Curso de Eletrônica - Eletrônica Digital - Memórias, ADCs e DACs (CUR5013)

Detalhes: Escrito por: Newton C. Braga

13.1 – As memórias

Todos os computadores usam, e além deles muitos outros aparelhos como secretárias eletrônicas, videocassetes, controles remotos, etc. Estes pequenos dispositivos eletrônicos, que podem guardar informações, são encontrados na forma de chips e operam segundo diversos princípios. Como funcionam as memórias e como reconhecê-las é o que veremos neste item.

Guardar informações é algo fundamental para a operação de computadores, máquinas fotográficas digitais, instrumentos de medida, automatismos e também de diversos outros aparelhos eletrônicos.

No entanto, as informações disponíveis num circuito se apresentam de uma forma especial, na forma de tensões ou impulsos e isso faz com que sejam exigidos também dispositivos especiais para seu armazenamento.

O computador não é um dispositivo novo, e desde que os primeiros tipos, aparelhos de grande porte, foram inventados, as memórias sofreram uma série de aperfeiçoamentos e modificações antes de chegar ao que conhecemos hoje e que usamos em diversos aparelhos eletrônicos modernos.

13.1.2 – Bits e Bytes

Conforme os leitores sabem, as informações que "rodam" num equipamento digital, como um computador, estão na forma digital, ou seja, são dois níveis de tensões que representam o zero ou nível baixo (L0) e o "um" ou nível alto (HI). Esses níveis são denominados "níveis lógicos" e um "zero" ou um "um" consiste na unidade mínima de informação ou "bit".

Todas as informações que fazem parte de um programa, e com que os computadores e outros equipamentos trabalham, consistem em agrupamentos de zeros e uns que são denominados "palavras" ou "bytes". Já estudamos isso nos primeiros capítulos deste curso.

Figura131 – As informações na forma digital

Os primeiros tipos de memórias que foram usadas para armazenar essas informações, na forma de bytes, foram formados por anéis magnetizáveis, na disposição que é mostrada na figura 132.

Figura 132 – Organização de uma memória de núcleos magnéticos

Assim, pequenos anéis de metal eram atravessados por fios nos quais os bits eram aplicados, ou seja, níveis de tensões correspondentes aos bits.

Para armazenar o byte 100100, por exemplo, por um instante o primeiro e o quarto fios eram percorridos por uma corrente, enquanto que os demais não.

Na carreira em que estariam os anéis que iriam armazenar essas informações, o fio horizontal era percorrido por uma corrente que "habilitava" o circuito. Desta forma, somente os anéis percorridos pela corrente vertical daquela carreira eram magnetizados, registrando assim a informação.

Naquela fila tínhamos então o primeiro e o quarto anel magnetizados, e os demais não, guardando assim a "palavra" digital 100100.

Para "ler" esta informação, bastava habilitar novamente esta fila com uma corrente apropriada e, aplicando impulsos apropriados na fila vertical, obtinha-se na fila obliqua um sinal de leitura. Para os fios que passassem por um anel não magnetizado teríamos uma corrente de saída, mas ela seria diferente na saída dos anéis magnetizados, conforme mostra a figura 133.

Figura 133 – O registro dos bits numa memória magnética

Na figura 134 temos a foto de uma memória antiga deste tipo.

Figura 134 – Uma memória magnética de um computador dos anos 60 – Foto internet

Evidentemente, este processo além de ocupar um espaço razoável não era dos mais simples de operar, limitando a capacidade dos computadores antigos.

A vantagem desta memória é que ela podia guardar as informações mesmo depois que o computador fosse desligado. Tratava-se, portanto de uma "memória não volátil".

Um tipo de memória que também foi usada nos primeiros computadores era a que armazenava as informações em circuitos. A desvantagem delas era que, ao ser desligado o computador, a informação dessas memórias se perdia. Tratava-se, portanto, de uma memória "volátil".

Para armazenar uma informação no circuito eram usadas configurações que já estudamos em capítulos anteriores, os flip-flops.

Um filop-flop antigo, usando válvulas como nos primeiros computadores, é mostrado na figura 135. Já estudamos este circuito em capítulos anteriores de nosso curso.

Figura 135 – Flip-flop ou biestável com válvulas triodo

Vejamos como ele funciona:

Nos primeiros tipos de flip-flops eram usadas duas válvulas na configuração indicada, mas depois com o aparecimento do transistor, foram usados dois transistores.

Este circuito funciona como uma espécie de "gangorra" eletrônica onde quando um lado está no nível alto o outro está no nível baixo. Isso significa que, quando um transistor (ou válvula) está conduzindo (nível baixo), o outro obrigatoriamente está sem conduzir ou no nível alto. (veja mais nos capítulos anteriores deste curso).

Para cada pulso de entrada o flip-flop "muda de estado". Dessa forma, a saída do flip-flop pode estar no nível alto ou no baixo, conforme o comando que ele receba, armazenando assim um Zero ou um Um (LO ou HI). Cada flip-flop é portanto uma "memória" de um bit.

Evidentemente, para memorizar uma grande quantidade de informações seriam necessários muitos flip-flops e muitos componentes.

Com a descoberta do circuito integrado, tivemos grandes avanços na fabricação de memórias se bem que basicamente até hoje temos nos nossos computadores essas duas modalidades de armazenamento de informações.

Se para armazenar um simples bit precisamos de uma boa quantidade de componentes, o que não dizer da grande quantidade de informações com que trabalham os computadores. e maioria dos equipamentos digitais modernos.

Um computador pessoal do tipo PC, por exemplo, pode ter memórias capazes de trabalhar com 500 megabytes (500 milhões de bytes), e até mais cada byte com 8, 16, 32 e até 64 bits.

O circuito completo de um flip-flop pode ser fabricado numa pastilha de silício de alguns milímetros. Mais do que isso: numa única pastilha de silício ou "chip" podemos montar milhares e até mesmo milhões de componentes formando milhares ou milhões de flip-flops já organizados de modo a armazenar informações.

Podemos até fabricar outras configurações de componentes que sejam capazes de armazenar informações e algumas de modo permanente.

Temos então na forma de circuitos integrados dois tipos de memórias: voláteis e não voláteis, com grande capacidade de armazenamento e que são usadas não só em computadores, mas em muitas outras aplicações.

Para que os dados que devam ser gravados possam ser colocados numa memória e depois lidos, elas devem possuir uma organização que inclui a existência de pinos de acesso e também pinos de endereçamento, ou seja, pinos que possam dizer em que lugar as informações são gravadas.

Através destes pinos de endereçamento também podemos localizar a informação desejada quando ela precisa ser lida. Na figura 136 temos a organização típica de uma memória, com a utilização tanto dos termos em português como em inglês.

Figura 136 – Estrutura de uma memória

Uma memória é organizada de tal modo a conter um certo número de linhas e cada linha tem tantas posições quantos forem os bits gravados. Por exemplo, uma memória de 1024 linhas com 8 posições, pode gravar 1024 bits (1 kB) de 8 bits.

Para gravar a linha de gravação e ativada e os dados são colocados, um byte de cada vez, na linha de entrada de dados. Se a memória tiver 8 bits por linha, esta linha terá 8 entradas.

O local em que os dados devem ser gravados é então determinado pelos níveis da entrada de endereços. Por exemplo, para 1024 endereços, precisamos ter 10 linhas de endereço, para podem alcançar todas as posições, pois 2¹⁰ – 1024.

No momento em que a entrada de habilitação é ativada, os dados passam para a memória onde são gravados.

Para ler os dados, a entrada de gravação é desabilitada e, colocando o endereço da posição em que se encontrada o dado na entrada de ENDEREÇO, o dado gravado aparece na saída.

Veja que, se ligarmos na entrada de endereço um circuito sequencial de contagem, a leitura dos dados será sequencial, e eles aparecerão na ordem que foram gravados, na saída da memória;

13.2 – Tipos de Memórias

Existem diversas tecnologias para se armazenar informações em chips, levando a muitos tipos de memórias, empregadas numa infinidade de aplicações eletrônicas.

Analisemos os principais tipos de memórias:

13.2.1 - ROM

As Read-Only Memory, ou Memórias somente de leitura, são circuitos fabricados de tal forma que, no próprio processo de fabricação já são gravadas as informações que elas devem conter.

Isso é conseguido através de uma máscara que determina como vai ser o circuito integrado e que já tem em seu desenho a configuração com a informação que deve ser gravada.

A pequena pastilha de silício que contém as informações definitivas é colocada num invólucro, como o da figura 137, é utilizada.

Figura 137 – Chips de memória ROM comum

As informações contidas nesta memória, conforme o nome indica, só podem ser lidas, e não alteradas por qualquer tipo de ação externa. Em outras palavras o fabricante determina as informações que este tipo de memória vai conter antes dela ser fabricada.

Trata-se de uma memória não volátil, uma vez que as informações gravadas são retidas, mesmo depois que o circuito em que ela se encontra é desligado.

Na prática estas memórias encontram muitas aplicações como, por exemplo, reter informações importantes para o uso de um aparelho, mesmo quando ele é desligado, para que, depois ao ser ligado ele funcione normalmente.

Por exemplo, num celular elas retém as informações sobre as configurações originais do fabricante, e nos computadores estas memórias contém as informações necessárias ao processo de partida (boot) no momento em que ele é ligado.

13.2.2 - PROM

A Programable Read-Only Memory ou Memória Programável Apenas de Leitura é uma memória não volátil, pois mesmo depois que desligamos sua alimentação ela mantém ainda gravados os dados de seu interior.

A diferença, em relação ao tipo anterior, está no fato de que elas podem ser programadas pelo usuário.

Nesta memória são usados micro transistores ou ainda linhas semicondutores de silício que funcionam como fusíveis e que, portanto, podem ser "queimados" por uma corrente especial.

Na prática, estes fusíveis se fundem com uma temperatura de 1000 °C o que é obtido com uma corrente da ordem de 15 mA. Esta é então a corrente de programação deste tipo de memória.

Desta forma, quando compramos uma memória deste tipo, todos os fusíveis estão em curto (bons) e, com isso, a memória só contém zeros.

A gravação é feita queimando-se numa mesma fila os micro-fusíveis em que se deseja gravar o nível HI ou 1, conforme mostra a figura 138.

Figura 138 – Gravando uma linha de uma PROM

Com a passagem da corrente intensa os transistores-fusíveis "abrem" e neste ponto passamos a ter um nível alto ou 1 gravado.

Veja, portanto, que uma vez feita a gravação não é possível "desgravar" esta memória para fazer uma correção. Uma vez "queimado" o transistor não tem volta!

É por este motivo que dizemos que se trata de uma memória apenas de leitura se bem que possa ser gravada (programada) uma só vez: uma vez gravada não é possível alterar o seu conteúdo.

Na automação, estas memórias podem ser usadas para armazenar a rotina de funcionamento de uma máquina, determinando a sequência das funções que ela deve realizar.

Memórias deste tipo também podem ser usadas no computador para armazenar informações que vem do fabricante como, por exemplo, a inicialização do computador, pois essa informação não pode ser perdida e nem alterada pelo usuário.

As capacidades destas memórias variam muito, devendo os projetista de um circuito integrado digital escolher uma de acordo com a informação que deve armazenar.

13.2.3 - RAM

A Random Access Memory ou Memória de Acesso Aleatório é uma memória que tanto pode ser gravada como lida a qualquer momento. O termo "aleatório" significa que podemos ler ou gravar a qualquer momento uma informação que esteja em qualquer lugar desta memória.

Este tipo de memória é muito importante nos equipamentos digitais, pois ela é utilizada para guardar os dados que estão sendo usados e, portanto, estão mudando a cada instante conforme o programa "roda".

Nos computadores elas armazenam as informações que estão mudando constantemente durante a execução de um programa, a digitação de um texto, recepção de dados da internet, ou ainda o processamento de uma imagem

Estas memórias são voláteis, pois quando o computador, ou qualquer outro equipamento em que ela esteja presente é desligado, toda a informação que contém é perdida, o que significa que, se precisamos ter estas informações de modo permanente, devemos antes transferi-las para outro tipo de memória que não seja volátil.

É o que fazemos quando transferimos o resultado de um trabalho no computador para o disco rígido, para um CD ou para um pen drive.

Estas memórias são basicamente formadas por uma grande quantidade de flip-flops do tipo CMOS que são montados numa minúscula pastilha de silício, conforme mostra a figura 139.

Figura 139- Flip-flop CMOS de uma célula de memória RAM

Cada flip-flop conforme vimos, armazena 1 bit, o que quer dizer que, para armazenar 1 megabyte ou 1 milhão de bytes de 16 bits numa memória deste tipo precisamos de 16 milhões de flip-flops! A tecnologia moderna consegue "fabricar" esta enorme quantidade de flip-flops numa pastilha de silício de poucos milímetros. (Lembramos que 1 Megabyte não é exatamente 1 milhão de bytes)

Esta pastilha é colocada num invólucro, como o da figura 140, onde os pinos dão acesso aos flip-flops e a outros circuitos de controle interno.

Figura 140 – RAM em invólucro DIL e SMD. As da direita têm capacidade de 2 GB.

Veja que não é preciso ter um pino para cada flip-flop. O que se faz é "organizar" os flip-flops de modo que eles possam ser ativados por meio de endereços, conforme vimos ao analisar o funcionamento.

Por exemplo, se queremos gravar ou ler o conteúdo de um determinado byte, o que fazemos é ativar os pinos que dão seu endereço com o código correspondente, por exemplo 1010 1001. Ao mesmo tempo, informamos ao pino R/W (leitura ou gravação) se estamos lendo ou gravando uma informação.

Com isso o circuito interno, coloca nos pinos de saída o que está contido no "endereço" solicitado, tudo conforme mostra a figura 141.

Figura 141 – O processo de endereçamento

A velocidade com que isso é feito é enorme, de tal forma que podem ser realizados milhões de ciclos de leitura e gravação em cada segundo.

13.2.4 – EPROM

O nome desta memória vem da abreviação de Erasable/Programable Read-Only Memory ou Memória Programável e Apagável Somente de Leitura.

De uma maneira simples, trata-se de uma EPROM que pode ser apagada. Por este motivo, estas memórias são bastante populares entre os projetistas, pois podemos reutilizá-las muitas vezes, gravando e apagando as informações desejadas.

Esta memória é fabricada de tal forma que uma radiação ultravioleta forte pode modificar o estado de condução dos elementos do chip que armazenam a informação.

Normalmente, estes elementos contem cargas elétricas que se fixam de maneira mais ou menos definitiva em determinadas regiões quando ela é programada, determinando assim se a saída da célula vai ser um "zero" ou um "um" conforme o bit armazenado.

Para que essa informação possa ser apagada o circuito integrado possui uma janela de quartzo que deixa passar a radiação ultravioleta, conforme mostra a figura 142.

Figura 142- EPROMs comuns com suas janelas de quartzo expondo o chip

Para apagar a informação gravada, expomos as memórias à radiação de uma lâmpada ultravioleta (UV) especial, o que é feito através de um aparelho apropriado, conforme mostra a figura 143.

Figura 143 – Um apagador de EPROM

Veja a gaveta onde são colocadas as memórias que devem ser apagadas. O botão na parte superior programa o tempo de exposição.

Na figura 144 temos um apagador de EPROM de construção caseira. Observe que as lâmpadas usadas são de tipo especial, e nunca devem ficar expostas, pois são radiação é altamente perigosa, principalmente se incidir nos olhos.

Figura 144 – Um apagador de EPROM de construção caseira

Uma série popular e EPROMs é a formada pelos tipos 2708, 2716 e 2732, 2764, 27128 e 27512 com diversas capacidades e organizações. Vamos analisar as características de algumas delas de forma introdutória, já que para informações mais completas, o leitor deve consultar seus datasheets.

2716

Dependendo do fabricante e da tecnologia empregada podemos encontrar prefixos e letras intermediárias que indicam as características dos componentes. Os detalhes, evidentemente, devem ser consultados nos datasheets de cada uma, antes de se fazer sua utilização.

A 2716, conforme o nome sugere é uma memória de 16k onde temos 2k linhas de 8 bits. Trata-se de uma memória 2k x 8, como indicado nos manuais ou nos circuitos.

São então 2048 posições de memória que podem ser acessadas por 11 linhas de endereços (address lines), conforme mostra a pinagem com a tabela de informações da figura 145.

Pin Number		Description
1		A7 - Address Input
2		A6 - Address Input
3		A5 - Address Input
4		A4 - Address Input
5		A3 - Address Input
6	A2 - Address Input
7	A1 - Address Input
8	A0 - Address Input
9	Q0 - Data Input
10	Q1 - Data Input
11	Q2 - Data Input
12	Vss - Ground
13	Q3 - Data Input
14	Q4 - Data Input
15	Q5 - Data Input
16	Q6 - Data Input
17	Q7 - Data Input
18	EP - Enable Programming
19	A10 - Address Input
20	G - Output Enable
21	Vpp - Program Supply
22	A9 - Address Input
23	A8 - Address Input
24	Vcc - Positive Power Supply

Figura 145 – pinagem da memória 2716

Esta memória tem saídas tri-state, devendo ser alimentada por uma tensão de 5 V. As linhas A0 a A10 são as linhas de endereço, devendo as entradas G e EP ser colocadas no nível 0 para se ter acessos aos dados na saída.

As entradas e saídas desta memória são compatíveis com tecnologia TTL e ela pode ser encontrada em diversas versões com sufixos diferentes que indicam o tempo de acesso. Os tempos de acesso que podem variar entre 350 ns e 650 ns são parâmetros importantes ao se trabalhar com uma memória.

Eles indicam quanto tempo precisamos para transferir uma informação para a memória e quanto tempo precisamos para ler esta informação, sendo expressos em nanossegundos;

Outra memória desta família é a 2764 que tem 8 k linhas de 8 bits, conforme pinagem e tabela mostradas na figura 146.

Pin Number	Description
1	Vpp - Program Supply
2	A12 - Address Input
3	A7 - Address Input
4	A6 - Address Input
5	A5 - Address Input
6	A4 - Address Input
7	A3 - Address Input
8	A2 - Address Input
9	A1 - Address Input
10	A0 - Address Input
11	Q0 - Data Input
12	Q1 - Data Input
13	Q2 - Data Input
14	Vss - Ground
15	Q3 - Data Input
16	Q4 - Data Input
17	Q5 - Data Input
18	Q6 - Data Input
19	Q7 - Data Input
20	E - Chip Enable
21	A10 - Address Input
22	G - Output Enable
23	A11 - Address Input
24	A9 - Address Input
25	A8 - Address Input
26	NC - Not Connected
27	P - Program
28	Vcc - Positive Power Supply

Figura 146 – Pinagem da 2764

Conforme podemos ver, precisamo0s de 13 pinos de endereçamento (A0 a A12) para acessar todas as linhas disponíveis e temos 8 pinos de dados para endereçar os dados que devem ser gravados e depois acessá-los.

Neste caso também temos diversos controles externos para programar ou ler, ou ainda habilitar o chip e os tempos de acesso ou programação são dados por sufixos. A saída também é tri-state compatível com tecnologia TTL.

13.2.5 - EEPROM

O que temos é a abreviação de Electrically Erasable/Programable Read-Only Memory ou Memória somente de leitura apagável e programável eletricamente.

Estas memórias encontram cada vez maior quantidade de usos em circuitos digitais, e em muitos casos elas estão incluídas em outros chips como, por exemplo, de microcontroladores e microprocessadores.

Desta forma, muitos dispositivos que usam chips com estas memórias não necessitam de memórias externas para gravação de dados que devem permanecer mesmo depois que eles sejam desligados.

Microcontroladores, por exemplo, usados no controle de máquinas e muitos outros tipos de automação, incluem estas memórias onde um programa que determinam o que deve ser feito, mais dados, já estão gravados numa EEPROM interna.

Para programar esta memória basta usar sinais elétricos do próprio circuito, como no caso de uma RAM, e para apagar estas informações, basta aplicar um sinal elétrico de determinadas características.

Além disso, trata-se de uma memória não volátil, ou seja, uma memória que mantém as informações mesmo depois que sua alimentação seja desligada. Na figura 147 temos um exemplo de EEPROM.

Figura 147 – Dois exemplos de chips de EEPROM

Devemos ainda observar que à medida que a capacidade de armazenamento aumenta, o número de pinos também, o que pode tornar o chip muito grande, o que é um inconveniente para certas aplicações.

Assim, também existem memória deste tipo em que a gravação e a leitura podem ser feitas da forma serial, ou seja, utilizando-se apenas um pino. Conforme estudamos em itens anteriores, são usados shift registers para aplicar a informação serialmente, e depois para fazer sua leitura.

Na figura 148, temos exemplo uma memória deste tipo.

Figura 148 – EEPROM de 4k com acesso serial

13.3 - Os Conversores A/D

Equipamentos digitais, microcontroladores, controles industriais, computadores e muitos circuitos que processam dados obtidos de sensores operam exclusivamente 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, usamos uma configuração denominada conversor analógico/digital, ADC ou simplesmente conversor A/D. Esses conversores são largamente usados em placas de aquisição de dados e controle que interfaceiam computadores com dispositivos de medida.

Nos laboratórios, por exemplo, é possível usar um conversor desse tipo num sistema de aquisição de dados para converter as indicações de um sensor de temperatura, numa 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, conforme sugere a figura 149.

Figura 149 – Exemplo de aplicação para um conversor A/D

Para entender como funcionam os conversores analógicos/digitais ou analógicos-para-digitais precisamos, em primeiro lugar, entender as diferenças entre os dois tipos de grandezas.

Se usarmos um sensor, como um NTC (Negative Temperature Coefficient Resistor), para medir temperaturas, temos um sinal analógico em sua saída, ou seja, uma tensão análoga a uma determinada temperatura. Neste sensor, conforme mostra o gráfico da figura 150, temos uma correspondência direta entre a temperatura e a resistência apresentada.

Figura 150 – Curva de um NTC em função da temperatura

Na faixa de uso do sensor, existe uma correspondência dentro de uma faixa contínua de valores entre a resistência e a temperatura. Assim, para cada valor possível da temperatura existe uma correspondência da resistência que o dispositivo apresenta. Não importa quão pequena seja a variação da temperatura que ocorra a partir de um valor, teremos sempre uma variação correspondente da resistência.

Isso significa que, entre os dois extremos de temperatura em que este sensor pode ser usado, existem infinitos valores possíveis. Dizemos, nestas condições, que a faixa de cobertura deste tipo de sensor é contínua e que existe uma analogia entre a temperatura e a resistência.

Trata-se, portanto, de um sensor que fornece uma saída analógica.

Podemos converter esta saída de resistência em outras grandezas que também possam variar de maneira contínua, como uma pressão, nível de um reservatório, etc., em outras grandezas elétricas que possam variar também em faixas contínuas como a tensão e a corrente.

Podemos perfeitamente fazer com que a tensão varie de modo contínuo entre dois valores, entre os quais este sensor deve operar, conforme mostra a figura 151.

Figura 151 – Variação da tensão numa faixa da grandeza medida

Evidentemente, nem sempre as coisas são assim simples: vamos supor que em lugar de convertermos a temperatura em resistência, desejemos fazer sua indicação por uma escala de LEDs, conforme mostra a figura 152.

Figura 152- A escala em valores discretos formando uma escada

Se cada LED indicar um grau, e tivermos 10 LEDs para medir as temperaturas de 20 a 30 graus centígrados, é evidente que não podemos ter uma indicação de valores de temperaturas que não sejam representados por números inteiros. O sistema não consegue indicar 22,4 ou 22,6 graus centígrados. Ou ele indica 22 ou 23.

Se quisermos ter maior precisão na indicação com este tipo de indicador, precisamos de mais LEDs. Com 20 LEDs podemos ter a indicação de meio em meio grau na escala indicada. No entanto, o que fica claro é que, com este sistema, as indicações só podem ocorrer "aos saltos" e que estes saltos têm valores bem definidos.

Dizemos que, neste caso, a indicação ocorre de uma forma discreta e os LEDs acesos podem ser associados quantidades bem definidas ou dígitos. Assim, se vamos usar uma representação digital na forma binária, podemos associar os 10 estados indicativos dos LEDs por uma escala de 10 LEDs.

Como temos 10 estados possíveis para os LEDs, quatro bits são suficientes para representá-los todos. No entanto, se precisarmos de uma definição maior para as indicações, por exemplo, com 20 LEDs e indicação de meio em meio grau precisaremos de pelo menos 5 bits.

Na prática, as indicações que fazem a cobertura de uma escala com poucos pontos não é interessante, pois não significam uma boa precisão. Quanto mais pontos possuir a "escada" de indicações, melhor será a precisão na conversão da grandeza, por exemplo, a resistência de um sensor.

O circuito que faz este tipo de conversão é um conversor A/D ou um conversor analógico digital. Um bargraph como os usados em aparelhos de som pode ser considerado um conversor A/D simplificado.

Tanto melhor será o conversor A/D quanto mais bits de saída ele tiver.

Um conversor A/D que tenha uma saída de 4 bits tem 16 "degraus" de indicação, ou pode definir uma escala de 16 valores diferentes. Já, um indicador de 8 bits de saída, pode definir uma escala com 256 valores diferentes, um de 12 bits pode definir uma escala de 4096 pontos e um de 16 bits pode definir uma escala de 65 536 pontos, conforme mostra a figura 153.

Figura 153 – Mais bits significam maior definição e, portanto, precisão na escala

Veja então que para um conversor A/D que possa definir 256 valores diferentes numa escala de medidas tem uma precisão melhor que 0,4% e com 4096 valores diferentes numa escala de medidas temos uma precisão melhor que 0,024%.

Os conversores A/D existentes no mercado possuem justamente essas características.

13.3.1 – Os Conversores na Prática

Evidentemente, a escala de LEDs não corresponde ao que desejamos na prática para um conversor. Para 10 LEDs teremos uma saída para cada LED que farão seu acionamento direto. No entanto, não podemos ter 4096 saídas num conversor que trabalhe com uma escala de 16 bits.

Será melhor termos acesso direto aos bits e com isso dotar o circuito de 16 saídas. Na figura 154 temos um exemplo de como isso pode ser feito.

Figura 154 – O ADC de 8 saídas digitais

O circuito conta então com uma entrada em que aplicamos o sinal analógico, sendo especificada normalmente uma faixa de tensões para a conversão. Por exemplo, se o circuito converte sinais na faixa de 0 a 1 Volt, devemos cuidar para que o sensor usado (ou a fonte de informação analógica) trabalhe nesta faixa.

Um amplificador operacional pode ter seu ganho programado para fazer justamente isso. As saídas consistem, então, em 16 pinos nos quais os níveis lógicos 0 ou 1 são obtidos conforme a tensão de entrada.

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) podendo ser conectadas diretamente na porta I/O de um computador, conforme mostra a figura 155, ou ainda CMOS onde os 5 V de nível alto também pode ser usados sem problemas.

Figura 155 – Interfaceando um ADC ou conversor A/D com um PC

Basta então 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).

O valor 010010010010 (binário) lido na entrada I/O ou saída do conversor que corresponde 1070 (decimal), é equivalente a uma temperatura de 8,5644 graus centígrados.

13.3.2 – Quantização

Os valores instantâneos da tensão do sinal de entrada, que são obtidos na saída do circuito de amostragem e retenção. precisam ser convertidos para a forma digital. Este processo recebe o nome de "quantização".

Os DSPs (Processadores Digitais de Sinais – que estudaremos no próximo capítulo) processam os sinais analógicos convertidos para a forma digital fazendo uso deste processo. O que um DSP pode fazer com o sinal dependerá justamente da precisão com que a quantização é feita.

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, conforme vimos, se usamos 2 bits teremos uma precisão menor do que se usarmos 4 bits para fazer a quantização, conforme mostra a figura 156.

Figura 156 – A precisão depende da quantização

Comparando, em cada caso, os níveis quantizados nos dois exemplos, podemos perceber facilmente os erros introduzidos no processo, conforme mostra a figura 157.

Figura 157 – Porcentagem de erro introduzida com 2 e 4 bits

Nos exemplos que demos, os níveis de quantização foram muito baixos, aparecendo então grandes erros. Na prática, os DSPs usam níveis de quantização de 10 ou 12 bits e até mais, obtendo-se com isso um erro desprezível.

Lembramos que esta é uma das desvantagens de se operar com sinais na forma digital, pois a sua representação só pode ser feita em "degraus" cuja altura vai determinar o grau de precisão. Quanto maior o número de degraus que pode ser usado, maior é a precisão no valor analógico que é representado

13.3.3 – Os circuitos do Conversores A/D ou ADC

Para fazer uma conversão A/D como na escala de LEDs podemos ter circuitos relativamente simples. Uma simples escala de comparadores que tenham tensões de referência diferentes pode ser usada conforme mostra a figura 158.

Figura 158 – Um ADC de 4 LEDs usando comparadores de tensão

Cada vez que a tensão de entrada atinge o nível de disparo de um dos comparadores do conjunto, ele comuta, passando a acionar o LED correspondente ou mudando o nível lógico de sua saída.

Esse tipo é sequencial com um comportamento que não é muito interessante nas aplicações mais críticas: cada vez que um comparador comuta porque seu nível de acionamento é atingido, o anterior que estava comutado não volta ao estado inicial.

Com um circuito mais sofisticado podemos obter esta comutação e assim passar de um sistema de barra móvel para ponto móvel, conforme mostra a figura 159.

Figura 159 – Um conversor A/D tipo ponto móvel com circuito integrado

Mas, para as aplicações que envolvem a aquisição de dados, este tipo de conversor não atende às necessidades mais críticas: precisamos converter os níveis em indicações em decimal codificado em binário, binário puro, ou mesmo hexadecimal, para obter maior definição possível e compatibilizar o circuito com a tecnologia digital mais comum.

Isso pode ser feito com ajuda de circuitos mais complexos, que além dos comparadores envolvem configurações lógicas e também outros circuitos que facilitem seu uso.

Para entender melhor como funcionam estes circuitos devemos começar como o modo como a amostragem do sinal deve ser feita que é um bloco comum a todos os conversores que é o circuito de amostragem e retenção (sample and hold):

13.3.4 - O circuito de captura e retenção ou "sample and hold":

O valor dos sinais analógicos que devem ser convertidos para a forma digital, corresponde a um determinado instante cuja duração, em alguns casos não vai além de alguns milionésimos de segundo.

Assim, um primeiro bloco importante do conversor é um circuito que lê o valor do sinal a ser convertido num determinado instante, e o armazena.

Com isso, mesmo que o sinal varie depois, os circuitos que fazem a conversão têm numa memória seu valor. Esse circuito é mostrado em blocos na figura 160.

Figura 160 – O circuito de amostragem e retenção

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, ou chaveador, que determina o instante exato em que a leitura do sinal deve ser feita. A chave fecha por uma fração de segundo (numa 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.

Na figura 161 mostramos um gráfico onde representamos o modo como a tensão de entrada varia, e o circuito de amostragem e retenção mantém a saída constante, durante os intervalos de conversão (que correspondem aos "degraus").

Figura 161 – A amostragem de um sinal senoidal

Para fazer a amostragem e retenção de um sinal, para depois termos sua conversão para a forma digital existem diversos sistemas. Estudaremos a partir de agora os principais sistemas.

13.3.5 – Os sistemas de conversão

a) Sistema de conversão simultânea

O sistema de conversão simultânea (que é o mais simples) tem a configuração mostrada na figura 162.

Figura 162 – O sistema de conversão simultânea

Nesse circuito, temos uma escala de 8 valores possíveis de saída, o que pode ser coberto por um sistema de 3 bits. Trata-se, portanto, de um conversor A/D de 3 bits.

Os comparadores possuem em suas entradas de referência tensões escalonadas que determinam o instante em que eles devem comutar. Assim, para 8 níveis de acionamento, temos 7 tensões escolanadas de 1/8 a 8/8 de Vcc, que é a máxima tensão que o circuito pode medir em sua entrada.

Evidentemente, esse tipo de circuito está seriamente limitado pela quantidade de comparadores que podemos usar. Para um sistema de 16 bits, por exemplo, seriam necessários 4095 comparadores!

Voltando ao circuito, os níveis lógicos obtidos nas saídas dos comparadores são sequenciais, conforme vimos. Para se obter uma saída codificada em binário, precisamos usar uma matriz codificadora.

Esta matriz pode ser elaborada nesta configuração mais simples a partir de inversores, portas AND e portas OR. Obtemos, com isso, na sua saída sinais que correspondem aos 8 níveis de tensão possíveis, a saber:

000

001

010

011

100

101

110

111

Neste circuito temos um sistema adicional de RESET e porta de leitura (READ). A porta de leitura é interessante, pois ela permite transferir os dados digitais ao circuito externo somente no instante que desejarmos. Assim, podemos dar tempo ao circuito para se estabilizar.

Isso pode ser importante se usarmos sensores rápidos, impedindo que, na saída, os valores oscilem rapidamente, o que causaria uma interpretação errática do computador ou microprocessador onde ele está ligado.

Aplicando nessa entrada (READ) um pulso de curta duração, lemos o valor digitalizado naquele instante. No circuito indicado, este valor é armazenado em um registrador formado por um conjunto de flip-flops.

Assim, este valor se fixa na entrada e pode manter acionado, por exemplo, um indicador. Para a leitura seguinte, o valor armazenado no registrador precisa ser apagado antes de ser feita nova leitura. Isso é conseguido por meio de um pulso de RESET.

b) Circuito de Conversão Por Contador

Na figura 163 temos um diagrama de blocos de um conversor que usa esta técnica.

Figura 163 – Um conversor por contador

Destaca-se neste circuito o comparador único que tem duas entradas. Numa entrada é aplicado o sinal que vai ser medido (uma tensão dentro de uma determinada faixa de valores). Na outra entrada aplicamos um sinal que é produzido por um gerador especial denominado "gerador de escada".

Este sinal consiste numa tensão que sobe "aos saltos", com tantos degraus quantos sejam necessários à saída digital. Por exemplo, num conversor de 8 bits, este sinal consiste em 256 "degraus" iguais de tensão.

Um sinal deste tipo pode ser gerado facilmente por um oscilador de clock que aplica seu sinal a um contador ligado a uma rede R/2R, conforme mostra a figura 164.

Figura 164 – O gerador de escada

Observamos que o clock deste circuito é habilitado pelo próprio circuito comparador. Assim, supondo que exista uma certa tensão na entrada. e a conversão é habilitada, o oscilador de clock entra imediatamente em funcionamento. Supondo que o contador esteja zerado, começa então a produção da "escada" de tensão que passa a ser aplicada ao comparador.

No instante exato em que a escada gera um degrau que se iguala à tensão de entrada, o comparador comuta. O resultado disso é a parada do clock e. portanto. da contagem. Neste instante o contador terá registrado o número de degraus contados, ou seja, ele saberá em que valor binário ocorreu a comutação.

Basta então transferir este valor para o circuito externo, o que pode ser feito da mesma forma que no processo anterior através de um registrador. Para nova conversão, o que pode ser feito uma fração de segundo depois, ou quanto tempo for necessário, basta ressetar o contador e reabilitar o clock.

Conversor de aproximações sucessivas

Na figura 165 temos um diagrama de blocos que representa este tipo de conversor e por onde faremos a análise de seu funcionamento.

Figura 165 – O conversor de aproximações sucessivas

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 independentemente 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, ligado à entrada do comparador e, ao mesmo tempo, dispara o circuito de clock do setor de conversão digital.

Ao iniciar a conversão, o registrador 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 sinal de 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, testando-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 166.

Figura 166 – Neste processo, o valor da saída converge para o valor desejado

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.

Conversores de Rampa Única

Este tipo de conversor se enquadra numa nova categoria formada pelos 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 167 temos um diagrama de blocos que corresponde a um conversor deste tipo, e que serve de referência para nossa análise de funcionamento.

Figura 167 – Diagrama de blocos de um conversor de rampa única

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 a contagem se detém.

A velocidade de subida da tensão na saída 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 corresponda 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 168 temos as formas de onda deste circuito.

Figura 168 – Funcionamento de um conversor de rampa única

Conversores de Rampa Dupla

Um tipo que tem um desempenho melhor que o anterior é o conversor de rampa dupla, cujo diagrama de blocos é mostrado na figura 169.

Figura 169 – O conversor de rampa dupla

Nesse circuito, o sinal amostrado e o sinal de uma fonte de referência são chaveados pelo clock de controle, sendo então 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

Este 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 se torna 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 170 representamos isso de uma forma simples.

Figura 170 – O conversor A/D do tipo sigma-delta

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, o que nos leva à representação de um bit apenas em (b) e, além disso 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 171.

Figura 171 – ADC Sigma-Delta

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.

Encontramos, na prática, 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 saídas podem ser obtidas.

Com a disponibilidades de microprocessadores 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 características 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.

Estes 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, se pode selecionar digitalmente por entradas apropriadas quais sensores (ou entradas de dados) serão lidas, jogando-se os valores na saída, conforme mostra a figura 172.

Figura 172 – Um conversor A/D com diversas entradas

c) velocidade

Na prática, podemos encontrar 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.

Outra aplicação consiste em converter um sinal de áudio para a forma digital, para fazer sua transmissão a um circuito de processamento remoto, caso em que 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.

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, microprocessadores 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 173.

Figura 173 – A linearidade de um ADC

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.

13.4 – Os DACs

Um DAC ou Conversor Analógico-para-Digital, converte sinais digitais para uma forma analógica sendo, portanto, o inverso do ADC.

Os DACs são geralmente formados por uma rede R-2R, conforme mostra o circuito básico da figura 174.

Figura 174 – Circuito básico de um DAC

Em lugar das chaves mecânicas, como indicado nesse circuito, podem ser usados os próprios níveis digitais de um circuito.

A comunicação com o circuito de controle pode ser tanto paralela, com cada chave eletrônica acionada por uma linha de controle ,como serial em que existe uma entrada e o sinal digital é decodificado para acionamento das chaves.

Nas aplicações em que a velocidade é um fator importante, o uso da comunicação paralela é melhor. No entanto, se a velocidade não for importante pode ser usada a interface serial, mas mesmo assim, com tecnologias modernas, podemos chegar a velocidades superiores a 20 MHz, sem problemas. Uma interface de dois fios chega a mais de 3 MHz.

Os DACs possuem amplificadores integrados o que lhes permite excitar cargas de baixa impedância.