18
 Prof. Samuel da Silva [email protected] www.foz.unioeste.br/~samsilva Centro de Engenharias e Ciências Exatas Unive rsida de Esta dual do Oes te do Para ná – Foz do Igua çu Processamento Digital de Sinais Métodos Básicos de Conversão A/D Processamento Digital de Sinais Processamento Digital de Sinais Métodos Básicos de Conversão A/D Métodos Básicos de Conversão A/D

Conversores a D

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 1/18

 

Prof. Samuel da [email protected]

www.foz.unioeste.br/~samsilva

Centro de Engenharias e Ciências ExatasUniversidade Estadual do Oeste do Paraná – Foz do Iguaçu

Processamento Digital de SinaisMétodos Básicos de Conversão A/D

Processamento Digital de SinaisProcessamento Digital de SinaisMétodos Básicos de Conversão A/DMétodos Básicos de Conversão A/D

Page 2: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 2/18

 

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 2Tópicos e Conceitos ImportantesTópicos e Conceitos ImportantesTópicos e Conceitos Importantes

• Etapas do processo de conversão analógico – digital: amostragem,quantização e codificação

• Circuito Sample and Hold (SH)

• Vantagens, desvantagens e características dos circuitos de conversão dedupla-inclinação, em escada e em paralelo ( flash conversion).

Page 3: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 3/18

 

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 3

O processo de conversão de um sinal analógico para digital é compostobasicamente de três etapas:– Amostragem– Quantização– Codificação

Estas etapas são implementadas, na prática, através de circuitosintegrados envolvendo resistores, capacitores, amplificadores operacionais,circuitos comparadores e contadores.

Quantizador

(Quantizer)

Codificador

(Coder)

Amostrador

(Sampler)

Sinal

Quantizado

Sinal em

Tempo Discreto

Sinal

Digitalizado

Sinal

Analógico

x (t) x(n) x (n) 01011 ...a  q 

CONVERSOR D/A

 

Conversor A/D

Conversão A/DConversão A/DConversão A/D

 

Page 4: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 4/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 4Circuito de Amostragem e RetençãoCircuito de Amostragem e RetençãoCircuito de Amostragem e Retenção

Funcionamento do Circuito Sample and  Hold 

• Chave fecha periodicamente sob controlede um sinal de comando tipo pulso periódico(clock ).

• O tempo de fechamento τ   é curto.

• As amostras são armazenadas no

capacitor.• As amostras se referem aos níveis detensão no capacitor.

 

Page 5: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 5/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 5Circuitos Conversores A/DCircuitos Conversores A/DCircuitos Conversores A/D

Existem vários métodos de conversão analógico-digital que variam emcomplexidade e velocidade de conversão, sendo que os mais comuns são:

– Conversão de Dupla-Inclinação

– Conversão de Circuito em escada– Conversor Paralelo (Flash Conversion).

Conversor

A/Dvo

Amostra analógica:saída de um circuito

SH

b1b2

b3

b N 

...

Palavra digital de Nbits

 

Page 6: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 6/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 6

• Este esquema de conversãoanalógico-digital é muitopopular e de alta resolução(12 a 14 bits), porém lento.

• O conversor é composto deum integrador (gerador derampa), um comparador, alógica de controle e umcontador.

• Há várias implementaçõescomerciais deste método.

• A conversão é feita em duasetapas.

Conversor de Dupla-InclinaçãoConversor de DuplaConversor de Dupla--InclinaçãoInclinação

 

Page 7: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 7/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 7Conversor de Dupla-InclinaçãoConversor de DuplaConversor de Dupla--InclinaçãoInclinação

Etapas de funcionamento do circuito• Supondo v A negativo.

• Antes de iniciar o ciclo de conversão, a chave S2 está fechada,

descarregando o capacitor C e fazendo v1 = 0.• Ciclo de conversão começa com abertura de S2 e a conexão da entrada dointegrador através da chave S1 ao sinal analógico de entrada.

• Como v A é negativo, uma corrente  I  = v A /  R circulará por  R saindo dointegrador. Assim, a tensão v1 aumenta linearmente com uma inclinaçãode I/C = v A /  RC (fase I).

• Simultaneamente, o contador é habilitado e conta os pulsos de um relógio

de freqüência fixa. Esta fase contínua por um tempo fixo T 1.• Esta etapa termina quando o contador acumula uma contagem

determinada representada por nref . Usualmente para N bits nref  = 2 N .

• O contador é então reinicializado (reset ).

 

Page 8: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 8/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 8Conversor de Dupla-InclinaçãoConversor de DuplaConversor de Dupla--InclinaçãoInclinação

Etapas de funcionamento do circuito (continuação)• A lógica de controle comanda a abertura e o fechamento das chaves S1 e

S2.

• Em t = T 1 começa a fase II do processo de conversão com a conexão datensão de referência positiva vref .

• A corrente no integrador inverte o sentido e vale  I = vref  /  R . Assim, v I 

diminui linearmente com inclinação vref  /RC (fase II).

• Simultaneamente, o contador é habilitado e conta os pulsos de um clock 

com freqüência fixa. Quando v I  = 0, o comparador sinaliza a lógica decontrole para interromper a contagem.

 

Page 9: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 9/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 9

Tempo

Inclinação = V ref  /  RC Inclinação = v A /  RC 

v1

V  píco

0

Fase I Intervalo fixo (T 1) Fase II Intervalo variável (T 2)

11

Fase I:  pico A A pico

V v vV T 

C T RC  = ⇒ =

22Fase II:

ref pico ref  

 pico

V V V 

V T   RC T RC  = ⇒ =

2 1 A

ref 

vT T 

V =

Aref 

ref 

vn n

V ⇒ =

Conversor de Dupla-InclinaçãoConversor de DuplaConversor de Dupla--InclinaçãoInclinação

 

Page 10: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 10/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 10

Observações importantes• A leitura do contador na fase I é proporcional a T 1 e a leitura n no finalda fase II é proporcional a T 2.

• n não é uma função contínua de v A pois assume valores discretoscorrespondentes aos níveis quantizados.

• O conteúdo do contador n no final do processo de conversão correspondeao equivalente digital de v A.

• Alta precisão pois n não depende dos valores exatos de R e C .

Conversor de Dupla-InclinaçãoConversor de DuplaConversor de Dupla--InclinaçãoInclinação

 

Page 11: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 11/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 11Conversor de Circuito em EscadaConversor de Circuito em EscadaConversor de Circuito em Escada

Características do conversor de circuito em escada• A saída do contador é uma tensão em escada; cada passo de contagem

aumenta um incremento (resolução).

• O circuito comparador interrompe a contagem quando tensão em escadase eleva acima da tensão de entrada. Neste instante, valor do contador é asaída digital.

• O incremento depende do número de bits.

• A taxa do clock afeta a velocidade de conversão.• A precisão depende da precisão do comparador.

 

Page 12: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 12/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 12

CircuitoComparador

+

-Lógica deControle

ContadorDigital

Circuitoem

Cascata

EntradaAnalógica

Saída Digital

Fim decontagem

Pulsos decontagem

Pulso dereset 

Clock 

Diagrama Lógico

Conversor de Circuito em EscadaConversor de Circuito em EscadaConversor de Circuito em Escada

 

Page 13: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 13/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 13

Tensão

analógica

Tensão em

escada

Início decontagem

Término decontagem

Intervalo decontagem

Forma de Onda

Conversor de Circuito em EscadaConversor de Circuito em EscadaConversor de Circuito em Escada

  

Page 14: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 14/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 14Conversor Paralelo ou SimultâneoConversor Paralelo ou SimultâneoConversor Paralelo ou Simultâneo

Características do conversor paralelo ou simultâneo• É o método de conversão A/D mais rápido (  flash conversion) e

conceitualmente simples mas o Circuito de implementação muitocomplexo!

• Utiliza 2 N -1 comparadores para comparar o nível do sinal de entrada comcada um dos 2 N -1 possíveis níveis de quantização.

• Conversão completa é obtida em um intervalo de ciclo do clock .

comparador 1

Lógicade

Controle

b1

VR1

EntradaAnalógica

VR2

VR2N-1comparador 2

N-1

b2

bN

SaídaDigitalDiagrama

Lógico

comparador 2

 

Page 15: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 15/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 15Conversores A/DConversores A/DConversores A/D

Um conversor para todos os canais:

canaisnF  f  Placa

amostragem º

max

max =

Um conversor para cada canal.

 

Page 16: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 16/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 16Conversor A/D: ExemploConversor A/D: ExemploConversor A/D: Exemplo

Exemplo: Um sinal analógico na faixa de 0 à 10 volts deve serconvertido em um sinal digital de 8 bits.

a) Qual a resolução do conversor em volts?

b) Qual a representação digital para entrada de 6 volts?

c) Qual a representação digital para entrada de 6,2 volts?

d) Qual o erro cometido na quantização de 6,2 volts em termos absolutos ecomo porcentagem do sinal de entrada?

e) E como porcentagem da escala total?f) Qual o máximo erro de quantização em relação a escala total emporcentagem?

 

Page 17: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 17/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 17

Solução: a) Qual a resolução do conversor em volts?

(b) Qual a representação digital para entrada de 6 volts?

(c) Qual a representação digital para entrada de 6,2 volts?

Conversor A/D: ExemploConversor A/D: ExemploConversor A/D: Exemplo

max min8

10 0 100,0392 volts

2 1 2 1 255 N 

 x x− −∆ = = = =

− −

6 nível153 100110010,0392 ≅ ⇒

6,2158,163 nível158 10011110

0,0392= ≅ ⇒

 

Page 18: Conversores a D

5/10/2018 Conversores a D - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/conversores-a-d 18/18

S.SILVA

CONVERSORES A/D – 18

(d) Qual o erro cometido na quantização de 6,2 volts em termosabsolutos e como porcentagem do sinal de entrada? Porcentagem da escalatotal?

Erro em termos absolutos: como a entrada de 6,2 volts foi aproximada

para o nível 158, tem-se um erro de 0,163 vezes a resolução do conversor.Assim,

0,163 0,0064 voltsa

 E x= ∆ = −

O erro de quantização em porcentagem pode ser facilmente calculadoatravés da expressão:

0,0064100 0,1%

6,2

a E x

−= = −

O erro máximo de quantização em relação à escala total é de:

máx

0,03922 2100 100 0,196%

10 x x

 x

= =

Conversor A/D: ExemploConversor A/D: ExemploConversor A/D: Exemplo