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