Interface com Processos Analógicos e Processamento Digital de Sinais

Uma quantidade digital tem um valor que é especificado como uma das duas possibilidades, como 0 ou 1, BAIXO ou ALTO ou verdadeiro(V) ou falso(F). Na prática, uma quantidade digital, como uma tensão, pode realmente ter um valor que está em qualquer lugar dentro das faixas especificadas, e definimos valores dentro de um determinado intervalo como tendo o mesmo valor digital.

Os sistemas digitais realizam todas as suas operações internas usando circuitos digitais e operações digitais. Qualquer informação que deve ser inserida em um sistema digital deve primeiro ser colocada em formato digital. Da mesma forma, as saídas de um sistema digital estão sempre em forma digital.

A natureza analógica de grandezas físicas naturais requer tempo para processar sinais digitais.

Os passos a serem seguidos são os seguintes:

1. Converter a variável física em um sinal elétrico analógico.

2. Converter as entradas elétricas analógicas do mundo real no formato digital.

3. Realizar o processamento(operação) da informação digital.

4. Converter as saídas digitais de volta ao formato analógico(formato do mundo real).

Regulação de temperatura

Fig.1

Interface processador e processo analógico

Fig.2

1.Transdutor

A variável física é normalmente uma quantidade não elétrica. Um transdutor é um dispositivo que converte a variável física em uma variável elétrica.

A saída elétrica do transdutor é uma corrente ou tensão analógica que é proporcional à variável física que ele está monitorando.

2.Conversor analógico para digital (ADC)

A saída analógica elétrica do transdutor serve como entrada analógica para o conversor analógico-digital (ADC).

O ADC converte essa entrada analógica em uma saída digital.

Esta saída digital consiste em um número de bits que representam o valor da entrada analógica.

3.Computador

A representação digital da variável de processo é transmitida do ADC para o processador digital, que armazena o valor digital e o processa de acordo com um programa de instruções que está executando.

4.Conversor digital para analógico (DAC)

Esta saída digital do computador é conectada a um conversor digital para analógico (DAC), que a converte em uma tensão ou corrente analógica proporcional.

5.Atuador

O sinal analógico do DAC é frequentemente conectado a algum dispositivo ou circuito que serve como um atuador para controlar a variável física.

A conversão D/A é o processo de pegar um valor representado em código digital (como binário puro ou BCD) e convertê-lo em uma tensão ou corrente proporcional ao valor digital.

Conversor D/A típico de quatro bits

Fig.3

Observe que há uma entrada para uma referência de tensão, Vref. Esta entrada é usada para determinar a saída em escala real ou o valor máximo(fundo de escala) que o conversor D/A pode produzir.

Para cada número de entrada, a tensão de saída do conversor D/A é um valor único. Neste caso, a tensão de saída analógica VOUT é igual em volts ao número binário.

Saída analógica = K X Entrada digital

K é o fator de proporcionalidade e é um valor constante para um determinado DAC conectado a uma tensão de referência fixa.

A saída analógica pode, é claro, ser uma tensão ou uma corrente. Quando é uma tensão, K estará em unidades de tensão, e quando a saída é uma corrente, K estará em unidades de corrente.

Para o DAC da Fig.3, K = 1V, para um entrada digital igual a 1100 (12, na base 10), VOUT = (1V) X 12 = 12V

Saída Analógica

A saída de um DAC não é tecnicamente uma quantidade analógica porque pode assumir apenas valores específicos, como os 16 níveis de tensão possíveis para VOUT na Fig.3, desde que o Vref seja constante. Assim, nesse sentido, na verdade é digital(discreta).

O número de diferentes valores de saída possíveis pode ser aumentado e a diferença entre valores sucessivos diminuiu aumentando o número de bits de entrada. Isso nos permitirá produzir uma saída que é cada vez mais parecida com uma quantidade analógica que varia continuamente em uma faixa de valores.

Pesos de Entrada

Para o DAC da Fig.3, observe que cada entrada digital contribui com uma quantidade diferente para a saída analógica. Isso é facilmente visto se examinarmos os casos em que apenas uma entrada é ALTA (Fig.4). As contribuições de cada entrada digital são ponderadas de acordo com sua posição no número binário.

Fig.4

Entrada A, que é o LSB, tem um peso de 1 V; B tem um peso de 2 V; C tem um peso de 4 V; e D, o MSB, tem o maior peso, 8 V. Os pesos são duplicados sucessivamente para cada bit, começando com o LSB.

Assim, podemos considerar o VOUT como a soma ponderada das entradas digitais.

Resolução (Tamanho do Degrau)

A resolução (tamanho do degrau) de um conversor D/A é definida como a menor mudança que pode ocorrer na saída analógica como resultado de uma mudança na entrada digital.

A resolução é sempre igual ao peso do LSB e também é referida como o tamanho do degrau porque é a quantidade que o VOUT mudará à medida que o valor de entrada digital for alterado de um degrau para o outro.

Fig.5

A a forma de onda da saída tem 16 níveis correspondentes aos 16 estados de entrada, mas há apenas 15 degraus ou saltos entre o nível 0V e o fundo de escala 15V. Em geral, para um DAC de N bits, o número de níveis diferentes será de 2^N e o número de degraus será de 2^N- 1.

A resolução (tamanho do degrau) é a mesma que o fator de proporcionalidade na relação entrada/saída do DAC:

Saída analógica = K X Entrada digital

A entrada digital é igual ao número de degraus, K é a quantidade de tensão (ou corrente) por degrau e a saída analógica é o produto dos dois.

Resolução = K = [A_FS / (2^N- 1)]

Onde A_FS é o fundo de escala da saída analógica e N é o número de bits.

Resolução Percentual

Embora a resolução possa ser expressa como a quantidade de tensão ou corrente por degrau, também é útil expressá-la como uma porcentagem do fundo de escala da saída analógica.

Resolução % = (Tamanho do degrau / Fundo de Escala - F.S.)X100%

Resolução % = (1/ Número Total de Degraus)X100%

Para um código de entrada binário de N-bits, o número total de degraus é (2^N- 1).

Resolução % = [1/ (2^N- 1)]X100%

A resolução percentual se torna menor à medida que o número de bits de entrada é aumentado.

Isso significa que é apenas o número de bits que determina a resolução percentual. Aumentar o número de bits aumenta o número de defraus para alcançar o fundo de escala, de modo que cada degrau seja uma parte menor da tensão do fundo de escala.

A maioria dos fabricantes de DAC especifica a resolução como o número de bits. O custo dos DACs aumenta com o número de bits.

DACs Bipolares

Muitos DACs também podem produzir tensões negativas fazendo pequenas alterações nos circuitos analógicos na saída do DAC. Neste caso, o intervalo de entradas binárias (por exemplo, 00000000 a 11111111) abrange um intervalo de -Vref a aproximadamente +Vref.

O valor digital da entrada 10000000 corresponde a 0V. A saída do sistema digital em complemento-de-2 pode acionar esse tipo de DAC invertendo o MSB, que converte os números binários com sinal para os valores adequados para o DAC.

Fig.6

Questões para Revisão Resolva  on-line o teste sobre microprogramação.