CONVERSORES D/A OU
A/D
Conversores
de sinais analógicos para sinais digitais ou de sinais digitais para sinais
analógicos
Um DAC (em
língua inglesa Digital-to-Analog
Converter), e em
português Conversor digital-analógico, é um circuito
eletrônico que tem por finalidade transformar uma grandeza digital (código
binário) para uma grandeza analógica (uma tensão ou uma corrente elétrica) e
vice-versa. Em muitos casos, há grandezas
analógicas que precisam ser convertidas em digitais, como, por exemplo, a saída
de tensão de um sensor de temperatura de um termômetro digital. Em outros
casos, a operação inversa é usada.
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.
Figura 1 - Computador "conversando" com o ambiente
externo
1. Conversores D/A
1.1 Conversor
D/A de resistores com pesos ponderados
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 x23). Assim o
peso de cada coluna da direita para a esquerda é 1, 2, 4 e 8.
Figura 2 - Conversor D/A usando resistores com pesos
ponderados
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. O maior valor de resistência refere-se ao LSB já que ele
causa o menor fluxo de corrente resultante.
O resistor de carga (RL) que é
utilizado para criar a voltagem de saída (Va) é 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 (resistência equivalente) deve ser tal que
RL esteja entre o valor médio e o menor valor de Req (1KR
< RL > 500R). 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.
1.2 Conversor D/A com rede tipo R-2R
Faz a conversão digital-analógica
com a vantagem de utilizar apenas dois valores de resistores:
Levando
em conta que A1 é o Bit mais significativo e o LSB o menos significativo.
Supondo que A1A2A3A4 = 1000,
teremos:
Calculando
o resistor equivalente antes a entrada A1 teremos:
A1A2A3A4
|
Vs
|
0
1 0 0
|
 |
0
0 1 0
|
 |
0
0 0 1
|
 |
Assim
teremos:
1.3 Conversor
D/A com amplificador operacional
O circuito a seguir, é um exemplo de
circuito para converter sinais digitais para sinais analógicos, e que para
isso, utilizou-se um circuito com amplificador operacional somador-inversor.
No circuito acima, temos R como o
resistor com menor valor de resistência que corresponde ao Bit 3. Sendo assim,
os resistores que sucedem aos seus respectivos Bit’s são maiores ao seu valor,
portanto, o resistor que corresponde ao Bit 0 é 8 vezes maior que o resistor
que corresponde ao Bit 3. O circuito tem como realimentação o R0, que definirá
qual será o valor do ganho na tensão de saída (Vout). A seguir temos uma tabela
que corresponde entre os códigos digitais
de entrada e as tensões analógicas de saída quando o valor de entrada é igual a
5 V (Vi=5V).
A saída analógica Vout é dada por:
2. Conversores A/D
2.1 Conversor A/D Paralelo ou “flash”
O conversor A/D paralelo é, também,
conhecido como “flash” ou simultâneo. A figura 3 mostra um exemplo de um
conversor A/D paralelo de 3 bits, sendo que a voltagem de entrada analógica é
comparada às voltagem fixas de referências para cada nível do código digital,
do início até o fim da escala. Para uma resolução de N bits são necessários (2N
- 1) comparadores e igual quantidade de níveis de referência. A grande vantagem
do conversor A/D paralelo é a grande rapidez na conversão, porque o sinal
analógico de entrada é comparado diretamente e simultaneamente com cada nível
de voltagem de referência em comparadores distintos.
Figura 3 - Conversor A/D tipo paralelo
Os conversores tipo paralelo têm como circuito básico
de entrada um pré-amplificador e um latch, que atuam juntos em uma configuração
de circuito comparador. Na saída dos comparadores é necessária à colocação de
um circuito de codificação que irá receber os sinais dos comparadores e
codificar o sinal de saída em código binário. A maioria das aplicações dos
conversores A/D paralelo são no processamento de sinais de alta frequência,
como sinais de vídeo, por exemplo, que necessitam de taxa de conversão da ordem
de 5 a 50
MHz.
Como pode ser observado na figura 3, são necessários (23
- 1) 7 comparadores com 7 níveis de referência (steps) de voltagem. Todas as
entradas dos comparadores são conectadas entre si e recebem a voltagem
analógica de entrada simultaneamente. Para um determinado valor de Vin, todos
os comparadores cuja voltagem de referência estiver abaixo deste irão para o
nível baixo e os demais comparadores cuja voltagem de referência estiver acima
irão para o nível alto.
2.2 Conversor A/D tipo Contador
Este tipo de conversor, também chamado de conversor
“staircase” é bastante simples. A figura A,19.4 mostra na forma de diagrama de
bloco a estrutura desse conversor. A saída de um contador binário de N bits
(paralelos) alimenta um conversor D/A, cuja saída é incrementada e dirigida
para a entrada de um comparador juntamente com o sinal analógico de entrada a
ser digitalizado. Quando os dois sinais (saída do conversor D/A e sinal
analógico de entrada) ficarem iguais, o sinal de saída do comparador pára os
contadores binários, cujo valor nesse instante é colocado na saída do conversor
A/D e corresponde ao valor digital equivalente ao nível de voltagem do sinal analógico
e novamente e ciclo se repete. Esse tipo de conversor é considerado lento
porque a cada ciclo de conversão a contagem deve ser repetida até alcançar o
valor digital equivalente ao sinal de entrada, o que pode demorar vários ciclos
de clock.
Figura 4 - Conversor A/D tipo contador
Uma variação deste tipo de conversor utiliza um contador
tipo “updown” nesse caso também chamado de conversor “tracking” ou conversor
tipo servo. Isso diminui o tempo de conversão pela possibilidade do contador
alcançar mais rapidamente o valor digital final. Os pontos críticos de precisão
desse tipo de conversor são o comparador e o conversor D/A. O sinal analógico
deve ser mantido constante durante todo tempo de convenção e, portanto, deve ser
colocado um circuito S/H (“sample and hold”) na entrada do conversor. É
possível obter alta resolução neste tipo de conversor (até 16 bits). Este
conversor é adequado para o uso em aplicações onde é necessária uma boa
resolução e uma taxa de conversão moderada. Por exemplo, um conversor com
resolução de 14 bits e taxa de amostragem de 100kHz.
2.3 Conversor
de Rampa Única
Este tipo de conversor se enquadra em uma nova categoria
que são os que utilizam integradores, sendo mais simples que outros tipos de conversores
A/D pois não precisam de conversores D/A. Os voltímetros digitais, por exemplo,
empregam circuitos deste tipo.
Na figura 3 temos um diagrama de blocos
que corresponde a um conversor deste tipo.
Figura 5 - Conversor A/D de rampa única
O sinal analógico retido do circuito de amostragem e
retenção controla, também, 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 à tensão amostrada. No instante em que isso acontece, 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 tivermos 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 em um tempo que corresponda a 256 ciclos de
clock.
2.4 Conversores
de Dupla Rampa
Este tipo de conversor possui um desempenho melhor que o
anterior. Nesse 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.
Figura 6 - Conversor A/D de dupla rampa
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 terá uma inclinação que dependerá 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.
2.5 Conversor de Aproximações Sucessivas
Figura 7 - Conversor A/D de Aproximações Sucessivas
O sinal aplicado à entrada é retido pelo circuito de
amostragem e retenção, colocado na 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 em 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 um sinal de que o valor que este bit representa é maior que aquele
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 em 1.
Uma nova comparação é feita. Se agora o valor da tensão for menor que o de
entrada, este bit é mantido, e testa-se o seguinte, colocando em 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-se todos os bits dessa forma, a conversão se
torna muito rápida, uma vez que não será preciso esperar a contagem até o final.
Enquanto em um conversor de 8 bits pelo método de rampa em escala é preciso
esperar a contagem até 256, neste conversor é necessário esperar que apenas 8
testes e comparações sejam feitos. O circuito equivalente é, portanto, 32 vezes
mais rápido.
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