0,5 mA) 29 = 14,5 mA O Conversor Digital-Analógico

30 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: calcular o maior valor de tensão de saída de um CDA de 8 bits. O CAD produz 1,0V na saída para uma entrada = Solução: = ,0 V = K 50 K = 20 mV Maior saída ocorre para = V out (max) = 20 mV 255 = 5,10 V O Conversor Digital-Analógico

31 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Entradas Ponderadas Conversor D/A (DAC) D C B A Vout Saída Analógica No conversor D/A podemos pensar que cada entrada digital contribui com um valor à saída

32 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Um exemplo DCBAVout (V) As contribuições de cada entrada correspondem aos pesos das posições dos dígitos binários 2 0 = = = = 8

33 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Podemos ver que os pesos são potências de 2 Tendo o peso do msb (bit menos significativo) podemos obter os pesos dos outros bits Os pesos das entradas num CDA

34 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: um CDA de 5 bits produz V out = 0,20 V para a entrada Obter o valor de V out para a entrada Solução: é obvio que 0,20 V é o peso do msb (bit 0) Portanto, os pesos dos outros bits devem ser: bit 1 = 0,40 Vbit 3 = 1,6 V bit 2 = 0,80 Vbit 4 = 3,2 V Vout = (1 3,2 V ) + (1 1,6 V ) + (1 0,80 V ) + (1 0,40 V ) (1 0,20 V ) V out = 6,2 V Um exemplo

35 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação D C B A Convers or D/A (DAC) Vout Clk Contador de 4 bits Resolução = 1 V Tamanho do degrau 0 V 15 V Resolução = Tamanho do Degrau

36 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: no CDA de 5 bits (com peso no msb de 0,2 V) definir a resolução Solução: dado que o peso do bit menos significativo (msb) é 0,2 V A resolução do CDA será 0,2 V Esta resolução é o tamanho de degrau Um exemplo

37 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: Para o CDA tratado, determinar V out para a entrada (17 10 ) Solução: dado que o tamanho de degrau é 0,2 V Temos: V out = (0,2) 17 = 3,4 V Conversor D/A (DAC) Vout Saída Analógica D C B A E Um exemplo

38 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Resolução Porcentual Vimos que a resolução é expressa como o tamanho de degrau O degrau é definido em Volts Podemos expressar o degrau como uma porcentagem do valor máximo da saída (valor de fim de escada)

39 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: calcular a resolução porcentual do CDA tratado Solução: Tamanho do passo Máximo valor Um exemplo

40 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: um CDA de 10 bits tem um degrau de 10 mV. Determinar: a) a tensão de fim de escala b) a resolução porcentual Solução: número de degraus da escala = 2 10 –1 = 1023 degraus Tensão final = 10 mV 1023 = 10,23 V Um exemplo

41 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação O que significa Resolução Um CDA não pode produzir um espectro continuo de valores Estritamente falando, sua saída não é verdadeiramente analógica A saída de um CDA tem um conjunto finito de valores A resolução de CDA determina quantos valores possíveis terá a saída Quanto maior o número de bits da entrada mais fino será o degrau e mais precisa a conversão

42 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação I out 0-2 mA. M Computador rpm Ampl. de corrente Conv D/A Exemplo: Um computador controla uma motor. Uma corrente de 0 a 2 mA é amplificada para produzir velocidades de rpm. Precisa-se gerar velocidades que variem no máximo 2 rpm Quantos bits deve ter o CDA? Um exemplo

43 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação O que precisamos averiguar? Qual é o numero de degraus que o conversor deverá ter? Isto é possível de ser calculado? I out 0-2 mA. M Computador rpm Ampl. de corrente Conv D/A

44 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação I out 0-2 mA. M Computador rpm Ampl. de corrente Conv D/A número de degraus = (1000 rpm)/(2 rpm) = 500 número de degraus = (2 Nbits - 1)= 500 na verdade temos: (2 Nbits - 1) 500 ou 2 Nbits 501 Resolvendo

45 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação I out 0-2 mA. M Computador rpm Ampl. de corrente Conv D/A Nbits = = Nbits 501 Resolvendo

46 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação CDA com entradas BCD D1C1B1A1D1C1B1A1 D0C0B0A0D0C0B0A0 Código BCD para o dígito mais significativo Código BCD para o dígito menos significativo V out 100 valores possíveis a partir dos valores de entrada de 00 a 99 tamanho do degrau = peso de A 0 Conversor D/A com entradas em BCD

47 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: um CDA com 2 entradas BCD tem um degrau de 0,1 V. a)Calcular a resolução porcentual b)Calcular V out para D 1 C 1 B 1 A 1 = 0101 e D 0 C 0 B 0 A 0 = 1000 Solução: existem 99 degraus (temos códigos BCD) Valor Máximo de saída = 0,1 V 99 = 9,9 V Um exemplo

48 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Dígito BCD mais significativo Dígito BCD menos significativo D1D1 C1C1 B1B1 A1A1 D0D0 C0C0 B0B0 A0A0 8,04,02,01,00,80,40,20,1 Cálculo dos Pesos para as entradas num CDA com entradas BCD

49 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Dígito BCD mais significativo Dígito BCD menos significativo D1D1 C1C1 B1B1 A1A1 D0D0 C0C0 B0B0 A0A0 8,04,02,01,00,80,40,20,1 Uma outra forma de resolver o problema anterior é aproveitar a tabela de pesos P bi e d bi =peso i e bit i do MSB P ai e d aí = peso i e bit i do msb Usando os Pesos para Calcular a Saída num CDA com entradas BCD

50 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação - + R F = 1 k 1 k 2 k 4 k 8 k +Vs -Vs V out DCBADCBA Circuitos para Conversão Digital- Analógica

51 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Amplificador operacional usando como amplificador- somador Funcionamento: cada entrada é multiplicada por R F /R i - + R F = 1 k 1 k 2 k 4 k 8 k +Vs -Vs V out D C B A Circuitos para Conversão Digital-Analógica Amplificador operacional usando como amplificador- somador

52 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação DCBAVout , , , , , , , , , , , , , , R F = 1 k 1 k 2 k 4 k 8 k +Vs -Vs V out D C B A Circuitos para Conversão Digital-Analógica

53 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Exemplo: calcular a saída do conversor anterior para uma entrada de Solução: D = 5 VC = 0 V B = 5 VE = 0 V Um exemplo

54 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação No circuito anterior podemos ver que a precisão da conversão depende dos seguintes fatores: a)Precisão dos resistores das entradas b)Precisão do resistor de realimentação (Rf) c)Precisão dos nível de voltagem das entradas Comentários

55 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação No caso dos resistores, podemos obter valores bastante precisos (na faixa de 0,01% dos valores desejados) No caso dos valores de tensão das entradas o problema é bem mais complicado Neste caso, sabemos que no mundo digital não temos exatamente 5 volts e 0 volts O anterior ainda pode variar mais em tecnologia CMOS Comentários

56 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Para resolver este problema podemos optar por usar uma fonte de tensão muito precisa Neste caso, as entradas lógicas acionarão chaves que conectarão esta tensão para os resistores de entrada Da mesma maneira, um valor 0 lógico numa entrada conectará a entrada num valor de 0 Volts As chaves podem ser portas de transmissão tipo CMOS Comentários

57 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação CDA completo de 4 bits Alimentação para Obter a Precisão Desejada Chaves acionadas por valores lógicos 0 e 1

58 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação CDA com Saída de Corrente Em cada saída: corrente = V ref /R i O valor de RL deve ser 0?

59 Prof. Carlos Humberto Llanos Q. Eletrônica para Instrumentação, Controle e Automação Convertendo Corrente para Tensão Isto resolve o problema de precisar R L = 0


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