Eletrônica Digital II ELT013

1. Eletrônica Digital IIELT013 Engenharia de Computação

2. Aula 10 Interface com o Mundo Analógico ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

3. Quantidade Digital Vs. Quantidade Analógica • Quantidades Digitais • Podem assumir um entre dois valores possíveis. • Por exemplo, 0 ou 1, ALTO ou BAIXO, VERDADEIRO ou FALSO, etc. • Podem estar em um intervalo especificado, o valor exato não é tão importante. • 0 a 0,8 V nível lógico 0 • 2 a 5V nível lógico 1 • Quantidades Analógicas • Podem assumir um número infinito de valores dentro de uma faixa • Seu valor exato é bastante importante. • Ex.: Sensor de temperatura a variação de mV já implica na mudança de alguns °C na temperatura medida. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

4. Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (1) • A maioria das variáveis físicas são analógicas e podem assumir qualquer valor dentro de uma faixa contínua de valores. • Temperatura, pressão, posição, velocidade, etc. • A variável física é geralmente uma grandeza não elétrica. • Um transdutor converte uma variável física em elétrica. • Quantidade elétrica é proporcional à quantidade da variável monitorada. • Exemplos: sensores de temperatura, fotocélulas, fotodiodos, medidores de vazão, transdutores de pressão, tacômetros. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

5. Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (2) • Saídaelétrica do transdutor analógico serve como entradaanalógica para um conversor analógico-digital (ADC). • ADC converte essa entrada analógica em saída digital • Saída digital é um número de bits que representa o valor da entrada analógica. • Saída binária do ADC é número binário proporcional à tensão da entrada analógica. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

6. Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (3) • Representação digital da variável física é transmitida a partir do ADC para o sistema digital. • Valor digital é armazenado e processado de acordo com o programa de instruções que ele está executando. • Programa pode executar cálculos ou outras operações para produzir uma saída que acabará sendo usada para controlar um dispositivo físico. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

7. Arquitetura de um Sistema ADC – DAC (4) • Saída digital é conectada a um conversor digital-analógico (DAC) • Converte para uma tensão ou corrente analógica proporcional. • Sinal analógico muitas vezes é ligado um dispositivo ou circuito que serve como um atuador • Controla a variável física, como uma válvula eletricamente controlada, um termostato, etc. • Deve-se lidar com a diferença natural entre o sinal digital e analógico ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

8. Conversão Digital-Analógica ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

9. Conversão D/A • Na conversão D/A o valor representado em código digital é convertido em uma tensão ou corrente proporcional ao valor digital. • Saída de DAC não é tecnicamente uma quantidade analógica, pois assume apenas valores específicos. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

10. Valor de Referência • Tensão de referência Vref • Determina o fundo de escala, ou o máximo que valor que o conversor D/A gera • Entradas digitais • São geralmente conectadas à saída de um registrador de um sistema digital • Para cada número de entrada, a tensão de saída do conversor D/A é única. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

11. Valor de Saída (1) • Neste caso, o valor da saída VOUT é o mesmo valor da entrada binário • Mas poderia ser o dobro, metade, 1/15, etc. Sempre mantendo a proporcionalidade • Mesma abordagem é válida para uma saída de corrente IOUT ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

12. Valor de Saída (2) • Para cada número de entrada, a tensão de saída D/ do conversor é um valor único: SaídaAnalógica = K * Entrada Digital • onde K é o fator de proporcionalidade • constante para um dado DAC ligado a uma tensão de referência fixa. • Exemplo: K = 1V • VOUT = K * Entrada Digital • VOUT = 1V * 11002 • VOUT = 1V * 1210 • VOUT = 12V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

13. Saída Analógica (1) • A saída de um DAC é “pseudo-analógica” • Apenas aproxima da analógica pura, conhecida como analógica por conveniência. • Quantidade de possíveis valores para a saída pode ser aumentada, aumentando-se os bits de entrada. • Desta forma, a diferença entre os valores sucessivos diminui • Isso permite gerar saídas mais parecidas com uma quantidade analógica ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

14. Saída Analógica (2) • Cada entrada digital contribui com um valor diferente para a saída analógica • São ponderadas de acordo com sua posição no número binário. • Pesos são dobrados sucessivamente para cada bit, começando com o LSB. • VOUTpode ser considerado a soma ponderada das saídas digitais. • VOUT = 01112 = 0V + 4V + 2V + 1V = 7V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

15. Resolução (1) • Resolução de um conversor D/A é definida como a menor alteração da saída analógica como resultado de uma alteração na saída digital. • Resolução é o mesmo que o fator de proporcionalidade entrada/saída DAC. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

16. Resolução (2) • Resolução sempre é igual ao peso do LSB ou tamanho do degrau • Quantidade de VOUTque mudará na medida em que o valor da entrada digital mudar de uma etapa para a outra. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

17. Implicações da Resolução na Conversão D/A • O projetista deve escolher a resolução com base na precisão necessária • O controle de um motor ou vazão de uma válvula para um faixa de 0V a 10V • Seis bits → 63 degraus de 0,159V • Oito bits → 255 degraus de 0,039V ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

18. Conversores D/A Bipolares • DACstambém podem produzir tensões negativas, fazendo pequenas alterações ao circuito analógico na saída do DAC. • Outros DACs podem ter circuitos internos extras e aceitar números com sinal em forma de complemento de 2 como entradas. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

19. Circuitos Conversores D/A ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

20. Conversores D/A Simples (1) • DAC simples usando um amplificador operacional na configuração amplificador somador com resistores com ponderação binária • Razão entre RIN e RF faz a atenuação do sinal de entrada ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

21. Conversores D/A Simples (2) • Valores de resistência de entrada são binariamente ponderados. • Exemplo: Tensão de entrada é de 5V no nível ALTO e 0V no nível BAIXO e a entrada digital for 1010 então: ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

22. Conversores D/A Simples (3) • Resolução do conversor é o peso do LSB • 1/8 x 5V = 0,625V • Contundo essa configuração não é muito precisa já que: • 0 a 0,8 V nível lógico BAIXO • 2 a 5 V nível lógico ALTO ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

23. Precisão da Conversão • O quão perto o circuito chega de produzir os valores ideais de VOUT depende principalmente de dois fatores: • A precisão dos resistores de entrada e de realimentação. • A precisão dos níveis de tensão de entrada. • Resistores podem ser feitos com valores precisos (erro de 0,01% dos valores desejados). • Saídas digitais não podem estar conectadas às saídas de FFs ou portas lógicas, porque os níveis de saídas lógicas dessas variam dentro de determinadas faixas • É necessário adicionar um circuito entre cada entrada digital e o seu resistor de entrada para o amplificador somador. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

24. Conversores D/A Completo (1) • Cada entrada digital controla uma chave semicondutora, como uma porta de transmissão CMOS. • Quando a entrada é ALTO • Chave conecta uma fonte de referência de precisão para o resistor de entrada. • Quando a entrada é BAIXO • Chave está aberta ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

25. Conversores D/A Completo (2) • A fonte de referência produz uma tensão muito estável, precisa, necessária para saídas analógicas precisas. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

26. Conversor D/A Básico Com Saída em Corrente ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

27. Rede R/2R (1) • Circuitos com resistores binário ponderados causam um problema devido à grande diferença de valores entre LSB e MSB. • Em um sistema com 12bits, o MSB seria de 1kΩ e o LSB seria de 2MΩ • A escada R/2R usa resistências que abrangem apenas um intervalo de 2 para 1. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

28. Rede R/2R (2) • A corrente IOUT depende da posição das quatro chaves, as entradas binárias B3B2B1B0 controlam os estados • Corrente pode fluir pelo amplificador operacional na configuração conversor corrente-tensão para gerar VOUT ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

29. Especificação de Conversores D/A ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

30. Especificações Principais de DAC (1) • Muitos DACs estão disponíveis como CIs ou módulos encapsulados e as especificações principais são: • Resolução • Precisão • Erro de offset • Tempo de estabilização • Monotonicidade ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

31. Especificações Principais de DAC (2) • Precisão • Denominados de erro de fundo de escala ou de linearidade, expressos como porcentagem da saída (% F.S.) • ±0,01% x 9,375 V = ±0,9375 mV • Erro de Offset • Idealmente a saída de um DAC deve ser 0 quanto todos os bits forem 0s. • Na prática existe uma tensão pequena na saída • Quando não é corrigido é somado à saída esperada do DAC ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

32. Circuito Integrado DAC • O AD7524, um CMOS IC é um conversor D/A de oito bits que usa uma rede de escada R/2R. • Esse DAC tem uma entrada de oito bits que pode ser armazenada internamente sob o controle das entradas seleção do chip [Chip Select (CS)] e WRITE (WR). • Quando qualquer entrada de controle se torna ALTO, os dados da entrada digital são travados, e os de saída analógica permanecem no nível correspondente aos dados digitais travados. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

33. DAC de oito bits AD7524 com entradas com latch. • Conversor amp-op de corrente para tensão fornece tensão de saída variando de 0 V a –10 V. • Circuito amp-op para gerar saída bipolar de –10 V a aproximadamente +10 V. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

34. Aplicações DAC ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

35. Aplicações DAC • Usado quando a saída do circuito digital deve fornecer uma tensão analógica ou corrente: • Controle - usa a saída de um computador digital para ajustar a velocidade de um motor ou a temperatura de um forno. • Testes Automáticos -sinais gerados por computadores para testar circuitos analógicos. • Reconstruções de um sinal analógico depois de convertido para digital. • Controle de Amplitude Digital - usados para reduzir a amplitude de um sinal analógico. ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

36. Exercícios Propostos ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico

37. Exercícios Propostos • Exercícios da seção 11.1 até 11.7 ELT013 - Eletrônica Digital II Aula 10 - Interface com o Mundo Analógico