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CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 114 Apostila de Treinamento Experiência 14: Conversor A/D Objetivo Montar um circuito com um conversor A/D Estudar e discutir as principais características deste tipo de circuito. Material utilizado Bastidor LEG2000 Módulo MED45 – Conversor A/D Multímetro Cabos banana Introdução No ensaio anterior estudamos um determinado tipo de circuito capaz de converter um conjunto de bits, representando um valor numérico, em um valor de tensão. Durante este ensaio, você provavelmente deve ter se perguntado se é possível realizar o processo inverso, isto é, se é possível transformarmos um determinado nível de tensão, em um valor numérico representado por um conjunto de bits. A resposta como você deve imaginar é sim, e esta tarefa é realizada pelo conversor A/D, abreviação de conversor Analógico-Digital. Assim como o conversor D/A, o conversor A/D desempenha papel importante permitindo que os circuitos digitais possam receber informações oriundas de dispositivos analógicos, como sensores e transdutores. Retomando então o exemplo do som, podemos digitalizar o sinal oriundo de um microfone (que é um transdutor que converte energia mecânica em elétrica), para que este seja tratado, armazenado ou transmitido em meios intrinsicamente digitais. Assim como no caso da conversão digital-analógica, o formato com que os valores numéricos serão representados através de sinais digitais é relevante e, analogamente aos D/As, a vasta maioria de conversores A/D também trabalha com o formato binário. A resolução também é outra característica de extrema importância para o conversor A/D, afinal como vimos no ensaio anterior, a resolução afeta diretamente o degrau do conversor e, por conseguinte, a precisão da conversão. Por exemplo, um conversor A/D de 4bits, com tensão de referência de 5V (que equivale ao maior Apostila de Treinamento CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 115 valor de tensão que pode ser aplicado à sua entrada), terá um degrau equivalente a 5÷24=0,3125. Um conversor A/D de 8bits, utilizando a mesma tensão de referência, teria um degrau igual 5÷28=0,01953, 16 vezes menor. Mas na prática o que isto significa? Vejamos como os conversores se comportariam quando a eles fossem aplicados um sinal de 0,1V (assumindo que eles converteriam para o valor binário mais próximo) - Conversor de 4bits: 0,1V -> 0000b Erro = Valor Real – Comb.Binária x Degrau Erro = 0,1V – 0 x 0,3125 = 0,1V - Conversor de 8bits: 0,1V -> 0000 0101b Erro = Valor Real – Comb.Binária x Degrau Erro = 0,1V – 5 x 0,01953 = 0,00234V Este erro calculado acima é conhecido como erro de quantização, que consiste no erro introduzido pela conversão analógica-digital pela aproximação do valor real, ao valor numérico mais próximo disponível. Percebemos claramente acima, que o conversor A/D de 8bits, possui menor erro de quantização. Existem algumas topologias que podem ser empregadas na construção de um conversor A/D. As mais comuns são o conversor A/D por rampa (cujo diagrama interno é mostrado abaixo), o conversor de aproximações sucessivas (abreviado para SAR – Successive Approximation Register), o conversor flash e o Delta-sigma. Abordaremos aqui o primeiro tipo, já que não é o objetivo desta apostila esgotar toda a teoria, mas caso tenha interesse pesquise os demais circuitos em livros ou mesmo na internet. CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 116 Apostila de Treinamento O conversor A/D do tipo rampa, mostrado na figura acima trabalha da seguinte maneira: dado que um determinado valor analógico é aplicado a sua entrada, um contador inicia sua contagem, sendo que suas saídas estão ligadas a um conversor D/A. O resultado é que temos, na saída deste conversor D/A, uma rampa crescente de tensão (veja a experiência anterior, como foi construído um gerador de rampa). Esta rampa é comparada ao valor analógico de entrada, quando o valor de tensão da rampa é imediatamente acima do valor de entrada, um pulso é enviado a um latch, que armazena o estado atual das saídas do contador, sendo este justamente o resultado da conversão. Perceba que nesta conversão, a aproximação é feita sempre para a sequência binária imediatamente acima, e não para a sequência mais próxima, como tínhamos suposto no nosso exemplo anterior (refaça o exemplo anterior, supondo esta condição, e veja os impactos nos erros de quantização). A aproximação sempre para valores superiores é uma das críticas a este circuito. Outra é o tempo variável que uma conversão demora. Se o valor analógico de entrada for pequeno, a rampa logo o supera e a conversão termina. Por outro lado, se ele for próximo a Vref, a conversão demorará mais, já que a rampa atingirá este valor, apenas próximo do fim da contagem. Estas limitações levaram ao surgimento de outras arquiteturas, como aquela utilizada pelo conversor que estudaremos neste ensaio, a conversão por aproximações sucessivas. A simbologia do conversor A/D é muito semelhante a do conversor D/A, como pode ser visto abaixo. Porém, como a conversão A/D envolve uma série de procedimentos, é muito comum que os conversores tenham dois sinais de controle o SOC (Start of Conversion), de entrada, que sinaliza que um novo valor analógico foi inserido para ser convertido; e o EOC (End of Conversion), de saída, indicando a circuitos externos que a conversão já foi concluída. Entrada D0 D1 D2 D3 Conversor A/D 4 bits SOC EOC Apostila de Treinamento CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 117 Procedimento Nesta experiência iremos utilizar um conversor A/D, baseado em um circuito integrado bastante difundido, o ADC0809. Exemplo de aplicação: Os conversores A/D são elementos essenciais na interface com o mundo analógico, permitindo que valores oriundos de sensores e transdutores, sejam digitalizados, para que possam ser tratados, armazenados ou transmitidos em meios digitais. Assim, podem ser encontrados em aparelhos celulares, placas de captura de som ou vídeo, controladores lógicos programáveis, entre outros. 1. Inicialmente, utilizando cabos banana de tamanho apropriado, realize as ligações no bastidor do conjunto didático conforme mostrado na figura a seguir: Nota: Para sua maior segurança, realize estas ligações com o conjunto didático desligado. 2. Note que ligamos a entrada E0 do nosso conversor A/D ao centro de potenciômetro que apresenta suas extremidades ligadas a 5V e GND. Assim, poderemos variar o valor da tensão aplicada na entrada, sempre respeitando o limite máximo de 5V, já que Vref+ e Vref- estão ligadas em 5V e GND, respectivamente. Por último veja que ligamos os sinais de controle a geradores de nível lógico, para que possamos controlá-los CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 118 Apostila de Treinamento 3. Antes de alimentar o bastidor, certifique-se de que todos os sinais de controle (principalmente OE) estão em nível baixo, em caso contrário o Conversor A/D pode ficar travado. Se isto ocorrer, desligue o painel, coloque os sinais de controle em nível baixo e religue. 4. Para realizar a conversão é necessário seguir os seguintes procedimentos, na ordem indicada: Escolha o endereço da entrada analógica a ser convertida, sendo que ADDC é o bit mais significativo e ADD A, o menos significativo; Coloque o sinal ALE (Address Latch Enable) em nível alto, para que o novo endereço seja lido; Coloque o sinal de Start em nível alto,para que a conversão inicie. Retorne os dois sinais para nível baixo. Note que a realização foi concluída quase instantaneamente (sinal EOC foi para nível baixo e retornou a nível alto, indicando a conclusão – a conclusão será tão mais rápida quanto maior for o clock, neste caso estamos trabalhando com o clock ligado ao gerador de 10kHz); Coloque OE em nível alto para que o novo valor seja disponibilizado nas saídas. A figura a seguir exibe a carta de tempo deste processo: Fonte: Datasheet ADC0809 – National Semiconductor Apostila de Treinamento CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 119 5. Com o auxílio de um multímetro, ajuste a tensão na entrada analógica para os valores mostrados na tabela a seguir e registre o valor obtido da conversão. Entrada Analógica Saída Bin. Saída Dec. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 6. Este nosso conversor também pode funcionar em modo on-line, realizando conversões sucessivas. Para isto interconecte a saída EOC à entrada Start e mantenha o sinal OE sempre alto. Varie a tensão analógica e note que a nova conversão é feita automaticamente. 7. Cite aplicações em que cada um dos modos, on-line (conversões contínuas) e stand-by (conversão solicitada pelo usuário) são mais indicados. CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 120 Apostila de Treinamento 8. Como os bits significativos se comportam? Eles assumem valores estáticos ou variam bastante? Explique o por que. 9. De acordo com sua resposta do item anterior, explique como isto pode afetar a conversão, e como isso pode ser corrigido. Apostila de Treinamento CONJUNTO DIDÁTICO DE ELETRÔNICA DIGITAL 121
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