Conversao Digital Analogica

Conversão Digital Analógica

Um dispositivo conversor digital analógico (DAC) permite gerar uma tensão elétrica analógica a partir de um dado digital.

Microcontroladores e Saídas PWM

Muitos microcontroladores, como o Arduíno, emulam saídas analógicas através de modulação PWM (Pulse Width Modulation).

O sinal PWM é uma onda quadrada, com frequência constante, mas a fração de tempo em que o sinal é HIGH (5V) (duty cycle) pode variar entre 0 e 100%, fornecendo uma média de tensão variável na saída .

O Arduíno possui 6 saídas PWM são identificadas pelo sinal ~ e fornecem pulsos PWM de 8 bits, possibilitando, portanto, 256 valores diferentes de tensão analógica entre 0V e 5V, com passos de 0 a 255.

Entretanto, em situações onde uma sinal PWM não possa para ser utilizado como controle analógico pode ser necessário utilizarmos um filtro de saída PWM ou até dispormos de um conversor DAC, o qual pode necessitar circuitos eletrônicos analógicos, como Amplificadores Operacional, capacitores, resistores e outros.

Filtro de saída PWM

Em situações onde uma onda quadrada PWM não for apropriado para realizar um controle analógico pode utilizar um filtro passa baixas visando converter a saída em uma tensão elétrica correspondente ao percentual do sinal PWM. Desta forma, poderemos ter um conversor DA para uso com o Arduíno ou outros microcontroladores.

O circuito filtro passa baixas RC abaixo pode ser utilizado neste caso.

Neste circuito, quando um tensão é aplicada na entrada do resistor R, o capacitor C começa a carregar. Quando o capacitor estiver carregado não haverá mais corrente sobre o capacitor e a tensão na saída do circuito assume a tensão da entrada. Lembre que o capacitor bloqueia corrente contínua e permite um maior fluxo de corrente a medida que a frequência do sinal elétrico aumenta. Para altas frequências o capacitor se comporta como um curto circuito. Para valores de frequência intermediária o circuito RC vai filtrar o sinal de entrada de acordo com a constante de tempo do circuito.

O circuito é bastante simples, entretanto a escolha do resistor R e do capacitor C tem influencia na frequência de corte do circuito, na ondulação da tensão sobre o capacitor (ripple) e no tempo de resposta do circuito. A referência faz uma análise detalhada destes fatores. Esta referência também fornece um link para uma ferramenta para calculo online do ripple a partir da frequência de corte escolhida para filtragem de uma onda quadrada PWM.

Filtragem da saída PWM do Arduíno

O Arduíno fornece saída PWM (portas 3, 5, 6, 9, 10 e 11) com frequência de 490 Hz.

Utilizando a ferramenta de cálculo online descrita acima, para uma frequência de corte de 10 Hz, obtêm-se um ripple aceitável (Vpp = 0,15 V).

Conversor DA

Um exemplo de Conversor Digital Analógico (DAC) de 4 bits é ilustrado na figura, utilizando um circuito somador com amplificador operacional e uma malha resistiva com pesos binários.

-vout = D3 1/2 + D2 1/4 + D1 1/8 + D0 1/16

Funcionamento do circuito

Entradas digitais (0V ou 5V) e saída analógica variando entre 0V e 5V.

O circuito DAC de 4 bits vai fornecer uma saída analógica escalonada em 16 níveis de tensão.

Exemplos de algumas entradas e os respectivos níveis de tensão de saída:

Entrada digital	Ganho Ampop	Saída analógica
1000	1/2	2,5 V
0100	1/4	1,25 V
0010	1/8	0,625 V
0001	1/16	0,3125 V

Para uma conversão com um número elevado de bits, a relação entre as resistências se torna elevada o que dificulta a precisão.

Referências

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Evandro.cantu (discussão) 13h53min de 18 de outubro de 2021 (-03)

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