33
Foram aplicadas tensões de 0V ou 5V nas entradas digitais dos conversores D/A, seguindo uma sequência binária de 00000000 á 11111111 que tinha como passo 5 LSB, mostrado nas figuras 37 e 38. O conversor D/A com DAC0830 apresentou melhor linearidade, variando apenas 40mV enquanto o circuito conversor R-2R apresentou máxima variação de 50mV, 1% em relação a tensão de referência de 5V.
Apesar da pouca diferença nos resultados, o conversor DAC0830 obteve melhor linearidade dos resultados.
4.2 Regime AC
O procedimento nesta etapa segue o que foi descrito no item 3.2.2, onde os conversores A/D recebem uma onda triangular em sua entrada, enquanto os conversores D/A recebem uma onda quadrada em sua entrada.
I - Conversor de Aproximações Sucessivas – ADC0808
O circuito conversor A/D com ADC0808 foi submetido a uma tensão de entrada de forma triangular de 50kHz, variando entre 0V e 5V, a uma frequência de clock de 500kHz.
Observando o comportamento da saída LSB (“28”) através de um osciloscópio foi possível determinar o tempo de conversão na ordem de 130µs, um valor próximo ao esperado, pois segundo o fabricante o tempo de conversão do ADC0808 é de 100µs para um clock a 640kHz.
II - Conversor Flash – ADC0820
O circuito conversor A/D flash com ADC0820 foi submetido aos mesmos parâmetros que o circuito conversor A/D com ADC0808, onde a tensão de entrada é de forma triangular de 50kHz, variando entre 0V e 5V, a uma frequência de clock de 500kHz.
Com o mesmo procedimento pode-se medir o tempo de conversão do ADC0820 em seu LSB (DB0), que apresentou o valor de 1,8µs, também próximo ao valor apresentado pelo fabricante que era de 1,6µs para o READ MODE, porém com menor precisão devido às limitações do osciloscópio utilizado.
34
III – Circuito Conversor Rede Resistiva R-2R
O circuito conversor com rede resistiva R-2R teve suas entradas digitais curto- circuitadas a uma tensão de onda quadrada, variando entre 0V e 5V.
Devido ao uso apenas dos resistores e amplificador operacional no circuito, a conversão é de forma linear, o que impossibilita a obtenção de um tempo de conversão. Porém ao aumentar a frequência do sinal de entrada à aproximadamente 600kHz, o sinal convertido começa a perder o aspecto de onda quadrada. Desta forma, podemos caracterizar como 600kHz a frequência máxima de sinal de entrada a ser utilizada sem que haja muita degradação do sinal.
IV - Conversor Rede Resistiva R-2R – DAC0830
O circuito conversor D/A com DAC0830 foi submetido aos mesmos parâmetros que o circuito conversor com R-2R. Teve suas entradas digitais curto-circuitadas a uma tensão de onda quadrada variando entre 0V e 5V.
Devido a estrutura interna do circuito integrado apresentar basicamente resistores e portas lógicas, este conversor também apresenta a conversão de forma linear. Porém com o aumento da frequência do sinal de entrada o efeito de estabilização começa a ser influente e faz com que o sinal convertido perca o aspecto de onda quadrada. Assim caracterizamos uma freqüência máxima de 200kHz para este conversor sem que haja degradação do sinal por este efeito.
Figura 39 - Efeito de estabilização presente na resposta do DAC0830 (inferior) e ausente na resposta do conversor de circuito R-2R (superior).
35
A figura 39, apresenta uma comparação das respostas de conversão dadas pelos dois conversores D/A a uma frequência de 200kHz no sinal de entrada, mostrando que para o DAC0830 existe uma instabilidade temporária. Segundo o fabricante, o tempo de estabilidade é de 1µs.
4.3 Regeneração do Sinal
Os circuitos conversores A/D e D/A foram combinados de modo que fosse possível obter uma resposta no sinal de saída semelhante ao sinal inserido na entrada, enquanto eram observados os parâmetros de frequência, tempo de conversão e tempo de atraso (delay).
Inserindo um sinal triangular de 0V a 5V, na entrada analógica dos conversores A/D foi obtido na saída analógica do circuito conversor D/A, um sinal também triangular de mesma frequência e mesma amplitude, porém devido a característica inversora da configuração utilizada no circuito do amplificador operacional, foi necessário ativar uma outra inversão do sinal de saída, através do osciloscópio, a fim de proporcionar melhor visualização na comparação entre o sinal inserido e o resultante.
I - ADC0820 x Circuito R-2R
A figura 40 abaixo mostra a regeneração do sinal obtido através da combinação ADC0820 x Circuito R-2R, para frequência de 1kHz no sinal de entrada.
Figura 40 - Sinal regenerado na combinação ADC0820 x CircuitoR-2R.
II - ADC0808 x DAC0830
A figura 41 abaixo mostra a regeneração do sinal obtido através da combinação ADC0808 x DAC0830, para frequência de 1kHz no sinal de entrada.
36
Figura 41 - Sinal regenerado na combinação ADC0808 x DAC0830.
III - ADC0820 x DAC0830
A figura 42 abaixo mostra a regeneração do sinal obtido através da combinação ADC0820 x DAC0830, para frequência de 1kHz no sinal de entrada.
Figura 42 - Sinal regenerado na combinação ADC0820 x DAC0830. IV - ADC 0808 x Circuito R-2R
A figura 43 abaixo mostra a regeneração do sinal obtido através da combinação ADC0808 x Circuito R-2R, para frequência de 1kHz no sinal de entrada.
37
4.3.1 Atraso
A partir dos resultados obtidos, é possível determinar um valor próximo de tempo de atraso para cada combinação feita.
Tabela 3 - Tempo de atraso (Delay).
Atraso (us)
ADC0808 ADC0820
DAC0830 140 2,5
R-2R 130 1,8
4.3.2 Ruídos
Como é possível observar, houve uma grande presença de ruídos nos sinais regenerados, estes ruídos são principalmente provenientes do circuito de clock utilizado e não dos ruídos de linha como era previsto. Neste trabalho foi utilizado um circuito oscilador astável com o circuito integrado NE555.
Os fabricantes não expõem o limite de frequência de oscilação do circuito astável, porém na prática é possível conseguir até 500kHz, entretanto este valor é inferior ao valor tipicamente trabalhado nos conversores. Portanto, neste trabalho, o
clock estava trabalhando em sua máxima capacidade, porém inferior ao necessário para
a otimização da conversão, o que gerou problemas como os ruídos presentes no resultado. A melhor alternativa para contornar este problema é a utilização de um clock a partir de cristais osciladores, que possibilitam maiores frequências sem acarretar tais ruídos.
Como os conversores trabalham com uma tensão de referência, se a mesma tiver variações, mesmo que pequenas, pode causar um reflexo no resultado, pois quanto mais bits o conversor possuir, mais sensível será a estas variações. Neste trabalho não houve nenhum tratamento para os ruídos de linha e, portanto estes não devem ser desconsiderados.
38
5. COMPARATIVOS
A partir dos resultados obtidos, podemos classificar e descrever cada um dos conversores em relação ao seu desempenho em cada análise.
-Linearidade
A linearidade é um parâmetro muito importante no processo de conversão, pois ela expressa a relação do que foi fornecido ao circuito e o que é dado como retorno. Dentre os circuitos analisados, todos se comportaram de forma linear, tendo variações pouco perceptíveis. As variações obtidas, ainda assim, foram reflexos de circunstâncias externas, imprecisão de resistência nos conversores D/A, além da interferência do clock utilizado nos conversores A/D.
-Tempo de conversão
O tempo de conversão expressa o período de processamento do conversor, a partir da entrada do dado até a respectiva resposta. Conforme a teoria, o conversor flash apresentou menor tempo de conversão em relação ao conversor de aproximações sucessivas, uma vez que este segundo necessita de várias etapas comparativas até que se encontre o valor correspondente, enquanto o primeiro necessita apenas de uma etapa comparativa. Apesar disto, o ADC0820 que representa a técnica de conversão flash, não oferece uma resposta linear como era de se esperar, pois é limitado pela lógica de controle que é digital e, portanto não-linear. Já em relação aos conversores D/A, não se obteve um tempo de conversão, pois em ambos as respostas eram lineares, o que sugere positivamente uma resposta instantânea.
-Frequência máxima de trabalho
A frequência máxima de trabalho determina as limitações de velocidade dos conversores. Este parâmetro pode ter diferentes valores dependendo dos modelos de circuito integrado utilizados. Porém a técnica de conversão utilizada ainda é bastante dominante na eficiência da conversão, visto que a diferença de tempo de conversão entre o conversor flash e o conversor de aproximações sucessivas é grande.
Apesar de os conversores D/A serem lineares também apresentam limitações de frequências, porém estas limitações são intrínsecas aos componentes e circuitos, como efeitos de capacitância e impedâncias parasitárias. Ainda assim, o circuito conversor R- 2R respondeu melhor a frequências maiores. Podemos criar uma tabela
39
classificatória entre os conversores analisados e seus parâmetros. Os dados da tabela 4 podem variar dependendo da frequência de clock utilizada.
Tabela 4 - Tabela comparativa.
ADC0808 ADC0820 DAC0830 R-2R
Técnica de Conversão Aproximações Sucessivas Paralelo (Flash) R-2R (Circuito Integrado) R-2R (Circuito Discreto)
Resolução 8 bits 8 bits
(2x4 bits) 8 bits 8 bits (Projetado pelo usuário) Linearidade ++++ ++++ ++++ +++ (imprecisão dos resistores) Tempo de Conversão + (130us) ++ (1,8us) +++ (instantâneo) +++ (instantâneo) Frequência Máxima + (~4kHz) ++ (~250kHz) +++ (~200kHz) ++++ (~600kHz) Atraso + (~130us) ++ (~1,8us) +++ (limitado pela lógica de controle) ++++ (não tem) + Ruim, ++ Regular, +++ Bom, ++++ Ótimo
40
6. CONCLUSÃO
Através deste estudo foi possível determinar características importantes em relação aos tipos de conversores mais utilizados comercialmente, entre eles estão ADC0808 que utiliza a técnica de aproximações sucessivas, ADC0820 que representou a técnica de conversão paralela, além da técnica de conversão por rede resistiva R-2R, que foi analisada em formato de circuito integrado DAC0830 e em circuito com componentes discretos. Ao submeter os conversores às mesmas condições elétricas foi possível avaliar seus desempenhos em relação à linearidade, tempo de conversão, atrasos de respostas e outros efeitos presentes.
O traçado de linearidade foi determinado basicamente medindo a saída dos conversores para uma variada faixa de valores de entrada. Todos os conversores apresentaram boa linearidade, cerca de 1,5% para menos. Uma das preocupações iniciais no quesito linearidade era o circuito conversor D/A de rede resistiva com componentes discretos, pois os resistores utilizados (2k7Ω e 5k6Ω) não eram exatamente o dobro um do outro, o que poderia causar alguma distorção na linearidade do conversor. Porém, isto não ocorreu. Talvez na técnica de conversão D/A por resistores de pesos binários o valor dos resistores sejam mais influentes. Vale salientar que há a necessidade ajustar a escala do circuito conversor D/A R-2R para cada aplicação, através do potenciômetro ligado em sua saída, enquanto nos outros conversores isto é feito internamente.
O tempo de conversão foi determinado submetendo os circuitos conversores a um sinal de frequência elevada, a ponto de ser notado um nível de tensão constante, sendo que o período em que este nível se mantém equivale ao tempo de conversão. O conversor ADC0808 proporcionou tempo de conversão de 130µs sob clock de 500kHz, enquanto o ADC0820 proporcionou 1,8µs sob mesma freqüência de clock. Isto mostra que a técnica paralela possibilita o trabalho com maiores valores de frequência. Os conversores D/A, ofereceram conversões lineares, portanto não apresentavam valores de tempo de conversão. Apesar disto, o DAC0820 se limitou a trabalhar em frequências de sinais em torno de 200kHz, enquanto o circuito conversor D/A R-2R com componentes discretos teve boa atuação até aproximadamente 600kHz.
Para determinar o atraso nas respostas dos circuitos, foram feitas combinações entre conversores A/D e D/A, assim foi possível comparar o sinal inserido na entrada
41
com o obtido na saída. Basicamente o atraso nas respostas de todos os circuitos foi reflexo do tempo de conversão característico. Sendo que as combinações que continham o ADC0808 apresentaram maior atraso, nos valores próximos a seu tempo de conversão. O circuito conversor R-2R foi o que apresentou melhor tempo de resposta, praticamente instantâneo.
Ruídos presentes nos processos de conversão provindos de fontes externas aos circuitos atrapalharam as medições, diminuindo as precisões dos valores medidos. Porém isto não impediu as extrações de medidas, já que os valores obtidos experimentalmente foram próximos aos valores apresentados pelos fabricantes.
Portanto, através dos resultados adquiridos é possível afirmar que a técnica de conversão flash oferece melhor eficiência em relação à técnica de aproximações sucessivas e deve ser vista como prioridade apesar de estar limitada a 8 bits. O circuito conversor D/A R-2R com componentes discretos proporcionou bons resultados, se tornando uma boa alternativa quando a utilização de um circuito integrado não é viável, tendo consciência de que ocorrerá acréscimo no tamanho do circuito e a necessidade de ajustes manuais na escala.
42
7. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Neste trabalho foi abordado um comparativo de eficiência dos conversores para diferentes situações elétricas, porém, outro parâmetro que pode influenciar bastante a eficiência dos conversores é relativo à temperatura. Os conversores podem ser avaliados em diferentes temperaturas para que seja identificado como esse parâmetro pode afetar o resultado da conversão.
Além disso, é possível incrementar ainda mais o comparativo adicionando outras técnicas de conversão que são menos utilizadas, como as técnicas de rampa simples, rampa dupla, e sigma-delta para conversão analógica/digital e a técnica de resistores com pesos binários para a conversão digital/analógica. E é possível ainda avaliar o desempenho de diferentes modelos de circuitos integrados que utilizam a mesma técnica de conversão.
43
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] FERREIRA, Silvio. Sistema binário - parte i. , 2008. Disponível em:
<http://www.linhadecodigo.com.br/artigo/1648/sistema-binario---parte-i.aspx>. Acesso em: 30 maio 2012.
[2] TELLAROLI, Taís Marina. Discutindo o processo de transição do sinal televisivo
analógico para o digital: 2º Simpósio Internacional de Televisão Digital (SIMTVD). Bauru, 2011.
[3] FORTUNA, Joary Paulo Wanzeler.Introdução ao Processamento Digital de
Sinais. Universidade Federal do Pará, 24 de Janeiro de 2012. Disponível em: <https://www.laps.ufpa.br/redmine/attachments/573/digital_signal_processing_introduc tion.pdf>. Acesso em: 07/06/2012.
[4] ESPIRITO SANTO, Jordan da Silva do; RIBEIRO, Rodolfo Salvo. Conversão
Analógico Digital: uma evolução na precisão e na simplificação da leitura de valores analógicos. – Bolsista de Valor: Revista de divulgação do Projeto Universidade Petrobrás e IF Fluminense - Vol.1 , p. 285-287, 2010.
[5] VIERA, Maurilho Nunes; YEHIA, Hani C. – Processamento Digital de Sinais em
Engenharia de Áudio. – UFMG, Belo Horizonte, MG.
[6] PEREIRA, Sidnei; PIZZATTO, Rodrigo; CARATI, Emerson Giovani –
Conversão de Sinais Analógicos para Digitais –UTFPR Pato Branco, Maio de 2010. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA6dMAK/conversores-a- d>. Acesso em: 07/06/2012.
[7] SATO, Gilson Yukio. Eletrônica digital, 2010. Disponível em:
<http://pessoal.utfpr.edu.br/sato/arquivos/gs_0905_conv_da_v0.pdf>. Acesso em: 30 maio 2012.
[8] GIACOMIN, João Carlo. – Conversores D/A e A/D – Universidade Federal de
Lavras. Disponível em: <http://algol.dcc.ufla.br/~giacomin/Com145/AD_DA.pdf>. Acesso em: 07/06/2012.