eletronica digital - instrumentação

G4

Eletrnica Digital para Instrumentao

Prof. Mrcio Portes de Albuquerque ([email protected]) Prof. Herman P. Lima Jr ([email protected])

Centro Brasileiro de Pesquisas Fsicas Ministrio da Cincia e Tecnologia (MCT)

G4 Eletrnica Digital para Instrumentao

Contadores e Registradores


Contador assncrono (ondulante) de quatro bits.

entrada

VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

Exemplo: Relgio


Contador de mdulo 6 produzido RESET em um contador de mdulo 8 quando a contagem seis (110) ocorre.


(a) Diagrama de transio de estados para o contador do mdulo 6 mostrado na figura 7.4 (b) Os LEDs so freqentemente usados para apresentar os estados de um contador.


(a) Contador em anel de 4 bits; (b) Formas de onda; (c) Tabela de seqncia; (d) Diagrama de estados.


(a) Diagrama do circuito do 74ALS174; (b) smbolo lgico.


(a) Diagrama do circuito do 74ALS174; (b) smbolo lgico.


Entrada Serial / Sada Paralela: (a) Diagrama lgico para o 74ALS164; (b) Smbolo lgico.


Entrada Serial / Sada Paralela: (a) Diagrama lgico para o 74ALS164; (b) Smbolo lgico.


Exemplo: Utilizao de um Shift-Register com Reciclagem



Decodificadores e Codificadores


Diagrama geral de um decodificador.


Decodificador de 3 linhas para 8 linhas (ou de 1 para 8).A

B

C


(a) Diagrama lgico para o decodificador 74ALS138; (b) Tabelaverdade; (c) Smbolo lgico. (Fairchild/Schlumberger)


Quatro CIs 74AS138 formando um decodificador 1 de 32.

00

01

02

03


(a) Diagrama lgico para o decodificador BCD para decimal; (b) Smbolo lgico; (c) Tabela-verdade. (Fairchild/ Schlumberger.)


(a) Configurao dos 7 segmentos; (b) Segmentos ativados para cada dgito.


(a) Decodificador/driver BCD para 7 segmentos acionando um display de LEDs de 7 segmentos tipo anodo comum; (b) Padres de segmentos para todos os cdigos de entrada possveis.


Display de cristal lquido; (a) Configurao bsica; (b) A aplicao de uma tenso entre o segmento e o backplane ativa o segmento. Uma tenso zero desliga o segmento.


(a) Mtodo para acionamento de um LCD de segmentos; (b) Acionamento de um display de 7 segmentos.


Diagrama geral de um codificador.


Circuito lgico para um codificador octal para binrio (8 linhas para 3 linhas). Para uma operao adequada, apenas uma entrada deve ser ativada de cada vez.


Multiplexadores, Demultiplexadores, Comparadores e Barramento


Diagrama funcional de um multiplexador (MUX) digital.

Entradas de Seleo


Multiplexador de duas entradas.


Multiplexador de quatro entradas.


(a) Diagrama lgico para o multiplexador 74ALS151; (b) Tabela-verdade; (c) Smbolo lgico.


Exemplo: dois CIs 74HC151 combinados para formar um multiplexador de 16 entradas.


Demultiplexador genrico.


Demultiplexador de 1 para 8 linhas.


(a) O decodificador 74ALS138 pode funcionar como um demultiplexador com E1 usada como entrada de dado. (b) Formas de ondas tpicas para o cdigo de seleo A2 A 1 A 0 = 000 mostram que O0 idntica a entrada de dados I em E1.


Um demultiplexador de clock transmite o sinal de clock para um destino determinado pelas entradas de cdigo de seleo.


Smbolo lgico e tabela-verdade para um comparador de magnitude de quatro bits 74HC85 (7485, 74LS85).


(a) 74HC85 conectado como um comparador de quatro bits; (b) Dois CIs 74HC85 cascateados para formar um comparador de oito bits.


Comparador de magnitude usado em um termostato digital.


Trs dispositivos diferentes podem transmitir oito bits de dados por meio de um barramento de dados de oito linhas, para um microprocessador; apenas um dispositivo de cada vez habilitado para que a conteno de barramento seja evitada.

1

3

2


Tabela-verdade e diagrama lgico para o registrador tristate 74ALS173.


Registradores tristate conectados em um barramento de dados.


Ativao dos sinais durante a transferncia do dado 1011 do registrador A para o registrador C.


Forma simplificada de mostrar a ativao de sinais nas linhas do barramento de dados.


Um driver de barramento octal 74HC541 conecta as sadas de um conversor analgico-digital (ADC) em um barramento digital de oito linhas.

A sada D0 est conectada diretamente no barramento mostrando os efeitos da capacitncia.VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

Representao simplificada das conexes de um barramento.


Mtodo de reunio das linhas para representao simplificada das conexes no barramento de dados. O /8 indica um barramento de dados de oito linhas.


Registrador bidirecional conectado no barramento de dados.


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Aquisio de DadosFundamentos


Teorema da Amostragem Em 1928, em conjunto com Nyquist, Shannon Em 1928, em conjunto com Nyquist, Shannon estabeleceu a relao entre a banda passante de estabeleceu a relao entre a banda passante de um sinal (analgico) e a mnima freqncia que um sinal (analgico) e a mnima freqncia que este poderia ser amostrado (sinal digital) este poderia ser amostrado (sinal digital) Um sinal s(t) que tem uma freqncia mxima Um sinal s(t) que tem uma freqncia mxima ffMAX pode ser totalmente recuperado se for MAX pode ser totalmente recuperado se for amostrado com uma freqncia ffss > 2 ffMAX.. amostrado com uma freqncia > 2 MAX

ffMAX chamada de freqncia de Nyquist MAX chamada de freqncia de NyquistClaude Elwood Shannon O criador da era digital

Exemplos(t) = 3 cos(50 t) + 10 sin(300 t) cos(100 t)

F1

fMAX

Condio de fS? fS > 300 Hz

F2

F3

F1=25 Hz, F2 = 150 Hz, F3 = 50 Hz

Teorema da Amostragem

Amostragem no Domnio do TempoSinal Analgico xa(t) Sinal Digital x(n) Amostrar este sinal com uma freqncia fs equivalente a convoluir, no domnio de freqncia por uma pente de dirac com espaamento de fs^ Sinal reconstrudo xa(n)

AliasingVI Escola do CBPF (www.cbpf.br)


Espectro Peridico: -0.5 a 0.5

Eixo f Normalizado

VI Escola do CBPF


Reconstruo do SinalSem aliasing, podemos recuperar o sinal a partir de suas amostrasRegio desejada

A reconstruo de xa(t) a convoluo de vrias funes sinc pelo sinal x(n)Sinal reconstrudo



Converso AD e DA

1.

Amostragem:Converso do sinal no tempo contnuo xa(t) em sinal no tempo discreto x(n) Obtido por amostras do sinal no tempo contnuo em instantes de tempo discreto nT T o perodo de amostragem

2.

Quantizao:Transformao em valor contnuo em valor digital: x(n) xq(n) Conjunto de valores finitos Erro de quantizao: e(n) = x(n) - xq(n)

3.

Codificao:Representao de xq(n) em uma sequncia binria



Nmero de Bits em um CADSinal contnuo digitalizado em 2N nveis1113 1102 1011 100 0 -4 -3 -2 -1 -1 011 010 -2 001 -3 000 -4 0 1 2 3 4

Uniform, bipolar transfer function (N=3)Passo de Quantizao q =Ex: VFSR = 1V , N = 12

V FSR 2Nq = 244.1 V

V

quantisation error probability density 1 qq/2

p(e )

VFSR1

0.5

0

-4

-3

-2

-1-0.5

0

1

2

3

4

q 2

q 2

Error value

eq

-q/2-1

Erro de Quantizao

Passo de Quantizao (q)y

2q

q0

0

x

q

Exemplo: Escala do Sinal (+- 10Volts) 10 Nmero de bits: 10 ( Resoluo 2 = 1024) q = 20 Volts / 1024 = 0,0195 Volts/passo Erro devido Converso:

x(n)

Sistema de Sistema de Quantizao Quantizao

y(n)

q

12VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

Erro de quantificaox(n)Sistema de Sistema de Quantizao Quantizao

y(n)

Sinal continuo

Sinal discreto

e = erro e= yx q =Passo de Quantizao o passo de quantificaVI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

Erro de quantizaox - entrada x(n)Sistema de Sistema de Quantizao Quantizao

y(n)

3q 2q

y sada

q0

erro+q/2

q

qe = erro e= yx q = passo de quantificaoVI Escola do CBPF (www.cbpf.br) -q/2

Erro de quantificaox(n)Sistema de Sistema de Quantizao Quantizao

y(n)

Sendo x um sinal aleatrio p(x) = densidade de probabilidade de x (amplitude de x > q)

p(x)

e+q/2

erro+q/2

p(e)-q/2

q-q/2

Valor mdio : 0 Desvio padro : q 12

x3 1 2 2 2 = ( x x )dx = q q 3q 2

+q

+q / 2

q2 = 12q / 2

q = 12VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

Influncia nos dados Rudo de quantificaox(n)Sistema de Sistema de Quantificao QuantificaoRuido de quantificao - Rq

y(n) x(n)

+

y(n) y(n) = x(n) + erro

Algumas hipteses: - distribudo uniformemente no intervalo q/2 e q/2. - independente do sinal - branco independentes entre si. Definies da relao Sinal / Rudo (SNR):

S sinal = N rudo ou

( sinal ) S = ( rudo )2 N2 2


Exemplo em um sinal senoidal2 n 1 1

Max( x) (2 n 1 1).q0q

x = a sin( 2t )t

a = 2 n 1.q

2 n 1 1

0

1

2

3

4

5

6

7

a2 (1 cos 2t ) x2 = limT a 2 cos 2 t dt a 2 dt 2 2 T T a x = 2VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

+T

+T

Exemplo em um sinal senoidal2 n 1 1

Max( x) 2 n 1.q0q

x = a sin( 2ft )t

a = (2 n 1 1).q

2 n 1 1

0

1

2

3

4

5

6

7

S a 2 (2n 1 1).q = = R q 12 q 12

2

Obs.: quanto mais bits melhor ser a qualidade da representao do sinal digital.VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

DAQ (Data Acquisition System)Selec. MUX Ajuste de Ganho Seleo da Sada

Entradas Analgicas

16 Ent. MUX

A

Sample & HoldStart

ADCde 12 bits

12 bitsBuffer de Sada Sada Digital

Load

End. MUX

Incio de Converso

Controle

2

4

Pulsos de Sincronismo e Aquisio

EOC Fim de Converso


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General Purpose Interface Bus

GPIB


INTRODUO Barramento muito utilizado para aquisio de dados, foi desenvolvido para conectar e controlar instrumentos programveis, proporcionando uma interface padro para comunicao entre instrumentos de fabricantes diferentes. Devido a sua versatilidade a interface tornou-se muito popular no meio industrial.


HISTRICO Em 1965, A Hewlett-Packard projetou a Hewlett-Packard Interface Bus (HP-IB) para conectar sua linha de instrumentos programveis a computadores. Mais tarde em 1975 foi aceito como padro pelo IEEE (IEEE-488 ). Evoluiu para o padro ANSI/IEEE 488.1 e 488.2 em 1987. O nome GPIB(General Purpose Interface Bus) passa a ser usado para definir este padro. Em 1990 a SCPI baseada na IEE488.2 cria um conjunto de instrues nico. Em 1993 a National Instruments prope uma verso do barramento IEEE 488.1 para aplicaes mais rpidas chamada HS488.


CLASSIFICAO DOS INSTRUMENTOS Os instrumentos que podem ser conectados ao barramento GPIB so classificados em trs tipos: Talker: envia dados para um ou mais Listeners. Listener: recebem dados quando instrudos pelo controlador. Controller: gerencia o fluxo da informao no barramento atravs do envio de comandos para todos os instrumentos.


LINHAS DA INTERFACE O sistema de interface GPIB consiste em 16 linhas de sinal e 8 linhas de aterramento. As 16 linhas de sinal so divididas em 3 grupos:

8 linhas de dados(DIO1 a DIO8) 3 linhas de handshake (NRFD, NDAC, DAV) 5 linhas de gerenciamento da interface (ATN, EOI, IFC, REN, SRQ)


CARACTERSTICAS ELTRICAS E FSICAS

Os instrumentos so normalmente interligados com um cabo blindado de 24 fios com conector (Amphenol). Admite configuraes linear e estrela. Sinais utilizam lgica negativa. Taxa de transferncia limitada pelo nmero de instrumentos e pela distncia entre eles.VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

DESENVOLVIMENTO DO PADRO IEEE488.1

IEEE488.1(1975) Mecnica, Eltrica e de Hardware IEEE488.2(1987) Formato de Dados, Status, Erro,Funcionalidade do Controlador e Comandos Comuns

SCPI(1990) Comandos Especficos HS488(1993) High-Speed Handshake protocol


IEEE 488.2 e SCPI Os padres SCPI e IEEE 488.2 eliminam as limitaes e ambigidades do padro IEEE 488 original, definindo formato de dados padro e comandos comuns de forma que todos os instrumentos possam responder de uma maneira predefinida.


IEEE 488.2

Compatibilidade com o padro 488.1

Define como controlador e instrumentos se comunicam

Rotinas de teste do Sistema


IEEE 488.2 CONTROLLERespecificam especificam mensagens IEEE488.1 que so enviadas pelo controlador e mensagens IEEE488.1 que so enviadas pelo controlador e a ordem de mensagens mltiplas a ordem de mensagens mltiplas so rotinas de alto nvel so rotinas de alto nvel combinando seqncias de comando para efetuar testes no combinando seqncias de comando para efetuar testes no sistema. sistema.

IEEE 488.2 Control Sequences: IEEE 488.2 Control Sequences: IEEE 488.2 Protocols: IEEE 488.2 Protocols:


IEEE 488.2 INSTRUMENTS

IEEE 488.2 define precisamente o formato dos comandos que so mandados para o instrumento e o formato e cdigo das respostas. Todos os instrumentos devem ser capazes de enviar e receber dados, solicitar servio e responder a mensagem device clear


IEEE 488.2 INSTRUMENTSTodos instrumentos devem fazer certas operaes para poder se comunicar usando o barramento e para informar seu status


SCPIThe SCPI Instrument Model o modelo o qual SCPI se baseou para a criao de novos cdigos alguns comandos especficos comuns na maioria dos instrumentos A partir do SCPI ainda possvel adicionar funes como nos padres anteriores

Define


The SCPI Instrument Model

Exemplo de um comando SCPI: :MEASure:VOLTage:AC? 20, 0.001VI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

HS488High-Speed GPIB Handshake Protocol Taxa de Transferncia de Dados:

IEEE 488.1 Velocidade Max. 1Mbytes/s

HS488 (National Instruments) Pode chegar at 8Mbytes/s (entre 2 instrumentos e 2 metros de cabo) E funcionando na capacidade Max. (15 instrumentos e 15m de cabo) Pode chegar a 1.5Mbytes/sVI Escola do CBPF (www.cbpf.br)

HANDSHAKE

488.1

HS488


General Purpose Interface Bus

GPIB


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