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Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão Analógico-Digital e Digital-Analógico.

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1 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão Analógico-Digital e Digital-Analógico

2 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão A/D

3 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica tsts este tempo tem que ser judiciosamente escolhido ! aliasing

4 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Critério de Nyquist Um sinal analógico com largura de banda de f A tem que ser amostrado a uma frequência: f S > 2. f A para não perder informação Se f S < 2. f A ocorre um fenómeno denominado aliasing

5 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica 10 kHz4 kHz20 kHz10 kHz f S 2 x ? A D

6 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica f S = 4 x f A f S = 8 x f A

7 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Amostragem Quantização ADC FS 8 bits 2 8 valores 256 valores máximo = 10 V (Resolução – Q)

8 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica /4 2/4 3/4 Entrada (V IN ) Saída 1,25V 2,5V 3,75V Full Scale (11), a 3/4 e não a 4/ V ref V in Saída ideal (N = ) 5V Erro de quantização = 1 LSB Erro na passagem de Analógico (contínuo – s valores) para Digital (discreto – valores finitos)

9 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica /4 2/4 3/4 Entrada (V IN ) Saída c/ offset Erro de quantização = 1/2 LSB 3,125 V1,875 V0,625 V 4/ ,375 V Nota: se a entrada analógica é variável, o erro de quantização dá origem a um ruído, na saída

10 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica

11 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Saída V IN V IN Saída 50 1,25 V 76 V 4 bits312,5 mV 8 bits19,53 mV 12 bits1,22 mV 16 bits 76,29 V

12 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Amostragem–Retenção (S&H) Erros na conversão A/D Início conversão Fim conversão Início conversão Fim conversão t conv S/H A D t conv A D t conv

13 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica ViVi tempo amostragem retenção VoVo ViVi VoVo C leakage tempo de aquisição droop S&H

14 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica ViVi VoVo C droop menor; mais lento ! C mais rápido; droop maior Variação de C

15 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica ENOB (Effective Number Of Bits) Para um sinal sinusoidal: SNR = (6.02N ) dB c/ N = resolução resolvendo para N: N = (SNR – 1.76)/6.02 Conversor 12 bits – SNR = 74 dB (6,02x12+1,76) = 74 características do SAD ENOB dá o nº de bits correspondente a uma conversão ideal ENOB = (SNR actual – 1.76)/6.02 ADC 7870 (Analog Devices) de 12 bits – SNR = 72 dB [11,67 bits] MAX 1207 (Maxim) de 12 bits – SNR = 68,5 dB [11,08 bits] NAD 12xx (Nordic Semiconduct) de 12 bits – SNR = 67 dB [10,84 bits]

16 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Tecnologias de conversão A/D

17 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Rampa em escada simples Impedância de entrada elevada (quando se atinge a compensação) Precisão depende da estabilidade e da precisão da tensão de referência e do conversor A/D (a frequência do relógio não tem influência no resultado. O sistema mede o valor instantâneo da tensão de entrada, no momento em que a compensação é atingida – leva a leituras instáveis, quando a tensão de entrada não é uma V cc pura Enquanto a compensação não é atingida, a impedância de entrada é reduzida (má precisão) saída do AND saída do DAC vivi + _ vivi comparador Gerador de relógio 7 segmentos A D V referência Conversão A/D

18 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica vivi vrvr saída do comparador relógio 17 impulsos Impulsos passados Rampa linear simples + _ vivi Gerador de rampa Comparador Gerador de relógio Buffer 7 segmentos Conversão A/D

19 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Dupla rampa linear Precisão elevada – apenas tem uma fonte de erro – tensão de referência CMRR mais elevado vovo saída do detector relógio controle do integrador dupla rampa (integrador) declive V i t1t1 t2t2 Carga do condensador (através de V i ) Descarga do condensador Medição do tempo saída do AND + _ vivi Integrador detector Gerador de relógio 7 segmentos divisor frequência vovo Fonte de corrente constante V ref vivi lógica de controle carga descarga + (polaridade inversa de vi) Conversão A/D

20 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Flash (comparação paralela) V cc ViVi Conversão A/D

21 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Aproximações sucessivas semelhantes à escada simples Mais rápido (passos têm maior amplitude) semelhantes à escada simples + _ vivi comparador Gerador de relógio 7 segmentos A D V referência vivi fundo escala Exemplo para uma tensão V i = 0,727 V, com V ref = 1 V: Conversão A/D

22 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica pipelined SH1SH2 ADC fino ADC grosso DAC – MSB LSB Amostra N+1Amostra N Amostra N+2Amostra N+1 atraso mais rápido, pois: Processa amostra N+1 em paralelo com amostra N Menos bits para converter, nos ADC Conversão A/D

23 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica +–+– +–+– 1 bit DAC = ? N-2 N-1 N N+1 N+2 N+3 v in v o = v in – v 1-bit polaridade do erro (acima ou abaixo de v in ) ADC de 1 bit 1 se v 0 V 0 se v < 0 V V ref +V ref se 1 –V ref se 0 V ref v in Soma a diferença, ao valor da anterior integração Conversão A/D

24 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão A/D +–+– +–+– 1 bit DAC = ? v in V ref 5 V 5,5 V ,5 –0,5 4,54 3,53 1 se v 0 V 0 se v < 0 V +V ref se 1 –V ref se 0 Alguns ciclos depois... +–+– +–+– 1 bit DAC = ? v in V ref 5 V 5,5 V –0,5 1 5,5 0,0 0 –5,5 10,5 10,0 9,5 e assim, sucessivamente

25 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica +–+– +–+– 1 bit DAC = ? v in V ref O papel do filtro digital é determinar um nº digital proporcional ao nº de 1 s provenientes do comparador Conversão A/D

26 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica s – 35 0s – 2 37 –5,5 V+5,5 V 0 V 94,6% x [5,5-(-5,5)] = 10,4054 V 10,4054 V 4,9054 V Conversão A/D

27 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Pipelined SAR Amostras/s Flash resolução k 10k 100k 1M 10M100M1G

28 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão D/A Amplificador soma This approach is not satisfactory for a large number of bits because it requires too much precision in the summing resistors R–2R

29 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão D/A Rede R-2R

30 Instrumentação Industrial Dep. Eng. Electrotécnica Conversão D/A MSB LSB MSB LSB R 2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R RFRF


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