Conversor analógico para digital – como o ADC funciona e tipos?

Um conversor analógico para digital (ADC), como o próprio nome indica, é um dispositivo eletrônico que converte sinais analógicos variáveis no tempo contínuos em sinais digitais de tempo discreto para que possam ser facilmente lidos pelos dispositivos digitais. Tem muitas aplicações em projetos eletrônicos. ADC converte as quantidades físicas de um fenômeno do mundo real em uma linguagem digital que é usada em sistemas de controle, computação de dados, transmissão de dados e processamento de informações. A figura abaixo mostra a relação entrada/saída de um ADC.

Introdução ao Conversor Analógico para Digital

Normalmente, os transdutores também são usados para converter as variáveis analógicas de entrada na forma de correntes ou tensões. Basicamente, os números digitais usados aqui são binários, ou seja, ‘0’ e ‘1’. O ‘0’ indica o estado ‘off’ e ‘1’ representa o estado ‘on’. Portanto, todos os valores analógicos são convertidos em valores binários digitais por um ADC. Por exemplo, se tivermos que instalar um alarme em nossa casa ou em alguma instalação, cuja função seja disparar em caso de incêndio ou superaquecimento. Todo o nosso sistema de alarme será eletrônico, mas o sensor de temperatura dará valores analógicos na saída após detectar a temperatura. Portanto, para converter os valores variáveis de temperatura em valores digitais ou discretos, temos que usar um conversor analógico para digital.

Processo de conversão A/D e como o ADC funciona?

Principalmente, existem duas etapas para a conversão de analógico para digital:

1. S/H: Amostragem e retenção
2. Q/E: Quantização e Codificação

O processo ADC é mostrado na figura abaixo:

Amostragem e Retenção

Um sinal analógico muda continuamente com o tempo, para medir o sinal temos que mantê-lo estável por um curto período para que possa ser amostrado. Poderíamos medir o sinal repetidamente e muito rápido, e então descobrir a escala de tempo certa. ou poderíamos medir o sinal em diferentes tempos e depois fazer a média. Ou, preferencialmente, podemos reter o sinal por um período específico e, em seguida, digitalizar o sinal e amostrar o valor. Isso é feito por um circuito sample and hold. Pois, pelo menos o tempo necessário para a digitalização, mantém o valor estável.

A figura mostra o circuito para amostragem e retenção de um sinal.

Mantemos a chave normalmente aberta e, quando queremos encontrar uma medição, fechamos a chave momentaneamente.

Quantização e Codificação

Na saída de (S/H), um certo nível de tensão está presente. Atribuímos um valor numérico a ele. O valor mais próximo, em correspondência com a amplitude de amostragem e sinal de retenção, é procurado. E esse valor não pode ser qualquer valor, deve ser de um conjunto limitado de valores possíveis. Depende do alcance do quantizador e do alcance dado em uma potência de 2 i,e 2n (28 = 256, 210=1024 etc).

Após identificar o valor mais próximo, um valor numérico é atribuído a ele e é codificado na forma de um número binário. Os números codificados binários gerados pelo quantizador são representados por ‘n’ bits. A resolução de um ADC também pode ser indicada por ‘n’ bit. A figura mostra todo o processo de conversão:

Os valores obtidos após o processo de quantização e codificação não podem ser considerados totalmente precisos. Estas são apenas as aproximações dos valores do mundo real. A precisão do quantizador depende muito da resolução do qunatizador, quanto maior a resolução, mais precisos serão os valores. A resolução do ADC é limitada por uma série de restrições, das quais o tempo é um problema importante. Se o conjunto de valores possíveis, do qual se deseja buscar o valor mais próximo, for maior, certamente levará mais tempo. Mas para acelerar esse processo, mais técnicas foram desenvolvidas.

A tabela a seguir mostra o desempenho de diferentes ADCs de ‘n’ bits. Se o número de bits for maior, então a frequência é menor e o tempo consumido também é maior. Por outro lado, o erro minimiza à medida que o número de bits aumenta. As taxas máximas de amostragem também foram indicadas na tabela.

Tipos de ADC

Os tipos mais comuns de conversores analógicos para digitais disponíveis são:

1. Flash Conversor analógico para digital.
2. Conversor analógico para digital de inclinação dupla.
3. Conversor Analógico-Digital de Aproximação Sucessiva.

FLASH ADC

Flash ADC é um dos ADCs mais simples. Também é conhecido como conversor ADC paralelo. Consiste em vários comparadores. Um circuito codificador é conectado na saída dos comparadores, o que nos dá uma saída binária. Um circuito ADC flash de 3 bits é mostrado na figura:

Vref é a tensão de referência; se o valor analógico na entrada for maior que a tensão de referência, a saída do comparador será alta. O conversor Flash é o mais eficiente de todos os conversores em termos de velocidade. Mas o número de comparadores aumenta conforme o número de bits aumenta. Exigiríamos 7 comparadores para 3 bits e 15 comparadores para 4 bits. Esta é a fraqueza do flash ADC.

Mas um conversor flash pode produzir uma saída não linear, o que é uma vantagem adicional. A rede do divisor de tensão consiste em resistores de valor igual que fornecem uma resposta proporcional. Mas para aplicações especiais, o valor dos resistores pode ser alterado, o que dará uma resposta não linear.

ADC DE DUPLA INCLINAÇÃO

Um integrador de inclinação dupla primeiro integra e depois desintegra um sinal de tensão. Ele integra uma tensão desconhecida por um tempo fixo e se desintegra por tempo variável usando uma tensão de referência. A Figura 5 mostra o gráfico da integração de inclinação dupla.

A principal vantagem é que o erro que ocorre em um componente durante a integração é cancelado durante a fase de desintegração. A figura abaixo mostra um diagrama de blocos do conversor de inclinação dupla:

Por exemplo, se quisermos obter uma resolução de 10 bits, integramos para 210= 1024 ciclos e depois desintegramos para 1024 ciclos. Aumentando o número de ciclos de clock, podemos obter mais resolução.

ADC DE APROXIMAÇÃO SUCESSIVA

Este ADC não conta na sequência binária, este registrador inicia no bit mais significativo e termina no bit menos significativo. A saída do comparador é continuamente monitorada e comparada com a entrada do sinal analógico. Essa estratégia dá resultados muito mais rápidos. A figura abaixo mostra o funcionamento deste registrador de aproximação sucessiva:

O funcionamento deste ADC pode ser observado no gráfico a seguir:

Até agora, discutimos os três tipos mais comuns de conversores analógicos para digitais, mas também existem outros conversores, como sigma delta, rampa digital adc, tracking adc, etc., que também são conversores amplamente usados. Você pode ler este artigo para obter um guia detalhado sobre o ADC de aproximação sucessiva:

Aplicações ADC

Quer percebamos ou não, estamos usando de centenas a milhares de ADCs e DACs em nossa vida diária. Algumas das aplicações populares são:

• Aplicações de áudio: Por exemplo, ao ouvir música no seu celular, a música é armazenada na memória do seu celular em formato digital e um alto-falante aceita um sinal elétrico que é um sinal analógico. Portanto, precisamos de um ADC para converter um fluxo de bits digital de música em um sinal analógico para reproduzir a música que podemos ouvir por meio de um alto-falante móvel. Portanto, nosso telefone celular contém muitos ADCs para áudio e muitos outros aplicativos.
• Receptor e transmissor de chamadas no celular
• Streaming de vídeo
• Aquisição de Dados