Eletrônica digital IIIA - Conversor analógico digital
Conforme dito na página anterior, a conversão e uma grandeza analógica em digital é mais complexa do que o procedimento inverso. Nesta página são descritos alguns tipos de conversores. Certamente não são todos os possíveis e outros poderão ser incluídos em futuras atualizações.
1-) Blocos lógicos elementares
Abaixo tabelas para consulta:
2-) Conversor tipo paralelo
É provavelmente a forma mais simples e direta de conversão. A Figura 2.1 dá o diagrama básico para saída em três dígitos binários.
Uma tensão de referência (4,8 V no exemplo) é aplicada na série de divisores de tensão formados por R1 a R7, de idênticos valores (R).
Os blocos C1 a C7 são comparadores: se o sinal em (+) for maior que em (-), a saída é 1 e nula nos demais casos.
Suponhamos, por exemplo, que 2 volts são aplicados na entrada analógica: C1, C2 e C3 terão saída 1 e C4, C5, C6 e C7 terão saída 0. Ou, de baixo para cima, 0001111.
X1 a X7 são blocos tipo OU EXCLUSIVO, ou seja, a saída é nula se as entradas são iguais e 1 se as entradas são diferentes.
Considerando a entrada anterior (C1 a C7 = 0001111), temos as saídas X1 a X7 = 0010000. Portanto, um nível de tensão na entrada analógica é convertido em uma única saída 1 nos blocos X1 a X7. Se a entrada analógica é nula (ou melhor, menor que 0,6 V neste caso), todas as saídas X serão nulas e, portanto, as saídas digitais ABC também serão nulas (devido a esta situação particular, são usados 7 comparadores e 7 portas XOR e não 8).
Nos demais casos, apenas uma das saídas X têm valor 1, dependendo da faixa da tensão analógica de entrada. Para a transformação em uma seqüência de dígitos binários, os diodos nas saídas são suficientes, dispensando decodificadores mais elaborados. Os números binários nas saídas dos diodos indicam a situação quando a saída da respectiva porta X está em 1. Assim, tensões analógicas na entrada são convertidas em números binários de 3 dígitos.
É evidente que a conversão se dá de forma escalonada, isto é, tensões que variam dentro de valores consecutivos do divisor têm a mesma saída digital (exemplo: no circuito dado, uma tensão de 0,8 V tem a mesma saída digital de uma tensão de 1,1 V). Isso também ocorre com os outros tipos e o valor mínimo de variação que é perceptível pelo circuito é chamado resolução do mesmo.
É também fácil concluir que a resolução depende do número de dígitos binários (bits) da saída. No exemplo dado, de 3 bits, temos resolução = 1/23 = 0,125 ou 12,5%.
Este tipo de conversor é, conforme já mencionado, simples e eficiente. No caso de variações rápidas da tensão de entrada, a resposta depende somente das características dos circuitos comparadores e portas lógicas. Outro aspecto positivo: no exemplo dado, R0 a R7 têm o mesmo valor e, portanto, a saída varia linearmente com a entrada. O uso de valores adequadamente diferenciados permite conversões não lineares como, por exemplo, logarítmicas. Embora isto seja possível com outros tipos, o processo não é tão fácil quanto a simples seleção de valores de resistores.
Entretanto, o circuito apresenta uma limitação prática devido ao elevado número de componentes necessários. Pelo circuito dado, pode-se concluir que o número de resistores, comparadores e portas XOR (sem contar os diodos) é (2n - 1) para cada, onde n é o número de bits de saída. Considerando que o mínimo usual é 8 bits, esse número seria 255. Para 16 bits, 65535. Assim, outros tipos foram desenvolvidos para evitar essa limitação.
3-) Conversor tipo rampa digital
Este conversor usa um artifício comum a vários outros tipos: conforme Figura 3.1, a saída de um contador (de 4 bits neste exemplo) é ligada na entrada de um conversor digital analógico.
Supomos de início que a entrada de clock do contador é continuamente alimentada com uma seqüência de pulsos. Nesta situação, a tensão Vcon na saída S do conversor varia entre 0 e um valor Vmax, que depende do contador e das características do conversor digital analógico. Um ciclo dessa variação pode ser visto no gráfico na parte inferior esquerda da figura.
Mas no circuito há um comparador e uma porta E na entrada de clock. Enquanto a tensão Vcon for menor que a da entrada analógica Ea, a saída do comparador é 1 e os pulsos de clock são dirigidos ao contador.
No momento em que Vcon se torna maior que Ea, a saída do comparador passa para 0, bloqueando os pulsos de clock e, portanto, a contagem. Desde que a saída do comparador também vai para a entrada de clock dos flip-flops (tipo mestre-escravo), o valor digital da saída do contador é armazenado nos mesmos (lembrar que flip-flops tipo mestre-escravo só permitem a mudança de estado na transição de 1 para 0 do clock). Portanto, a saída digital armazenada nos flip-flops tem relação linear com a entrada analógica Ea desde que, é claro, ela esteja dentro da faixa 0-Vmax.
O circuito básico apresentado não opera continuamente. A contagem pára após a primeira interrupção. O reinício é dado pela aplicação do nível 0 na entrada clear do contador, o que pode ser facilmente implementado de forma automática.
4-) Conversor tipo rastreamento
Usa o mesmo princípio básico do tipo anterior, mas o arranjo é mais elaborado, resultando em um circuito mais simples.
Os pulsos de clock alimentam continuamente a entrada do contador, o qual dispõe de uma entrada digital que comuta, de acordo com o nível lógico, o sentido da contagem (crescente ou decrescente), conforme já visto nas páginas correspondentes (Eletrônica Digital IIA e Eletrônica Digital IIB).
Enquanto a entrada analógica Ea é maior que Vcon, a saída do comparador é 1 e o contador opera de modo crescente. Quando Vcon se torna maior que Ea, a saída do comparador vai para 0 e o contador opera de forma decrescente. Isto leva Vcon para um valor imediatamente abaixo de Ea, invertendo o processo. Assim, considerando Ea constante, o contador opera continuamente entre dois valores próximos de Ea, não havendo necessidade dos flip-flops de armazenamento. Se o valor de Ea muda, o patamar de operação também muda.
