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cap11.ppt [Modo de Compatibilidade] - ufjf.br · PDF fileO Amplificador Operacional Um amplificador operacional ou amp op é um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois terminais

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  • FABRCIO CAMPOS

  • Captulo 11)Interface com o mundo analgico

    Conversores DAConversores ADCompreender, Especificar, Comparar os tiposConceitos Bsicos de PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.1) Quantidade Digital x Analgica

    Uma quantidade DIGITAL ter um valor que especificado entre duas possibilidades.

    Uma quantidade Analgica pode assumir qualquer valorao longo de uma faixa contnua.

    A maioria das variveis fsicas analgica e pode

    FABRCIO CAMPOS

    A maioria das variveis fsicas analgica e podeassumir qualquer valor dentro de uma faixa de valorescontnuos.

    Qualquer informao que tenha de entrar em um sistemadigital deve primeiro ser colocada no formato digital.

  • 11.1) Quantidade Digital x Analgica

    Elementos envolvidos quando um computador, microcontrolador ou DSP est monitorando, controlando ou processando variveis fsicas

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.1) Quantidade Digital x Analgica

    1) TRANSDUTOR: Converte a varivel fsica emeltrica. (termistores, fotoclulas, fotodiodos,microfone, ...)

    2) Conversor ADC: Converte uma tenso eltricaanalgica em uma sada digital (um nmero binrio).

    3) Computador, microcontrolador, DSP: Armazena

    FABRCIO CAMPOS

    3) Computador, microcontrolador, DSP: Armazenao valor digital e o processa.

    4) Conversor DAC: Converte o valor digital em umatenso/corrente analgica

    5) Atuador: A partir do sinal analgico, controla avarivel fsica.

  • 11.2) Converso Digital-Analgica

    Converso D/A o processo onde o cdigo digital convertido em tenso/corrente que proporcional ao valor digital.

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.2) Converso Digital-Analgica

    Vref usada para determinar a sada de fundo de escalaou o valor mximo que o conversor pode gerar

    Exemplo: Considere um conversor de 4 bits com fundode escala de 15V. Qual o valor analgico para 0101?

    FABRCIO CAMPOS

    0101->5Vout=1*5=5VPode ser por regra de trs15 1111x - 0101 2

    2

    (0101) *15 5*155

    (1111) 15x V= = =

  • 11.2) Converso Digital-Analgica

    sada analgica = K x entrada digital

    Exemplo: Considere DAC de 5 bits. Para 10100 gerado 10mA. Qual Iout para a entrada 11101?

    FABRCIO CAMPOS

    2

    2

    10 100,5

    (10100) 20

    *(11101) 0,5*29 14,5out

    mA mAk mA

    I k mA

    = = =

    = = =

  • 11.2) Converso Digital-AnalgicaRESOLUO Tamanho do degrau - k

    Menor variao que pode ocorrer na sada analgicaTemos 2n valores e 2n-1 degraus

    2 1FS

    n

    ARESOLUO k =

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.2) Converso Digital-AnalgicaRESOLUO PERCENTUAL

    A resoluo percentual se torna menor conforme o nmero de bits aumenta

    % *100%Tamanho do Degral

    RESOLUOFundo de Escala

    =

    FABRCIO CAMPOS

    Fundo de Escala

  • 11.3) Circuitos conversores D/AEstudaremos os tipos de DAC com:- Amplificador Somador- Sada em Corrente- Rede R2R

    FABRCIO CAMPOS

  • O Amplificador Operacional

    Um amplificador operacional ou amp op um amplificador com ganho muito elevado. Tem dois terminais de entrada: um terminal designado por terminal inversor(-) e o outro identificado por terminal no inversor(+). A tenso de sada a diferena entre as entradas + e - , multiplicado pelo ganho em malha aberta.

    FABRCIO CAMPOS

    ( )*outV V V a+ =

    O amplificador operacional recebeu este nome porque foi projetado inicialmente para realizar operaes matemticas.

  • O Amplificador Operacional

    Principais caractersticasGanho a: no ideal, seria infinito. Na prtica, valores to altos como 200000 so possveis.

    Impedncia de entrada: infinita no ideal. Na prtica, valores como 10 M so possveis (isso significa que o amplificador no consome corrente pelas entradas).

    FABRCIO CAMPOS

    Impedncia de sada: nula no ideal. Valores como 75 so encontrados na prtica, significando ausncia de queda de tenso interna na sada.

    Resposta de freqncia: de 0 ao infinito no ideal. Na prtica escolhem-se tipos com resposta bastante acima da freqncia na qual iro operar para dar uma aproximao do ideal.

  • Amplificador OperacionalCircuito multiplicador

    Desde que a impedncia das entradas seja muito alta, pode-se supor quenenhuma corrente ser drenada pela entrada inversora. Assim, segundo a leidas correntes de Kirchhoff aplicada ao n S, a corrente em R1 deve ser igual corrente em R2:

    ( ) ( )

    ( ) ( )

    i 2 1 2 o 2v v / R v v / R

    R v v R v v

    Deoutra forma

    =

    =

    FABRCIO CAMPOS

    ( ) ( )

    ( )

    2 i 2 1 2 o

    o 1 2 2 1

    2 i 2 o 1 o 1 o

    2 i 1 o

    2o

    R v v R v v

    v a v v a v porque v 0. Substituindo na anterior

    R v R v / a R v / a R v a

    R v R v

    Rv

    R

    Sabemos

    como muito alto

    =

    = = =

    + =

    =

    = i1

    v

  • Amplificador OperacionalCircuito somador

    ( )o 2 1 i

    i 1 o 2

    1

    A express o v R / R v do circuito multiplicador

    pode ser escrita como v / R v / R

    Isso est de acordo com o conceito de terra virtual

    Se R substitu do por um conjunto de resist ncias, com

    =

    =

    a b c

    a a b b c c o 2

    o R , R e R

    v / R v / R v / R v / R+ + =

    FABRCIO CAMPOS

    ( )a a b b c c o 2

    o 2 a a b b c cDe outra forma, v R v / R v / R v / R= + +

  • Amplificador OperacionalTerra Virtual

    Um fato interessante observado quando se determina a impedncia no nS do circuito do tpico anterior. A impedncia dada pela relao entre opotencial no n (v2) e a corrente em R1:Z = v2/IR1J visto que a corrente em R1 igual corrente em R2:IR1 = IR2 = (v2 vo)/R2Substituindo,Z = v R / (v v ) = R / (1 v /v )

    FABRCIO CAMPOS

    Z = v2 R2 / (v2 vo) = R2 / (1 vo/v2)Portanto,

    Desde que o ganho (a) muito grande, a impedncia muito baixa (nula no caso ideal), embora o n no esteja diretamente em contato com a massa. Da a denominao terra virtual. Isso, em outras palavras, pode ser explicado pela realimentao negativa, que tende a anular a entrada em S, mantendo-a no potencial da massa. Tambm significa que no h corrente circulando entre o n S e a terra.

    2S

    RZ ~ 0

    1+a=

  • Amplificador OperacionalRegras de ouro

    Considerando alguns detalhes temos as regras:

    1) Impedancia de entrada infinita: As entradas de um AmpOp no "puxam" corrente (impedncia de entrada infinita)

    2) Terra virtual: O valor de tenso na sada (fornecido pelo AmpOp),

    FABRCIO CAMPOS

    2) Terra virtual: O valor de tenso na sada (fornecido pelo AmpOp), ser o necessrio para que as a diferena de voltagem entre as entradas seja igual a zero.

  • 11.3) Circuitos conversores D/AAmplificador Somador: Multiplica cada tenso de entrada pela razo entre o resistor de alimentao RF e o resistor da entrada.

    1 1 1( )

    2 4 8OUT D C B AV V V V V= + + +

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.3) Circuitos conversores D/AExemplo: Qual o valor analgico correspondente entrada 1010?

    Qual a resoluo deste conversor?

    5

    0

    5

    D

    C

    V V

    V V

    V V

    =

    =

    =

    FABRCIO CAMPOS

    5

    0

    1 1 1(5 0 5 0) (5 0 1,25 0) 6,25

    2 4 8

    15 0,625

    8

    B

    A

    OUT

    V V

    V V

    V V

    RESOLUO igual ao peso do LSB

    k V V

    =

    =

    = + + + = + + + =

    = =

  • 11.3) Circuitos conversores D/APodemos melhorar a preciso da converso usando:1) Resistores de preciso;2) Fonte de referncia de preciso.

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.3) Circuitos conversores D/ADAC COM SADA EM CORRENTE: Teremos uma corrente de

    sada proporcional entrada binria.

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.3) Circuitos conversores D/AConversor com rede R2R: Se o RMSB for de 1K em um

    conversor de 12 bits, o RLSB seria 2121K=4096K. No possvel garantir preciso nesta faixa.

    Nas redes R/2R usamos apenas dois valores: R e 2R

    FABRCIO CAMPOS

  • 11.3) Circuitos conversores D/AExemplo: Considere VREF=10V. Determine a resoluo e a sada de

    fundo de escala

    1111 15

    10*159,375

    16

    Para o Fundo deescala

    B

    Fundo deescala V

    = =

    = =

    0001 1

    10*10,625

    16

    Para o LSB

    B

    RESOLUO V

    = =

    = =

    FABRCIO CAMPOS

    1616

  • 11.4) Especificaes de DACs

    Avaliar de um DAC adequado para uma determinada aplicao.

    RESOLUO: Depende do nmero de bits. Um DAC de 10 bits tem uma resoluo fina (menor) do que um DAC de 8 bits.

    PRECISO: Erro de Fundo de Escala, Erro de Linearidade. o desvio mximo da sada do calor ideal expresso como uma percentagem do

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    mximo da sada do calor ideal expresso como uma percentagem do fundo de escala.

    OFFSET: o erro constante somando aos valores da sada.

    TEMPO DE ESTABILIZAO: o tempo necessrio para estabilizar a sada dentro de 1/2 tamanho do degrau do seu valor de FS.

  • 11.5) AD 7524DAC de 8 bits, rede R2R, sada de correnteQuando ~CS e ~WR esto em baixo realiza a converso, caso contrrio ele mantm a sada.Tempo mximo de estabilizao: 100nsPreciso: +- 0,2%FSVREF=+-25VRF j inserido no chip

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  • 11.6) Aplicaes de DACs

    CONTROLE: a sada de um computador convertida em um sinal analgico pode controlar uma varivel fsica.

    RECONSTRUO DE SINAIS: Por exemplo para reproduzir uma msica.

    CONTROLE DE AMPLITUDE DIGITAL: controle de volume de som

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    CONTROLE DE AMPLITUDE DIGITAL: controle de volume de som

    DACs Seriais:

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