A INTERFACE COM O MUNDO ANALÓGICO Prof. Fillipe Lucchin Paukner
1 - Objetivos Entender os conceitos relacionados ao mundo analógico/digital. Compreender o funcionamento da conversão analógico/digital e digital/analógico. Conhecer principais topologias de conversores DA Conhecer principais topologias de conversores AD
1 - Objetivos Saber projetar uma interface entre o mundo analógico e o digital. Conhecer o processo de amostragem de sinais analógicos. os conceitos básicos de Entender processamento digital de sinais.
2 – Sinal contínuo vs discreto
3 – Sinal analógico vs digital
3 – Sinal analógico vs digital
Uma quantidade digital costuma ser representada entre duas possibilidade: 0 ou 1 nível baixo ou alto verdadeiro ou falso.
Na prática, uma quantidade digital, como uma tensão pode ter um valor que está dentro de faixas especificadas.
3 – Sinal analógico vs digital
TTL significa Transistor-Transistor – Logic (Lógica Transistor-Transistor). A tensão de alimentação se restringe a 5V contínuos, tendo, porém, uma faixa de tensão correspondente aos níveis lógicos 0 e 1. Por exemplo, para a lógica TTL sabemos que: 0V a 0,8V = 0 lógico. 2V a 5V = 1 lógico.
3 – Sinal analógico vs digital
TTL:
3 – Sinal analógico vs digital
CMOS:
3 – Sinal analógico vs digital
Considerando a lógica TTl, a qualquer tensão na faixa de 0 a 0,8V será atribuído um valor digital 0, e a qualquer tensão na faixa de 2 a 5 V, será associado um valor digital 1. Os valores exatos de tensão não são importantes, desde que estejam nessa faixa.
3 – Sinal analógico vs digital
Um sinal analógico pode assumir qualquer valor ao longo de uma faixa contínua de valores e, o que é mais importante, o seu valor exato é relevante. Por exemplo, a saída de um conversor analógico temperatura-tensão pode ser medida como 2,76V, que pode representar uma temperatura específica de 27,6ºC. Se a tensão medida fosse de 2,34V ou 3,78V, a temperatura medida seria completamente diferente.
3 – Sinal analógico vs digital
Portanto, cada valor possível de uma quantidade analógica possui um significado diferente. A maioria das variáveis físicas é analógica por natureza e pode assumir qualquer valor dentro de uma faixa de valores contínuos. Temperatura, Pressão, Intensidade luminosa, Sinais de áudio, Velocidade rotacional, Etc.
3 – Sinal analógico vs digital
Quando um sistema digital é utilizada para monitorar ou controlar um processo físico, torna-se necessário lidar com as diferenças entre a natureza digital de um computador e a natureza analógica das variáveis do processo. A figura a seguir ilustra essa situação. Trata-se de um diagrama composto de 5 elementos que realizam a interface entre o mundo analógico e o digital.
3 – Sinal analógico vs digital
3 – Sinal analógico vs digital
1 – Transdutor: Variável física costumeiramente é uma variável não elétrica. Torna-se necessário a utilização de um transdutor que converta a variável física para uma variável elétrica. Exemplos:
Termistores, fotocélulas, fotodiodos, medidores de vazão, transdutores de pressão, tacômetros, etc.
A saída elétrica do transdutor pode ser em tensão ou corrente, proporcional a variável física monitorada.
3 – Sinal analógico vs digital
1 – Transdutor:
Exemplo: Variável física: Temperatura da água em um tanque. Temperatura varia entre 80ºF e 150ºF. Transdutor converte a temperatura em uma faixa que varia de 800 a 1500mV. Cada 1ºF corresponde a 10mV de variação. Note que esse fator de proporcionalidade foi escolhido de maneira conveniente. Para se verificar a faixa de operação de um transdutor real, deve-se verificar o seu datasheet.
3 – Sinal analógico vs digital
2 – Conversor Analógico Digital (ADC): A saída elétrica do transdutor serve como entrada analógica do ADC. O conversor converte essa entrada analógica em uma saída digital, que por sua vez consiste de um número de bits que representa o valor da entrada analógica. Por exemplo, o ADC poderia converter os valores analógicos de 800mV a 1500mV para valores na faixa de 01010000 (80) a 10010110 (150). A saída binária do ADC é proporcional à tensão de entrada analógica, de maneira que cada variação de 1bit representaria 10mV.
3 – Sinal analógico vs digital
3 – Sistema computacional: A representação digital da variável é transmitida para o computador, que armazena esse valor e o processa. O programa poderia realizar cálculos ou outras operações sobre as representações digitais da temperatura. Poderá em seguida gerar uma nova saída digital que será usada para controlar a temperatura do sistema em questão.
3 – Sinal analógico vs digital
4 – Conversão Digital-Analógico (DAC): A saída digital do computador será conectada a um conversor digital-analógico. Esse conversor converte o sinal digital em uma tensão ou corrente analógica proporcional ao valor digital. Por exemplo, o computador poderia gerar uma saída digital na faixa de 00000000 a 11111111, que o DAC converteria linearmente para a faixa de tensão de 0V a 10V.
3 – Sinal analógico vs digital
5 – Atuador: O sinal analógico do DAC é frequentemente conectado a algum dispositivo ou circuito que serve como atuador para controlar a variável física. No exemplo em questão, a temperatura da água é controlada, atuando-se em uma válvula que regule a entrada de água quente/fria no tanque (fluxo). O fluxo poderia variar proporcionalmente a essa tensão analógica, com 0V gerando um fluxo nulo e como 10V um fluxo máximo.
3 – Sinal analógico vs digital
Assim, entendemos que ADCs e DACs atuam como interfaces entre um sistema digital e o mundo analógico. Tal função tornou-se essencial a medida que sistemas computacionais de baixo custo passaram a ser usados em áreas de controle de processos em que antes o controle por meio de computador era impraticável.
4 – Questões para revisão
1 – Qual é a função de um transdutor? 2 – Qual é a função de um ADC? 3 – O que o computador geralmente faz com um dado que é recebido de um ADC? 4 – Qual é a função realizada por um DAC? 5 – Qual é a função de um atuador?
5 - Referência
TOCCI, R. J. Sistemas digitais: princípio e aplicações . 10 ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007. LIVRO TEXTO
