Como Funcionam Os Conversores AD Parte 01
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25/05/2015 ComoFuncionamosConversoresA/DParte01SaberEletrnicaOnline
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ComoFuncionamosConversoresA/DParte01
Comoconverterumagrandezaanalgicatalqualumatensoobtidanasadadeumsensordeumamquinaindustrialoudispositivodecontroleemumainformaodigitalquepossaserprocessadaporumcircuitolgicocomodeummicroprocessadoroucomputador?Aresoluodessetipodeproblemafundamentalparaoprojetodeinterfacesparaaaquisiodedadosecontroleporcomputadores,envolvendoumdispositivodeextremaimportnciaparaaeletrnicamoderna:oconversoranalgico/digitalouconversorA/D,ouaindaADC(emingls).Nesteartigo,analisamosoprincpiodefuncionamentodessetipodecircuitoemostramoscomouslo.
Osmicrocontroladores,controlesindustriais,computadoresemuitosoutroscircuitosqueprocessamdadosobtidosdesensoresoperamexclusivamentecomsinaisdigitais.Assim,senasadadeumsensortivermosumsinalanalgicoeprecisarmostransferiloparaumcircuitodigital(comodeumcomputador),serprecisoconvertlo.
Paraconverterumsinaldaformaanalgicaparaaformadigitalusamosumaconfiguraodenominadaconversoranalgico/digital,ADCousimplesmenteconversorA/D.
Essesconversoressolargamenteempregadosemplacasdeaquisiodedadosecontrole,queinterfaceiamcomputadorescomdispositivosdemedida.Noslaboratrios,porexemplo,possvelusarumconversordessetiponumsistemadeaquisiodedadosparaconverterasindicaesdeumsensordetemperaturaparaaformadigitalqueocomputadorpossaprocessar,etomardecisesnosentidodeativarcircuitosexternos,ousimplesmentearmazenarastemperaturasemhorriosprogramadosnamemria,conformesugereafigura1.
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Paraentendercomofuncionamosconversoresanalgico/digitaisprecisamos,emprimeirolugar,entenderasdiferenasentreosdoistiposdegrandezas.
SinaisAnalgicoseSinaisDigitais
SeusarmosumsensorcomoumNTC(NegativeTemperatureCoefficientResistor)paramedirtemperaturas,teremosumsinalanalgicoemsuasada,ouseja,umatensoanlogaaumadeterminadatemperatura.
Nestesensor,conformemostraogrficodafigura2,temosumacorrespondnciadiretaentreatemperaturaearesistnciaapresentada.
Nafaixadeusodosensor,existeumacorrespondnciacontnuadevaloresentrearesistnciaeatemperatura.
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Assim,paracadavalorpossveldatemperatura,humacorrespondnciadaresistnciaqueodispositivoapresenta.Noimportaquopequenasejaavariaodatemperaturaqueocorraapartirdeumcertovalor,teremossempreumavariaocorrespondentedaresistncia.
Issosignificaqueentreosdoisextremosdetemperaturaemqueosensorpodeserusado,existeminfinitosvalorespossveis.
Dizemos,nessascondies,queafaixadecoberturadestetipodesensorcontnua,equeexisteumaanalogiaentreatemperaturaearesistncia.Tratase,portanto,deumsensorqueforneceumasadaanalgica.
Podemosconverterestasadaderesistnciaemoutrasgrandezasquetambmpossamvariardemaneiracontnua,taiscomoumapresso,umnveldeumreservatrio,etc.,emoutrasgrandezaseltricasquepossamvariartambmemfaixascontnuascomoatensoeacorrente.
Podemosfazerperfeitamentecomqueatensovariedemodocontnuoentredoisvalores,entreosquaisestesensordeveoperarvejaafigura3.
Evidentemente,nemsempreascoisassosimplesassim:vamossuporqueemlugardeconvertermosatemperaturaemresistncia,desejemosfazersuaindicaoporumaescaladeLEDsobserveafigura4.
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SecadaLEDindicarumgrauetivermos10LEDsparamedirastemperaturasde20a30grauscentgrados,evidentequenopoderemosterindicaesdevaloresdetemperaturasquenosejamrepresentadospornmerosinteiros.
Osistemanoconsegueindicar22,4ou22,6grauscentgrados,porexemplo.Oueleindica22ou23.
Sequisermostermaiorprecisonaindicaocomestetipodeindicador,precisaremosdemaisLEDs.Com20LEDspoderemosteraindicaodemeioemmeiograunaescalasugerida.
Noentanto,oqueficaclaroquecomessesistemaasindicaesspodemocorreraossaltos,equeessessaltostmvaloresbemdefinidos.
Dizemosque,nestecaso,aindicaosucededeumaformadiscretaeosLEDsacesospodemserassociadosaquantidadesbemdefinidasoudgitos.
Assim,seformosusarumarepresentaodigitalnaformabinria,poderemosassociaros10estadosindicativosdosLEDsporumaescala,quemostradanafigura5.
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Comotemos10estadospossveisparaosLEDs,quatrobitssosuficientespararepresentlostodos.Todavia,seprecisarmosdeumadefiniomaiorparaasindicaes,porexemplo,com20LEDseindicaodemeioemmeiograu,necessitaremosdepelomenos5bits.
Naprtica,asindicaesquefazemacoberturadeumaescalacompoucospontosnosointeressantes,poisnosignificamumaboapreciso.Quantomaispontostiveraescaladeindicaes,melhorseraprecisonaconversodagrandeza,porexemploaresistnciadeumsensor.
OcircuitoquefazestetipodeconversoumconversorA/Douumconversoranalgico/digital.
UmbargraphcomoosusadosemaparelhosdesompodeserconsideradoumconversorA/Dsimplificado.
TantomelhorseroconversorA/Dquantomaisbitsdesadaeletiver.
UmconversorA/Dquetenhaumasadade4bitstem16degrausdeindicao,oupodedefinirumaescalade16valoresdiferentes.
J,umindicadorde8bitsdesada,podedefinirumaescalacom256valoresdiferentesumde12bitspodedefinirumaescalade4096pontoseumde16bitspodedefinirumaescalade65536pontos,conformemostraafigura6.
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Veja,ento,queparaumconversorA/Dquepossadefinir256valoresdiferentesnumaescalademedidastemosumaprecisomelhorque0,4%,ecom4096valoresdiferentesnumaescalademedidastemosumaprecisomelhorque0,024%.
OsconversoresA/Dexistentesnomercadopossuemjustamenteessascaractersticas.
OsConversores,naPrtica
Evidentemente,aescaladeLEDsnocorrespondeaoquedesejamos,naprtica,paraumconversor.
Para10LEDsteremosumasadaparacadaLED,quefaroseuacionamentodireto.Noentanto,nopodemoster4096sadasnumconversorquetrabalhecomumaescalade16bits.
Sermelhortermosacessodiretoaosbitse,comisso,dotarocircuitode16sadas.
Nafigura7temosumexemplodecomoissopodeserfeito.
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Ocircuitocontacomumaentradaondeaplicamososinalanalgico,sendoespecificadanormalmenteumafaixadetensesparaaconverso.Porexemplo,seocircuitoconvertesinaisnafaixade0a1volt,devemoscuidarparaqueosensorempregado(ouafontedeinformaoanalgica)trabalhenestafaixa.
Umamplificadoroperacionalpodeterseuganhoprogramadoparafazerjustamenteisso.
Assadasconsistem,ento,em16pinosnosquaisosnveislgicos0ou1soobtidosconformeatensodeentrada.
ParaamaioriadostiposdeconversoresA/Dexistentesnomercado,estassadassocompatveiscomtecnologiaTTL(nvelaltocom5Venvelbaixocom0V)podendoserconectadasdiretamentenaportaI/Odeumcomputador,conformeilustraafigura8,ouaindaCMOSondeos5Vdenvelaltotambmpodeserusadossemproblemas.
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Bastaapenasprogramarocomputadorparalerosvaloresdaportanoinstantedesejadoefazeraconversoparaaescaladesejada.
Porexemplo,comafaixadeentradaquecorrespondestemperaturasde0a30grauscentgradoseque,porsuavez,levamatensesnaentradadoconversorde0a1volt,oconversorvaigerarnasuasadavaloresdigitaisentre0e4096(seforde12bits).Ocomputadordeverentoserprogramadoparadividiraescalade0a30grauscentgradosem4096valores(cadaunidadelidacorrespondera0,00732graus).Ovalor010010010010(binrio)lidonaentradaI/Oousadadoconversorquecorrespondea1070(decimal),refereseaumatemperaturade8,5644grauscentgrados.
OCircuitoInternodoConversorA/D
ParafazerumaconversoA/DcomonaescaladeLEDspodemostercircuitosrelativamentesimples.Umasimplesescaladecomparadoresquetenhamtensesderefernciadiferentespoderserusadavejaafigura9.
Cadavezqueatensodeentradaatingeonveldedisparodeumdoscomparadoresdoconjunto,elecomutapassandoaacionaroLEDcorrespondenteoumudandoonvellgicodesuasada.
Estetiposequencialetemumcomportamentoquenomuitointeressantenasaplicaesmaiscrticas:cadavezqueumcomparadorcomuta(porqueseunveldeacionamentoatingido),oanteriorqueestavacomutadonovoltaaoestadoinicial.
Comumcircuitomaissofisticadopoderemosobterestacomutaoe,assim,passardeumsistemadebarramvel
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parapontomvel,deacordocomafigura10.
Mas,paraasaplicaesqueenvolvemaaquisiodedados,estetipodeconversornoatendesnecessidadesmaiscrticas:precisamosconverterosnveisemindicaesemdecimalcodificadoembinrio,binriopuro,oumesmohexadecimal,issoparaobteramaiordefiniopossvelecompatibilizarocircuitocomatecnologiadigitalmaiscomum.
Issopodeserfeitocomaajudadecircuitosmaiscomplexosque,almdoscomparadores,envolvemconfiguraeslgicasetambmoutroscircuitosquefacilitemseuuso.
Paraentendermelhorcomofuncionamestescircuitosdevemoscomearcomomodocomoaamostragemdosinaldeveserfeita,queumblococomumatodososconversoresequeocircuitodeamostragemereteno(sampleandhold).
Osvaloresdossinaisanalgicosquedevemserconvertidosparaaformadigitalcorrespondemaumdeterminadoinstantecujadurao,emalgunscasos,novaialmdealgunsmilionsimosdesegundo.
Assim,umprimeiroblocoimportantedoconversorumcircuitoquelovalordosinalaserconvertidonumdeterminadoinstanteeoarmazenademodoque,mesmoqueosinalvariedepois,oscircuitosquefazemaconversotmnumamemriaseuvalor.
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Essecircuitomostradoemblocosnafigura11.
Osinalaseramostradoamplificadoporumbufferdeentrada,cujafinalidadenocarregarocircuitoexternoe,aomesmotempo,proporcionarisolamentodocircuitodeconverso.
Nasadadestecircuitotemosumachaveeletrnicaouchaveador,quedeterminaoinstanteexatoemquealeituradosinaldeveserfeita.Achavefechaporumafraodesegundo(umafrequnciaquedependedavelocidadedeamostragem),permitindoqueosinalcarregueocapacitorC.
Assim,quandoachaveabreesperandoaleituraseguinte,ocapacitortemarmazenadoovalordagrandezaanalgicaaserconvertida.Essatensonocapacitormantidanocircuitoconversoratravsdeumbufferdesadaduranteotempoqueelenecessitaparaisso.
Nafigura12mostramossinaisonderepresentamosomodocomoatensodeentradavaria,ecomoocircuitodeamostragemeretenomantmasadaconstanteduranteosintervalosdeconverso(quecorrespondemaosdegraus).
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Sistemadeconversosimultnea
Osistemadeconversosimultnea(queomaissimples)temaconfiguraodesenhadanafigura13.
Nessecircuitotemosumaescalade8valorespossveisdesada,oquepodesercobertoporumsistemade3bits.Tratase,portanto,deumconversorA/Dde3bits.
Oscomparadorespossuememsuasentradasderefernciatensesescalonadas,asquaisdeterminamoinstanteemqueelesdevemcomutar.Assim,para8nveisdeacionamento,temos7tensesescalonadasde1/8a8/8deVcc,queamximatensoqueocircuitopodemediremsuaentrada.
Evidentemente,estetipodecircuitoestseriamentelimitadopelaquantidadedecomparadoresquepodemosusar.Paraumsistemade16bits,porexemplo,seriamnecessrios4095comparadores!
Voltandoaocircuito,osnveislgicosobtidosnassadasdoscomparadoressosequenciais,conformevimos.Paraseobterumasadacodificadaembinrio,precisaremosusarumamatrizcodificadora.
Essamatrizpoderserelaboradanessaconfiguraomaissimplesapartirdeinversores,portasANDeportasOR.
Obteremos,comisso,nasuasadasinais(tabela1)quecorresponderoaos8nveisdetensopossveis,asaber.
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Nessecircuito,teremosumsistemaadicionaldeRESETeportadeleitura(READ).
Aportadeleiturainteressante,poiselapermitetransferirosdadosdigitaisaocircuitoexternosomentenoinstantequedesejarmos.Assim,podemosdartempoaocircuitoparaseestabilizar,oquepodeserimportanteseusarmossensoresrpidos,impedindoque,nasada,osvaloresoscilemrapidamente,oquecausariaumainterpretaoerrticadocomputadoroumicroprocessadorondeeleestligado.
Aplicandonessaentrada(READ)umpulsodecurtadurao,lemosovalordigitalizadonaqueleinstante.Nocircuitoindicado,essevalorarmazenadoemumregistradorformadoporumconjuntodeflipflops.
Assim,essevalorsefixanaentradaepodermanteracionado,porexemplo,umindicador.
Paraaleituraseguinte,ovalorarmazenadonoregistradorprecisaserapagadoantesdeserfeitanovaleitura.IssoconseguidopormeiodeumpulsodeRESET.
Nafigura14temosumdiagramadeblocosdeumconversorqueempregaestatcnica.
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Destacasenestecircuitoocomparadornico,quetemduasentradas.Numaentradaaplicadoosinalquevaisermedido(umatensodentrodeumadeterminadafaixadevalores).
Naoutraentradaaplicamosumsinalqueproduzidoporumgeradorespecialdenominadogeradordeescada.
Estesinalconsisteemumatensoquesobeaossaltoscomtantosdegrausquantosforemnecessriossadadigital.
Porexemplo,numconversorde8bits,estesinalconsistirem256degrausiguaisdetenso.
Estesinalpodesergeradofacilmenteporosciladordeclock,queoaplicaraumcontadorligadoaumaredeR/2Rconformemostraafigura15.
Observamosqueoclockdestecircuitohabilitadopeloprpriocircuitocomparador.
Assim,supondoqueexistaumacertatensonaentradaeaconversosejahabilitada,oosciladordeclockentrarimediatamenteemfuncionamento.
Supondoqueocontadorestejazerado,comearentoaproduodaescadadetensoquepassaraser
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aplicadaaocomparador.
Noinstanteexatoemqueaescadageraumdegrauqueseigualatensodeentrada,ocomparadorcomuta.
Oresultadodissoaparadadoclocke,portanto,dacontagem.Nesseinstanteocontadorterregistradoonmerodedegrauscontados,ouseja,elesaberemquevalorbinrioocorreuacomutao.
Basta,entotransferiressevalorparaocircuitoexterno,oquepoderserfeitodamesmaformaquenoprocessoanteriorpormeiodeumregistrador.
Paranovaconverso,oquepodeserfeitoemumafraodesegundodepoisouquantotempofornecessrio,bastarressetarocontadorereabilitaroclock.
Almdessasduasconfiguraes,existemoutras,talcomoadeaproximaosucessiva.Noentanto,noasanalisaremosaindanestaparte.
Quantizao
Osvaloresinstantneosdatensodosinaldeentrada,quesoobtidosnasadadocircuitodeamostragemereteno,precisamserconvertidosparaaformadigital.Esseprocessorecebeonomedequantizao.
OsDSPs(ProcessadoresDigitaisdeSinais)processamossinaisanalgicosconvertidosparaaformadigitalefazemusodesseprocesso.
OqueumDSPpoderfazercomosinal,irdependerjustamentedaprecisocomqueaquantizaofeita.
Arepresentaodosvaloresinstantneosamostradospeloscircuitosanterioresdependedonveldequantizaorealizado,ouseja,dequantosbitssousadospararepresentarcadavaloramostrado.
Assim,seusarmos2bitsteremosumaprecisomenordoqueseusarmos4bitsparafazeraquantizao,conformemostraafiguraA.
Comparando,emcadacaso,osnveisquantizadosnosdoisexemplos,podemosperceberfacilmenteoserros
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introduzidosnoprocesso,conformeilustraafiguraB.
Noscasosquedemos,osnveisdequantizaoforammuitobaixos,aparecendoentograndeserros.Naprtica,osDSPsutilizamnveisdequantizaode10ou12bitsouatmais,obtendosecomissoumerrodesprezvel.
Lembramosqueessaumadasdesvantagensdeseoperarcomsinaisnaformadigital,poisasuarepresentaospodeserfeitaemdegraus,cujaalturavaideterminarograudepreciso.
Quantomaiorforonmerodedegrausquepodeserusado,maiorseraprecisonovaloranalgico,querepresentadonaformadigital.AtenteparaafiguraC.
Naprtica,quandooDSPtrabalhacomoprocessamentodevoz,osefeitosdoserrosnaquantizaosomaissensveis,havendoentomodosdecorreoquesoadotadosparaseevitarissocomo,porexemplo,ousodacompressoquecompensaosefeitosdalarguraconstantedospassosusadosnaquantizao,fazendocomqueossonsmaisaltosdecertasvogaiseconsoantessejamtrabalhadosdeumaformamaisreal.
*MatriaoriginalmentepublicadanarevistaSaberEletrnicaAno:48N465out2012