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Indice
- Introdução____________________________________________________________________
- Objetivos:____________________________________________________________________
- 2.1 Gerais:___________________________________________________________________
- 2.2 Específicos:_______________________________________________________________
- Conversores__________________________________________________________________
- Conversores Digital/Analógico (D/A) e Analógico/Digital (A/D)_________________________
- Características importantes e comuns aos conversores D/A e A/D:________________________
- Faixa dinâmica__________________________________________________________________
- Resolução______________________________________________________________________
- Tempo de conversão______________________________________________________________
- Erro de linearidade_______________________________________________________________
- CONVERSORES D/A e A/D_____________________________________________________
- Conversor Analógico /Digital_____________________________________________________
- 7.1 Conversor A/D Paralelo ou “flash”_____________________________________________
- 7.2 Conversor A/D tipo Contador_________________________________________________
- 7.3 Conversor A/D tipo contador de rampa_________________________________________
- Funcionamento:_______________________________________________________________
- Vantagens e desvantagens________________________________________________________
- Conversor Analógico /Digital_____________________________________________________
- 8.1 Conversor A/D tipo contador de rampa contínuo__________________________________
- Funcionamento:______________________________________________________________
- 8.2 Conversor A/D de aproximação sucessiva______________________________________
- 8.3 Circuito de amostra e retenção_______________________________________________
- Funcionamento_______________________________________________________________
- 8.4 Conversor A/D de aproximação sucessiva______________________________________
- Funcionamento:______________________________________________________________
- 8.5 Conversor A/D de aproximação sucessiva______________________________________
- 8.6 Conversor A/D integrador por dupla inclinação__________________________________
- Funcionamento:______________________________________________________________
- Conversor A/D integrador por dupla inclinação______________________________________
- 8.7 Conversor A/D integrador por dupla inclinação__________________________________
- 8.8 Conversores Digital / Analógico (D/A)________________________________________
- Características principais dos conversores de digital para analógico______________________
- 9.1 Resolução_______________________________________________________________
- 9.2 Linearidade______________________________________________________________
- 9.3 Monotonia_______________________________________________________________
- 9.4 Precisão_________________________________________________________________
- 9.5 Tempo de conversão_______________________________________________________
- 9.6 Sensibilidade à temperatura_________________________________________________
- 9.7 Técnicas de Conversão D/A_________________________________________________
- 9.8 D/A com resistores ponderados:______________________________________________
- 9.9 Rede Resistiva R-2R:______________________________________________________
- 9.10 Rede NR:________________________________________________________________
- 9.11 Conversor de digital para analógico baseado na soma de corrente___________________
- 9.12 Funcionamento do circuito__________________________________________________
- 9.13 Vantagens:_______________________________________________________________
- 9.14 Desvantagens:____________________________________________________________
- 9.15 Conversor D/A baseado em rede resistiva com pesos binários:______________________
- 9.16 Conversor D/A de resistores com pesos ponderados______________________________
- Conversor de digital para analógico em escada R-2R_____________________________________
- Vantagens/desvantagens:_________________________________________________________
Objetivos: Gerais:
▲ Ter noção da dualidade entre grandezas analógicas e contínuas e grandezas digitais e discretas e das formas de converter essas realidades.
Específicos:
▲ Perceber a dualidade entre analógico e contínuo e digital e discreto. ▲ Identificar os diferentes elementos de um sistema de processamento digital. ▲ Compreender as limitações e precauções que são necessárias no processo de amostragem e retenção. ▲ Compreender os diferentes princípios de funcionamento de conversores de digital para analógico e de analógico para digital. ▲ Especificar e escolher um conversor a partir das suas características ou da aplicação pretendida.
Engenharia Eletrotécnica – Conversores Elétricos
Conversores Na Eletrônica Digital, conversores são circuitos que transformam grandezas analógicas em digitais ou vice-versa. Isso é uma necessidade imposta pela prática. Em muitos casos, há grandezas analógicas que precisam ser convertidas em digitais. Por exemplo, a saída de tensão de um sensor de temperatura de um termômetro digital. Em outros casos, a operação inversa é usada.
O processo de conversão A/D é mais complicado e mais demorado do que o processo de conversão D/A, havendo uma grande variedade de métodos para realizar tal conversão. O circuito do conversor é composto por um contador de década que gera o código BCD 8421 nas saídas A', B', C' e D'. As saídas entram em um conversor D/A, fazendo com que apresente na saída uma tensão de referência, a qual é injetada em uma das entradas de um circuito comparador constituído por um amplificador operacional. Na outra entrada têm-se o sinal analógico a ser convertido. Os ADCs são muito úteis na interface entre dispositivos digitais (microprocessadores, microcontroladores, DSPs, etc) e dispositivos analógicos e são utilizados em aplicações como leitura de sensores, digitalização de áudio e vídeo. Por exemplo, um conversor A/D de 10 bits, preparado para um sinal de entrada analógica de tensão variável de 0V a 5V pode assumir os valores binários de 0 (0000000000) a 1023 (1111111111), ou seja, é capaz de capturar 1024 níveis discretos de um determinado sinal. Se o sinal de entrada do suposto conversor A/D estiver em 2,5V, por exemplo, o valor binário gerado será 512
Conversores Digital/Analógico (D/A) e Analógico/Digital (A/D) Conversores A/D e D/A são a base de todo o interface amento eletrônico entre o mundo analógico e o mundo digital. Estão presentes na grande maioria dos instrumentos de medida atuais e são os responsáveis pelo aumento significativo nos níveis de precisão e exatidão assim como o barateamento e popularização de instrumentos de medida digitais.
Características importantes e comuns aos conversores D/A e A/D:
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Um sistema eletrônico que recebe uma tensão analógica em sua entrada e converte essa tensão para um valor digital em sua saída.
- Processo de conversão Consiste basicamente em aplicar uma informação analógica em um conversor e recolher na saída uma informação digital.
Figura 1: processo de conversão A/D Os conversores A/D mais comuns veremos asseguir:
Conversor A/D Paralelo ou “flash”
O conversor A/D paralelo é, também, conhecido como “flash” ou simultâneo. A figura 3 mostra um exemplo de um conversor A/D paralelo de 3 bits, sendo que a voltagem de entrada analógica é comparada às voltagens fixas de referências para cada nível do código digital, do início até o fim da escala. Para uma resolução de N bits são necessários (2N^ - 1)
comparadores e igual quantidade de níveis de referência. A grande vantagem do conversor A/D paralelo é a grande rapidez na conversão, porque o sinal analógico de entrada é comparado diretamente e simultaneamente com cada nível de voltagem de referência em comparadores distintos.
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Figura 2: Conversor A/D tipo paralelo
Os conversores tipo paralelo têm como circuito básico de entrada um pré-amplificador e um latch, que atuam juntos em uma configuração de circuito comparador. Na saída dos comparadores é necessária à colocação de um circuito de codificação que irá receber os sinais dos comparadores e codificar o sinal de saída em código binário. A maioria das aplicações dos conversores A/D paralelo são no processamento de sinais de alta frequência, como sinais de vídeo, por exemplo, que necessitam de taxa de conversão da ordem de 5 a 50 MHz. Como pode ser observado na figura 3, são necessários (2 3 - 1) 7 comparadores com 7 níveis de referência (steps) de voltagem. Todas as entradas dos comparadores são conectadas entre si e recebem a voltagem analógica de entrada simultaneamente. Para um determinado valor de Vin, todos os comparadores cuja voltagem de referência estiver abaixo deste irão para o nível baixo e os demais comparadores cuja voltagem de referência estiver acima irão para o nível alto.
Conversor A/D tipo Contador
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Conversor A/D tipo contador de rampa
Tem esse nome porque a sua tensão de saída aumenta gradualmente de forma semelhante a uma rampa.
Figura 4: Conversor A/D tipo contador de rampa
Funcionamento: A conversão é iniciada com um pulso “start” que zera o contador. O comparador é alimentado com tensão analógica desejada. A saída do comparador aciona a porta E e libera a entrada de pulsos de clock no contador. Conversor Analógico /Digital Conversor A/D tipo contador de rampa O contador começa a receber os pulso e indica na saída, em linguagem binária, os pulsos recebidos.
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O conversor D/A ligado na saída do circuito converte o valor binário da saída para analógico e os envia para o comparador. Quando a tensão de saída do conversor D/A for igual a tensão da entrada analógica, a saída do comparador será zerada. Isso bloqueia a entrada do clock, e a saída digital indicará um valor binário correspondente à tensão analógica.
Vantagens e desvantagens A vantagem desse tipo de conversor é ser simples, preciso e de baixo custo. Este conversor, porém, é muito lento e tem que ser zerado para realizar nova conversão, quando houver uma diminuição da tensão de entrada analógica. Para solucionar tais problemas, utilizam-se os conversores de rampa contínuos que utilizam contadores crescentes e decrescentes.
Conversor Analógico /Digital Conversor A/D tipo contador de rampa contínuo
Figura 5: Conversor A/D tipo contador de rampa contínuo O conversor A/D tipo contador de rampa contínuo não necessita de sinal de “start” para iniciar a conversão. Ele faz a conversão toda vez que há variação na entrada analógica, mesmo que aja aumento ou diminuição de tensão.
Funcionamento: É semelhante ao do conversor tipo rampa. Quando a entrada analógica é alimentada com algum tipo de tensão, é enviado ao circuito um sinal positivo (quando houver um aumento de tensão de entrada) ou negativo (quando houver diminuição de tensão de entrada). De acordo com o sinal recebido pelo circuito de controle, ele determina se a contagem é progressiva ou regressiva e libera a entrada do sinal de clock. A contagem se realiza até que a tensão enviada pelo conversor A/D se iguale à tensão de entrada, e a saída do comparador Engenharia Eletrotécnica – Conversores Elétricos
Conversor A/D de aproximação sucessiva
Figura 8: Conversor A/D de aproximação sucessiva.
É utilizado quando a velocidade de conversão é fator importante pois sua velocidade de conversão é de apenas alguns microssegundos. Pode-se destacar os seguintes blocos: Um contador em anel formados pelos flip-flops tipo A (FF1 a FF6) que serão ativados sempre um de cada vez em nível alto; Quatro flip-flops (FFD a FFA) que são utilizados para registrar os bits digitais que alimentam a saída e o conversor D/A; Um conversor D/A com função de enviar sinal ao comparador; Conversor Analógico /Digital Conversor A/D de aproximação sucessiva Um circuito de amostra e retenção (“sample and hold”); Um comparador que recebe a tensão de entrada analógica através do circuito de amostra e retenção e a tensão do conversor D/ª Após a realização da comparação, o comparador fornece em sua saída: Nível o quando V0 -> V0 + Nível 1 quando V0 - <V0 +.
Funcionamento : Suponha que a entrada seja alimentada de 12 V. A conversão é iniciada com um pulso “strobe”.Quando este pulso surge, o circuito de amostra e retenção leva para a saída o valor da tensão analógica que estava na entrada e a entrada “Data” de FF1 fica em nível 1. Quando surgir o primeiro pulso de clock, FF1 transferirá o nível 1 de sua entrada “data” para a saída e irá iniciar FFC,FFB e FFA. A entrada do conversor terá os níveis lógicos 1000 e a saída 8V. O comparador terá em sua entrada V0-> V0+, portanto a saída terá nível lógico 0. Isso inibirá a entrada de reset dos flip-flops FFD a FFA. Quando surgir o segundo pulso de clock, FF2 transferirá o nível 1 de sua entrada “data” para sua saída e irá iniciar oo FFC. A entrada do conversor terá agora os níveis lógicos 1100 e saída 12V.
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A saída do comparador continua com nível lógico 0 pois V0- = V0+ e as entradas de reset de FFD a FFA continuam inibidas. Quando surgir o terceiro clock, FF3 transferirá o nível lógico 1 de sua entrada para a saída e irá iniciar FFB. A entrada do conversor irá apresentar agora, os níveis lógicos 1110 e 14V.
Conversor A/D de aproximação sucessiva
A saída do comparador passará para o nível lógico 1 pois V0- <V0+ e possibilitará o reset dos flip-flops FFD a FFA. Quando surgir o quarto pulso de clock, FF4 irá transferir para sua saída o nível lógico 1 e irá iniciar FFA e também reinicializar FFB. A entrada do conversor D/A terá agora os níveis lógicos 1101 e a saída, 13V. A saída do comparador irá continuar com nível lógico 1 pois V0- <V0+ e os pinos de reset dos flip-flops FFD a FFA continuam habilitados. Quando surgir o quinto pulso de clock, FF5 irá transferir para a sua saída o nível lógico 1 da entrada 2 e irá reinicializar o FFA. A entrada do conversor D/A terá então os níveis lógicos 1100 e a saída será de 12V. O comparador volta, então, a ter o nível lógico 0 em sua saída e inibe os pinos de reset dos flip-flops.
Quando surgir o sexto pulso de clock , FF6 transportará para sua saída o nível lógico de sua entrada e habilitará as portas E. Estas transportarão os níveis lógicos de entrada do conversor para a saída digital, que é o valor correspondente à entrada analógica. A saída Q6 de FF6 também habilita novamente o circuito de amostra e retenção cuja função é reter o novo valor de tensão. Quando surgir o sétimo pulso clock, o ciclo se repete e o novo valor binário correspondente à tensão analógica será transportado para a saída digital quando FF6 for iniciado novamente.
Conversor A/D integrador por dupla inclinação
Figura 9: Circuito do conversor A/D integrado por dupla inclinação.
É largamente utilizado em instrumentos de medição onde a velocidade de conversão não é um fator importante.
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Conversores Digital / Analógico (D/A)
Um DAC (em língua Inglesa Digital-to-Analog Converter ) português Conversor digital- analógico , é um circuito eletrônico que tem por finalidade transformar uma grandeza digital (código binário) para uma grandeza analógica (uma tensão ou uma corrente elétrica) e vice- versa. Em muitos casos, há grandezas analógicas que precisam ser convertidas em digitais, como, por exemplo, a saída de tensão de um sensor de temperatura de um termômetro digital. Em outros casos, a operação inversa é usada. Um sinal na forma digital, para ser processado por um bloco funcional analógico, deve ser previamente convertido (ou reconvertido) para a forma analógica equivalente. Este processo reverso é efetuado por um conversor digital/analógico.
Figura 11: processo efetuado por um conversor D/A
Características principais dos conversores de digital para analógico As características principais dos conversores de digital para analógico são: resolução, linearidade, monotonia, precisão, tempo de conversão e sensibilidade à temperatura.
Resolução
A resolução de um conversor de digital para analógico resulta diretamente do número de bits que o conversor utiliza e permite perceber qual é o valor mínimo que o conversor pode representar. Por exemplo um conversor com 10 bits permite obter 2 10 = 1024 valores de saída distintos o que resulta numa resolução de aproximadamente 0, 1%. No mercado estão disponíveis conversores de digital para analógico de 6 a 24 bits.
Linearidade
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Num conversor ideal a incrementos iguais na entrada digital corresponderiam incrementos iguais na saída analógica. Num conversor real isto nem sempre se verifica e o termo linearidade representa aqui uma medida de quanto o conversor real está próximo do ideal nesta perspetiva.
Monotonia
Um conversores de digital para analógico deve ser monótono, isto é a saída deve sempre aumentar em resposta a uma entrada digital crescente. Para que esta característica se verifique basta que a não linearidade diferencial não exceda 1 LSB em módulo.
Figura 12: Exemplo da representação da relação entrada/saída de um determinado conversor de três bits.
Precisão
A precisão de um conversor é uma medida da diferença entre a tensão de saída analógica obtida e a tensão que idealmente deveria estar à saída.
A falta de linearidade é um dos fatores que contribui para a imprecisão, sendo os outros a variação das tensões de referência, a precisão das resistências e as características do amplificador operacional.
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Onde:
n : número de bits do conversor; bit(i) : assume valores “0” ou “1” de acordo com a palavra digital de entrada (dado binário); Vref : tensão de referência do conversor.
Rede Resistiva R-2R:
Diferente da técnica anterior, esta rede resistiva utiliza apenas 2 valores resistivos: R e 2R. Há uma grande quantidade de técnicas que utilizam esta rede resistiva como base. Ela será detalhada posteriormente.
Ex: Seja um conversor R-2R de 3 bits (n = 3):
Rede NR:
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Seja uma rede de N resistores em série, onde N corresponde ao número de divisões discretas dada pelo código digital, ou seja, trata-se de um grande divisor resistivo de tensão. Para um conversor de 4 bits necessita-se de uma rede 16R , ou seja, 16 resistores iguais em série. Para 8 bits, há a necessidade de uma rede 256R. O divisor resistivo conectado a um conjunto de chaves, controlado por um grande decodificador, é a base deste conversor.
Fig. 13: Rede NR
Conversor de digital para analógico baseado na soma de corrente
O conversor de digital para analógico baseado na soma de corrente é normalmente implementado com base num amplificador operacional como está representado na figura 5.3, embora seja possível utilizar um circuito muito semelhante sem o amplificador operacional, ainda que nesse caso a capacidade de fornecer corrente seja muito limitada.
Considerando as características do amplificador operacional ideal, em concreto a resistência de entrada infinita e a terra virtual, é possível escrever a equação resultante da lei dos nós para o nó de entrada:
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