Upload
ivan-gujamo
View
237
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
eletronica de potencia
Citation preview
Índice 1.Introdução ............................................................................................................................................ 2
2.Conversores Digital/Analógico (D/A) e Analógico/Digital (A/D) .......................................................... 3
2.1 Características importantes e comuns aos conversores D/A e A/D: ....................................... 3
3.Conversores Digital / Analógico (D/A) .................................................................................................. 4
3.1Tipos de converores Digital/Analógico (D/A) ............................................................................. 4
4.Conversores Analógico/Digital (A/D) ................................................................................................... 7
4.1 Tipos de converores Analógico/Digital (A/D) ............................................................................ 7
5.Comparação ....................................................................................................................................... 10
6.Conclusão ........................................................................................................................................... 11
7.Referências Bibliográficas .................................................................................................................. 12
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 2
1.Introdução
Os dados em um microprocessador estão em forma digital. Isto difere do mundo exterior onde
os dados estão em forma analógica (contínua). Para obter dados digitais, necessitamos de um
conversor analógico/digital (conversor A/D); ele converterá tensão ou corrente analógica
em uma palavra digital equivalente.
Inversamente, depois de uma CPU (Central Processing Unit) ter processado os dados,
muitas vezes pode ser conveniente converter a resposta digital em uma tensão ou
corrente analógicas. Esta conversão requer um conversor digital-analógico (conversor D/A).
A interface analógica é o limite ou a fronteira onde digital e analógico se encontram,
onde o microcomputador se conecta ao mundo exterior. Nesta interface, encontramos ou
um conversor A/D (lado de entrada) ou um conversor D/A (lado de saída).
Uma grande quantidade de técnicas tem sido desenvolvida para se conseguir alcançar cada
vez mais altas resoluções e em conjunto com grandes taxas de amostragem,
principalmente, na conversão AD. Apresentarem, a seguir, algum tipos de técnicas
que achamos mais importante do ponto de vista de inserção no mercado.
O maior desafio para o projetista de circuitos integrado em desenvolver novas técnicas
em encontra na conversão A/D. Assim, a maior parte das técnicas descritas aqui se
encaixa nessa categoria de conversão.
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 3
2.Conversores Digital/Analógico (D/A) e Analógico/Digital (A/D)
Conversores A/D e D/A são a base de todo o interfaceamento eletrônico entre o mundo
analógico e o mundo digital. Estão presentes na grande maioria dos instrumentos de
medida atuais e são os responsáveis pelo aumento significativo nos níveis de precisão e
exatidão assim como o barateamento e popularização de instrumentos de medida digitais.
2.1 Características importantes e comuns aos conversores D/A e A/D:
1) Faixa dinâmica: é a faixa de amplitude de operação do sinal analógico (em geral
uma tensão) dentro da região de trabalho (linear) do conversor. O sinal de entrada
deve ser condicionado de forma a possibilitar sua máxima utilização dentro dessa faixa
dinâmica. Os conversores D/A e A/D apresentam na prática uma faixa dinâmica de 0,1 a 10V.
2) Resolução: é a menor quantidade que pode ser convertida (resolvida) dentro da
faixa dinâmica do sinal de entrada. É especificada pelo número de bits do conversor.
São encontrados na prática conversores com resoluções de 8 a 24 bits.
Ex.: Resolução de 12 bits ⇒ significa que o conversor consegue diferenciar sinais
com amplitude ⁄ do valor total da faixa dinâmica. Para uma faixa dinâmica de 5V, a
menor amplitude que pode ser resolvida é: ⁄ = 0,00122 Þ 1,22 mV.
3) Tempo de conversão: é o tempo necessário para se obter o valor na saída (digital
para o A/D; analógico para o D/A) a partir do momento em que o sinal de entrada foi
aplicado e iniciado o processo de conversão. Depende da estrutura do circuito utilizado
e da sua resolução. De modo geral, quanto maior a resolução, maior o tempo
de conversão. Encontram-se, na prática, tempos de conversão variando desde alguns
segundos até sub- nanosegundos. Este tempo é importante para definir a máxima
freqüência possível de ser convertida a partir de um sinal de entrada variante no tempo.
4) Erro de linearidade: expressa o desvio do resultado de conversão de uma reta
ideal. É especificado em uma porcentagem do valor total ou em número de bits.
Ex: Um erro de linearidade de 0,4% equivale a uma linearidade de 1 bit num conversor
de 8 bits. Nos conversores comerciais disponíveis atualmente, esse erro é quase
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 4
sempre inferior à ½ bit, ou seja, pode ser desprezado na maioria das aplicações.
3.Conversores Digital / Analógico (D/A)
Convertem uma palavra digital em um sinal analógico sob a forma de uma tensão ou
corrente de saída. São formados por elementos passivos, fontes de referência,
chaves e AMPOP's. A conversão é, em geral, paralela e o tempo de conversão depende
essencialmente da velocidade dos componentes utilizados.
3.1Tipos de converores Digital/Analógico (D/A)
As duas técnicas comumente usadas em conversores D/A são: rede de resistor com peso
binário e a rede R-2R. Ambos os termos se relacionam com a malha de resistores utilizada no
conversor. Estes dois tipos são mais convenientemente descritos para o caso de tensão
na saída, ou seja a palavra digital produz na saída um nível equivalente de tensão.
a) D/A com resistores ponderados:
Este tipo de conversor é mostrado na figura 1, inclui uma tensão de referência, um
conjunto de chaves, um conjunto de resistores de precisão de peso binário e um amplificador
operacional. Cada bit da palavra digital controla a chave correspondente. Se o valor do bit é o
estado binário 1, a chave fecha em +VREF . Se é 0, a chave fecha em 0 [V]. Quando
a chave fecha, a tensão de referência é aplicada no extremo do resistor em série com
a chave, e a corrente flui para o nó somador. A soma das correntes no nó produz
uma tensão na saída proporcional à corrente total e portanto proporcional ao código digital.
Fig.1 Conversor D/A com resistores ponderados
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 5
Tensão de saída em função da palavra digital de entrada:
n : número de bits do conversor
bit(i) : assume valores "0" ou "1" de acordo com a palavra digital de entrada
(dado binário)
Vref : tensão de referência do conversor.
MSB: bit mais significativo da palavra digital (binário); LSB: bit menos significativo
Obs.: se n a associação em paralelo dos resistores do circuito tende a R/2 e
Vo-Vref, situação ideal em que não ocorreriam erros de conversão. Entretanto, para
um n muito grande têm-se resistores com valores muito altos e distintos, o que dificulta a
implementação do circuito e gera problemas adicionais ligados à temperatura (diferentes
coeficientes de temperatura dos resistores), ruído (térmico, interferências externas), etc. As
chaves utilizadas são essencialmente transistores controlados pelo nível de tensão/corrente da
palavra digital. A resistência das chaves deve ser desprezível em relação aos
resistores utilizados.
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 6
b) Rede de resistores R-2R: usado como alternativa para reduzir a gama de valores
do D/A com resistores ponderados.
Fig. 2 Rede de resistores R-2R
Tensão de saída em função da palavra digital de entrada:
c) Modulador PWM + filtro PB: usado em aplicações de baixo custo e baixa
frequência.
Tempo de resposta elevado devido ao filtro passa-baixas.
Parâmetros importantes:
-resolução do modulador (número de bits)
-frequência de clock do modulador
-frequência de corte do filtro passa-baixas
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 7
Fig.3 Modulador PWM + filtro PB
4.Conversores Analógico/Digital (A/D)
Um conversor A/D é um circuito que converte um nível de tensão (ou corrente) em
um valor numérico (digital) correspondente. São a base de qualquer instrumento de
medição digital.
4.1 Tipos de converores Analógico/Digital (A/D)
Existem várias topologias de circuitos conversores A/D : contador ( rampa simples),
integrador (rampa dupla), paralelo (flash), aproximação sucessiva, redistribuição de carga e
sigma-delta.
a) Conversor A/D tipo integrador
Esse tipo de conversor apresenta bastante variações em seu modo de implementação, contudo,
o princípio básico é integrar a voltagem de entrada analógica ou uma referencia de voltagem
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 8
ou, ainda, ambas e o resultado obtido é utilizado para controle do número de ciclos de clock
na entrada de um contador binário para obter uma saída digital que represente a
voltagem analógica de entrada.
Fig. 4 Conversor A/D tipo integrador
b) Conversor A/D Tipo Redistribuição de carga
Esta técnica é particularmente adequada para implementação em tecnológica CMOS. A
figura 4 mostra um esquema simplificado de um circuito de um conversor tipo
redistribuição de carga. Este utiliza uma fileira de capacitores com peso binário, um
comparador de tensão e chaves analógicas; o controle lógico, ambém necessário,
por simplicidade não é mostrado na figura. Para entender o principio de funcionamento
deste circuito utilizamos um conversor de 5 bits; o capacitor C T tem a função de fazer a
terminação à fileira de capacitores, fazendo a capacitância total seja igual a um valor de 2C.
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 9
Fig. 5 Conversor A/D Tipo Redistribuição de carga
c) Conversor A/D Tipo Sigma-Delta (-∆)
O desempenho do DSP (processamento digital de sinais) e sistemas digitais em geral são
limitados pela precisão do sinal digital de entrada que é alcançada pela interface analógica
digital. A técnica de conversão A/D Sigma-Delta (-∆) é uma forte alternativa que tem sido
utilizada em processadores integrados digitais.
Embora o modulador Sigma-Delta tenha sido introduzido em 1962, só agora com o
surgimento das tecnologias VLSI ele tem ganhado importância. O aumento do uso de
técnicas digitais tem também contribuído para o uso efetivo de conversores A/D de alta
precisão. Uma imposição das interfaces analógico-to-digital é a compatibilidade com a
tecnologia VLSI, a fim de oferecer uma integração monolítica de ambas as seções
analógica e digital em um mesmo chip. Desde que o conversor-∆ A/D são baseados em
técnicas de filtragem digitais, quase que 90% deste é constituído de circuitos digitais o
que garante a compatibilidade.
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 10
Fig. 6 Conversor A/D Tipo Sigma-Delta (-∆)
5.Comparação
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 11
6.Conclusão
O desenvolvimento de novas tecnologias e novas aplicações no mundo das telecomunicações
só é possível com a utilização dos conversores A/D D/A. A busca de uma alta
performance, onde a velocidade processamento, e capacidade juntamente de com custo
reduzido, são de suma importância em qualquer projeto, tornaram a tecnologia a
conversao analogico-digital Sigma-Delta, uma mas mais utilizadas. Essa tecnologia possui
inumeras vantagens, dentre elas, a mais importante está no fato da tecnologia ser
baseada predominantemente no processamento digital de sinais, fazendo com que
os custos de implementação do projecto sejam ainda menores. Além disso, por possuírem
natureza digital e uma configuração simplificada, os conversores sigma-delta
podem ser integrados em outro dispositivos digitais, trazendo maior facilidade ao projecto
Estudo de conversores em Eletrónica Digital 2015
Isps-Electrónica Digital 3º Ano Page 12
7.Referências Bibliográficas
[1] Park, Sangil, Principles of Sigma-Delta Modulation for Analog-to-Digital Converters, Strategic Applications - Motorola. [2] Eric T. King, Aria Eshraghi, Member, IEEE, Ian Galton, Member, IEEE, and Terri S. Fiez, Senior Member, IEEE: A Nyquist- Rate Delta-Sigma A/D Converter IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 33, NO. 1, JANUARY 1998 [3] www.deetc.isel.ipl.pt/analisedesinai /pdsii/downloads/doc/PDS_9899.pdf [4] www.dei.uminho.pt/lic/ps/slides/cap4.pdf [5] www.inf.ufrgs.br/~girardi/artigos/ 01030189.pdf [6] www.ee.pucrs.br/~decastro/pdf/cd6.pdf
Vol 5 - Agosto/2005