Como funcionam os conversores A/D - Parte 2 (ART224b)

Na primeira parte deste artigo vimos o que são grandezas analógicas e digitais e como a connversão de um tipo para outro pode ser feita. Vimos, na ocasião, de que modo o número de bits que é usado na representação digital de uma grandeza está relacionado com sua precisão. Nesta segunda parte de nosso artigo, continuaremos analisando as tecnologias usadas nos conversores AD na prática além de falarmos de sua utilização na prática.

 

 


Veja também

Como funcionan os Conversores A/D - Parte 1


 

 

 

a) CONVERSOR DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS

Na figura 1 temos um diagrama de blocos que representa este tipo de conversor e por onde faremos a análise de seu funcionamento.

 

Conforme podemos observar, o que diferencia este circuito do anterior é a troca do contador por um registrador de aproximações sucessivas, que o torna muito mais rápido, não só reduzindo os tempos de conversão mas uniformizando-os, ou seja, tornando-os iguais independemente do ponto da escala em que o sinal de entrada se encontre.

O sinal aplicado a entrada é retido pelo circuito de amostragem e retenção, aplicado à entrada do comparador e ao mesmo tempo dispara o circuito de clock do setor de conversão digital.

Ao iniciar a conversão o registrrador de aproximações sucessivas começa colocando a 1 o bit  mais significativo (MSB) da saída, aplicando este sinal no conversor D/A. Se com este procedimento, a tensão aplicada pelo conversor D/A à entrada de referência do comparador for maior que a de entrada, isso será um sinal que o valor que este bit representa é maior que o que se deseja converter.

O comparador informa isso ao registro de aproximações, que então volta o MSB a zero e coloca o bit que o segue imediatamente a 1. Uma nova comparação é feita. Se agora o valor da tensão for menor que a de entrada, este bit é mantido, e testa-se o seguinte, colocando a 1. Se novamente o valor for ultrapassado, o comparador informa isso ao registro e o bit volta a zero passando o seguinte a 1 que é testado.

Quando todos os bits forem testados, teremos na saída do registro um valor binário muito próximo do desejado, dependendo da resolução do circuito. Testando todos os bits desta forma, a conversão se torna muito rápida, já que não será preciso esperar a contagem até o final, conforme mostra o gráfico da figura 2.

 

Veja que, enquanto num conversor de 8 bits pelo método de rampa em escala é preciso esperar a contagem até 256, neste conversor é preciso esperar que apenas 8 testes e comparações sejam feitos. O circuito equivalente é portanto 32 vezes mais rápido.

 

D) CONVERSORES DE RAMPA ÚNICA

Esse tipo de conversor se enquadra numa nova categoria que são os que utilizam integradores, sendo mais simples que os anteriores pois não precisam de conversores D/A. Os voltímetros digitais, em sua maioria utilizam circuitos deste tipo.

Na figura 3 temos um diagrama de blocos que corresponde a um conversor deste tipo, e que serve de referência para nossa análise de funcionamento.

 

O sinal analógico retido do circuito de amostragem e retenção também controla um interruptor que aciona um integrador. A tensão do integrador e a tensão amostrada são aplicadas, ao mesmo tempo, no comparador.

No instante em que tudo isso ocorre, um contador entra em funcionamento, produzindo uma saída digital progressiva.

O integrador está ligado a uma fonte de tensão de referência de tal forma que, a tensão em sua saída sobe linearmente até se igualar a tensão amostrada. No instante em que isso ocorre pára a contagem.

A velocidade de subida da tensão na saida do integrador determina a taxa de conversão, juntamente com a contagem. Faz-se com que na faixa de operação do integrador, esta tensão suba linearmente, e a frequência do clock contada pelo contador corrasponda digitalmente aos valores da grandeza a ser convertida.

Por exemplo, se temos um contador de 8 bits (até 256), faz-se com que a tensão do integrador suba de um extremo a outro da escala de tensões analógicas de entrada num tempo que corresponda a 256 ciclos de clock. Quando a contagem é paralisada, ao se obter o valor digital, este pode ser aplicado à saída do circuito. Na figura 4 temos as formas de onda deste circuito.

 

E) CONVERSORES DE DUPLA RAMPA

Um tipo que tem um desempenho melhor que o anterior é o conversor de rampa dupla, cujo diagrama de blocos é mostrado na figura 5.

 

Nesse circuito, o sinal amostrado e o sinal de uma fonte de referência são chaveados pelo clock de controle e aplicados à entrada de um circuito integrador. A rampa gerada pelo sinal da entrada é negativa, enquanto que a rampa gerada pelo sinal de referência é positiva. Como as duas são chaveadas, a rampa final tem uma inclinação que depende das duas. Como uma é fixa, e a outra corresponde ao sinal de entrada, pode-se usar o sinal de saída para chavear o contador. A partir do contador o funcionamento é como no tipo anterior.

 

 

SIGMA-DELTA

Esse tipo de conversor foi criado em 1962, mas somente usado em maior escala com os progressos obtidos com as tecnologias VLSI.

A principal vantagem deste tipo de conversor é a sua operação, na maior parte do circuito, feita da forma digital. É justamente por estas características, além de outras vantagens, que torna-se possível sua integração fácil na mesma pastilha dos DSPs. Outra vantagem que deve ser ressaltada neste tipo de conversor é que ele trabalha com um ADC com quantização de apenas 1 bit operando numa frequência mais alta que o limite de Nyquist, seguindo-se uma decimação no domínio digital que abaixa a frequência de saida, aumentando assim a precisão.

Como este tipo de conversor é mais importante para as aplicações que envolvem DSPs, componente de vital importância na eletrônica moderna, dedicaremos um pouco mais de espaço para explicar seu princípio de funcionamento.   Os ADCs do tipo sigma-delta operam baseados num método que é empregado principalmente  na modulação de sinais em amplitude denominado "modulação delta".

Nele, o que se faz, não é converter os valores absolutos amostrados, mas sim as variações de valores entre as amostragens sucessivas.   Na figura 6 representamos isso de uma forma simples.

 

Um integrador é usado para esta finalidade e como este tipo de circuito é linear sua implementação é simples. Veja então que, para um sinal senoidal amostrado em (a), temos apenas a quantização das variações que nos leva à representação de um bit apenas em (b) e que nos permite chegar a reprodução do sinal em (c). O nome sigma-delta vem do sinal de soma (sigma) seguido do modulador delta.

Para se chegar ao ADC sigma-delta completo, agregamos um ADC e um DAC de 1 bit e um filtro de decimação, conforme mostra o diagrama de blocos da figura 7.

 

A finalidade do filtro de decimação é diminuir a freqüência com que os valores digitais são produzidos.

Um ponto muito importante a ser considerado neste tipo de filtro é que eles podem ser implementados pelos próprios DSPs  (FIR e IIR).

 

 


 

DSP

Digital Signal Processor ou Processador Digital de Sinais - trata-se de um circuito que converte sinais analógicos para a forma digital para poder processá-los na forma nuimérica. Depois de feito o processamento destes sinais, eles podem novamente ser convertidos para a forma analóica e então utilizados. Um exemplo de aplicação esá nos telefones celulares onde a voz (analógica) é convertida para forma digital e transmitida depois deum processamento que comprime os dados correspondentes. No receptor, os dados na forma digital são processados e novamente convertidos para a forma analógica onde ocorre a reprodução.

 


 

 

 

NA PRÁTICA

Existem muitos circuitos integrados que fazem as operações que indicamos, e que possuem as mais diversas características.

Assim, na procura de um conversor A/D para uma determinada aplicação, devemos analisar as seguintes especificações:

 

a) número de saídas ou bits

Conforme já vimos, este número é importante pois determina a resolução na conversão A/D. Valores entre 4 e 24 bits são comuns no mercado, havendo até casos especiais em que mais sa¡das podem ser obtidas. Com a disponibilidades de computadores de 32 bits e 64 bits‚ é possível contar com conversores compatíveis.

Conforme já vimos, um conversor de 8 bits pode ser suficiente para aplicações comuns e mesmo industriais menos críticas contando com 256 pontos de escala e de 12 bits para 4096. Os de 8 bits são especialmente interessantes por se "casarem" com as caracteríticas das portas paralelas dos computadores comuns (PCs).

 

b) número de entradas

Os exemplos que demos, foram de conversores simples em que aplicamos na entrada um único sinal. No entanto, existem conversores A/D na forma de circuitos integrados que possuem diversas entradas. Tipos de 2, 4 e 8 entradas são os mais comuns.

Esses tipos fazem a leitura sequencial das tensões nas suas entradas, convertendo os valores encontrados para a forma digital e, jogando-os sequencialmente nas saídas. Eventualmente, pode-se selecionar digitalmente por entradas apropriadas quais sensores (ou entradas de dados) serão lidas, jogando-se os valores na saída, conforme mostra a figura 8.

 

c) velocidade

Existem aplicações em que a velocidade de conversão é muito importante. Se desejamos processar um sinal que varia rapidamente de intensidade, como por exemplo uma forma de onda de alta freqüência e desejamos projetá-la na tela de um computador de modo a usá-lo como osciloscópio, ou ainda, converter um sinal de áudio para a forma digital para fazer sua transmissão a um circuito de processamento remoto, é necessário ter uma velocidade muito grande de resposta do conversor.

Ele deve ser capaz de obter no mínimo 2 amostragens por ciclo do sinal que deve ser visualizado, ou seja, deve ter uma frequência de amostragem no mínimo 2 vezes maior que a maior frequência de sinal de entrada.

 

 


 

Critério de Nyquist

A velocidade com que fazemos a amostragem determina a frequência máxima do sinal que pode ser amostrado. Não podemos fazer uma amostragem de um sinal numa velocidade menor do que duas vezes a freqüência deste sinal. Este é o critério de Nyquist, que deve ser adotado quando escolhemos a velocidade máxima de um conversor A/D em função da freqüência do sinal que deve ser convertido para a forma digital.

 


 

 

Conversores com muitos megahertz de frequência de amostragem são disponíveis para estas aplicações.

 

d) faixa de operação

A faixa de operação não é na realidade muito importante, pois, ela pode ser adequada por circuitos externos ligados à fonte de sinal. No entanto, é preciso conhecer esta faixa, para que os circuitos possam ser projetados.

 

e) compatibilidade lógica

Se vamos usar o conversor com microcontroladores, computadores ou outros dispositivos precisamos saber se ele é compatível com esta aplicação. A maioria dos conversores A/D possui características de entrada e saída que permitem sua conexão direta aos computadores, microprocesadores e microcontroladores.

 

f) linearidade

A curva de conversão da grandeza analógica para a forma digital deve ser linear para um bom conversor. Isso significa que não existem desvios na correspondência entre o valor analógico e a saída digital ao longo da escala de valores em que o conversor deve trabalhar. No entanto, na prática podem ocorrer pequenos desvios, conforme mostra a figura 9.

 

Isso significa que em determinadas faixas de valores, a conversão pode ser menos precisa. Esta imprecisão é mais grave nos tipos de maior definição, pois os desvios podem ter a mesma ordem de grandeza que os "degraus" da escada de conversão, afetando assim a precisão final da conversão.

 

 

CONCLUSÃO

Os conversores são extremamente úteis nas aplicações em que se deseja transferir dados para um circuito digital a partir de fontes analógicas de sinais.

A quantidade de circuitos integrados que reunem todas as funções de conversores A/D é muito grande sendo impossível focalizá-los todos num único artigo. Desta forma, somente com artigos adicionais é que conseguiremos focalizar projetos que usam tais componentes, o que deve ser feito em função dos tipos mais comuns em nosso mercado.

 

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