O que é o Conversor ADC (Conversor Analógico-Digital)?

O que é um Conversor A / D (ADC)?

O Analog-to-Digital Converter (ADC) é um dos blocos fundamentais da construção dos modernos data acquisition systems (também conhecido como sistemas DAQ ou DAS). Esses sistemas são compostos dos seguintes componentes básicos:

• Sensores

• Condicionamento de Sinal

• Conversor analógico-digital (ADC)

• E algum tipo de computador com o software DAQ para registro e análise de sinais.

Saiba mais sobre a aquisição de dados:

O que é Aquisição de Dados - DAQ ou DAS?O guia completo para aquisição de dados (DAQ). Saiba como funcionam os sistemas DAQ e quais são os elementos básicos dos modernos sistemas de aquisição de dados digitais.

O que os Conversores A / D fazem?

O principal objetivo dos conversores A / D dentro de um sistema de aquisição de dados é converter sinais analógicos condicionados em um fluxo de dados digitais, para que o sistema de aquisição de dados possa processá-los para exibição, armazenamento e análise.

Principais tipos de Conversores A / D

Embora existam realmente cinco tipos principais de ADCs hoje, no mundo moderno dos DAQ, eles realmente se resumem a dois deles:

• aproximação sucessiva e

• delta-sigma. 

Os outros tipos são perfeitamente adequados, mas são mais adequados para aplicações que não sejam DAQ. Por exemplo, dual-slope ADCs são bastante lentos e, portanto, são encontrados principalmente em voltímetros portáteis.

E então há os flash ADCs que oferecem taxas de amostragem extremamente altas, mas resolução do eixo de amplitude muito baixa para aplicativos DAQ. Os ADCs de conversor de pipeline são uma abordagem que usa vários conversores de flash para aprimorar a resolução do eixo de amplitude, mas eles ainda são limitados nessa área.

Comparação dos principais tipos de ADC

Então, novamente, o mundo DAQ se estabeleceu em ADCs SAR (aproximação sucessiva) e ADCs delta-sigma (ΔΣ). Cada um tem suas próprias vantagens e desvantagens e, portanto, adequação a determinadas aplicações. Vamos ver como cada ADC funciona e compará-los:

ADCs por Aproximação Sucessiva (SAR)

O ADC “pão com manteiga” do mundo DAQ é o SAR analog-to-digital converter. Oferece um excelente equilíbrio de velocidade e resolução e lida com uma ampla variedade de sinais com excelente fidelidade.

Já existe há muito tempo, portanto, os projetos de SAR são estáveis e confiáveis, e os chips são relativamente baratos. Eles podem ser configurados para cartões A / D simples, onde um único chip ADC é "compartilhado" por vários canais de entrada (placas A / D multiplexadas) ou em configurações em que cada canal de entrada possui seu próprio ADC para verdadeira amostragem simultânea.

A entrada analógica da maioria dos ADCs é de 5V, motivo pelo qual quase todos os front-ends de condicionamento de sinal fornecem uma saída condicionada que é a mesma. O SAR ADC típico usa um circuito de amostragem e retenção que absorve a tensão analógica condicionada do front end de condicionamento de sinal.

Um DAC integrado cria uma tensão de referência analógica igual à saída do código digital da amostra e mantém um circuito. Ambos são inseridos em um comparador que envia o resultado da comparação para o SAR. Esse processo continua por "n" tempos sucessivos, com "n" sendo a resolução de bits do próprio ADC, até que o valor mais próximo do sinal real seja encontrado.

Os ADCs SAR não possuem nenhum anti-aliasing filtering (AAF), portanto, a menos que isso seja adicionado antes do ADC pelo sistema DAQ, se o engenheiro selecionar uma taxa de amostragem muito baixa, os sinais falsos (também conhecidos como “aliases”) serão digitalizados pelo SAR ADC. O alias é particularmente problemático porque é impossível corrigi-lo após a digitalização.

Não há como corrigi-lo com o software. Deve ser evitado sempre amostrando mais rápido que a frequência Nyquist de todos os sinais de entrada ou filtrando os sinais antes e dentro do ADC.

Para obter mais detalhes, consulte Aliasing e o perigo de subamostragem abaixo

Não há como corrigi-lo com o software. Deve ser evitado sempre amostrando mais rápido que a frequência Nyquist de todos os sinais de entrada ou filtrando os sinais antes e dentro do ADC.

Para obter mais detalhes, consulte Aliasing e o perigo de subamostragem abaixo

Estes são amplamente utilizados no mercado de baixo custo, pois podem ser usados de forma multiplexada, onde vários canais são amostrados com um ADC. Mas eles também são amplamente utilizados no mercado de custo médio devido à sua velocidade e boa resolução do eixo de amplitude.

Devido à sua resolução limitada do eixo de amplitude, eles não são adequados para aplicações de alta dinâmica, como ruído, áudio, choque e vibração, balanceamento, processamento senoidal etc. Para essas aplicações, os engenheiros devem recorrer aos ADCs delta-sigma, conforme discutido na próxima seção.

ADCs Delta-sigma (ΔΣ)

Um novo projeto de ADC é o delta-sigma ADC, que aproveita a tecnologia DSP para melhorar a resolução do eixo de amplitude e reduzir o ruído de quantização de alta frequência inerente aos projetos SAR.

O design complexo e poderoso dos ADCs delta-sigma os torna ideais para aplicações dinâmicas que requerem a maior resolução possível do eixo de amplitude. É por isso que eles são comumente encontrados em áudio, som e vibração e em uma ampla variedade de aplicações de aquisição de dados de última geração.

Um low-pass filter implementado em um DSP elimina praticamente o ruído de quantização, resultando em excelente desempenho sinal-ruído.

Os ADCs Delta-sigma funcionam sobredimensionando os sinais muito acima da taxa de amostragem selecionada. O DSP cria um fluxo de dados de alta resolução a partir desses dados com superamostragem na taxa que o usuário selecionou. Essa super amostragem pode ser centenas de vezes superior à taxa de amostragem selecionada. Essa abordagem cria um fluxo de dados de alta resolução (24 bits é comum) e tem a vantagem de permitir a filtragem anti-aliasing de vários estágios (AAF), tornando praticamente impossível digitalizar sinais falsos.

ADCs Delta-Sigma Duplos - DualCoreADC®

A Dewesoft aproveitou ainda mais esses ADCs combinando dois deles em cada canal de entrada. Um ADC está definido para um ganho baixo e o outro está definido para um ganho mais alto. Os dois ADCs monitoram o sinal ao mesmo tempo, e um circuito proprietário os compara em tempo real e usa aquele com a melhor relação sinal / ruído a qualquer momento, mesclando os sinais digitais paralelos em um fluxo único contínuo com faixa dinâmica muito aprimorada.

Essa técnica aprimora muito a faixa dinâmica que seria impossível alcançar com um único ADC. Aumenta a faixa dinâmica para até 160 dB. A Dewesoft patenteou no mercado essa tecnologia, chamada DualCoreADC.

É interessante ressaltar que, mesmo com sinais muito lentos, como na maioria dos termopares, a maior resolução possível do eixo de amplitude torna esses ADCs delta-sigma preferíveis aos ADCs SAR.

Imagine um termopar capaz de medir em um intervalo de 1500 ° - quanto mais eixo de amplitude você tiver no ADC, mais resolução terá o sinal de temperatura. Lembre-se de que cada bit dobra efetivamente a resolução do eixo vertical.

Qual é Melhor? SAR ou Delta-Sigma?

Cada tecnologia ADC tem seu lugar. E como os aplicativos são tão diferentes, é impossível dizer que um é melhor que outro em geral. No entanto, é absolutamente possível dizer que um deles é melhor que outro em relação a um ou mais dos requisitos das aplicações atuais:

A Ferramenta Certa para o Trabalho

Embora a Dewesoft seja famosa por usar ADCs sigma-delta de 24 bits e tenha inovado bastante com a tecnologia DualCoreADC, eles também usam ADCs SAR de 16 bits para atingir uma taxa de amostragem máxima de 1 MS / s na linha de produtos de sistemas SIRIUS DAQ.

Estes são os Condicionadores de sinal SIRIUS HS (alta velocidade) disponíveis dentro dessa linha. Os condicionadores de sinal padrão e da série HD utilizam placas ADC sigma-delta de 24 bits.

Os condicionadores de sinal SIRIUS HS implementam uma poderosa filtragem AAF na forma de filtragem anti-aliasing de 5ª ordem de 100 kHz. Há um filtro adicional no domínio digital selecionável entre Bessel, Butterworth (ou bypass), até a 8ª ordem.

A poderosa filtragem anti-aliasing é incorporada a todos os condicionadores de sinal ADC de 24 bits da Dewesoft.

ADC Único por Canal ou Multiplexado

Muitas vezes, em sistemas DAQ de gama baixa, como registradores de dados ou sistemas de controle industrial, são usadas placas A / D multiplexadas, porque são mais baratas que as placas A / D que possuem um chip ADC separado por canal de entrada.

Em um sistema ADC multiplexado, um único conversor analógico para digital é usado para converter vários sinais do domínio analógico para o digital. Isso é feito através da multiplexação dos sinais analógicos, um de cada vez, no ADC.

Essa é uma abordagem de custo mais baixo, mas não é possível alinhar com precisão os sinais no eixo do tempo, porque apenas um sinal pode ser convertido por vez. Portanto, sempre há um desvio de tempo entre os canais. Se um erro de inclinação pequeno é irrelevante em um determinado aplicativo, isso não é necessariamente uma coisa ruim. O mesmo vale para os dispositivos analógicos usados no sistema - escolher o melhor ajuste para a aplicação em termos de forma, ajuste, função e evitar obsolescência são fatores determinantes.

Além disso, como a taxa máxima de amostragem é sempre dividida pelo número de canais que estão sendo amostrados, a taxa máxima de amostragem por canal geralmente é mais baixa em sistemas multiplexados, exceto nos casos em que apenas um ou alguns canais estão sendo amostrados.

Nos sistemas atuais de aquisição de dados, os sistemas ADC multiplexados são empregados principalmente por sistemas DAQ de baixo custo, onde o custo é mais importante que a precisão ou a velocidade.

O que é Taxa de Amostragem?

A taxa na qual os sinais são convertidos é chamada de sample rate.

Certas aplicações, como a maioria das medições de temperatura, não exigem uma taxa alta, pois os sinais não mudam muito rapidamente.

No entanto, tensões e correntes CA, choques e vibrações e muitas outras aplicações exigem taxas de amostragem em dezenas ou centenas de milhares de amostras por segundo ou mais. A taxa de amostragem é geralmente chamada de eixo de medição T (ou X).

A Dewesoft oferece DAQ systems com taxas máximas de amostragem, como mostrado aqui:

Aliasing e o Perigo de Sub-amostragem

Compreender seus sinais e suas frequências mais altas possíveis é uma parte importante da obtenção de medições precisas. Por exemplo, digamos que queremos medir a saída de um acelerômetro.

Se esperamos que ele experimente vibrações com uma frequência máxima de 100 Hz, devemos definir a taxa de amostragem para pelo menos o dobro dessa (a frequência de Nyquist), mas, na prática, dez vezes a sobreamostragem é melhor para obter uma representação de boa qualidade da forma do sinal. Portanto, neste exemplo, configuramos a taxa de amostragem para 1000 Hz e fazemos a medição.

Teoricamente, tudo deve ficar bem, mas como sabemos que o sinal realmente não aumentou muito em frequência a uma amplitude considerável? Se isso acontecesse, nosso sistema não iria medir ou converter com precisão o sinal. E, de fato, se isso for levado ao extremo, os valores medidos podem até estar completamente errados.

Para entender o aliasing, assista a um filme antigo em que uma câmera estava filmando a 24 quadros por segundo enquanto uma carroça passava - a várias velocidades, pode parecer que as rodas estão girando para trás ou mesmo não se movendo.

Esse é um tipo de efeito visual estroboscópico causado pela relação harmônica entre a frequência de rotação da roda e a taxa de fotografia da câmera. Talvez você tenha visto vídeos em que a velocidade do obturador de uma câmera era sincronizada com as lâminas de um helicóptero, onde parece que o helicóptero está pairando no ar, mas não está se movendo.

No caso de um filme ou vídeo divertido, isso não importa, mas ao fazer uma medição científica, se realmente acreditamos que as rodas de um carro estão girando para trás ou que as pás de um helicóptero não estão se movendo, quando na verdade estão indo muito rápido, temos um problema de medição no mundo real.

Em termos de digitalização de sinais de tensão com nosso ADC, é importante que a taxa de amostragem seja ajustada adequadamente. Se o definirmos muito alto, desperdiçaremos o poder de processamento e acabaremos com arquivos de dados desnecessariamente grandes e difíceis de manejar. Mas se definirmos muito baixo, poderemos ter dois problemas:

1. Perda de componentes vitais de sinais dinâmicos

2. Deparar com sinais falsos ("alias") (se o sistema não tiver uma filtragem anti-aliasing)

Prevenindo o Aliasing

Os produtos da Dewesoft impedem que o aliasing aconteça usando ADCs de 24 bits que possuem filtros anti-aliasing (AAF) incorporados a eles. Esses filtros funcionam em várias etapas, incluindo uma que se ajusta automaticamente à Nyquist frequency (geralmente cerca de 40%) da taxa de amostragem selecionada. Portanto, mesmo se você selecionar uma taxa de amostragem muito baixa, sinais falsos ou "alias" não irão estragar a medição.

O Que é Resolução de Bits e Por Quê Isso Importa?

Nos primeiros dias da aquisição de dados, os ADCs de 8 bits eram comuns. Até o momento em que este artigo foi escrito, no mundo dos sistemas DAQ, os ADCs de 24 bits são padrão entre a maioria dos sistemas de aquisição de dados projetados para fazer medições dinâmicas, e os ADCs de 16 bits são geralmente considerados a resolução mínima para sinais em geral. Existem alguns sistemas simples que utilizam ADCs de 12 bits.

Como cada bit de resolução efetivamente dobra a resolução possível, os sistemas com ADCs de 24 bits fornecem 2 ^ 24 = 16.777.216. Assim, um sinal de um volt de entrada pode ser dividido em mais de 16 milhões de níveis discretos no eixo Y.

16.777.216 níveis discretos para um ADC de 24 bits são muito melhores que os 65.656 níveis discretos teóricos máximos de um ADC de 16 bits. Assim, a aparência das formas de onda é consequentemente mais precisa, quanto maior for sua resolução. Isso também se aplica ao eixo do tempo.

Tecnologia DualCoreADC® e por que é importante

No eixo da amplitude, um desafio que os engenheiros enfrentam há anos é a faixa dinâmica. Por exemplo: e se tivermos um sinal que geralmente é inferior a 5 volts, mas às vezes pode subir dramaticamente? Se definirmos a resolução do ADC para acomodar os dados de 0-5V, o sistema ficará totalmente sobrecarregado quando o sinal ultrapassar isso.

Uma solução seria usar dois canais configurados para ganhos diferentes e se referir a um deles para os dados de 0 a 5V e a outra para os dados de maior amplitude. Mas isso é muito ineficiente - não podemos usar dois canais para cada sinal de entrada - precisaríamos do dobro de sistemas DAQ para fazer o mesmo trabalho. Além disso, tornaria a análise dos dados após cada teste muito mais complexa e demorada.

A tecnologia DualCoreADC® da Dewesoft resolve esse problema usando dois ADCs de 24 bits separados por canal e alternando automaticamente entre eles em tempo real e criando um canal único e contínuo. Esses dois ADCs sempre medem o ganho alto e baixo do sinal de entrada. Isso resulta em toda a faixa de medição possível do sensor e evita que o sinal seja cortado.

Com a Tecnologia DualCoreADC® SIRIUS DAQ systems alcançam mais de 130 dB de sinal / ruído e mais de 160 dB na faixa dinâmica. Isso é 20 vezes melhor que os sistemas comuns de 24 bits com 20 vezes menos ruído.

Resumo

A escolha de qual tecnologia ADC empregar deve sempre ser baseada nos requisitos da aplicação. Se você está medindo principalmente sinais estáticos e quase estáticos (lentos), obviamente não precisa de um sistema de velocidade super alta, mas provavelmente deseja um com a maior resolução possível do eixo de amplitude.

Os sistemas fixos usados no setor geralmente têm requisitos que não mudam muito e geralmente é mais fácil escolher um sistema.

Para os sistemas DAQ do dia a dia, no entanto, é um pouco mais desafiador, pois esses sistemas são usados em uma variedade de aplicações ao longo do tempo. A chave é selecionar uma que tenha o melhor desempenho geral e proteções contra ruído, alias e obsolescência.

Veja Dewesoft's data acquisition systems com condicionamento de sinal sofisticado