Conversão AD e DA pt.2

Conversão AD e DA pt.2

1. Linearidade ou precisão relativa

   • |e| < tamanho do degrau/2
     • |e| é a maior distância entre ideal e real. Erro de linearidade
     • Esse limite garante um conversor monotônico
       • Se essa relação não for atendida, há perda de monotonocidade

2. ADCs seriais

   • Muitas aplicações de aquisição de dados ADC usarão um microcomputador para controlar o sistema e coletar os dados. Para ser mais eficiente, ADCs têm um registrador de deslocamento de entrada/saída serial (PISO) inserido para converter os dados em um fluxo de bits que tem o clock ativado serialmente no chip do microcomputador

3. Aplicações de ADCs

   • Medição industrial de precisão: A baixa taxa de amostragem, alta resolução e boa rejeição ao ruído de ADCs de rampa dupla são características ideais para esse uso
   • Voz/Áudio: ADCs sigma/delta são usados devido a sua alta resolução e sobreamostragem inerente
   • Aquisição de dados: ADCs de aproximação sucessiva são usados devido a estruturação para sistemas de aquisição de dados complexos que precisam digitalizar múltiplos canais de dados analógicos
   • Alta velocidade: ADCs pipeline e de flash são usados devido ao custo baixo, baixa resolução no flash ou alta resolução no pipeline

4. Circuitos Sample and Hold (S/H)

   • Esse circuito estabiliza a tensão analógica durante o processo de conversão A/D
     • Para o processo de conversão não ser afetado pela alteração da tensão analógica
   • Contém amplificador buffer, capacitor e uma chave.
   • Procedimento
     • O tempo de carga do capacitor (tempo de aquisição) deve ser aguardado para garantir que o valor analógico está disponível para a conversão no ADC. Esse tempo deve ser o menos possível
     • Após esse tempo, a chave é aberta e o valor analógico é mantido até a descarga completa do capacitor. Esse tempo deve ser o maior possível para que a descarga não ocorra e a leitura ser completa antes de descarregar.
     • O tempo de conversão do ADC deve ser o menor possível para não permitir que a tensão no capacitor se altere significantemente (tamanho do degrau) durante a conversão
     • A soma desses tempos determina o mínimo intervalo entre cada amostra e a frequência de amostragem em S/s
   • Em um sistema de aquisição de dados controlado por computador, a chave S/H seria controlada por um sinal digital que fecharia a chave para que Ch fosse carregada com a nova amostra da tensão analógica
     • [1]

5. Multiplexação em ADC

   • Devido ao alto custo do circuito ADC, é comum o uso de diversos canais em um mesmo conversor
   • Todos os canais são enviados a um circuito multiplexador analógico que, usando as entradas de seleção, envia para conversão apenas uma entrada por vez
     • [1]
   • Essa implementação reduz o custo porém aumenta o tempo entre as leituras de um mesmo canal
   • O clock de multiplexador controla a velocidade em que os sinais analógicos são chaveados em sequência para o ADC
     • A velocidade máxima é determinada pelo atraso das chaves e o tempo de conversão do ADC.
       • O atraso da chave pode ser minimizado usando-se chaves semicondutores como a chave bilateral CMOS

6. Processamento digital de sinais (DSP)

   • É um microprocessador otimizado para realizar cálculos repetitivos sobre uma série de dados digitalizados. Esses dados são fornecidos para o DSP a partir de um conversor A/D
   • Para cada novo dado recebido, os cálculos são realizados rapidamente. O resultado dos cálculos produz uma nova saída de dados, em geral enviada para u conversor D/A
     • Acontece entre amostras, então o DSP deve ter uma eficiência/velocidade muito alta
   • A principal aplicação é na filtragem e condicionamento de sinais analógicos
   • A vantagem que o DSP tem sobre os resistores e capacitores é a flexibilidade de alterar a frequência de corte sem substituição de componente
   • É usado em tarefas como sobreamostragem, filtros e transformada rápida de Fourier
     • Sobreamostragem: Inclusão de dados para suavizar transições dos sinais analógicos gerador por D/As
     • Filtros: Eliminação de ruídos em alta frequência para controle de equipamentos
     • Transformada rápida de Fourier: Permite obter a intensidade das frequências de uma tensão ou corrente medida e calcular THD (distorção harmônica total)

7. Aplicações de DACs

   • Geradores de forma de onda: Controlando a sequência de bits na entrada do DAC, pode-se determinar a forma de onde arbitrária de saída. O mesmo pode ser feito através de circuitos sequenciais
   • Controle de atuadores: Uma saída de um sistema digital pode ser convertida em um sinal analógico para controle de diversas funções como a velocidade de motores e a abertura proporcional de válvulas por exemplo
   • Testes automáticos: Sinais provenientes de sistemas digitais podem ser convertidos em fontes de corrente e tensão controladas para realizar testes em dispositivos de proteção de equipamentos de subestação

8. Conversão A/D em CI

   • AD 7880
     • 12 bits
     • Por aproximações sucessivas
     • Saída digital paralela
     • Dois pontos de entrada e ele faz a diferença
     • Tem duas faixas de operação: unipolar (0-5V) e bipolar (-5 a 5V)
     • Tempo de conversão é de 15us
       • Inclui o tempo de T/H de 3us
         • [2]
   • AD 7829-1
     • 8 bits Flash de 8 canais
     • Tempo de conversão de 420ns
     • Possui circuito Track and Hold
     • Entrada analógica selecionada por um multiplexador de 8 para 1
       • [2]
     • Possui sinais de controle
     • Saída em paralelo

9. Conversão D/A em CI

   • AD7524 -EP
     • Redes R/2R
     • Interface digital paralela
       • [2]
     • Registrador de entrada
       • [2]
     • 8 bits de entrada
     • Entradas de controle
   • DAC0808
     • Redes R/2R
     • Interface digital paralela
       • [2]
     • Converte saída de corrente em tensão
       • [2]
   • AD 5424
     • Rede R/2R
       • [2]
     • Tem registrador
     • Entradas paralelas
     • Possui sinais de controle
       • [2]
     • 8 bits
     • Saída de corrente pode ser unipolar ou bipolar
     • Vout = -Vref *(D/2)

10. Conversor A/D e D/A em CI

    • PCF8591
      • Tem conversor AD e DA
      • Alta complexidade
      • Interface serial no padrão I²C
      • Multiplexador de 4 canais no AD
        • [2]
      • 8 bits no D/A
      • Possui S/H
      • AD de Aproximações sucessivas

11. Aquisição de dados

    • A aquisição do valor de um único ponto é a amostragem do sinal analógico, e o ponto de dado é quase sempre denominado amostra
    • Na saída para atuadores, os dados digitais devem ser armazenados em registradores, para serem mantidos até que a conversão D/A seja feita
    • É necessário enviar e receber sinais controle entre o sistema digital e o ADC/DAC para regular a transmissão/recepção de dados convertidos
      • Alguns exemplos:
        • EOC que indica o fim da conversão A/D e que o dado está pronto para leitura pelo sistema digital
        • START que é enviado pelo sistema digital para que o ADC comece a leitura
        • CS e WR que permite selecionar e escrever num DAC o valor digital que será convertido
    • Procedimento
      • O tempo de ciclo do START varia, ele depende do tempo de conversão
        • O tempo de conversão restringe o número de amostras que podem ser coletadas por segundo
      • Va varia continuamente. Isso pode adiantar ou atrasar o processo de conversão
      • Pulso de start que começa o processo de conversão. Após o fim da conversão, EOC tem a resposta e assim que termina de processar o dado que está na saída recomeça o processo pelo pulso de start.
    • Se o conversor AD é mais lento que o sinal de entrada, o sinal reconstruído perde muita informação
    • Quando se armazena uma forma de onda digitalizada, as amostras obtidas em intervalos fixos a uma taxa pelo menos duas vezes maior que a frequência no sinal analógico e para reconstruir o sinal precisaríamos saber o instante em que cada valor de dado deve ser reproduzido
    • Um sinal falso é gerado pela amostragem do sinal a uma taxa menor que a mínima identificada por Nyquist
    • Para evitar perda de informação, como mostrou Nyquist, o sinal de entrada tem de ser amostrado a uma taxa maior que duas vezes o componente de maior frequência do sinal de entrada.
    • O problema com a subamsotragem (frequência de amostragem menor que duas vezes a frequência máxima) é que o sistema digital não tem ideia de que há uma frequência alta na entrada, apenas amostra entrada e armazena os dados. Quando reconstrói o sinal, a frequência falsa está presente, o sinal original está perdido e o sinal reconstruído não parece mais o mesmo

12. Fonte das imagens

    • [1]: Tocci 20111
    • [2]: Slides o professor Rainer

Imagens e arquivos do mapa