Post on 11-Feb-2018
CONVERSÃO ANALÓGICA-DIGITAL
E DIGITAL ANALÓGICA
• 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.
Importância
• Diversas grandezas físicas com as quais lidamos, são grandezas analógicas por natureza.
• Tais grandezas, como temperatura, pressão, velocidade, etc., são representadas por valores contínuos, sendo que para poderem ser processadas por sistemas digitais precisam ser convertidas para uma cadeia de bits.
• Esta conversão é conhecida como Conversão Analógica-Digital.
Importância
Conversor Analógico-Digital
Conversor AD
Conversor Digital-Analógico
Conversor DA
Processamento Digital de Sinais
Hardware
Para poder representar um som num computador, é necessário conseguir convertê-lo em valores numéricos, porque este só sabe trabalhar com este tipo de valores.
Chama-se esta ação de amostragem ou digitalização do som.
Sinais Digitais
• O áudio digital é, essencialmente, uma representação numérica do som.
• De uma maneira muito básica, esse conceito remonta a Pitágoras, para quem o número era a essência de todas as coisas.
• A tecnologia digital é capaz de representar imagens e sons em forma de números.
• A conversão do sinal analógico para o sinal digital é realizada por uma sequência de amostras da variação de voltagem do sinal original.
Processo de Amostragem
Taxa de Amostragem
O intervalo de tempo entre duas amostras chama-se
taxa de amostragem.
Tfamostragemdefrequência A
1=→
Áudio Digital
• A taxa de amostragem de áudio em um CD é de 44.100 Hz.
• Significa que a cada segundo de som são tomadas 44.100 medidas da variação de voltagem do sinal.
HzfamostragemdeTaxa A 100.44==
Frequência de Nyquist
• A taxa de amostragem dever ser pelo menos duas vezes a maior frequência que se deseja registrar.
• Esse valor é denominado de frequência de Nyquist.
MAXA ff 2>
Aliasing• A figura abaixo representa uma onda de
17.500 Hz (em amarelo) digitalizada com uma taxa de amostragem de 20.000 Hz. Cada amostra é representada pelos pontos verdes.
• A onda em azul é a onda resultante do efeito de aliasing .
Frequency aliasing
• Sobreposição de frequências
• Sobreposição espectral ('aliasing')
• Este fenômeno ocorre quando a frequência mais elevada do sinal (Fentrada) é maior do que metade da frequência de amostragem (Famostragem/2).
Frequência de Amostragem
Tfamostragemdefrequência A
1=→
Frequência de Amostragem
Quanto maior a Frequência de Amostragem maior fidelidade ao sinal original e mais precisa é a
representação do sinal
Tfamostragemdefrequência A
1=→
Tfamostragemdefrequência A
1=→
Conversor Analógico-Digital Conversor A/D
• O conversor analógico-digital (A/D) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica.
Sinal Analógico Representação Binária (Digital)
Armazenamento
• Memórias RAMRandom-Access MemoryMemória de Acesso Aleatório
Flash ADC Conversor tipo Paralelo
ADC - Analog Digital Converter
É a forma mais simples, precisa, eficiente e direta de conversão.
Flash ADC Conversor tipo Paralelo
ADC - Analog Digital ConverterÉ a forma mais simples, eficiente e direta de conversão.
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de 3 bits
É a forma mais simples e direta de conversão.
CONVERSÃO PARALELA
Tem como vantagem a velocidade de conversão extremamente rápida.
Necessita de 2N-1 comparadores para converter N bits.
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de N bits
Resolução
“Valor mínimo de variação que o circuito conversor é capaz de discriminar.”
• É fácil concluir que a resolução depende do número de dígitos binários (bits) da saída.
• Por exemplo, com 3 bits, temos uma resolução 1/23 = 0,125 ou 12,5%.
Áudio Digital
• Um CD tem uma resolução de 16 bits o que permite uma resolução binária com 65.534 (216) valores.
Questão Teórica
Qual a memória ocupada em um CD para armazenar 1 minuto de música estéreo ?
Taxa de Amostragem = 44.100 Hz
Resolução = 16 bits
Memória para Armazenamento
• Em um CD em que o áudio é armazenado com 44,1 kHz/16 bits, em dois canais (estéreo), um minuto de música ocuparia aproximadamente 10Mb de espaço:
(44.100 Hz) X (16 bits / 8) x (2 canais) x (60 segundos) = 10.584.000 bytes
Conversor Digital-Analógico Conversor D/A
• Conversor D/A pode ser usado para converter a representação digital do sinal de áudio para uma tensão analógica a ser aplicada em um amplificador de áudio capaz de alimentar um alto-falante.
Representação Binária (Digital) Sinal Analógico
Conversor D/A de 6 bits
Conversor Analógico-Digital
Tfamostragemdefrequência A
1=→
• O conversor analógico-digital (A/D) é um dispositivo eletrônico capaz de gerar uma representação digital de uma grandeza analógica.
Sinal Analógico Representação Binária (Digital)
Conversor A/D de 3 bits
Conversor Digital-Analógico
Conversor D/A de 4 bits
[ ]DCBAVR
RV RF
o3210 2222 +++−=
Conversor D/A de 6 bits
Conversor D/A tipo R/2R
Conversor D/A de N bits
Conversor D/A tipo R/2R
Conversor D/A tipo R/2R
Conversor D/A tipo R/2R
Parâmetros
• Resolução é a menor quantidade que pode ser convertida dentro da faixa dinâmica do sinal de entrada. É especificada pelo número de bits do conversor.
• Faixa Dinâmica é a faixa de amplitude de operação do sinal analógico (em geral uma tensão) dentro da região de trabalho (linear) do conversor.
• Tempo de amostragem 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.
• Erro de linearidade: expressa o desvio do resultado de conversão de uma reta ideal.
Resolução
Conversor A/D por Aproximação Sucessiva
• Para analisar o funcionamento do conversor A/D por aproximação sucessiva, tomemos o exemplo, que consiste em um conversor com intervalo de 0V a 15V e um degrau de tensão de 1V.
• Deste modo, obtém-se 16 níveis e são necessários 4 bits.
Aproximação Sucessiva
Sample & Hold
Comparador de Tensão Simples
Comparador de Tensão Simples
• Usa apenas uma referência de tensão.
Comparador de Tensão Simples
Comparador de Tensão Simples
Comparadores de Tensão
Comparadores de Tensão Classificação
•
Simples
•
Janela (Window)
•
Histerese (Schmitt-Trigger)
Comparador de Tensão Simples
• Usa apenas uma referência de tensão.
Aplicação Geração de Sinal PWM
• A modulação PWM permite a transmissão de sinais analógicos em formato binário, sendo portanto, mais imune a ruídos aditivos existentes no meio transmissor, favorecendo uma recepção com maior fidelidade.
Facilidade para MODULAR e DEMODULAR
Espectro de Frequência Sinal PWM
• Presença de uma componente contínua que reproduz o sinal modulante.
• As demais componentes aparecem nos múltiplos da frequência da portadora sendo, relativamente fáceis de filtrar dada sua alta frequência.
Duty-cycle
M
PR F
FModuladoraldoFrequência
PortadoradaFrequênciaF ==sin
Definições
Razão de Frequência - FR
M
PR F
FModuladoraldoFrequência
PortadoradaFrequênciaF ==sin
PM
tcdePicotmdePicoM D ==)()(
Pronfundidade de modulação - MD
Comparador de Tensão Janela
Comparador de Tensão JanelaUsa duas referências de tensão.
Comparador de Tensão Janela
• Usa duas referências de tensão.
Comparador de Tensão Janela
Comparador de Tensão com Histerese
Schmitt-Trigger
Biestável Dois estados estáveis
Timer 555 Temporizador
• Alimentação: VCC = 5V a VCC = 15V
• 2 Comparadores de Tensão• 1 Divisor Resistivo• 1 Flip-Flop RS• 1 Transistor• 1 Buffer de saída
Astável
PLL Phase-Locked Loop
• O primeiro PLL foi proposto pelo cientista francês Henri de Bellescize em 1932.
Malha de Captura de Fase PLL – Phase Locked Loop
• Malha de Captura de Fase (Phase-Locked Loop) é um sistema de realimentação em que o sinal de realimentação é usado para sincronizar a frequência instantânea do sinal de saída com a frequência instantânea do sinal de entrada.
• Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.
Malha de Captura de Fase PLL – Phase Locked Loop
Funcionalidade
PLL – Phase Locked Loop
• Detector de fase• VCO (Voltage Controlled Ocillator)• Filtro Passa-baixa
Aplicações
O PLL é um dispositivo muito usado em controle, telecomunicação e outros campos, com as mais diversas finalidades:
• Geração de sinais FM ou FSK• Demodulação de sinais FM ou FSK• Recuperação de portadora em PSK e QAM• Recuperação de relógio (sincronismo) em
transmissões digitais• Sintetizador de freqüência para geração de portadoras
e sinais de sincronismo.
Basicamente, o PLL é um elo fechado com três componentes :
• Um detector de fase• Um VCO (Oscilador Controlado por Tensão) • Um Filtro Passa baixa
Vantagens
• O grande mérito do PLL é que ele consegue gerar uma réplica limpa e quase sem ruído de um sinal misturado com ruído, interferências, com tremor de fase e até mesmo com cortes de curta duração.
• O PLL permite reconstituir ou recondicionar sinais deteriorados pelo ruído, ou ainda, separar um determinado sinal no meio de muitos outros.
VCO Voltage Controlled Oscillator
Oscilador Controlado por Tensão
• Na ausência de sinal de entrada Ve, a tensão VC é zero e o VCO oscila na frequência central fo.
• Com sinal de entrada Ve, e frequência fe dentro da faixa de captura ou aquisição Fa, aparece uma tensão Vd na saída do detector de fase, tal que a freqüência do VCO seja alterada até ser igual a freqüência do sinal de entrada, porém mantendo um erro ou diferença de fase constante e tal que gere um Vc que sustente esta nova freqüência do VCO.
Funcionalidade
• Se o sinal de entrada volta a variar, o circuito gera um novo sinal de erro e o VCO procura corrigir sua freqüência de modo a obter um novo sincronismo.
Funcionalidade
Aplicação
• Um exemplo típico de uso do PLL é o demodular sinais em FM.
• O sinal FM é aplicado na entrada do PLL.• Vc terá uma componente alternada igual ao sinal
modulante, pois Vc e fv do VCO irão acompanhar as variações de freqüência de entrada
Detector de Fase
Funcionalidade
• O sinal de saída do multiplicador é função da diferença de fase dos dois sinais de entrada.
• Esta informação é útil e podemos usá-la para sincronizar os dois sinais.
• O sinal de saída do multiplicador é função da diferença de fase dos dois sinais de entrada.
Funcionalidade
Operação
• Quando se aplica um sinal na entrada do circuito, o detector de fase recebe esse sinal e compara a sua fase com a do sinal fornecido pelo VCO, gerando uma tensão de erro.
Princípio de funcionamento
Detector de Fase
Detector de Fase
MODULADOR & DEMODULADOR FM
MODULADOR & DEMODULADOR FM
Sintetizador de frequência