O bloco de entrada de DSPs, microcontroladores, placas de aquisição de dados e de muitos outros circuitos usados em instrumentação eletrônica é o conversor analógico/digital, conversor A/D ou ainda ADC, como é conhecido de suas iniciais em inglês. Como funcionam os diversos tipos de conversores A/D é o assunto deste artigo de grande importância para técnicos em instrumentação, DSP, microcontroladores ou ainda estudantes que não podem deixar de incluir esta literatura em seu arquivo para consultas.
A transformação de uma informação que se encontra na forma analógica, como por exemplo a tensão ou corrente entregue por sensores, para a forma digital é um bloco fundamental em muitos projetos que envolvem instrumentação e controle.
Placas de aquisição de dados, utilizadas em instrumentação virtual, DSP (Digital Signal Processors) ou processadores digitais de sinais, microcontroladores são apenas alguns exemplos em que esta transformação é essencial.
Figura 1 - Placas de aquisição de dados da NATIONAL INSTRUMENTS com 64 entradas analógicas, 16 bits de resolução e velocidade de 1,25 MSPS,
A conversão de dados que se encontram na forma analógica para a forma digital de modo que os circuitos processadores possam utilizá-los é feita por um circuito denominado "conversor analógico digital" ou abreviadamente conversor A/D ou ainda ADC.
Todo profissional de eletrônica que pretende trabalhar com qualquer dos equipamentos ou circuitos indicados precisa saber como funciona o conversor A/D.
A FUNÇÃO DO CONVERSOR A/D
A maioria dos dados obtidos de sensores comuns como sensores de temperatura, intensidade luminosa, posição, pressão, etc. fornecem sinais analógicos, ou seja, uma tensão que é proporcional à grandeza medida e que varia de forma contínua numa faixa de valores, conforme mostra a figura 2.
No entanto, a maioria dos equipamentos modernos que fazem a aquisição de dados destes sensores, que utilizam estes dados para controle de processos ou simplesmente medida, trabalha com técnicas digitais.
Isso significa que o dado analógico, uma grandeza que varia de forma contínua numa faixa de valores, precisa ser convertido para a forma digital, conforme mostra a figura 3.
Para fazer esta conversor são utilizados circuitos denominados conversores A/D que precisam preencher certos requisitos importantes quanto ao seu desempenho.
Desta forma, alguns termos precisam ser definidos para entendermos melhor como os conversores A/D funcionam:
a) Resolução
Entre os dois valores extremos da escala de valores analógicos que devem ser convertidos para a forma digital existem infinitos valores intermediários, ö que justamente caracteriza uma grandeza que varia de uma forma análoga ou analógica.
No entanto, quando passamos um valor qualquer entre os dois valores extremos incluindo-os, não podemos representar qualquer quantidade, pois precisaríamos para isso um número infinito de bits.
Assim, por exemplo, se utilizarmos na conversão 4 bits, teremos a possibilidade de representar apenas 16 valores na escala toda de valores analógicos e se usarmos 8 bits poderemos representar 256 valores, conforme mostra a figura 4.
Se tivermos uma escala de 0 a 8 volts por exemplo, e usarmos 4 bits para a conversão, os "degraus" da escada de conversão terão 0,5 volts de altura o que significa que este conversor terá uma resolução de 0,5 volts.
Se usarmos um conversor A/D de 8 bits (256 "degraus" de resolução) para fazer um voltímetro de 0 a 10 volts, por exemplo, a resolução deste voltímetro será de 10/256 ou pouco menos de 0,04 volts.
Este comportamento "digital" pode ser observado em muitos instrumentos comuns como os multímetros digitais em que, se a grandeza medida estiver num valor intermediário entre dois degraus da resolução do conversor A/D, o valor apresentado no display oscila entre eles.
Evidentemente, tanto maior é a precisão na conversão quanto mais bits forem usados pelo conversor. Tipos com 8 a 16 bits são comuns nas aplicações industriais e de medida, dependendo a quantidade de "passos" desejado na conversão ou a resolução.
b) Velocidade de amostragem
Muitos processos de aquisição de dados de sensores, de processos ou outras aplicações precisam ser rápidos. Uma placa de aquisição de dados de um instrumento de medida que projete uma forma de onda, desenhe um gráfico na tela de um PC representando um processo dinâmico ou mesmo um instrumento digital simples como um multímetro, precisam estar constantemente em andamento.,
Um osciloscópio digital, por exemplo, deve medir as tensões instantâneas de um sinal em diversos pontos ao longo de um ciclo para poder "desenhar" esta forma de onda com precisão na tela.
Se a frequência do sinal for alta, isso significa a necessidade de se fazer amostragens num tempo extremamente curto.
Os conversores A/D podem ser encontrados em tipos que têm frequências de amostragens numa ampla escala de valores.
Os tipos mais rápidos têm suas velocidades especificadas em MSPS (Mega Samples Per Second ou Mega Amostragens Por Segundo).
Uma máquina industrial ou um instrumento de uso geral como um multímetro podem usar conversores A/D relativamente lentos com taxas ou velocidades de amostragens de até algumas amostragens por segundo. Um multímetro digital comum, por exemplo, faz de 1 a 10 amostragens por segundos apenas dependendo do tipo. No entanto, um osciloscópio digital ou virtual que precise observar uma forma de onda de 10 MHz, deve, para ter uma definição razoável realizar pelo menos 100 milhões de amostragens por segundo (10 pontos por ciclo).
c) 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 5.
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.
AS TECNOLOGIAS
Para fazer a conversão de sinais analógicos para a forma digital existem diversas técnicas que são empregadas nos circuitos comerciais, muitas delas encontradas em circuitos integrados que são "embutidos "(embedded) em aplicações mais complexas que fazem o controle de máquinas e equipamentos.
Analisamos as tecnologias mais empregadas para esta finalidade começando com bloco comum a todos os conversores que é o circuito de amostragem e manutenção (sample and hold).
O circuito de captura e manutenção:
O valor dos sinais analógicos que devem ser convertidos para a forma digital correspondem 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 de modo que, mesmo que o sinal varie depois, os circuitos que fazem a conversão têm numa memória seu valor.
Este circuito é mostrado em blocos na figura 6.
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 deste circuito temos uma chave eletrônica ou chaveador que determina o instante exato em que a leitura do sinal deve ser feita. A chave fecha então 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 então mantida no circuito conversor através de um buffer de saída durante o tempo que ele necessita para isso.
Na figura 7 mostramos um gráfico que mostra de que modo 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").
a) CONVERSOR A/D COM COMPARADOR EM PARALELO
Este é um tipo de conversor que é enquadrado na família dos conversores de transformação direta.
Na figura 8 temos um diagrama de blocos a partir do qual analisaremos seu princípio de funcionamento.
Um conjunto de comparadores de tensão é ligado em paralelo tendo na entrada de referência uma "escala de resistores" que determina a tensão com que cada um deve comutar.
Na saída dos comparadores temos um codificador que transforma as informações para um formato que possa ser processado por circuitos digitais, ou seja, níveis lógicos 1 e 0 de valores correspondentes à combinação de comparadores que comuta.
Quando um sinal é aplicado à entrada, dependendo de sua intensidade, um determinado número de comparadores vai comutar. Por exemplo, se o sinal tem 5 volts de amplitude e a escala de resistores tem passos de 1 volts, 5 comparadores serão comutados. Os sinais destes comparadores passam então pelo codificador que fornece o valor correspondente na forma digital.
Se bem que a grande vantagem deste tipo de conversor seja sua velocidade que pode ser tal que uma conversão dure apenas nanosegundos, ele têm uma séria limitação: precisamos de tantos comparadores quantos sejam a definição do conversor.
Assim, para um conversor de 8 bits que nos leva a 256 "degraus" na escala de conversão, precisaremos de 256 comparadores.
b) CONVERSOR A/D COM RAMPA EM ESCALA
Este tipo de conversor também recebe a denominação de "conversor-contador".
Na figura 9 temos um diagrama de blocos que nos permite entender melhor como ele funciona.
Neste conversor tão logo o circuito de amostragem e retenção tenha em sua saída o valor analógico a ser convertido, no caso uma tensão, e a aplica a entrada do comparador, um contador entra em ação disparado pelo próprio comparador que controla um clock.
A contagem digital deste circuito vai para um conversor D/A, ou seja, analógico digital que vai gerando tensões crescentes de acordo com a contagem e vai aplicando-as à outra entrada do comparador.
Quando esta tensão se iguala à tensão de entrada vinda do circuto de amostragem e retenção o comparador comuta e a contagem cessa.
O valor em que parou a contagem corresponde então justamente ao sinal de entrada mas já na forma digital podendo então ser levado aos buffers de saída.
Este circuito tem duas desvantagens que devem ser levadas em consideração num projeto:
A primeira é a velocidade baixa de conversão. Para um conversor de 8 bits, por exemplo, precisamos esperar que o circuito conte até 256 para fazer a conversão, o que significa que a velocidade estará limitada a uma fração muito pequena do clock usado.
A segunda é que a velocidade de conversão depende da tensão de entrada. Se o valor amostrado é pequeno o contador só conta até ele rapidamente e a conversão é feita. Se o valor é grande, no final da escala, temos de esperar uma contagem mais demorada.
c) CONVERSOR DE APROXIMAÇÕES SUCESSIVAS
Na figura 10 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 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, aplicado 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 a entrada de referência do comparador é maior que a de entrada, isso é 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 temos 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 é preciso esperar a contagem até o final, conforme mostra o gráfico da figura 11.
Veja que enquanto num conversor de 8 bits pelo método de rampa em escala é preciso esperar a contagem até 256, neste 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
Este tipo de conversor se enquadra numa nova categoria que são os que utilizam integradores sendo mais simples que os anteriores pois ão precisam de conversores D/A. Os voltímetros digitais, em sua maioria utilizam circuitos deste tipo.
Na figura 12 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 para a contagem.
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 13 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 14.
Neste 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
Um das mais importantes técnicas de conversão analógica para digital é a Sigma-Delta. Usada nos casos em que se deseja uma altíssima velocidade de conversão como nos DSPs este tipo de conversor será analisado oportunamente em separado.
CONCLUSÃO
A necessidades de se converter sinais analógicos extremamente rápidos para a forma digital, como por exemplo em DSPs que processam imagens em tempo real ou que sejam indicados para aplicações muito complexas, leva a necessidade de se ter conversores A/D extremamente rápidos.
Por outro lado, processos de controle de máquinas e mesmo de eletrônica de consumo e automação nem sempre exigem conversores rápidos. Neste caso, pode ser muito mais importante a linearidade e a definição.
Os projetistas que hoje desejam fazer o projeto de uma placa de aquisição de dados, de um controle industrial usando ou mesmo uma automação mais simples podem contar com uma infinidade de conversores A/D.
Conhecendo o princípio de funcionamento, sabendo como usá-los ficará muito mais fácil escolher o tipo correto para uma determinada aplicação.
