Conversores a D

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Processamento Digital de Sinais Mtodos Bsicos de Converso A/DProf. Samuel da Silvasam.silva13@gmail.com www.foz.unioeste.br/~samsilva

Centro de Engenharias e Cincias Exatas Universidade Estadual do Oeste do Paran Foz do Iguau

Tpicos e Conceitos Importantes

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Etapas do processo de converso analgico digital: amostragem, quantizao e codificao Circuito Sample and Hold (SH) Vantagens, desvantagens e caractersticas dos circuitos de converso de dupla-inclinao, em escada e em paralelo (flash conversion).

Converso A/D

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O processo de converso de um sinal analgico para digital composto basicamente de trs etapas: Amostragem Quantizao Codificao Estas etapas so implementadas, na prtica, atravs de circuitos integrados envolvendo resistores, capacitores, amplificadores operacionais, circuitos comparadores e contadores.Conversor A/D CONVERSOR D/Axa(t) Amostrador (Sampler) x(n) Quantizador (Quantizer) xq(n) Codificador (Coder) 01011 ...

Sinal Analgico

Sinal em Tempo Discreto

Sinal Quantizado

Sinal Digitalizado

Circuito de Amostragem e RetenoFuncionamento do Circuito Sample and Hold Chave fecha periodicamente sob controle de um sinal de comando tipo pulso peridico (clock). O tempo de fechamento curto. As amostras so armazenadas no capacitor. As amostras se referem aos nveis de tenso no capacitor.

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Circuitos Conversores A/D

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Existem vrios mtodos de converso analgico-digital que variam em complexidade e velocidade de converso, sendo que os mais comuns so: Converso de Dupla-Inclinao Converso de Circuito em escada Conversor Paralelo (Flash Conversion). b1 b2 b3 bN Amostra analgica: sada de um circuito SH Palavra digital de N bits

vo

Conversor A/D

...

Conversor de Dupla-Inclinao Dupla-Inclinao Este esquema de converso analgico-digital muito popular e de alta resoluo (12 a 14 bits), porm lento. O conversor composto de um integrador (gerador de rampa), um comparador, a lgica de controle e um contador. H vrias implementaes comerciais deste mtodo. A converso feita em duas etapas.

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Conversor de Dupla-Inclinao Dupla-Inclinao

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Etapas de funcionamento do circuito Supondo vA negativo. Antes de iniciar o ciclo de converso, a chave S2 est fechada, descarregando o capacitor C e fazendo v1 = 0. Ciclo de converso comea com abertura de S2 e a conexo da entrada do integrador atravs da chave S1 ao sinal analgico de entrada. Como vA negativo, uma corrente I = vA/R circular por R saindo do integrador. Assim, a tenso v1 aumenta linearmente com uma inclinao de I/C = vA/RC (fase I). Simultaneamente, o contador habilitado e conta os pulsos de um relgio de freqncia fixa. Esta fase contnua por um tempo fixo T1. Esta etapa termina quando o contador acumula uma contagem determinada representada por nref. Usualmente para N bits nref = 2N. O contador ento reinicializado (reset).

Conversor de Dupla-Inclinao Dupla-Inclinao

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Etapas de funcionamento do circuito (continuao) A lgica de controle comanda a abertura e o fechamento das chaves S1 e S2. Em t = T1 comea a fase II do processo de converso com a conexo da tenso de referncia positiva vref. A corrente no integrador inverte o sentido e vale I = vref /R . Assim, vI diminui linearmente com inclinao vref /RC (fase II). Simultaneamente, o contador habilitado e conta os pulsos de um clock com freqncia fixa. Quando vI = 0, o comparador sinaliza a lgica de controle para interromper a contagem.

Conversor de Dupla-Inclinao Dupla-InclinaoFase I: V pico V pico v A vA = T1 = RC T1 RC Vref RC T2 V pico T2 = Vref RC

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Fase II: V pico =

vA vA T2 = T1 n = nref Vref Vref

v1

Vpco Inclinao = vA /RC Inclinao = Vref /RC

0

Tempo Fase I Intervalo fixo (T1) Fase II Intervalo varivel (T2)

Conversor de Dupla-Inclinao Dupla-InclinaoObservaes importantes

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A leitura do contador na fase I proporcional a T1 e a leitura n no final da fase II proporcional a T2. n no uma funo contnua de vA pois assume valores discretos correspondentes aos nveis quantizados. O contedo do contador n no final do processo de converso corresponde ao equivalente digital de vA. Alta preciso pois n no depende dos valores exatos de R e C.

Conversor de Circuito em Escada

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Caractersticas do conversor de circuito em escada A sada do contador uma tenso em escada; cada passo de contagem aumenta um incremento (resoluo). O circuito comparador interrompe a contagem quando tenso em escada se eleva acima da tenso de entrada. Neste instante, valor do contador a sada digital. O incremento depende do nmero de bits. A taxa do clock afeta a velocidade de converso. A preciso depende da preciso do comparador.

Conversor de Circuito em Escada

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Sada Digital Entrada Analgica+ -

Circuito Comparador Lgica de Controle Fim de contagem Clock

Pulsos de contagem Contador Digital Pulso de reset Circuito em Cascata

Diagrama Lgico

Conversor de Circuito em EscadaForma de OndaTenso analgica

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Tenso em escada

Intervalo de contagem Incio de contagem Trmino de contagem

Conversor Paralelo ou Simultneo

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Caractersticas do conversor paralelo ou simultneo o mtodo de converso A/D mais rpido (flash conversion) e conceitualmente simples mas o Circuito de implementao muito complexo! Utiliza 2N-1 comparadores para comparar o nvel do sinal de entrada com cada um dos 2N-1 possveis nveis de quantizao. Converso completa obtida em um intervalo de ciclo do clock.Entrada Analgica VR1 comparador 2 Diagrama Lgico VR2 comparador 2N-1 VR2N-1 comparador 1 Lgica de Controle b1

b2

Sada Digital

bN

Conversores A/DUm conversor para todos os canais:max f amostragem max FPlaca = n canais

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Um conversor para cada canal.

Conversor A/D: Exemplo

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Exemplo: Um sinal analgico na faixa de 0 10 volts deve ser convertido em um sinal digital de 8 bits. a) Qual a resoluo do conversor em volts? b) Qual a representao digital para entrada de 6 volts? c) Qual a representao digital para entrada de 6,2 volts? d) Qual o erro cometido na quantizao de 6,2 volts em termos absolutos e como porcentagem do sinal de entrada? e) E como porcentagem da escala total? f) Qual o mximo erro de quantizao em relao a escala total em porcentagem?

Conversor A/D: Exemplo

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Soluo: a) Qual a resoluo do conversor em volts?

xmax xmin 10 0 10 = = 8 = = 0,0392 volts N 2 1 2 1 255(b) Qual a representao digital para entrada de 6 volts?

6 nvel 153 10011001 0,0392(c) Qual a representao digital para entrada de 6,2 volts?

6, 2 = 158,163 nvel 158 10011110 0,0392

Conversor A/D: Exemplo

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(d) Qual o erro cometido na quantizao de 6,2 volts em termos absolutos e como porcentagem do sinal de entrada? Porcentagem da escala total? Erro em termos absolutos: como a entrada de 6,2 volts foi aproximada para o nvel 158, tem-se um erro de 0,163 vezes a resoluo do conversor. Assim,

Ea = 0,163 x = 0,0064 voltsO erro de quantizao em porcentagem pode ser facilmente calculado atravs da expresso: 0,0064 Ea = x 100 = 0,1% 6, 2 O erro mximo de quantizao em relao escala total de: 0,0392 2 x 100 = 2 x 100 = 0,196% xmx 10