Conversores de Sistema Analgico para DigitalAndr Nogueira Guedes Fbio de Paiva Cota Marcos Antnio Maia Jr. Milton Martins Vicente Toufic Haddad ReisJunho/2009

IntroduoO conversor analgico-digital (A/D) um

dispositivo eletrnico capaz de gerar uma representao digital de uma grandeza analgica. Por exemplo, um conversor A/D de 10 bits, pode gerar nmeros binrios de 0 (0000000000) a 1023 (1111111111) (ou seja, capturar 1024 pontos do sinal). 1111111111=20+21+22++27+28+29=1023

ExemplosQuando

voc utiliza o seu scanner para capturar uma imagem o que acontece na verdade uma converso de um sinal analgico para digital: isto feito pegando a informao analgica fornecida pela imagem (luz) e convertendo-a em sinal digital.

ExemplosQuando se fala ao

telefone, a voz convertida em um sinal digital j que sua voz um sinal analgico e a comunicao entre as comutadoras de telefonia feita digitalmente.

ExemplosQuando um CD de

udio gravado em um estdio, mais uma vez uma converso analgico/digital acontece, convertendo os sons em nmeros que sero armazenados

Sinal DigitalExistem

algumas razes para usar sinais digitais em vez de analgicos, sendo o rudo a principal delas. Como os sinais analgicos podem assumir qualquer valor, o rudo interpretado como sendo parte do sinal original. Por exemplo, quando se ouve msicas de um disco de vinil, pode-se ouvir rudos porque a agulha do tocadiscos analgica e no sabe a diferena entre a msica originalmente gravada e o rudo inserido por poeira ou arranhes.

FuncionamentoO

que o conversor analgico/digital faz capturar amostras do sinal analgico ao longo do tempo. Cada amostra ser convertida em um nmero, levando em considerao seu nvel de tenso. Na Figura pode ver um exemplo de alguns pontos de amostragem em nosso

Sinal analgico. O eixo x representa a tempo enquanto que o eixo y representa a tenso.

ResoluoA freqncia com que a amostragem ir

ocorrer chamada de taxa de amostragem. Se uma taxa de amostragem de 22.050 Hz for usada, por exemplo, isto significa que em um segundo 22.050 pontos sero capturados (ou sampleados). A distncia de cada ponto capturado ser de 1 / 22.050 segundo (45,35 s, neste caso).

ResoluoO

valor de cada ponto capturado ser armazenado em uma varivel de comprimento fixo. Se esta varivel for de oito bits, isto significa que ela poder armazenar valores entre zero e 255 (28= 256). Se esta varivel for de 16 bits, isto significa que ela poder armazenar valores entre zero e 65.535 (216 = 65.536). E assim por diante. Portanto, um conversor A/D de 8 bits o menor valor ser zero e o maior valor ser 255. Se um conversor analgico/digital de 16 bits for usado, o menor valor ser zero e o maior valor ser 65.535.

ResoluoPara saber o nmero de bits necessrios para

um conversor A/D calcular o nvel de rudo desejvel. Como os valores capturados do sinal analgico original precisaro ser "arredondados" para o valor digital equivalente mais prximo, isto resulta no que chamamos de rudo de quantizao. O nvel de rudo tolervel depende da aplicao. O sistema telefnico pode ter um nvel de rudo maior do que um aparelho de CD, por exemplo, j que queremos ouvir nossos CDs com a melhor qualidade possvel.

ResoluoA relao sinal/rudo (SNR), que mede o nvel

de rudo, pode ser facilmente calculada atravs desta frmula, onde n o nmero de bits usado no conversor A/D: SNR = 6,02 x n + 1,76 dB Quanto maior a relao sinal/rudo (SNR), melhor. Um conversor A/D de 8 bits fornece uma relao sinal/rudo de 49,8 dB, enquanto que a relao sinal/rudo de um conversor de 16 bits de 98 dB (que , a propsito, um valor praticamente sem rudo).

ResoluoO sistema telefnico, por exemplo, utiliza uma

taxa de amostragem de 8.000 Hz e cada amostra armazenada em uma varivel de oito bits. Portanto, a taxa de transmisso de uma converso analgico/digital de 64.000 bits por segundo (8.000 x 8) ou 64 Kbps. Se voc deseja gravar uma conversa telefnica, o espao em disco necessrio seria de 8.000 bytes por segundo (64.000 / 8) ou 480.000 bytes por minuto (8.000 x 60).

Estrutura do conversor A/DO

conversor analgico/digital pode ser exemplificado como sendo uma caixa fechada, como mostra na Figura.

Tipos de ConversoresExistem vrias maneiras de construir um

conversor A/D e pode-se dividir em quatro grupos principais:Projeto Paralelo (tambm conhecido como

flash); Projeto baseado em um conversor digital/analgico (exemplos: contador de rampa, contador de rampa contnuo e aproximao sucessiva); Projeto baseado em um Integrador (exemplos: por inclinao nica e por dupla inclinao); Projeto sigma-delta (tambm conhecido como

Conversor A/D paraleloEle funciona comparando a tenso de entrada

o sinal analgico com uma tenso de referncia, que seria o valor mximo obtido pelo sinal analgico. Por exemplo, um conversor A/D de 8 bits quando o sinal de entrada atinge os 5 volts encontraramos um valor de 255 (11111111) na sada do conversor A/D, ou seja, o valor mximo possvel. A tenso de referncia reduzida por uma rede de resistores e outros comparadores so adicionados para que a tenso de entrada (sinal analgico) possa ser comparada com

Conversor A/D paraleloNa Figura pode ver

um conversor A/D paralelo de 3 bits. A comparao feita atravs de um amplificador operacional. Todos os resistores tm o mesmo valor.

Conversor A/D paraleloApesar

de usarem um projeto simples, eles requerem uma quantidade grande de componentes. O nmero de comparadores necessrios de 2n-1, onde n o nmero de bits da sada. Para um conversor A/D paralelo de oito bits so necessrios 255 comparadores, e para um conversor A/D paralelo de 16 bits so necessrios 65.535 comparadores! Por outro lado, o conversor A/D paralelo o circuito conversor A/D mais rpido disponvel. O equivalente digital do sinal analgico estar disponvel imediatamente em sua sada (teria apenas o atraso de propagao inserido pelas portas lgicas) da o nome flash (veloz).

Conversor A/D paraleloGeralmente

conversores A/D tm uma sada linear, ou seja, cada nmero digital corresponde a um aumento fixo na entrada analgica. Por exemplo, para um conversor A/D de 3 bits, que tenha um valor de referncia de 5 V, cada nmero digital representaria 625 mV (5 V / 23).

Conversor A/D paraleloUma outra vantagem, o ajuste do conversor

para se ter uma sada no linear, j que as comparaes do conversor A/D paralelo so configuradas por um conjunto de resistores, pode-se configurar diferentes valores para os resistores de modo a obter uma sada no linear, ou seja, um valor representaria um degrau de tenso diferente dos outros valores.

Conversor A/D Contador de Tambm chamado conversor A/D de rampa Rampa

digital, mostrado na Figura. Vin a entrada analgica e Dn at Do so as sadas digitais. A linha de controle serve para ligar o contador (quando ela est baixa) ou para deslig-lo (quando ela est alta).

Conversor A/D Contador de RampaO problema principal com este circuito que

ele muito lento, j que ele precisa de at 2n-1 pulsos de clock para converter cada amostra. Para um conversor A/D de 8 bits, seriam necessrios 255 pulsos de clock para converter uma nica amostra. Para um conversor de 16 bits seriam necessrios 65.535 pulsos de clock para converter uma nica amostra.

Conversor A/D de Aproximao SucessivaConversor A/D clssico, sendo o mais usado.

Ele mostrado na Figura. Vin a entrada analgica e Dn at Do so as sadas digitais.

Conversor A/D de Aproximao SucessivaUma grande vantagem deste circuito o uso

de um buffer de sada que permite ao circuito que est sendo alimentado pelo conversor A/D ler o dado digital enquanto o conversor A/D j est trabalhando na prxima amostra.

A/D contador de rampa, j que utiliza um contador, mas em vez de usar um conversor D/A para gerar a tenso de comparao, ele utiliza um circuito chamado integrador, que basicamente formado por um capacitor, um resistor e um amplificador operacional.

Conversor A/D por muito parecido com nica Inclinao o conversor

Conversor A/D por Inclinao nicaApesar desta implementao ser mais simples

do que o contador de rampa, ela ainda baseada em um contador e sofre dos mesmos problemas bsicos encontrados no contador de rampa: velocidade. Ele requer at 2n-1 pulsos de clock para converter cada amostra.

Conversor A/D por dupla Esse conversor resolve um problema inerente Inclinao

da implementao por inclinao nica: o circuito sai de calibrao ao longo do tempo, que leva perda de preciso porque o integrador no est ligado ao sinal de clock.

Conversor A/D Sigma um conversor A/D de 1 bit ou conversor A/D Delta por sobre-amostragem. Pode-se dividi-lo em

dois blocos principais: modulador analgico, que pega o sinal analgico e o converte em uma cadeia de bits, e filtro digital, que converte o sinal em srie do modulador em um nmero digital usvel.

Modulador AnalgicoParecido com um conversor A/D por dupla

inclinao, apesar de usar um conversor D/A de 1 bit como realimentao.

Uso do Filtro DigitalFiltro passa baixa, funo de remover os

rudos, aumentando assim a relao sinal/rudo.

FIM!