CONVERSO

ANALGICA-DIGITAL
E
DIGITAL ANALGICA
Conversores A/D e D/A so a base de todo o
interfaceamento eletrnico entre o mundo
analgico e o mundo digital.
Esto presentes na grande maioria dos
instrumentos de medida atuais e so os
responsveis pelo aumento significativo nos
nveis de preciso e exatido assim como o
barateamento e popularizao de instrumentos
de medida digitais.
Importncia
Diversas grandezas fsicas com as quais lidamos,
so grandezas analgicas por natureza.
Tais grandezas, como temperatura, presso,
velocidade, etc., so representadas por valores
contnuos, sendo que para poderem ser
processadas por sistemas digitais precisam ser
convertidas para uma cadeia de bits.
Esta converso conhecida como Converso
Analgica-Digital.
Importncia
Conversor Analgico-Digital
Conversor AD
Conversor Digital-Analgico
Conversor DA
Processamento Digital de Sinais
Hardware
Para poder representar um som num computador,
necessrio conseguir convert-lo em valores numricos,
porque este s sabe trabalhar com este tipo de valores.
Chama-se esta ao de amostragem ou digitalizao do som.
Sinais Digitais
O udio digital , essencialmente, uma
representao numrica do som.
De uma maneira muito bsica, esse conceito
remonta a Pitgoras, para quem o nmero era a
essncia de todas as coisas.
A tecnologia digital capaz de representar
imagens e sons em forma de nmeros.
A converso do sinal analgico para o sinal
digital realizada por uma sequncia de
amostras da variao de voltagem do sinal
original.
Processo de Amostragem
Taxa de Amostragem
O intervalo de tempo entre duas amostras chama-se
taxa de amostragem.
T
f amostragem de frequncia
A
1
=
udio Digital
A taxa de amostragem de udio em um CD de
44.100 Hz.
Significa que a cada segundo de som so tomadas
44.100 medidas da variao de voltagem do sinal.
Hz f amostragem de Taxa
A
100 . 44 = =
Frequncia de Nyquist
A taxa de amostragem dever ser pelo menos duas
vezes a maior frequncia que se deseja registrar.
Esse valor denominado de frequncia de Nyquist.
MAX A
f f 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 representada pelos pontos
verdes.
A onda em azul a onda resultante do efeito
de aliasing .
Frequency aliasing
Sobreposio de frequncias
Sobreposio espectral ('aliasing')
Este fenmeno ocorre quando a frequncia
mais elevada do sinal (Fentrada) maior do
que metade da frequncia de amostragem
(Famostragem/2).
Frequncia de Amostragem
T
f amostragem de frequncia
A
1
=
Frequncia de Amostragem
Quanto maior a Frequncia de Amostragem maior
fidelidade ao sinal original e mais precisa a
representao do sinal
T
f amostragem de frequncia
A
1
=
T
f amostragem de frequncia
A
1
=
Conversor Analgico-Digital
Conversor A/D
O conversor analgico-digital (A/D) um
dispositivo eletrnico capaz de gerar uma
representao digital de uma
grandeza analgica.
Sinal Analgico Representao Binria (Digital)
Armazenamento
Memrias RAM
Random-Access Memory
Memria de Acesso Aleatrio
Flash ADC
Conversor tipo Paralelo
ADC - Analog Digital Converter
a forma mais simples, precisa, eficiente e
direta de converso.
Flash ADC
Conversor tipo Paralelo
ADC - Analog Digital Converter
a forma mais simples, eficiente e direta de converso.
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de 3 bits
a forma mais simples e direta de converso.
CONVERSO PARALELA
Tem como vantagem a velocidade de converso
extremamente rpida.
Necessita de 2
N-1
comparadores para converter N bits.
Conversor A/D de 3 bits
Conversor A/D de N bits
Resoluo
Valor mnimo de variao que o circuito
conversor capaz de discriminar.
fcil concluir que a resoluo depende do
nmero de dgitos binrios (bits) da sada.
Por exemplo, com 3 bits,
temos uma resoluo 1/2
3
= 0,125 ou 12,5%.
udio Digital
Um CD tem uma resoluo de 16 bits o que
permite uma resoluo binria com 65.534
(2
16
) valores.
Questo Terica
Qual a memria ocupada em um CD para
armazenar 1 minuto de msica estreo ?
Taxa de Amostragem = 44.100 Hz
Resoluo = 16 bits
Memria para Armazenamento
Em um CD em que o udio armazenado com
44,1 kHz/16 bits, em dois canais (estreo), um
minuto de msica ocuparia aproximadamente
10Mb de espao:
(44.100 Hz) X (16 bits / 8) x (2 canais) x (60 segundos) = 10.584.000 bytes
Conversor Digital-Analgico
Conversor D/A
Conversor D/A pode ser usado para converter a
representao digital do sinal de udio para uma
tenso analgica a ser aplicada em um
amplificador de udio capaz de alimentar um
alto-falante.
Representao Binria (Digital) Sinal Analgico
Conversor D/A de 6 bits
Conversor Analgico-Digital
T
f amostragem de frequncia
A
1
=
O conversor analgico-digital (A/D) um
dispositivo eletrnico capaz de gerar uma
representao digital de uma
grandeza analgica.
Sinal Analgico Representao Binria (Digital)
Conversor A/D de 3 bits
Conversor Digital-Analgico
Conversor D/A de 4 bits
[ ] D C B A V
R
R
V
R
F
o
3 2 1 0
2 2 2 2 + + + =
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
Parmetros
Resoluo a menor quantidade que pode ser convertida
dentro da faixa dinmica do sinal de entrada. especificada
pelo nmero de bits do conversor.
Faixa Dinmica a faixa de amplitude de operao do sinal
analgico (em geral uma tenso) dentro da regio de trabalho
(linear) do conversor.
Tempo de amostragem o tempo necessrio para se obter o
valor na sada (digital para o A/D; analgico para o D/A) a
partir do momento em que o sinal de entrada foi aplicado e
iniciado o processo de converso.
Erro de linearidade: expressa o desvio do resultado de
converso de uma reta ideal.
Resoluo
Conversor A/D por Aproximao Sucessiva
Para analisar o funcionamento do conversor
A/D por aproximao sucessiva, tomemos o
exemplo, que consiste em um conversor com
intervalo de 0V a 15V e um degrau de tenso
de 1V.
Deste modo, obtm-se 16 nveis e so
necessrios 4 bits.
Aproximao Sucessiva
Sample & Hold
Comparador de Tenso Simples
Comparador de Tenso Simples
Usa apenas uma referncia de tenso.
Comparador de Tenso Simples
Comparador de Tenso Simples
Comparadores de Tenso
Comparadores de Tenso
Classificao

Simples

Janela (Window)

Histerese (Schmitt-Trigger)
Comparador de Tenso Simples
Usa apenas uma referncia de tenso.
Aplicao
Gerao de Sinal PWM
A modulao PWM permite a transmisso de
sinais analgicos em formato binrio, sendo
portanto, mais imune a rudos aditivos
existentes no meio transmissor, favorecendo
uma recepo com maior fidelidade.
Facilidade para MODULAR e
DEMODULAR
Espectro de Frequncia
Sinal PWM
Presena de uma componente contnua que
reproduz o sinal modulante.
As demais componentes aparecem nos
mltiplos da frequncia da portadora sendo,
relativamente fceis de filtrar dada sua alta
frequncia.
Duty-cycle
M
P
R
F
F
Modulador al do Frequncia
Portadora da Frequncia
F = =
sin
Definies
Razo de Frequncia - F
R
M
P
R
F
F
Modulador al do Frequncia
Portadora da Frequncia
F = =
sin
P
M
t c de Pico
t m de Pico
M
D
= =
) (
) (
Pronfundidade de modulao - M
D
Comparador de Tenso
Janela
Comparador de Tenso Janela
Usa duas referncias de tenso.
Comparador de Tenso Janela
Usa duas referncias de tenso.
Comparador de Tenso Janela
Comparador de Tenso
com Histerese
Schmitt-Trigger
Biestvel
Dois estados estveis
Timer 555
Temporizador
Alimentao: V
CC
= 5V a V
CC
= 15V
2 Comparadores de Tenso
1 Divisor Resistivo
1 Flip-Flop RS
1 Transistor
1 Buffer de sada
Astvel
PLL
Phase-Locked Loop
O primeiro PLL foi proposto pelo cientista francs Henri de Bellescize em 1932.
Malha de Captura de Fase
PLL Phase Locked Loop
Malha de Captura de Fase (Phase-Locked
Loop) um sistema de realimentao em que o
sinal de realimentao usado para sincronizar a
frequncia instantnea do sinal de sada com a
frequncia instantnea 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 freqncia 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
Aplicaes
O PLL um dispositivo muito usado em controle,
telecomunicao e outros campos, com as mais diversas
finalidades:
Gerao de sinais FM ou FSK
Demodulao de sinais FM ou FSK
Recuperao de portadora em PSK e QAM
Recuperao de relgio (sincronismo) em
transmisses digitais
Sintetizador de freqncia para gerao de portadoras
e sinais de sincronismo.
Basicamente, o PLL um elo fechado com trs
componentes :
Um detector de fase
Um VCO (Oscilador Controlado por Tenso)
Um Filtro Passa baixa
Vantagens
O grande mrito do PLL que ele consegue gerar
uma rplica limpa e quase sem rudo de um sinal
misturado com rudo, interferncias, com tremor
de fase e at mesmo com cortes de curta durao.
O PLL permite reconstituir ou recondicionar
sinais deteriorados pelo rudo, ou ainda, separar
um determinado sinal no meio de muitos outros.
VCO
Voltage Controlled Oscillator
Oscilador Controlado por Tenso
Na ausncia de sinal de entrada Ve, a tenso
V
C
zero e o VCO oscila na frequncia central
fo.
Com sinal de entrada Ve, e frequncia fe dentro da faixa
de captura ou aquisio Fa, aparece uma tenso Vd na
sada do detector de fase, tal que a freqncia do VCO
seja alterada at ser igual a freqncia do sinal de
entrada, porm mantendo um erro ou diferena de fase
constante e tal que gere um Vc que sustente esta nova
freqncia 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 freqncia de modo a obter um
novo sincronismo.
Funcionalidade
Aplicao
Um exemplo tpico de uso do PLL o demodular sinais
em FM.
O sinal FM aplicado na entrada do PLL.
Vc ter uma componente alternada igual ao sinal
modulante, pois Vc e fv do VCO iro acompanhar as
variaes de freqncia de entrada
Detector de Fase
Funcionalidade
O sinal de sada do multiplicador funo da
diferena de fase dos dois sinais de entrada.
Esta informao til e podemos us-la para
sincronizar os dois sinais.
O sinal de sada do multiplicador funo da
diferena de fase dos dois sinais de entrada.
Funcionalidade
Operao
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 tenso de erro.
Princpio de funcionamento
Detector de Fase
Detector de Fase
MODULADOR & DEMODULADOR FM
MODULADOR & DEMODULADOR FM
Sintetizador de frequncia