Eletrônica Digital

Prof. Gilson Yukio Satosato[at]utfpr[dot]edu[dot]br

Conversores D/A

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Analógico X Digital

tempo tempo

Variação Contínua

Infinitos Valores

Variação Discreta

Conjunto Limitado de valores

Digital - Vantagens

• Mais fáceis de projetar• Mais fácil de armazenar informação• Mais fácil manter precisão e exatidão• Programáveis• Menos susceptíveis ao ruído• Maior integração

Digital - Desvantagem

• O nosso mundo é analógico– Temperatura– Pressão

– Tensão – Corrente

– ...

Sistema digital no “mundo” analógico

Temperatura

SensorInterface

AtuadorInterface

Sistema Digital

“Mundo”Analógico

A/DPS

D/A

Exemplo

Tocci, 2007

Conversão Digital/Analógico

• Entrada = palavra digital de n bits– Cada bit = tensão para nível alto ou baixo

• Saída = sinal discreto– Número finito de níveis (até 2n)

Conversão Digital/Analógico

Conversor D/A

Vs

D0D1

Dn-1

Palavra digital de n bits

Tensão (ou corrente) de saída

Conversão Digital/Analógico

Conversor D/A de 3 bits

VsD0D1D2

Exemplo

0,00,20,40,60,81,01,21,4

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

D2 D1 D0 Vs1 Vs2

0,00,51,01,52,02,53,03,5

Vs3

0,000,150,300,450,600,750,901,05

t

Vs

ExemploConversor

D/A de 3 bits

VsD0D1

D2

0,00,20,40,60,81,01,21,4

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

D2D1D0 Vs

Contador Módulo 8

CLK

+

000 001 010 011 100 101 110 111 000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

CLK

Resolução

0,00,20,40,60,81,01,21,4

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

D2 D1 D0 Vs

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

Resolução (R): menor variação na saída analógica em função de uma mudança na entrada

Fundo de escala (FS): maior valor de saída analógica

Resolução percentual (R%):

R%=(R/FS)*100%

Linearidade

0,00,20,40,60,81,01,21,4

0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1

D2 D1 D0 Vs

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

Analog Devices

Monotonicidade

Analog Devices

Precisão• Erro de fundo de escala

– O erro máximo é dado como uma porcentagem do FS

• Erro de linearidade– O erro máximo é dado como uma

porcentagem da resolução

Erro de offset

Exemplo

Idealmente

000 = 0V

Com erro de offset

000 = 0,02

Analog Devices

Amplificador Operacional

• Concebido para fazer operações entre grandezas analógicas

– Soma, subtração, logaritmo, diferencial, integral

• Pode ser aplicado de várias formas– Linear: amplificadores, mixers, osciladores

– Não linear: comparadores, geradores de onda quadrada

Amplificador Operacional (AO)

+

-

+V

-V

Entrada não-inversora

Entrada inversora

Alimentação positiva

Alimentação negativa

Saída

Ideal X Real

+

-

+V

-V

Ideal

A=vo/vi → ∞Zi → ∞Zo → 0

-∞ ≥ vo ≥ ∞vo=0 se vi=0

Real

A=vo/vi → muito altoZi → muito alto

Zo → baixo-V ≥ vo ≥ +V

vo=? se vi=0

vivo

Zi Zo

Amplificador Inversor

+

_

vi

vo

Ri

Rf

vo = io x Rf

vi = ii x Ri

Tal que:

vo/vi = (io x Rf) / (ii x Ri)

Como:

io = -ii

vo/vi = - (Rf/Ri)

vo = - vi x (Rf/Ri)

Somador

vo = -(Rf/Ri) x (va+vb+vc+vd)

+

_va

vo

Ri

Rf

Ri

Ri

Ri

vb

vc

vd

Conversor D/A Resistores Ponderados

0123456789101112131415

0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111

DCBA Vs

R

2R

4R

8R

+

_

Vs

Rf

VA

VB

VC

VD

Vs = -(Rf/R) x (VD+VC/2+VB/4+VA/8)

P.ex.

VD,VC,VB,VA

“1” = 5V

“0” = 0V

Todos valores de tensão negativos

(4 bits)

Exemplo

Tocci, 2007

Entradas do D/A

• As entradas do D/A são digitais: ”1” e “0”, mas ambos níveis lógicos são representados por níveis de tensão.

• Em dispositivos reais não é possível associar um único valor de tensão. Uma faixa de valores é associada a cada nível lógico.

• Por exemplo, a família TTL garante saídas em que:

– “1” → 2,4V ~ 5V– “0” → 0V ~ 0,8V

Entradas do D/A

• O desempenho do D/A depende do valores de tensão de entrada (vide equação)

• Assim a faixa de tensões que pode ser fornecida de um CI para um D/A afeta seu desempenho

• Além disso, cada saída do CI pode fornecer um valor de tensão diferente

Tocci, 2007

Conversor D/A R/2R

Vs = -(Rf/6R) x (VD+VC/2+VB/4+VA/8)

(4 bits)

+

_Vs

Rf

VA VB VC VD

2RRRR

2R 2R2R2R2R

Exemplo Tocci, 2007

Conversor D/A Resistores

Ponderados 8 bits

Vs = -(Rf/R) x (VH+VG/2+VF/4+VE/8+VD/16+VC/32+VB/64+VA/128)

R

2R

4R

8R

+

_

Vs

Rf

VE

VF

VG

VH

VD16R

VC32R

VB64R

VA128R

Conversor D/A Resistores

Ponderados 2 Dígitos BCD

Vs = -(Rf/R) x (VD+VC/2+VB/4+VA/8+VD’/10+VC’/20+VB’/40+VA’/80)

R

2R

4R

8R

+

_

Vs

Rf

VA

VB

VC

VD

VD’10R

VC’20R

VB’40R

VA’80R

Conversor D/A R/2R de 8 bits

Rf

+

_

Vs

VF VG VH

2RRRR

2R 2R2R2R

VEVA VB VC VD

RRRR

2R 2R2R2R2R

Vs = -(Rf/6R) x (VH+VG/2+VF/4+VE/8+VD/16+VC/32+VB/64+VA/128)

Conversor D/A R/2R de

2 Dígitos BCD

+

_

Vs

Rf

VA VB VC VD

2RRRR

2R 2R2R2R2R

VA’ VB’ VC’ VD’

20R10R10R10R

20R 20R20R20R

20R

Vs = -(Rf/6R) x (VD+VC/2+VB/4+VA/8+VD’/10+VC’/20+VB’/40+VA’/80)

Exercícios

• Projetar e desenhar um conversor D/A resistores ponderados de quatro bits. A tensão de nível alto é igual a 5V, a de nível baixo a 0V, a resolução é de 0,125V. Utilize somente resistores de 10kΩ na entrada.

• Projetar e desenhar um conversor D/A resistores ponderados de quatro bits. A tensão de nível alto é igual a 5V, a de nível baixo a 0V, o fundo de escala é de 5,0V. Utilize somente resistores de 10kΩ na entrada.

• Repetir os exercícios anteriores para o conversor D/A rede R/2R

Exercícios

• Projetar e desenhar um conversor D/A resistores ponderados de oito bits. A tensão de nível alto é igual a 5V, a de nível baixo a 0V, a resolução é de 0,125V. Utilize somente resistores de 10kΩ na entrada.

• Projetar e desenhar um conversor D/A resistores ponderados de oito bits. A tensão de nível alto é igual a 5V, a de nível baixo a 0V, o fundo de escala é de 5,0V. Utilize somente resistores de 10kΩ na entrada.

• Repetir os exercícios anteriores para o conversor D/A rede R/2R

Exercícios

• Projetar e desenhar um conversor D/A resistores ponderados para 2 dígitos BCD. A tensão de nível alto é igual a 5V, a de nível baixo a 0V, a resolução éde 0,1V. Utilize somente resistores de 10kΩ na entrada.

• Projetar e desenhar um conversor D/A resistores ponderados para dois dígitos BCD. A tensão de nível alto é igual a 5V, a de nível baixo a 0V, o fundo de escala é de 9,9V. Utilize somente resistores de 10kΩna entrada.

• Repetir os exercícios anteriores para o conversor D/A rede R/2R