Conversão A\D e D\A parte 1

Conversão A\D e D\A parte 1

1. Objetivos

   • Entender as técnicas empregadas para conversão digital para analógico (D\A) e analógico para digital (A\D), exemplificando com circuitos de conversores.
   • Entender a conceituação de digital e analógico, exemplificando com definições de diferentes autores, um modelo sensor-atuador e sua aplicação.
   • Entender as características de conversores A\D e D\A, exemplificando conceitos relacionados à conversão D\A

2. Relembrando

   • Quantidade digital só admite dois valores: 0 ou 1
   • Circuitos
     • Famílias TTL
       • Nível Baixo
         • Qualquer tensão de 0 a 0,8V
       • Nível Alto
         • Qualquer tensão de 2 a 5V
   • Obs:
     • Quantidade Analógica
       • Qualquer valor em faixa contínua
       • Ex.: 20,0V representa 200 C, 9,9V representa 99C
   • Variáveis associadas às grandezas físicas são analógicas
   • Sistemas digitais trabalham com quantidades digitais
   • Conclusão:
     • Para utilizar sistemas digitais para monitorar\controlar um processos com grandezas físicas, conversões A\D e D\A são necessárias

3. Conversão D\A

   • Quantidade expressa por um valor binário (código digital
     • Valor de tensão (V) ou corrente (A) proporcional ao valor digitak
   • Exemplo: Conversor D\A (4 bits)
     • Tabela Verdade
   • DAC - Rede de resistores
     • Resistores Ponderados
       • Cada bit de entrada controla uma chave
         • Difícil garantia dos valores dos resistores com uma boa precisão
         • Quanto maior o números de bits, mais difícil garantir o arranjo de resistores com boa precisção
         • Rede R - 2R
           • Aumenta o número de resistores a fim de facilitar a construção do circuito
   • Conceitos
     • Pesos de entrada
       • A codificação das entradas digitais determinará a ponderação de cada bit
       • A saída será uma soma ponderada dos bits de entrada
       • Ex.: Codificação binária (4bits)
         • O LSB tem peso 2^0 = 1
         • O MSB tem peso 2^3= 8
     • Saída quantizada
       • A saída de um D\A é pseudo-analógica
         • Obs.:
           • Há um "salto" na tensão de saída entre dois valores consecutivos da entrada
         • Ex.: 0001 corresponde a 1V e 0010 corresponde a 2V
           • Não há representação para 1,3V ou 1,4V
           • Obs.:
             • O erro de quantização é inerente ao processo de digitalização
     • Tensão de referencia (Vef)
       • Fundo de escala ou SPAN
         • Máxima tensão convertida
     • Tamanho do degrau (resolução)
       • Menor variação de tensão possível a saída analógica
       • Quanto maior for o número de bits, melhor será a resolução
       • Saída analógica (saída A)
         • K * Entrada D
         • K= Afs/ (2^(n)-1)
           • K é o tamanho do degrau
           • Afs é tensão de fundo de escala
           • n é o número de bits
           • (2^(n)-1) é a quantidade de degraus
       • Ex.: Contador crescente na entrada de um D\A --> onda tipo escada de 0V até o fundo de escala é gerada na saída. Por exemplo, 2bits, 3 degraus e quatro níveis 00,01,10 e 11
     • Resolução percentual
       • Percentual da tensão\corrente de fundo de escala
       • Conversores D\A comerciais
         • Resolução apenas em função do número de bits. Quanto maior o número de bits, melhor a resolução
       • Obs:
         • Quanto menor a resolução, mais sensível será o conversor
     • Saídas bipolares
       • O código binário utilizado pode incluir representações de números negativos (Ex.: complemento a 2)
         • A saída pode ser negativa ou positiva
     • Precisão
       • Deve ser compatível com a resolução e é usualmente representada pelos fabricantes por duas maneira
         • Erro de fundo de escala
           • Desvio máximo entre saída real em V e seu valor esperado
           • É expresso como um percentual do fundo de escala. Ex.: ± 1% F.S.
         • Erro de linearidade
           • Desvio máximo entre o tamanho de degrau real e seu valor nominal
           • É expresso como um percentual do fundo de escala. Ex.: ±1% F.S.
     • Erro de Offset
       • Tensão residual na saída do conversor quando as entradas estão em zero
       • Devido à superposição dos pesos dos bits de entrada, esta tensão (positiva ou negativa), sempre estará presente no resultado final
         • Ajuste
           • Interno
           • Externo

4. Comparação dos níveis lógicos entre famílias de circuitos digitais

   • Subfamílias
     • Compartilham os mesmos valores de tensão para determinar os níveis lógicos
   • Famílias

5. Interfaces entre Digital e Analógico

   • Definições
     • [Capuano 2001]
       • "Entende-se por analógica toda variação contínua."
       • "Entende-se por digital, toda variação discreta, ou seja, a passagem de um valor a outro se dá por saltos."
     • [Tocci 2011]
       • "Quando um sistema digital, como um computador, é usado para monitorar e\ou controlar um processo físico, temos que lidar com as diferenças entre a natureza digital do computador e a natureza analógica das variáveis do processo."
     • Szajnberd [2014]
       • "O sinal digital processa informações (dados) sob a forma numérica. Pode também processar informações analógicas, mas que devem ser convertidas em suas correspondentes digitais."
   • Exemplo de sistema digital

6. Conversão A\D

   • Quantidade expressa por um valor de tensão (V) ou corrente (A)
     • Valor binário com um código proporcional ao valor analógico
   • Métodos de conversão
     • ADC tipo contador (rampa simples)
       • Tensão de entrada X tensão gerada por um D\A alimentado por um contador crescente
         • Quando a saída D\A do D\A ultrapassa o valor de tensão de entrada, ele para de contar e apresenta a saída do contador como resultado da conversão
       • Obs[1].:
         • Tempo de conversão elevado e dependente do valor analógico
       • Obs.: [2]
         • Erro de quantização do DAC
     • ADC de aproximações sucessivas
       • Contador do ADC de rampa
         • Registrador
           • Valor determinado por lógica de controle que faz uma busca binária
       • Fluxograma de conversão
       • Obs. [1]:
         • Tempo de conversão reduzido e independente do valor
       • Obs.[2]
         • Erro de quantização do DAC
       • Obs[3]:
         • Circuito mais complexo e comum em µC de baixo custo
     • ADC Flash
       • Possui um comparador para cada um dos 2^(n)-1 degraus de tensão convertidos que são avaliados por um circuito codificador de prioridade
         • Este codificador de 2^(n)-1 para n ignora as entradas ativas de ordem mais baixa, caso uma entrada de ordem superior é ativa
       • Obs.[1]
         • Tempo de conversão rápido
       • Obs.[2]:
         • Resolução baixa x circuito mais custoso