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Conversores AD Sistemas digitais
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Sistemas Digitais
Introduo aos Conversores
de Dados
Professor Tiago Balen
Sumrio
Introduo
Quantizao, amostragem, aliasing
Conversores de dados (A/D e D/A)
Parmetros importantes
Exemplos
Introduo
Mundo Fsico Analgico
Aplicaes: Instrumentao, controle, monitoramento, DSP
Conversores de dados fazem a traduo entre os mundos analgico e digital
Conversores de dados
A/D Analgico para digital
D/A Digital para analgico
A D
D A
Converso A/D - Amostragem
O sinal amostrado em
intervalos de tempo
determinados pelo relgio
(freqncia de
amostragem)
Estes valores so
quantizados dentro das
possibilidades binrias do
conversor
Sample & Hold
Converso A/D - Quantizao
Tenso de referncia
+Vref -Vref
5 - GND
2,5V 01111111 = 127
Converso A/D - Quantizao
Tenso de referncia
+Vref -Vref
5 - GND
5V 11111111 = 255
Converso A/D - Quantizao
Tenso de referncia
+Vref -Vref
5 - GND
0V 00000000 = 0
Converso A/D - Quantizao
Tenso de referncia
+Vref -Vref
+10 -10
-10V 00000000 = 0
Converso A/D - Quantizao
Tenso de referncia
+Vref -Vref
+10 -10
10V 11111111 = 255
Converso A/D - Quantizao
Tenso de referncia
+Vref -Vref
+10 -10
0V 01111111 = 127
Converso A/D - LSB
Least Significant BIT
a resoluo de um conversor em Volts para uma dada tenso de referncia
Depende do nmero de BITs e da tenso de fundo de escala VFS (diferena de tenso
entre +Vref e -Vref)
LSB = VFS/2n
Converso A/D - LSB
Least Significant BIT
+Vref -Vref
+10 -10
72,18 mV00000001 = 1
LSB = 20/256
= 78,125 mV
Converso A/D
Converso A/D Sample & Hold
Sinal amostrado Sinal amostrado com S&H
Erro de Quantizao
Inerente a
qualquer
conversor
SNRdB = 1,76 + 6,02*n
Erro de Quantizao
Exemplo
SNRdB = 1,76 + 6,02*n
Rudo kT/C
Rudo trmico no circuito S&H um limitador real da
resoluo efetiva do conversor.
Converso A/D - Amostragem
Teorema da Amostragem de Nyquist
Para que um dado sinal amostrado possa ser reconstrudo sem perda de informao este
deve ser amostrado em uma freqncia igual
ou superior a duas vezes a mxima
componente de freqncia do sinal (banda)
fs 2*Bw Em alguns casos utiliza-se sobre-amostragem para facilitar a construo do filtro anti-alias
fs = 10*Bw (OSR Over Sampling Ratio = 5)
Converso A/D - Amostragem
fs 2*Bw Em alguns casos utiliza-se sobre-amostragem para facilitar a construo do filtro anti-alias
fs = 10*Bw (OSR Over Sampling Ratio = 5)
O aliasing em frequncia
Um sinal amostrado no domnio tempo tem seu espectro replicado no domnio
freqncia
O aliasing em frequncia
Um sinal amostrado no domnio tempo tem seu espectro replicado no domnio
freqncia
O aliasing em frequncia
Um sinal amostrado no domnio tempo tem seu espectro replicado no domnio
freqncia
O aliasing em frequncia
Um sinal amostrado no domnio tempo tem seu espectro replicado no domnio
freqncia
O aliasing em frequncia
http://zone.ni.com/reference/en-XX/help/372416A-01/svtconcepts/acq_sim_dyn_sig
O aliasing em frequncia
Testando placas de som
com onda quadrada.
O aliasing em frequncia
Um sinal amostrado no domnio tempo tem seu espectro replicado no domnio
freqncia
necessrio limitar a banda de interesse
Filtro Anti
AliasS&H A/D
Sinal
analgico
Sinal
convertido
para digital
O aliasing em frequncia
Exerccio
Ler o material presente na pgina:
http://www.qsl.net/py4zbz/tutsstv9.htm
Os Efeitos do Anti-
Aliasing em Placas Grficas
Converso D/A
Mais simples que a converso A/D
Sinal
digitalizado
Sinal analgico com rudo de quantizao
Utiliza-se filtro suavizador na sada para reconstruir o sinal analgico
Diagrama tpico
Filtro Anti
AliasS&H A/D
Sinal
analgico
mControlador
mProcess.
DSP
D/AFiltro
Suavizador
Sinal
analgico
reconstrudo
Tipos de Conversores A/D
Nyquist rate
- Utilizam
amostragem a
taxas prximas a
de Nyquist (5 a 8
vezes)
Oversampling- Utilizam
sobreamostragem
(>10x)
Conversor Rampa Simples (Single Slope)
Ideia Bsica: Medir o tempo que o
sinal a ser convertido, integrado,
demora para atingir uma referncia
conhecida.
No idealidades tornam este princpio impraticvel para resolues mdias e altas.
Conversor Dupla Rampa (Dual Slope)
Conversor Dupla Rampa (Dual Slope)
(1)
(2)
(3)
(4)Vantagem: Insensibilidade tenso de
offset do comparador
Desvantagem: tempo de converso
Conversor Dupla Rampa (Dual Slope)
Circuito Comercial baseado em dupla rampa
Conversor
Flash
Vantagem:
Velocidade de converso
Desvantagem:
numero de comparadores
cresce exponencialmente
com a resoluo do
conversor
Sub-Ranging
Pipeline Converters
Time Interleaved
Conversor Sigma-Delta (SD)
Conversor Sigma-Delta (SD)Princpios
Modulao Diferencial (D) PCM
Conversor Sigma-Delta (SD)Princpios
Modulao Diferencial (D) PCM Modulao SD
Conversor Sigma-Delta (SD)Princpios
Conversor Sigma-Delta (SD)Noise Shaping
OSR e Noise Shaping
fazem com que o os
conversores SD tenham excelente resoluo, com
uma boa fs
No entanto este tipo de
conversor no a melhor
escolha para low power e
low area.
SAR ADCs
SAR: Successive Approximation Register
Dicotomia, busca binria
Aproximaes sucessivas
Exemplo de busca binria para 3 bits
Exemplo: ADC0808
Charge redistribution SAR
Charge Redistribution SAR
Three distinct phases sample mode, all capacitors of the array are
connected to Vin
hold mode : Vin is held at the comparator input.
The conversion itself is performed in the third phase:
The redistribution mode
Charge Redistribution SAR
Vref = 0.8V
Vin = 0.35V
Charge redistribution SAR
Tenso na entrada do comparador
Resoluo x fs
Como escolher um conversor
Serial ou paralelo
Sada em corrente ou tenso
Resoluo (# de BITs)
Taxa de amostragem
Settling Time
Tenso de alimentao (simtrica ou no)
Erros de Offset, DNL, INL
SFDR, THD, ENOB
Exerccios
1) Faa um resumo de poucas linhas que
contenha as principais caractersticas funcionais
dos conversores
a) Dual Slope; b) SAR ; c) SD; d) Flash;
Comparando-os em termos de resoluo,
frequncia de amostragem e outras
caractersticas como consumo de energia e
indicando aplicaes em que estas
caractersticas so necessrias
Exerccios
2) Acesse o site da biblioteca (Sabi) e pesquise no
livro indicado, pelo menos 3 arquiteturas de
conversores DA, indicando resumidamente seu
princpio de funcionamento, caractersticas e
limitaes, alm de aplicaes onde estas
caractersticas e limitaes sejam relevantes
Faa o resumo em forma de slides, com, no
mximo 3 slides por arquitetura e envie o
arquivo pelo moodle.