aula-2016-6-conversor-analogico-e-digital

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6. Conversor Analógico e Digital
 
Funções geradas por blocos funcionais analógicos são muitas
vezes processadas por circuitos digitais (por exemplo, um
computador). Para processar este sinal usando circuitos digitais,
deve-se necessariamente efetuar uma conversão para a forma
digital . Tal conversão é efetuada por um conversor
analógico/digital ("A/D converter" ou ADC). Este sinal processado
(ou transformado) deve (na maioria das vezes) atuar, produzindo
um efeito sobre o circuito analógico que gerou o sinal original, ou
outro similar.
Um sinal na forma digital, para ser processado por um bloco
funcional analógico, deve ser previamente convertido (ou
reconvertido) para a forma analógica equivalente. Este processo
reverso é efetuado por um conversor digital/analógico ("D/A
converter" ou DAC).
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Discutir-se-á a seguir alguns conversores, iniciando pelos D/A.
Adota-se esta seqüência por considerar-se a mais didática dado a
simplicidade destes conversores.
 
6.1. Conversores D/A
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Sistemas que aceitam uma palavra digital como entrada e
traduzem ou convertem para uma voltagem ou corrente
analógica são chamados de conversores digitais/analógicos.
 
CONVERSOR D/A DE RESISTORES COM PESOS PONDERADOS
 
("D/A Converter with Binary-Weighted Resistor")
 
É o mais simples dos conversores D/A. Construído a partir de um
circuito básico de resistores em paralelo controlado por corrente,
onde a corrente é somada num ponto em comum, passando por
um resistor de carga, criando assim uma saída analógica. Os
valores dos resistores são distribuídos ponderadamente, de
forma a Obter pesos de acordo com a numeração binária.
A numeração binário codificado decimal (BCD) usa quatro bits
para representar números decimais de 0 a 9. O bit menos
significativo (LSB) é expresso como (valor do bit x 20), o próximo
bit como (valor do bit x 21), o terceiro como (valor do bit x 22), e
o bit mais significativo (MSB) como (valor do bit x 23). Assim o
peso de cada coluna da direita para a esquerda é 1, 2, 4 e 8.
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Figura 6.2 Conversor D/A usando resistores com pesos ponderados
Fonte: http://www.din.uem.br
 
 
Nesta linha de raciocínio, num circuito conversor D/A que recebe
um número BCD a ser convertido em analógico, o LSB deverá ser
apresentado para um resistor de entrada com o maior valor de
resistência do circuito, o segundo com a metade do LSB, o
terceiro com um quarto do LSB e o MSB com um oitavo do LSB. A
saída é então a soma das quatro voltagens atenuadas. Note que
o maior valor de resistência refere-se ao LSB porque ele causa o
menor fluxo de corrente resultante.
O resistor de carga (RL ) que é utilizado para criar a voltagem de
saída (Va), que nada mais é, que uma diferença de potencial
(ddp) intermediária, calculada entre o ponto onde as correntes
são somadas (Va) e o terra.
A relação entre o valor de resistência de RL e de Req deve ser tal
que RL esteja entre o valor médio e o menor valor de Req (1KW 500W). Isto deve-se ao fato de que a ddp sobre RL não deve
ser nem muito maior nem muito menor que a ddp sobre Req.
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A seguir apresenta-se um estudo onde é determinado a melhor
relação entre RL e Req, baseado num exemplo de um conversor
D/A para os seguintes valores de resistências:
R0= 8 K; R1= 4 K; R2= 2 K; R3= 1 K;
 
para RL foram testados cinco valores, são eles: 100 , 500 , 1 K , 2
K e 15 K .
Figura 6.3 Diagrama esquemático do conversor ponderado
Fonte: http://www.din.uem.br
 
 
Para se encontrar o valor de Va, deve-se inicialmente encontrar o
valor da resistência eqüivalente (Req) dos resistores em paralelo.
É considerado apenas o valor das resistências que estão ligadas
ao 5V, desta forma encontra-se 16 valores de Req,
correspondentes as 16 possibilidades de entrada digital.
Somando-se a resistência equivalente com a de carga (RL)
obtém-se a resistência equivalente total do circuito.
 
A corrente total é obtida pela lei de Ohm (I = V / R), onde V = 5
Volts e R = Req+RL. Desta forma, ao obter-se a corrente total do
circuito, que passa igualmente por Req e por RL, pode-se
também, obter o valor correspondente a conversão da entrada
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digital, através da fórmula Va = RL * I.
 
A seguir é mostrado o gráfico resultante referente aos cinco
valores de RL. O eixo X representa as entradas digitais e o eixo Y
as possíveis saídas analógicas, proporcionais às entradas.
Figura 6.4 Gráfico Entrada Digital x Saída Analógica
Fonte: http://www.din.uem.br
 
Conclusão: para um valor muito baixo de RL a ddp sobre Req é
dominante, provocando uma faixa de valores para Va muito
pequena, já para o inverso a ddp sobre RL é excess ivamente
dominante. No caso onde é utilizado um valor médio, obtém-se
um gráfico mais linear aproximando-se da idealidade.
Frequentemente é utilizado um amplificador operacional na saída
analógica, projetado para atingir os níveis de tensão e corrente
desejados.
Utilizando-se esta configuração, o resistor de carga é substituído
pelo circuito de amplificação, onde, o Rf tem o mesmo valor que
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o menor resistor ( neste exemplo: Rf = R3)
 
A voltagem de saída é dada por:
Figura 6.6 Conversor A/D comparador paralelo
Fonte: http://www.din.uem.br
 
6.2 Conversores A/D
 
Frequentemente, é requerido a conversão de dados obtidos em
um sistema físico na forma analógica para a forma digital.
Conversores A/D são utilizados para conversão da forma
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analógica para a digital.
 
 
 
CONVERSOR A/D COMPARADOR PARALELO
 
("Parallel-Comparator A/D Converter")
 
É o mais rápido dos conversores A/D, mas é expressivamente
caro, visto que necessita de 2N-1 comparadores para um
conversor de N bits.
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Figura 6.6 Conversor A/D comparador paralelo
Fonte: http://www.din.uem.br
 
 
 
No exemplo, o sinal analógico a ser convertido é aplicado
simultaneamente aos sete comparadores com um limiar
("treshold") ou voltagem de referência igualmente espaçados. As
referências são portan to, Vref/8, 2Vref/8, etc.
 
A saída Y será baixa para todos comparadores com limiar maior
que a entrada analógica respectiva (Vref > Ve; Y=0). E Y será
alta para todos os comparadores com limiar menor que a entrada
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analógica ( Vref