Curso de Engenharia Elétrica

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Universidade Federal Rural do Semi-Árido

Centro de Engenharias - CE

Curso de Engenharia Elétrica

JOSÉ KLAUBER GURGEL NOBREGA DE QUEIROZ

CONVERSORES A/D E D/A

Mossoró/RN

2017

1. CONVERSORES A/D

O primeiro passo para se colocar uma grandeza física, onde essas raramente são de natureza elétrica, para dentro de um processador é transformar essas grandezas em sinais elétricos. Os equipamentos normalmente utilizados para isso são os sensores ou transdutores.

Mesmo após serem transformados em sinais elétricos, a natureza dos dados ainda é analógica e continua no tempo. Logo para que esses dados sejam assimilados pelo processador, será necessário realizar mais uma transformação do sinal analógico para digital, de forma que esse possa ser tratado e processado digitalmente. Essa transformação é realizada por um componente conhecido como Conversor A/D (Analógico/Digital). Esses conversores são extremamente utilizados em sistemas para a aquisição de dados e controle que que promovem a interface de computadores com dispositivos de medida. Um exemplo disso seria na possibilidade de usar um conversor desse tipo num sistema de aquisição de dados para converter as indicações de um sensor de temperatura na forma digital que o computador possa processar, e tomar decisões no sentido de ativar circuitos externos, ou simplesmente armazenar as temperaturas em horários programados na memória

Como já mencionado, os microcontroladores, controles industriais, computadores e muitos circuitos que processam dados obtidos de sensores, mas que operam somente com sinais digitais. Assim, se na saída de um sensor tivermos um sinal analógico e precisarmos transferir este sinal para um circuito digital, como de um computador será preciso "convertê-lo".

Para converter um sinal da forma analógica para a forma digital, usa-se um conversor analógico/digital. A Figura 1, faz a ilustração de como funciona a troca de dados entre um sensor (sistema analógico) e um computador (sistema digital).

Figura 1 – Interação conversor A/D e D/A

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Pegando como exemplo um sensor de temperatura, veremos que em sua saída iremos obter um sinal analógico, ou seja, uma tensão análoga a um determinando nível temperatura. Para isto teremos uma correspondência direta entre a temperatura e a resistência que o dispositivo apresenta.

Independentemente do nível da variação da temperatura, sempre irá ocorrer uma variação correspondente para a resistência. Logo entre os pontos extremos de aquisição de dados desse sensor, teremos infinitos valores possíveis de medição.

Se considerarmos um sistema contendo 10 LED’s, onde a indicação da temperatura liga pelo sensor, seja posteriormente especificada pelos LED’s, chegaremos ao ponto em que: Se cada LED indicar um grau, para medir as temperaturas de 20 a 30 graus centígrados, percebesse que não se é possível ter uma indicação de valores de temperaturas que não sejam representadas por números inteiros. O sistema não irá conseguir indicar 25,6 ou 25,8 graus centígrados. Ou ele indica 25 ou 26. Sempre valores inteiros dentro da faixa. Desse modo, para se obter maiores níveis de precisão durante a indicação, é preciso aumentar o número de LED’s. No entanto, o que fica claro é que, com este sistema, as indicações só podem ocorrer "aos saltos" e que esses saltos têm valores bem definidos.

Considerando um sistema com saída de 12 bits ao aplicarmos uma entrada sinal analógica, sendo especificada normalmente uma faixa de tensões para a conversão. Um amplificador operacional pode ter seu ganho programado para garantir que o sensor usado (ou a fonte de informação analógica) trabalhem na faixa especificada. Para a maioria dos tipos de conversores A/D existentes no mercado, estas saídas são compatíveis com tecnologia TTL (nível alto com 5V e nível baixo com 0V).

Posterior a isso basta apenas programar o computador para "ler" os valores da porta no instante desejado e fazer a conversão para a escala desejada. Por exemplo, se a faixa de entrada que corresponde à temperaturas de 0 a 30 graus centígrados e, que por sua vez levam à tensões na entrada do conversor de 0 a 1 Volt, o conversor vai gerar na sua saída valores digitais entre 0 e 4096 (se for de 12 bits). O computador deve então ser programado para dividir a escala de 0 a 30 graus centígrados em 4096 valores (cada unidade lida corresponderá a 0,00732 graus). (INSTITUTO NEWTON C. BRAGA, s.d.)

1. Estagio de amostragem

Nesse estágio, o sinal a ser amostrado é amplificado por um buffer de entrada, cuja finalidade é não carregar o circuito externo, e ao mesmo tempo proporcionar isolamento do circuito de conversão.

Na saída desse circuito temos uma chave eletrônica que irá determinar o instante exato em que a leitura do sinal deverá ser feita. A chave fecha por uma fração de segundo (uma frequência que depende da velocidade de amostragem), permitindo que o sinal carregue o capacitor C.

Assim, quando a chave abre, esperando a leitura seguinte, o capacitor tem armazenado o valor da grandeza analógica a ser convertida. Esta tensão no capacitor é mantida no circuito conversor através de um buffer de saída, durante o tempo que ele necessita para isso. (INSTITUTO NEWTON C. BRAGA, s.d.)

A Figura 2 ilustra o sinal de entrada continuo antes de passar pelo circuito de amostragem e retenção ou sample and hold, onde após sua saída o mesmo se torna constante durante intervalos de conversão.

Figura 2 – Circuito de amostragem

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1. Estagio de quantização

Após o estagio de amostragem, será necessário efetuar a quantização dos dados, que tem como finalidade fazer a medição eletrônica das alturas dos pulsos obtidos no estagio anterior. As amostras quantizadas são codificadas e transmitidas como pulsos binários.

A representação dos valores instantâneos amostrados pelos circuitos anteriores depende do nível de quantização realizado, ou seja, quantos bits são usados para representar cada valor amostrado. Assim, se usarmos 2 bits teremos uma precisão menor do que se usarmos 4 bits para fazer a quantização.