O que são DAC e ADC? Tipos de conversores analógico-digital (ADC) Conversor analógico-digital de 8 bits
Conversores analógico-digitais (ADCs) – este é um dispositivo com o qual ocorre o processo de conversão de uma grandeza física de entrada em uma representação numérica. A quantidade de entrada pode ser corrente, tensão, resistência, capacitância.
O ADC está intimamente relacionado ao conceito de medição, que se refere ao processo de comparação com um padrão da grandeza de entrada medida. Ou seja, a conversão analógico-digital é considerada como uma medida do valor do sinal de entrada e, consequentemente, os conceitos de erro de medição podem ser aplicados a ela.
O ADC possui uma série de características, sendo as principais a profundidade de bits e a frequência de conversão. A profundidade de bits é expressa em bits e a frequência de conversão é expressa em amostras por segundo. Quanto maior a capacidade e velocidade do bit, mais difícil será adquirir as características necessárias e mais complexo e caro será o conversor.
O princípio, a composição e os diagramas estruturais do ADC dependem em grande parte do método de conversão.
Classificação
Atualmente, é conhecido um grande número de métodos de conversão de código de tensão. Esses métodos diferem significativamente entre si em termos de precisão potencial, velocidade de conversão e complexidade de implementação de hardware. Na Fig. A Figura 2 apresenta a classificação dos ADCs por métodos de conversão.
Dentre os tipos de conversores analógico-digitais, os mais populares são:
1. ADC de conversão paralela. Eles têm baixa profundidade de bits e alto desempenho. O princípio de operação é que o sinal de entrada é fornecido às entradas “positivas” dos comparadores e uma série de tensões são fornecidas às “negativas”. Os comparadores operam em paralelo; o tempo de atraso do circuito é a soma do tempo de atraso em um comparador e o tempo de atraso no codificador. Com base nisso, o codificador e o comparador podem ser rápidos e o circuito alcançará alto desempenho.
2. ADC de aproximação sucessiva. Mede a magnitude do sinal de entrada realizando uma série de “ponderações” ou comparações dos valores da tensão de entrada e uma série de valores. Caracterizado pela alta velocidade de conversão e limitado pela precisão do DAC interno.
3. ADC com balanceamento de carga. O princípio de funcionamento é comparar a tensão de entrada com o valor da tensão acumulada pelo integrador. Os pulsos são fornecidos à entrada do integrador de polaridade negativa ou positiva, com base no resultado da comparação. Como resultado, a tensão de saída “rastreia” a tensão de entrada. Caracterizado por alta precisão e baixos níveis de ruído.
A conversão analógico-digital é usada sempre que um sinal analógico precisa ser recebido e processado em formato digital.
- O ADC é parte integrante de um voltímetro e multímetro digital.
- ADCs de vídeo especiais são usados em sintonizadores de TV de computador, placas de entrada de vídeo e câmeras de vídeo para digitalização de sinais de vídeo. As entradas de microfone e áudio de linha dos computadores são conectadas a um ADC de áudio.
- Os ADCs são parte integrante dos sistemas de aquisição de dados.
- ADCs de aproximação sucessiva com capacidade de 8 a 12 bits e ADCs sigma-delta com capacidade de 16 a 24 bits são integrados em microcontroladores de chip único.
- ADCs muito rápidos são necessários em osciloscópios digitais (são usados ADCs paralelos e de pipeline)
- Balanças modernas utilizam ADCs com resolução de até 24 bits, que convertem o sinal diretamente do sensor de extensômetro (ADC sigma-delta).
- Os ADCs fazem parte de modems de rádio e outros dispositivos de transmissão de dados por rádio, onde são usados em conjunto com um processador DSP como demodulador.
- Os ADCs ultrarrápidos são usados em sistemas de antenas de estações base (nas chamadas antenas SMART) e em conjuntos de antenas de radar.
34. Conversores digital para analógico, finalidade, estrutura, princípio de operação.
Conversor digital para analógico (DAC) - um dispositivo para converter um código digital (geralmente binário) em um sinal analógico (corrente, tensão ou carga). Os conversores digital para analógico são a interface entre o mundo digital discreto e os sinais analógicos.
Um conversor analógico-digital (ADC) executa a operação reversa.
Um DAC de áudio geralmente recebe um sinal digital modulado por código de pulso como sua entrada. A tarefa de converter vários formatos compactados para PCM é realizada pelos respectivos codecs.
DAC aplicado sempre que for necessário converter um sinal de representação digital para analógico, por exemplo, em leitores de CD (CD de Áudio).
Conversores digital-analógico (DACs) e conversores analógico-digital (ADCs) são usados principalmente para conectar dispositivos e sistemas digitais com sinais analógicos externos ao mundo real. Neste caso, o ADC converte sinais analógicos em sinais de entrada digitais que são alimentados em dispositivos digitais para processamento ou armazenamento adicional, e o DAC converte os sinais de saída digitais de dispositivos digitais em sinais analógicos.
Microcircuitos especializados produzidos por muitas empresas nacionais e estrangeiras são normalmente usados como DACs e ADCs.
Chip DAC pode ser representado como um bloco (Fig. 13) com diversas entradas digitais e uma entrada analógica, além de uma saída analógica.
Arroz. 13. Chip DAC
O código N de n bits é fornecido às entradas digitais do DAC, e a tensão de referência U op é fornecida à entrada analógica (outra designação comum é U REF). O sinal de saída é a tensão U out (outra designação é U O) ou a corrente I out (outra designação é I O). Neste caso, a corrente ou tensão de saída é proporcional ao código de entrada e à tensão de referência. Para alguns microcircuitos, a tensão de referência deve ter um nível estritamente especificado, para outros é possível alterar seu valor dentro de amplos limites, inclusive alterando sua polaridade (positivo para negativo e vice-versa). Um DAC com uma grande faixa de tensão de referência é chamado de DAC multiplicador porque pode ser facilmente usado para multiplicar o código de entrada por qualquer tensão de referência.
A essência da conversão de um código digital de entrada em um sinal analógico de saída é bastante simples. Consiste em somar várias correntes (de acordo com o número de bits do código de entrada), cada uma subsequente sendo duas vezes maior que a anterior. Para obter essas correntes, são utilizadas fontes de corrente de transistor ou matrizes resistivas comutadas por chaves de transistor.
Como exemplo, a Figura 14 mostra uma conversão digital para analógico de 4 bits (n = 4) baseada em uma matriz resistiva R-2R e interruptores (na realidade, interruptores baseados em transistor são usados). A posição direita da chave corresponde a um neste bit do código de entrada N (bits D0…D3). O amplificador operacional pode ser embutido (no caso de um DAC com saída de tensão) ou externo (no caso de um DAC com saída de corrente).
Arroz. 14. Conversão digital para analógico de 4 bits
A primeira chave (à esquerda na figura) comuta uma corrente de valor U REF /2R, a segunda chave - corrente U REF /4R, a terceira - corrente U REF /8R, a quarta - corrente U REF /16R. Ou seja, as correntes comutadas pelas chaves adjacentes diferem pela metade, assim como os pesos dos bits do código binário. As correntes comutadas por todas as chaves são somadas e convertidas em uma tensão de saída usando um amplificador operacional com resistência R OS = R no circuito de realimentação negativa.
Quando cada chave está na posição correta (uma no bit correspondente do código de entrada do DAC), a corrente comutada por esta chave é fornecida para soma. Quando a chave está na posição esquerda (zero no bit correspondente do código de entrada do DAC), a corrente comutada por esta tecla não é fornecida para soma.
A corrente total I O de todas as chaves cria uma tensão na saída do amplificador operacional U O =I O R OS =I OR. Ou seja, a contribuição da primeira chave (bit mais significativo do código) para a tensão de saída é U REF /2, a segunda - U REF /4, a terceira - U REF /8, a quarta - U REF /16 . Assim, com o código de entrada N = 0000, a tensão de saída do circuito será zero, e com o código de entrada N = 1111 será igual a –15U REF /16.
Em geral, a tensão de saída do DAC em R OS = R estará relacionada ao código de entrada N e à tensão de referência U REF por uma fórmula simples
VOCÊ SAÍDA = –N U REF 2 -n
onde n é o número de bits do código de entrada. Alguns chips DAC oferecem a capacidade de operar no modo bipolar, no qual a tensão de saída muda não de zero para U REF, mas de –U REF para +U REF. Neste caso, o sinal de saída do DAC U OUT é multiplicado por 2 e deslocado pelo valor U REF. A relação entre o código de entrada N e a tensão de saída U OUT será a seguinte:
U FORA =U REF (1–N 2 1–n)
Chips ADC executam uma função diretamente oposta à de um DAC - eles convertem o sinal analógico de entrada em uma sequência de códigos digitais. Em geral, um chip ADC pode ser representado como um bloco que possui uma entrada analógica, uma ou duas entradas para fornecimento de tensão de referência (referência), bem como saídas digitais para emissão de um código correspondente ao valor atual do sinal analógico ( Figura 15).
Freqüentemente, o chip ADC também possui uma entrada para fornecer um sinal de clock CLK, um sinal de habilitação CS e um sinal que indica a prontidão do código digital de saída RDY. O microcircuito é alimentado com uma ou duas tensões de alimentação e um fio comum.
Arroz. 15. Chip ADC
Atualmente, muitos métodos diferentes de conversão analógico-digital foram desenvolvidos, por exemplo, métodos de contagem sequencial, balanceamento bit a bit, integração dupla; com conversão de tensão em frequência, conversão paralela. Os circuitos conversores construídos com base nos métodos listados podem ou não conter um DAC.
Esquema Contagem serial ADCé mostrado na Fig.16, a. Como pode ser visto no gráfico, o tempo de conversão deste tipo é variável e depende do sinal analógico de entrada, porém, o ciclo de operação de todo o dispositivo é constante e igual a,, onde T0- período do gerador de pulsos de referência, n capacidade de bits do contador e do próprio ADC. A operação de tal ADC não requer sincronização, o que simplifica muito a construção de um circuito de controle. A partir do momento em que o sinal “Start” chega à saída ADC com frequência 1/ Tp códigos digitais da mudança do resultado da conversão (frequência 1/ Tp- parâmetro que determina a frequência máxima de rastreamento permitida do sinal de entrada).
As características mais importantes dos ADCs são precisão, velocidade e custo. A precisão está relacionada à profundidade de bits do ADC. O fato é que o sinal analógico na entrada do ADC se transforma em um código digital binário na saída, ou seja, Um ADC é um medidor de magnitude de sinal analógico com precisão de metade do dígito menos significativo. Portanto, digamos, um ADC de 8 bits fornece precisão de conversão não superior ao valor máximo possível. Um ADC de 10 bits fornece uma precisão de conversão não superior a , um ADC de 14 bits fornece uma precisão não superior a , e um ADC de 16 bits não fornece precisão superior 
do valor máximo possível.
O desempenho de um ADC é caracterizado pelo período de tempo necessário para realizar uma conversão, ou pelo número de conversões possíveis por unidade de tempo (frequência de conversão).
Normalmente, quanto maior a precisão (capacidade de bits) de um ADC, menor será seu desempenho, e quanto maior a precisão e o desempenho, maior será o custo do ADC. Portanto, ao projetar um sensor inteligente, é necessário selecionar corretamente seus parâmetros.
Os ADCs são agora construídos de acordo com diferentes princípios de circuito e são produzidos na forma de circuitos integrados individuais e como unidades de circuitos mais complexos (por exemplo, microcontroladores).
Conversor digital para analógico. .
Esses dispositivos são “condutores” entre analógico E digital mundos da eletricidade.
O resultado final é que sensores, motores, luzes e muitos outros dispositivos usam sinal analógico, isto é, por exemplo, uma tensão com um nível de 0V a 12V, enquanto FPGAs, microcontroladores e chips digitais exigem níveis de tensão constantes, por exemplo 0V e 5V, representando lógico 0 e 1 respectivamente.
Exemplo 1. DAC
Vamos imaginar que temos a tarefa de controlar o brilho de um LED:
- 10 níveis (gradações) Brilho do LED
- tensão máxima via LED 9V
- controlado usando um microcontrolador e dois botões “+1 nível de brilho”, “-1 nível de brilho”
Portanto, o LED opera em tensões de 0 a 9V. Não é difícil adivinhar que 10 gradações de brilho são 10 níveis de tensão que aplicamos ao LED - 0V, 1V, ..., 9V
O microcontrolador produz tensão de 0V ou 5V. Mas não 1B, 3B, 4B ou 9B. Mas o microcontrolador tem muito lógico pinos aos quais podemos nos conectar DAC você e converter lógica em sinal analógico.
Você conversor digital para analógico existem, por exemplo, 4 pinos de entrada para conectar sinais lógicos e 2 pinos para saída analógico tensão de 0 a 15V - terminais “+” e “-“.
Aqui está o seu trabalho DAC a: quando nos alimentamos com todas as 4 patas lógico 1, então o nível de tensão analógico o sinal de saída é máximo ( 15V no nosso caso), quando fornecemos 0 - mínimo, isso é 0V
Agora vem a parte divertida. Em cada pino de entrada DAC mas existe um “peso” para o sinal de saída. Por exemplo, o pino superior “pesa” 8V (ou seja, se aplicarmos 1 lógico apenas ao 1º pino, obteremos 8V na saída), o próximo abaixo é 4B, o próximo é 2B e o último abaixo é 1B. Agora adicione esses números e você obterá 15V.
Precisamos obter os níveis 0B, 1B, 2B, 3B, 4B, 5B, 6B, 7B, 8B e 9B.
Isso significa que as entradas DAC você precisa enviar códigos de acordo com a tabela a seguir
| Tensão em analógico saída | 0V | 1B | 2B | 3B | 4B | 5V | 6V | 7V | 8V | 9V |
| Entrada 1, peso 8V | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| Entrada 1, peso 4V | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Entrada 1, peso 2V | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| Entrada 1, peso 1V | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
Os botões “+1 nível de brilho”, “-1 nível de brilho” irão adicionar ou subtrair 1 unidade da saída digital sinal do microcontrolador. Este sinal será enviado para as entradas DAC. Saída DAC será conectado ao LED. Missão cumprida!
Exemplo 2. ADC
Conversor analógico para digitalfunciona no princípio inverso. Aplicamos um nível de tensão variável à entrada e na saída obtemos lógica (pedaços) +5V e 0V, ou 1 e 0 lógicos
Vamos definir a tarefa de fazer leituras do sensor de temperatura:
- o sensor mostra a temperatura de 0C a 30C
- em 0C o sensor emite 0V, em 30C emite 15V
- o sinal deve ser recebido pelo microcontrolador em formato digital (lógico 1 e 0, tensão +5V e 0V)
ADC possui dois pinos de entrada para receber um sinal de tensão analógico, por exemplo, de 0 a 15V e, no nosso caso, 4 pinos para saída sinal lógico digital. Isto é, um sinal de código paralelo de quatro bits.
Conectamos a saída do nosso sensor à entrada analógica ADC, e a saída digital de quatro bits de ADC conecte ao microcontrolador. E já recebemos leituras do sensor em formato digital no microfone. Os dados do processo corresponderão à tabela abaixo.
APC- Esse UM imposto C digital P conversor Em inglês ADC (UM imposto para- D digital C conversor). Ou seja, um dispositivo especial que o converte em digital.
ADC é usado em tecnologia digital. Em particular, quase todos os modernos possuem um ADC integrado.
Como você provavelmente já sabe, os microprocessadores (como os processadores de computador) não entendem nada além de números binários. Segue-se que o microprocessador (que é a base de qualquer microcontrolador) não pode processar diretamente um sinal analógico.
O ADC de um microcontrolador normalmente mede apenas a tensão na faixa de 0 até a tensão de alimentação do microcontrolador.
Características do ADC
Existem diferentes ADCs com características diferentes. A principal característica é a profundidade de bits. No entanto, existem outros. Por exemplo, o tipo de sinal analógico que pode ser conectado à entrada ADC.
Todas essas características estão descritas na documentação do ADC (se ele for projetado como um chip separado) ou na documentação do microcontrolador (se o ADC estiver embutido no microcontrolador).
Além da capacidade de bits, que já discutimos, podemos citar mais algumas características básicas.
Bit menos significativo (LSB). Esta é a menor tensão de entrada que pode ser medida pelo ADC. Determinado pela fórmula:
1 LSB = Uop / 2 R
Onde Uop é a tensão de referência (indicada nas especificações do ADC). Por exemplo, com uma tensão de referência de 1 V e uma largura de bits de 8 bits, obtemos:
1 LSB = 1/2 8 = 1/256 = 0,004 V
Não linearidade integral - não linearidade integral do código de saída ADC. É claro que qualquer transformação introduz distorções. E esta característica determina a não linearidade do valor de saída, ou seja, o desvio do valor de saída do ADC do valor linear ideal. Esta característica é medida em LSB.
Em outras palavras, esta característica determina o quão “curva” pode ser uma linha no gráfico do sinal de saída, que idealmente deveria ser reta (ver figura).
Precisão absoluta. Também medido em LSB. Em outras palavras, este é o erro de medição. Por exemplo, se esta característica for +/- 2 LSB e LSB = 0,05 V, isso significa que o erro de medição pode atingir +/- 2 * 0,05 = +/- 0,1 V.
O ADC também possui outras características. Mas, para começar, isso é mais que suficiente.
Conexão ADC
Deixe-me lembrá-lo de que existem basicamente dois tipos: corrente e tensão. Além disso, os sinais podem ter uma faixa de valores padrão e uma faixa não padrão. As faixas padrão de valores de sinais analógicos são descritas em GOSTs (por exemplo, GOST 26.011-80 e GOST R 51841-2001). Mas, se o seu dispositivo usa algum tipo de sensor caseiro, o sinal pode ser diferente do padrão (embora eu aconselhe você a escolher algum tipo de sinal padrão em qualquer caso - para compatibilidade com sensores padrão e outros dispositivos).
Os ADCs medem principalmente a tensão.
Tentarei falar (em termos gerais) sobre como conectar um sensor analógico a um ADC e depois como lidar com os valores que o ADC irá produzir.
Então, digamos que queremos medir a temperatura na faixa de -40...+50 graus usando um sensor especial com saída padrão de 0...1V. Digamos que temos um sensor que pode medir temperaturas na faixa de -50...+150 graus.
Se um sensor de temperatura tiver uma saída padrão, então, como regra, a tensão (ou corrente) na saída do sensor varia linearmente. Ou seja, podemos determinar facilmente qual tensão estará na saída do sensor em uma determinada temperatura.
O que é lei linear? É quando o intervalo de valores no gráfico parece uma linha reta (veja a figura). Sabendo que uma temperatura de -50 a +150 dá uma tensão na saída do sensor que varia de acordo com uma lei linear, podemos, como já disse, calcular essa tensão para qualquer valor de temperatura em uma determinada faixa.
Em geral, para converter uma faixa de temperatura em uma faixa de tensão no nosso caso, precisamos comparar de alguma forma duas escalas, uma das quais é uma faixa de temperatura e a outra é uma faixa de tensão.
Você pode determinar visualmente a tensão por temperatura usando o gráfico (veja a figura acima). Mas o microcontrolador não tem olhos (embora, claro, você possa se divertir e criar um dispositivo no microcontrolador que possa reconhecer imagens e determinar o valor da temperatura a partir da tensão no gráfico, mas vamos deixar esse entretenimento para os fãs de robótica )))
Em primeiro lugar, determinamos a faixa de temperatura. Temos de -50 a 150, ou seja, 201 graus (não se esqueça do zero).
E a faixa de tensões medidas é de 0 a 1 V.
Ou seja, precisamos comprimir o intervalo de 0 a 200 (201 no total) na escala de 0 a 1.
Encontrando o fator de conversão:
K = U / Td = 1/200 = 0,005 (1)
Ou seja, quando a temperatura muda 1 grau, a tensão na saída do sensor muda 0,005 V. Aqui Td é a faixa de temperatura. Não os valores de temperatura, mas o número de unidades de medida (no nosso caso, graus) na escala de temperatura, comparada com a escala de tensão (não levamos zero em consideração por simplicidade, pois também existe um zero na faixa de tensão ).
Verificamos as características do ADC do microcontrolador que pretendemos utilizar. O valor LSB não deve ser superior a K (mais de 0,005 no nosso caso, mais precisamente, isso é aceitável se você estiver satisfeito com um erro de mais de 1 unidade de medida - mais de 1 grau no nosso caso).
Essencialmente, K é volts por grau, ou seja, foi assim que descobrimos por qual valor a tensão muda quando a temperatura muda 1 grau.
Agora temos todos os dados necessários para converter o valor de saída do ADC em um valor de temperatura no programa do microcontrolador.
Lembramos que mudamos a faixa de temperatura em 50 graus. Isto deve ser levado em consideração ao converter o valor de saída do ADC em temperatura.
E a fórmula ficará assim:
T = (U / K) - 50 (2)
Por exemplo, se a saída ADC for 0,5 V, então
T = (U / K) - 50 = (0,5 / 0,005) - 50 = 100 - 50 = 50 graus
Agora precisamos determinar a discrição, ou seja, a precisão de medição desejada.
Como você se lembra, o erro absoluto pode ser de vários LSB. Além disso, também existem distorções não lineares, que geralmente são iguais a 0,5 LSB. Ou seja, o erro total do ADC pode chegar a 2-3 LSB.
No nosso caso é:
Acima = 3 LSB * 0,005 = 0,015 V
Ou 3 graus.
Se no seu caso nem tudo estiver tão tranquilo, então novamente usamos a fórmula derivada de (1):
Td = Acima / K = 0,015 / 0,005 = 3
Se um erro de 3 graus for adequado para você, não será necessário alterar nada. Bem, se não, então você terá que selecionar um ADC com maior capacidade de bits ou encontrar outro sensor (com uma faixa de temperatura diferente ou com uma tensão de saída diferente).
Por exemplo, se você conseguir encontrar um sensor com faixa de -40...+50, como queríamos, e com a mesma saída 0...1V, então
K = 1/90 = 0,01
Então o erro absoluto será:
Td = Acima / K = 0,015 / 0,01 = 1,5 graus.
Isso já é mais ou menos aceitável. Bem, se você tiver um sensor com saída de 0...5V (este também é um sinal padrão), então
K = 5/90 = 0,05
E o erro absoluto será:
Td = Acima / K = 0,015 / 0,05 = 0,3 graus.
Isso não é nada.
Mas! Lembre-se de que estamos analisando apenas o erro ADC aqui. Mas o próprio sensor também apresenta um erro que também deve ser levado em consideração.
Mas tudo isso já é da área de eletrônica e metrologia, então terminarei este artigo aqui.
E no final, por precaução, darei a fórmula para converter a temperatura novamente em tensão:
você = K * (Tv + 50) = 0,005 * (150 + 50) = 1
P.S. Escrevi este artigo depois de um árduo dia de trabalho, então se cometi um erro em algum lugar, peço desculpas)))
Este artigo discute as principais questões relativas ao princípio de funcionamento de vários tipos de ADCs. Ao mesmo tempo, alguns cálculos teóricos importantes relativos à descrição matemática da conversão analógico-digital foram deixados de fora do escopo do artigo, mas são fornecidos links onde o leitor interessado pode encontrar uma consideração mais aprofundada dos aspectos teóricos da o funcionamento do ADC. Assim, o artigo preocupa-se mais em compreender os princípios gerais de funcionamento dos ADCs do que em uma análise teórica de seu funcionamento.
Introdução
Como ponto de partida, vamos definir a conversão analógico-digital. A conversão analógico-digital é o processo de conversão de uma quantidade física de entrada em sua representação numérica. Um conversor analógico para digital é um dispositivo que realiza essa conversão. Formalmente, o valor de entrada do ADC pode ser qualquer quantidade física - tensão, corrente, resistência, capacitância, taxa de repetição de pulso, ângulo de rotação do eixo, etc. No entanto, para maior clareza, a seguir, por ADC entendemos exclusivamente conversores de tensão para código.
O conceito de conversão analógico-digital está intimamente relacionado ao conceito de medição. Por medição entendemos o processo de comparação do valor medido com algum padrão durante a conversão analógico-digital, o valor de entrada é comparado com algum valor de referência (geralmente uma tensão de referência). Assim, a conversão analógico-digital pode ser considerada como uma medida do valor do sinal de entrada, e todos os conceitos de metrologia, como erros de medição, se aplicam a ela.
Principais características do ADC
O ADC possui muitas características, sendo as principais a frequência de conversão e a profundidade de bits. A frequência de conversão é geralmente expressa em amostras por segundo (SPS) e a profundidade de bits é em bits. Os ADCs modernos podem ter uma largura de bits de até 24 bits e uma velocidade de conversão de até unidades GSPS (é claro, não ao mesmo tempo). Quanto maior a velocidade e a capacidade de bits, mais difícil é obter as características exigidas e mais caro e complexo é o conversor. A velocidade de conversão e a profundidade de bits estão relacionadas entre si de uma certa maneira, e podemos aumentar a profundidade efetiva de conversão sacrificando a velocidade.
Tipos de ADC
Existem muitos tipos de ADCs, mas para efeitos deste artigo nos limitaremos a considerar apenas os seguintes tipos:
- ADC de conversão paralela (conversão direta, flash ADC)
- ADC de aproximação sucessiva (SAR ADC)
- ADC delta-sigma (ADC com carga balanceada)
ADCs de conversão direta (paralela) têm a maior velocidade e a menor profundidade de bits. Por exemplo, o conversor paralelo ADC TLC5540 da Texas Instruments tem velocidade de 40MSPS com apenas 8 bits. ADCs deste tipo podem ter uma velocidade de conversão de até 1 GSPS. Pode-se notar aqui que os ADCs em pipeline têm velocidade ainda maior, mas são uma combinação de vários ADCs com velocidade menor e sua consideração está além do escopo deste artigo.
O nicho intermediário na série de velocidade de taxa de bits é ocupado por ADCs de aproximação sucessiva. Os valores típicos são 12-18 bits com uma frequência de conversão de 100KSPS-1MSPS.
A maior precisão é alcançada por ADCs sigma-delta com largura de bits de até 24 bits inclusive e velocidade de unidades SPS a unidades KSPS.
Outro tipo de ADC que encontrou uso no passado recente é o ADC integrador. Os ADCs integradores foram agora quase completamente substituídos por outros tipos de ADCs, mas podem ser encontrados em instrumentos de medição mais antigos.
ADC de conversão direta
Os ADCs de conversão direta tornaram-se difundidos nas décadas de 1960 e 1970 e começaram a ser produzidos como circuitos integrados na década de 1980. Eles são frequentemente usados como parte de ADCs de “pipeline” (não discutidos neste artigo) e têm capacidade de 6 a 8 bits a uma velocidade de até 1 GSPS.
A arquitetura ADC de conversão direta é mostrada na Fig. 1
Arroz. 1. Diagrama de blocos do ADC de conversão direta
O princípio de funcionamento do ADC é extremamente simples: o sinal de entrada é fornecido simultaneamente a todas as entradas “positivas” dos comparadores, e uma série de tensões são fornecidas às “negativas”, obtidas a partir da tensão de referência dividindo-as por resistores R. Para o circuito da Fig. 1 esta linha será assim: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, onde Uref é a tensão de referência ADC.
Deixe uma tensão igual a 1/2 Uref ser aplicada à entrada ADC. Então os primeiros 4 comparadores funcionarão (se você contar de baixo), e os lógicos aparecerão em suas saídas. O codificador de prioridade formará um código binário a partir de uma “coluna” de uns, que é capturado no registrador de saída.
Agora as vantagens e desvantagens de tal conversor ficam claras. Todos os comparadores operam em paralelo, o tempo de atraso do circuito é igual ao tempo de atraso em um comparador mais o tempo de atraso no codificador. O comparador e o codificador podem ser feitos muito rapidamente, como resultado todo o circuito tem um desempenho muito alto.
Mas para obter N bits, são necessários comparadores 2^N (e a complexidade do codificador também cresce à medida que 2^N). Esquema na Fig. 1. contém 8 comparadores e possui 3 bits, para obter 8 bits são necessários 256 comparadores, para 10 bits - 1024 comparadores, para um ADC de 24 bits seriam necessários mais de 16 milhões.
aproximação sucessiva ADC
Um conversor analógico-digital de registro de aproximação sucessiva (SAR) mede a magnitude do sinal de entrada realizando uma série de “ponderações” sequenciais, ou seja, comparações do valor da tensão de entrada com uma série de valores gerados como segue:
Primeiro, na primeira etapa, a saída do conversor digital-analógico integrado é definida para um valor igual a 1/2Uref (doravante assumimos que o sinal está no intervalo (0 – Uref).
2. se o sinal for maior que este valor, então ele é comparado com a tensão situada no meio do intervalo restante, ou seja, neste caso, 3/4Uref. Se o sinal for inferior ao nível definido, a próxima comparação será feita com menos da metade do intervalo restante (ou seja, com um nível de 1/4Uref).
3. A etapa 2 é repetida N vezes. Assim, N comparações (“ponderações”) produzem N bits do resultado.
Arroz. 2. Diagrama de blocos de um ADC de aproximação sucessiva.
Assim, o ADC de aproximação sucessiva consiste nos seguintes nós:
1. Comparador. Compara o valor de entrada e o valor atual da tensão de “ponderação” (na Fig. 2, indicada por um triângulo).
2. Conversor Digital para Analógico (DAC). Gera um “peso” de tensão baseado no código digital recebido na entrada.
3. Registro de Aproximação Sucessiva (SAR). Ele implementa um algoritmo de aproximação sucessiva, gerando o valor atual do código alimentado na entrada do DAC. Toda a arquitetura ADC leva seu nome.
4. Esquema Sample/Hold (Sample/Hold, S/H). Para o funcionamento deste ADC é de fundamental importância que a tensão de entrada permaneça constante durante todo o ciclo de conversão. No entanto, os sinais “reais” tendem a mudar com o tempo. O circuito sample-and-hold “lembra” o valor atual do sinal analógico e o mantém inalterado durante todo o ciclo operacional do dispositivo.
A vantagem do dispositivo é a velocidade de conversão relativamente alta: o tempo de conversão de um ADC de N bits é de N ciclos de clock. A precisão da conversão é limitada pela precisão do DAC interno e pode ser de 16 a 18 bits (agora começaram a aparecer ADCs SAR de 24 bits, por exemplo, AD7766 e AD7767).
ADC Delta-Sigma
Finalmente, o tipo mais interessante de ADC é o ADC sigma-delta, às vezes chamado de ADC com carga balanceada na literatura. O diagrama de blocos do ADC sigma-delta é mostrado na Fig. 3.
Figura 3. Diagrama de blocos de um ADC sigma-delta.
O princípio de funcionamento deste ADC é um pouco mais complexo do que o de outros tipos de ADC. Sua essência é que a tensão de entrada seja comparada com o valor da tensão acumulada pelo integrador. Pulsos de polaridade positiva ou negativa são fornecidos à entrada do integrador, dependendo do resultado da comparação. Assim, este ADC é um sistema de rastreamento simples: a tensão na saída do integrador “rastreia” a tensão de entrada (Fig. 4). O resultado deste circuito é um fluxo de zeros e uns na saída do comparador, que é então passado por um filtro digital passa-baixa, resultando em um resultado de N bits. LPF na Fig. 3. Combinado com um “decimador”, dispositivo que reduz a frequência das leituras “dizimando-as”.
Arroz. 4. Sigma-delta ADC como sistema de rastreamento
Por uma questão de rigor de apresentação, deve ser dito que na Fig. A Figura 3 mostra um diagrama de blocos de um ADC sigma-delta de primeira ordem. O ADC sigma-delta de segunda ordem possui dois integradores e dois circuitos de feedback, mas não será discutido aqui. Os interessados neste tópico podem consultar.
Na Fig. A Figura 5 mostra os sinais no ADC no nível de entrada zero (parte superior) e no nível Vref/2 (parte inferior).
Arroz. 5. Sinais no ADC em diferentes níveis de sinal de entrada.
Agora, sem nos aprofundarmos em análises matemáticas complexas, vamos tentar entender por que os ADCs sigma-delta têm um nível de ruído muito baixo.
Vamos considerar o diagrama de blocos do modulador sigma-delta mostrado na Fig. 3, e apresente-o desta forma (Fig. 6):
Arroz. 6. Diagrama de blocos de um modulador sigma-delta
Aqui o comparador é representado como um somador que adiciona o sinal contínuo desejado e o ruído de quantização.
Deixe o integrador ter uma função de transferência 1/s. Então, representando o sinal útil como X(s), a saída do modulador sigma-delta como Y(s) e o ruído de quantização como E(s), obtemos a função de transferência ADC:
Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)
Ou seja, de fato, o modulador sigma-delta é um filtro passa-baixa (1/(s+1)) para o sinal útil, e um filtro passa-alta (s/(s+1)) para ruído, ambos filtros com a mesma frequência de corte. O ruído concentrado na região de alta frequência do espectro é facilmente removido por um filtro digital passa-baixa, localizado após o modulador.
Arroz. 7. O fenômeno do “deslocamento” do ruído para a parte de alta frequência do espectro
No entanto, deve ser entendido que esta é uma explicação extremamente simplificada do fenômeno de formação de ruído em um ADC sigma-delta.
Assim, a principal vantagem do ADC sigma-delta é sua alta precisão, devido ao nível extremamente baixo de seu próprio ruído. Porém, para obter alta precisão, é necessário que a frequência de corte do filtro digital seja a mais baixa possível, muitas vezes menor que a frequência de operação do modulador sigma-delta. Portanto, os ADCs sigma-delta têm baixa velocidade de conversão.
Eles podem ser usados em engenharia de áudio, mas seu principal uso é na automação industrial para conversão de sinais de sensores, em instrumentos de medição e em outras aplicações onde alta precisão é necessária. mas alta velocidade não é necessária.
Um pouco de história
A menção mais antiga de um ADC na história é provavelmente a patente de Paul M. Rainey, "Facsimile Telegraph System", EUA. Patente 1.608.527, arquivada em 20 de julho de 1921, emitida em 30 de novembro de 1926. O dispositivo representado na patente é na verdade um ADC de conversão direta de 5 bits.
Arroz. 8. Primeira patente para ADC
Arroz. 9. ADC de conversão direta (1975)
O dispositivo mostrado na figura é um ADC MOD-4100 de conversão direta fabricado pela Computer Labs, fabricado em 1975, montado usando comparadores discretos. São 16 comparadores (eles estão localizados em semicírculo para equalizar o atraso de propagação do sinal para cada comparador), portanto, o ADC possui largura de apenas 4 bits. Velocidade de conversão 100 MSPS, consumo de energia 14 watts.
A figura a seguir mostra uma versão avançada do ADC de conversão direta.
Arroz. 10. ADC de conversão direta (1970)
O VHS-630 de 1970, fabricado pela Computer Labs, continha 64 comparadores, era de 6 bits, 30MSPS e consumia 100 watts (a versão de 1975 do VHS-675 tinha 75 MSPS e consumia 130 watts).
Literatura
W. Kester. Arquiteturas ADC I: O Conversor Flash. Dispositivos Analógicos, Tutorial MT-020.
