Considerações práticas dos circuitos ADC

Talvez a consideração mais importante de um ADC seja sua resolução . Resolução é o número de bits binários emitidos pelo conversor. Como os circuitos ADC recebem um sinal analógico, que é continuamente variável, e o resolvem em uma das várias etapas discretas, é importante saber quantas dessas etapas existem no total.

Por exemplo, um ADC com uma saída de 10 bits pode representar até 1024 (2 ¹⁰ ) condições únicas de medição do sinal. Acima da faixa de medição de 0% a 100%, haverá exatamente 1024 números binários únicos emitidos pelo conversor (de 0000000000 a 1111111111, inclusive).

Um ADC de 11 bits terá o dobro de estados para sua saída (2048, ou 2 ¹¹ ), representando o dobro de condições únicas de medição de sinal entre 0% e 100%.

A resolução é muito importante em sistemas de aquisição de dados (circuitos projetados para interpretar e registrar medições físicas em formato eletrônico). Suponha que estivéssemos medindo a altura da água em um tanque de armazenamento de 12 metros de altura usando um instrumento com um ADC de 10 bits.

0 pés de água no tanque correspondem a 0% da medição, enquanto 40 pés de água no tanque correspondem a 100% da medição. Como o ADC é fixado em 10 bits de saída de dados binários, ele interpretará qualquer nível do tanque como um entre 1024 estados possíveis.

Para determinar quanto nível de água físico será representado em cada etapa do ADC, precisamos dividir os 12 metros de amplitude de medição pelo número de etapas no intervalo de possibilidades de 0 a 1024, que é 1023 (um a menos que 1024). Fazendo isso, obtemos um valor de 0,039101 pés por passo.

Isso equivale a 0,46921 polegadas por passo, um pouco menos de meia polegada de nível de água representado para cada contagem binária do ADC.







Este valor de etapa de 0,039101 pés (0,46921 polegadas) representa a menor quantidade de alteração do nível do tanque detectável pelo instrumento. Reconhecidamente, esta é uma pequena quantidade, menos de 0,1% da amplitude de medição geral de 40 pés.

No entanto, para alguns aplicativos, pode não ser suficiente. Suponha que precisássemos desse instrumento para indicar mudanças no nível do tanque até um décimo de polegada. Para atingir esse grau de resolução e ainda manter uma amplitude de medição de 12 metros, precisaríamos de um instrumento com mais de dez bits ADC.

Para determinar quantos bits ADC são necessários, precisamos primeiro determinar quantos passos de 1/10 de polegada existem em 40 pés. A resposta para isso é 40 / (0,1 / 12), ou 4800 passos de 1/10 polegada em 40 pés. Portanto, precisamos de bits suficientes para fornecer pelo menos 4800 etapas discretas em uma sequência de contagem binária.

10 bits nos deram 1.023 passos, e sabíamos disso calculando 2 elevado à potência de 10 (2 ¹⁰ =1024) e, em seguida, subtraindo um.

Seguindo o mesmo procedimento matemático, 2 ¹¹ -1 =2047, 2 ¹² -1 =4095 e 2 ¹³ -1 =8191. 12 bits ficam aquém da quantidade necessária para 4800 etapas, enquanto 13 bits é mais do que suficiente. Portanto, precisamos de um instrumento com pelo menos 13 bits de resolução.

Outra consideração importante do circuito ADC é sua frequência de amostra ou taxa de conversão .

Esta é simplesmente a velocidade na qual o conversor produz um novo número binário. Como a resolução, essa consideração está vinculada à aplicação específica do ADC. Se o conversor estiver sendo usado para medir sinais que mudam lentamente, como o nível em um tanque de armazenamento de água, ele provavelmente pode ter uma frequência de amostra muito lenta e ainda funcionar de forma adequada.

Por outro lado, se ele estiver sendo usado para digitalizar um sinal de frequência de áudio com ciclos de vários milhares de vezes por segundo, o conversor precisa ser consideravelmente mais rápido. Considere a seguinte ilustração de taxa de conversão de ADC versus tipo de sinal, típica de um ADC de aproximação sucessiva com intervalos regulares de amostra:







Aqui, para este sinal de mudança lenta, a taxa de amostragem é mais do que adequada para capturar sua tendência geral. Mas considere isto exemplo com o mesmo tempo de amostra:







Quando o período de amostragem é muito longo (muito lento), detalhes substanciais do sinal analógico serão perdidos. Observe como, especialmente nas últimas porções do sinal analógico, a saída digital falha totalmente em reproduzir a forma verdadeira.

Mesmo na primeira seção da forma de onda analógica, a reprodução digital se desvia substancialmente da forma real da onda. É imperativo que o tempo de amostragem de um ADC seja rápido o suficiente para capturar mudanças essenciais na forma de onda analógica.

Na terminologia de aquisição de dados, a forma de onda de frequência mais alta que um ADC pode teoricamente capturar é a chamada frequência de Nyquist , igual a metade da frequência de amostra do ADC. Portanto, se um circuito ADC tem uma frequência de amostra de 5000 Hz, a forma de onda de frequência mais alta que ele pode resolver com sucesso será a frequência de Nyquist de 2500 Hz.

Se um ADC estiver sujeito a um sinal de entrada analógico cuja frequência exceda a frequência de Nyquist para esse ADC, o conversor emitirá um sinal digitalizado de falsamente baixa frequência. Este fenômeno é conhecido como aliasing . Observe a ilustração a seguir para ver como ocorre o aliasing:









Observe como o período da forma de onda de saída é muito mais longo (mais lento) do que o da forma de onda de entrada e como as duas formas de onda nem mesmo são semelhantes:







Deve ser entendido que a frequência de Nyquist é uma absoluta limite máximo de frequência para um ADC, e não representa o mais alto prático frequência mensurável. Para estar seguro, não se deve esperar que um ADC resolva com sucesso qualquer frequência maior que um quinto a um décimo de sua frequência de amostra.

Um meio prático de prevenir o aliasing é colocar um filtro passa-baixa antes da entrada do ADC, para bloquear quaisquer frequências de sinal maiores que o limite prático. Desta forma, o circuito ADC será impedido de ver quaisquer frequências excessivas e, portanto, não tentará digitalizá-las.

Geralmente é considerado melhor que tais frequências não sejam convertidas do que ter um "alias" e aparecer na saída como sinais falsos.

Ainda outra medida de desempenho de ADC é algo chamado recuperação de etapas . Esta é uma medida de quão rapidamente um ADC muda sua saída para corresponder a uma mudança grande e repentina na entrada analógica. Em algumas tecnologias de conversor, especialmente, a recuperação de etapas é uma limitação séria.

Um exemplo é o conversor de rastreamento, que tem um período de atualização normalmente rápido, mas uma recuperação de etapa desproporcionalmente lenta. Um ADC ideal tem muitos bits para resolução muito fina, amostras em velocidades extremamente rápidas e se recupera das etapas instantaneamente. Também, infelizmente, não existe no mundo real.

Obviamente, qualquer uma dessas características pode ser melhorada por meio da complexidade adicional do circuito, seja em termos de aumento da contagem de componentes e / ou projetos de circuitos especiais feitos para operar em velocidades de clock mais altas.

Diferentes tecnologias de ADC, entretanto, têm diferentes pontos fortes. Aqui está um resumo deles classificados do melhor ao pior:

• Razão resolução / complexidade: Integração de inclinação única, integração de inclinação dupla, contador, rastreamento, aproximação sucessiva, flash.
• Velocidade: Flash, rastreamento, aproximação sucessiva, integração e contador de inclinação única, integração de inclinação dupla.
• Etapa de recuperação: Flash, aproximação sucessiva, integração e contador de inclinação única, integração de inclinação dupla, rastreamento. Lembre-se de que as classificações dessas diferentes tecnologias de ADC dependem de outros fatores.

Por exemplo, como um ADC avalia a recuperação da etapa depende da natureza da mudança da etapa. Um ADC de rastreamento é igualmente lento para responder a todas as mudanças de passo, enquanto um ADC de inclinação única ou contador registrará uma mudança de passo de alto para baixo mais rápido do que uma mudança de passo de baixo para alto.

Os ADCs de aproximação sucessiva são quase igualmente rápidos na resolução de qualquer sinal analógico, mas um ADC de rastreamento vencerá consistentemente um ADC de aproximação sucessiva se o sinal estiver mudando mais lentamente do que um passo de resolução por pulso de clock.

Classifiquei os conversores de integração como tendo uma proporção de resolução / complexidade maior do que os conversores de contador, mas isso pressupõe que os circuitos integradores analógicos de precisão são menos complexos de projetar e fabricar do que os DACs de precisão exigidos nos conversores baseados em contador. Outros podem não concordar com esta suposição.