Fundamentos de CLP para controle de processos - Conversores AD - SENAI SP

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Fundamentos de Controladores Lógico Programáveis 
 para Controle de Processos 
 
 
 
 
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CONVERSOR A/D 
 
O conversor A/D (ou conversor analógico/digital) é um sistema eletrônico que recebe 
uma tensão analógica em sua entrada e converte essa tensão para um valor digital 
correspondente em sua saída. 
 
Nesta unidade, estudaremos os circuitos que efetuam essa conversão. 
 
 
Processo de conversão 
 
O processo de conversão analógico/digital consiste basicamente em aplicar uma 
informação analógica em um conversor e recolher na saída uma informação digital 
correspondente. 
 
A ilustração a seguir mostra um diagrama de bloco do conversor A/D. 
 
 
 
Os conversores A/D mais comuns são: 
 
• Conversor A/D tipo contador de rampa; 
• Conversor A/D tipo contador de rampa contínuo; 
• Conversor A/D de aproximação sucessiva; 
• Conversor A/D integrador por dupla inclinação. 
 
 
Conversor A/D do tipo contador de rampa 
 
A figura a seguir mostra o diagrama de blocos de um conversor A/D contador de 
rampa (em inglês “ramp counter AD converter”). Ele tem esse nome porque a sua 
tensão de saída aumenta gradualmente de forma semelhante a uma rampa. 
 
SENAI/SP Unidade 1 1 
Conversor A/D 
 
 Fundamentos de Controladores Lógico Programáveis 
 para Controle de Processos 
 
 
 
 
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Funcionamento 
 
A conversão é iniciada com um pulso de “start” que zera o contador. O comparador é 
alimentado com a tensão analógica desejada. 
 
A saída do comparador aciona a porta E e libera a entrada de pulsos de clock no 
contador. 
 
O contador começa a receber pulsos e indica na saída, em linguagem binária, os 
pulsos recebidos. 
 
O conversor D/A ligado na saída do circuito converte o valor binário da saída para 
analógico e envia os sinais para o comparador. Quando a tensão da saída do 
conversor D/A for igual à tensão da entrada analógica, a saída do comparador será 
zerada. Isso bloqueia a entrada do clock e a saída digital indicará um valor em binário 
correspondente à tensão analógica. 
 
 
Vantagens e desvantagens 
 
A vantagem desse tipo de conversor é ser simples, preciso e de baixo custo. 
 
Esse conversor, porém, é muito lento e tem que ser zerado para realizar nova 
conversão quando houver uma diminuição da tensão da entrada analógica. 
 
Para solucionar tais problemas, utilizam-se os conversores de rampa contínuos que 
utilizam contadores crescentes e decrescentes. 
 
 
 
SENAI/SP Unidade 1 2 
Conversor A/D
 
 
 Fundamentos de Controladores Lógico Programáveis 
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Conversor A/D tipo contador de rampa contínuo 
 
O conversor A/D tipo contador de rampa contínuo não necessita de sinal de “start” 
para indicar a conversão. Ele faz a conversão toda vez que há variação na entrada 
analógica, mesmo que haja aumento ou diminuição da tensão. 
 
Veja na figura a seguir, o diagrama de blocos deste circuito. 
 
 
 
 
Funcionamento 
 
O funcionamento desse tipo de conversor é semelhante ao funcionamento do 
conversor tipo rampa. Quando a entrada analógica é alimentada com algum nível de 
tensão, é enviado ao circuito um sinal positivo (quando houver um aumento de tensão 
na entrada) ou negativo (quando houver diminuição de tensão na entrada). 
 
De acordo com o sinal recebido pelo circuito de controle, ele determina se a contagem 
é progressiva ou regressiva e libera a entrada do sinal de clock. A contagem se realiza 
até que a tensão enviada pelo conversor D/A se iguale à tensão de entrada e a saída 
do comparador seja zerada. Isso fará o circuito de controle bloquear a entrada de 
clock e a saída indicará um valor em binário correspondente à entrada analógica. 
 
 
Conversor de aproximação sucessiva 
 
Quando a velocidade de conversão é o fator mais importante, o tipo de conversor mais 
usado é o conversor A/D de aproximação sucessiva. Esse tipo de conversor utiliza um 
circuito denominado de amostra e retenção que será estudado a seguir. 
 
SENAI/SP Unidade 1 3 
Conversor A/D
 
 
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Circuito de amostra e retenção 
Um conversor A/D requer um certo tempo para converter um sinal analógico em um 
sinal digital correspondente. 
 
Se houver uma mudança do sinal analógico antes que a conversão seja efetuada, o 
conversor pode apresentar erros. Para impedir isso, devemos utilizar o circuito de 
amostra e retenção. 
 
O circuito de amostra e retenção (em inglês, “sample and hold”) é um amplificador 
com duas funções de operação distintas controladas por um sinal lógico. 
 
Uma das funções do amplificador é a de fornecer uma amostra da tensão. Nesse 
caso, o circuito funciona como um amplificador comum cuja tensão de saída segue a 
tensão de entrada. 
 
A outra função é a de retenção, ou seja, a tensão de saída se mantém constante no 
valor final do período de amostra. As figuras a seguir mostram o símbolo e o esquema 
do circuito de amostra e retenção. 
 
 
 
Analisando o circuito, podemos notar que: 
• O amplificador A1 é um buffer de entrada com entrada em alta impedância; 
• O amplificador A2 é um buffer com alta impedância de entrada e baixa impedância 
de saída; 
• A chave S é geralmente um circuito FET. 
 
Funcionamento - Quando a chave S é fechada, o capacitor se carrega rapidamente 
com a tensão de entrada. 
 
Quando S é aberta, a tensão se mantém com o valor que havia atingido quando a 
chave foi aberta porque o capacitor retém a carga e o amplificador A2 é de alta 
impedância. 
 
Enquanto a chave fica aberta, a saída de A2 mostrará o último valor que estava no 
capacitor. Quando a chave se fechar novamente o capacitor se carregará com o novo 
valor de amostra, que será retido e indicado na saída. 
 
As formas de onda a seguir ilustram o funcionamento desse circuito. 
 
SENAI/SP Unidade 1 4 
Conversor A/D
 
 
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Circuito do conversor 
O conversor de aproximação sucessiva (em inglês “successive approximation A/D 
converter”) é utilizado quando a velocidade de conversão é fator importante, pois sua 
velocidade de conversão é de apenas alguns microssegundos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SENAI/SP Unidade 1 5 
Conversor A/D
 
 
 Fundamentos de Controladores Lógico Programáveis 
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A figura a seguir mostra o circuito desse tipo de conversor. 
 
 
 
 
 
 
Analisando o circuito, é possível destacar os seguintes blocos: 
• Um contador em anel formado pelos flip-flops tipo A (FF1 a FF6) que serão 
ativados sempre um de cada vez e em nível alto; 
• Quatro flip-flops (FFD a FFA) que são utilizados para registrar osbits digitais que 
alimentam a saída e o conversor D/A; 
• Um conversor D/A com a função de enviar sinal ao comparador; 
• Um circuito de amostra e retenção (“sample and hold”); 
• Um comparador que recebe a tensão da entrada analógica através do circuito de 
amostra e retenção e a tensão do conversor D/A. 
 
Após a realização da comparação, o comparador fornece em sua saída: 
• Nível 0 quando VO > VO+; 
• Nível 1 quando VO < VO+. 
 
Funcionamento - Suponha que a entrada analógica seja alimentada com 12V. A 
conversão é iniciada com um pulso de “strobe”. Quando esse pulso surge, o circuito de 
amostra e retenção leva para a saída o valor da tensão analógica que estava na 
entrada e a entrada “Data” de FF1 fica em nível 1. 
 
Quando surgir o primeiro pulso de clock, FF1 transferirá o nível 1 de sua entrada 
“data” para a saída e setará FFD e ressetará FFC, FFB e FFA. 
 
A entrada do conversor terá os níveis lógicos 1000 e a saída 8V. 
 
SENAI/SP Unidade 1 6 
Conversor A/D
 
 
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O comparador terá em sua entrada VO- VO+, portanto a saída terá nível lógico 0. Isso 
inibirá a entrada de ressete dos flip-flops FFD a FFA. 
 
Quando surgir o segundo pulso de clock, FF2 transferirá o nível 1 de sua entrada 
“data” para sua saída e setará FFC. 
 
A entrada do conversor terá agora os níveis lógicos 1100 e a saída, 12V. 
 
A saída do comparador continua com nível lógico 0, pois VO- = VO+ e as entradas de 
ressete de FFD a FFA continuam inibidas. 
 
Quando surgir o terceiro clock, FF3 transferirá o nível lógico 1 de sua entrada para a 
saída e setará FFB. 
 
A entrada do conversor apresentará, agora, os níveis lógicos 1110 e 14V na saída. 
 
A saída do comparador passará para o nível lógico 1, pois VO- < VO+ e possibilitará o 
ressete dos flip-flops FFD a FFA. 
 
Quando surgir o quarto pulso d, clock, FF4 transferirá para a sua saída o nível lógico 
1, setará FFA e ressetará FFB. 
 
A entrada do conversor D/A terá agora os níveis lógicos 1101 e a saída, 13V. 
 
O comparador continua com nível lógico 1 em sua saída, pois VO - VO+ e os pinos de 
ressete dos flip-flops continuam habilitados. 
 
Quando surgir o quinto pulso de clock, FF5 transferirá para a sua saída o nível lógico 1 
da entrada 2 ressetará FFA. 
 
A entrada do conversor D/A terá os níveis lógicos 1100 e a saída será de 12V. 
 
O comparador volta, então, a ter nível lógico 0 em sua saída e inibe os pinos de 
ressete dos flip-flops. 
 
Quando surgir o sexto pulso de clock, FF6 transportará para a sua saída o nível lógico 
de sua entrada e habilitará as portas E. Estas transportarão os níveis lógicos da 
entrada do conversor para a saída digital que é o valor correspondente à entrada 
analógica. 
 
A saída Q6 de FF6 também habilita novamente o circuito de amostra e retenção cuja 
função é reter o novo valor de tensão. 
 
Quando surgir o sétimo pulso de clock, o ciclo se repete e o novo valor binário, 
correspondente à tensão analógica será transportado para a saída digital quando FF6 
for setado novamente. 
 
 
SENAI/SP Unidade 1 7 
Conversor A/D
 
 
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Conversor AD integrador por dupla inclinação 
 
Esse conversor é largamente empregado em instrumentos de medição onde a 
velocidade de conversão não é fator de importância. 
 
Veja esse circuito na figura a seguir. 
 
 
 
 
 
Funcionamento - O conversor A/D por dupla inclinação funciona da seguinte maneira: 
 
Ao aplicarmos uma tensão na entrada analógica, o circuito, integrador começa a 
fornecer uma tensão (-VO) em rampa negativa para a entrada inversora do 
comparador. 
 
Assim que a entrada inversora recebe alguns milivolts de tensão, o limiar do 
comparador é ultrapassado (VO < 0). Então, a saída do comparador vai para nível 1 e 
a unidade de controle libera os pulsos de clock para o contador. 
 
Quando o bit mais significativo do contador atingir nível 1, termina o tempo t1 e a 
chave analógica é acionada ligando VRef ao integrador em lugar do VE. 
 
A tensão de referência é de sinal oposto e de maior amplitude que a tensão de 
entrada. Assim, a saída do integrador passa a integrar no sentido positivo. 
 
SENAI/SP Unidade 1 8 
Conversor A/D
 
 
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SENAI/SP Unidade 1 9 
Conversor A/D
 
O contador, por sua vez, continua contando durante o tempo de descarga do capacitor 
C até atingir o limiar do comparador (VO > 0). Nesse instante, a saída do comparador 
cai para 0V e inibe os pulsos de clock do contador. O contador terá em sua saída um 
valor binário proporcional à tensão analógica de entrada. 
 
O gráfico a seguir mostra a forma de onda na saída do integrador. 
 
 
 
No gráfico temos: 
• t1 é o tempo do primeiro período de conversão (t1 = 2/F); 
• t2 é o tempo do segundo período de conversão. 
 
F
2 . 
V
V
 t
Ref
E
2 = 
 
• Vmax é a saída do integrador no final do primeiro período de conversão. 
 
1
e
max t . RC
V
 V = 
 
• VRef é a tensão de referência - valor negativo > Ve 
• Ve é a tensão de entrada; 
• N é o número de bits da saída digital; 
• f é a freqüência de clock no contador. 
 
Observação 
A constante RC de carga não influi no valor binário porque o tempo de integração 
depende da freqüência de clock. Isso faz t1 ficar constante. 
 
 
	Conversor A/D tipo contador de rampa contínuo
	Conversor de aproximação sucessiva
	Conversor AD integrador por dupla inclinação