O que são ADCs (conversores analógico-digitais) e como funcionam?

Conclusões principais

Os conversores analógico-digitais (ADC) desempenham um papel fundamental na transformação de sinais contínuos, como o som e a luz, em valores digitais discretos, que podem depois ser utilizados para uma série de fins.

A frequência de amostragem de um conversor digital-analógico (ADC) é diretamente proporcional ao número de medições obtidas por segundo e, como tal, o aumento desta taxa resulta numa representação mais precisa do sinal de entrada.

A resolução de um conversor analógico-digital (ADC) é um fator crucial que tem impacto na fidelidade das amostras adquiridas. Um maior número de bits traduz-se em gradações mais finas e leituras mais exactas. Vários tipos de ADCs apresentam diferentes equilíbrios entre características de desempenho, como velocidade, precisão e eficiência energética.

Os conversores analógico-digitais (ADC) desempenham um papel crucial na transformação de fenómenos físicos contínuos em dados digitais discretos, adequados para utilização em aplicações computacionais. No entanto, pode não ser claro como é que estes dispositivos traduzem eficientemente sinais analógicos em representações digitais utilizáveis.

Para que servem os ADCs?

Os ADC (conversores analógico-digitais) são omnipresentes e podem ser encontrados em vários dispositivos, como smartphones, que convertem o discurso humano em código binário. Além disso, são utilizados em automóveis para monitorizar a rotação das rodas. Além disso, estes conversores desempenham um papel essencial na captação de sinais eléctricos com o auxílio de osciloscópios, permitindo a sua representação em formato digital. Por último, é de salientar que é frequente encontrar ADC no domínio da tecnologia multimédia, onde é imperativo transformar sinais analógicos em formatos digitais.

O que é uma taxa de amostragem? Como é que a taxa de amostragem afecta um ADC?

Um dos principais indicadores de desempenho de um computador de diferenciação automática (ADC) é a sua taxa de amostragem, que mede a frequência com que faz leituras num determinado intervalo de tempo.

Um osciloscópio de última geração pode adquirir até dez gigasamples por segundo, enquanto o engenhoso ADC MCP3008 consegue uma taxa de amostragem mais moderada de duzentas e cinquenta mil amostras. No domínio do áudio, é frequentemente utilizada uma frequência de amostragem comum de quarenta e quatro mil e onze amostras por segundo (44,1 kHz).

Aumentar o número de amostras recolhidas pode levar a uma maior precisão na representação de um sinal, no entanto, isto pode nem sempre ser necessário, dependendo da aplicação específica.Por exemplo, ao construir um banco de faders utilizado para controlar dispositivos electrónicos, como os que se encontram numa consola de áudio ou de iluminação, os valores a medir não requerem alterações de alta frequência, uma vez que os dedos humanos não se conseguem mover a tais velocidades. É importante ter uma amostragem suficiente para garantir um resultado suave e reativo, em vez de taxas de amostragem excessivamente elevadas.

O que é taxa de bits? A taxa de bits afecta a qualidade de um ADC?

A qualidade da nossa amostra depende da taxa de bits, que determina o número de estados binários que podem ser utilizados para quantificar o potencial elétrico. Um aumento da taxa de bits permite uma maior variedade de valores dentro de cada amostra, produzindo, em última análise, uma representação mais refinada e exacta.

O sistema binário, que se refere a um sistema de dígitos composto por apenas dois símbolos, normalmente representados por “0” ou “1”, desempenha um papel essencial na comunicação digital. Para compreender melhor a sua função e funcionamento, pode consultar as nossas discussões anteriores sobre o assunto. O número de bits necessários para uma determinada tarefa pode variar consoante a aplicação específica em causa. Factores como as limitações impostas pelo protocolo utilizado ou os constrangimentos da perceção humana também devem ser tidos em consideração para determinar a profundidade de bits adequada.

Como é que a multiplexagem melhora a qualidade do ADC?

Chips ADC populares como o ADS1115 e o MCP3008 oferecem muitas entradas. Mas, sob o capô, eles realmente contêm apenas um único ADC. Isto é possível devido aos multiplexers incorporados nestes dispositivos. Os multiplexers estão em todo o lado no mundo da eletrónica e das telecomunicações. São interruptores digitais que actuam como controlo de tráfego para o seu ADC. O ADC pode fazer a amostragem de um canal, e depois do próximo, e depois do próximo. Assim, se tiver oito canais e uma taxa de amostragem de 200.000, pode rodar através de todos eles, recolhendo 25.000 amostras por canal.

Que tipos de ADC existem?

A funcionalidade dos contadores de deteção automática (ADCs) pode variar com base em factores como restrições orçamentais e requisitos de desempenho específicos.

Um conversor analógico-digital (ADC) flash funciona através de um processo complexo que envolve uma matriz de resistências que divide a tensão de referência em vários passos, sendo cada passo comparado com o sinal de entrada através de um grupo de comparadores. A principal vantagem dos ADCs flash é a sua rápida velocidade de conversão, embora a sua precisão seja limitada devido ao número finito de comparadores disponíveis.Além disso, estes ADC consomem uma energia considerável devido aos numerosos comparadores utilizados no seu funcionamento.

A implementação de um conversor analógico-digital (ADC) subvarredor envolve a divisão do processo de conversão em duas fases distintas. A primeira fase é responsável por fornecer uma representação aproximada da amplitude do sinal de entrada, enquanto a segunda fase efectua uma determinação mais precisa desse valor. Esta abordagem ajuda a reduzir o número de comparadores necessários, que estão normalmente associados a um maior custo e complexidade. Nalguns casos, os ADCs sub-alargados podem incorporar fases adicionais que incluem mecanismos de correção de erros para aumentar ainda mais a sua precisão e fiabilidade.

O funcionamento dos ADCs SAR (Registo de Aproximação Sucessiva) envolve a utilização de uma forma de pesquisa binária. Para ilustrar, considere um exemplo em que existem oito bits que requerem conversão. Neste cenário, o SAR inicia os seus cálculos considerando o valor intermédio, nomeadamente 10000000, que se situa entre 00 (representando o valor mínimo possível) e 11111111 (denotando o valor máximo possível). Se a tensão de entrada exceder o ponto intermédio, o SAR mantém o bit menos significativo como 1, indicando que o valor verdadeiro deve ser maior ou igual à estimativa atual. Inversamente, se a tensão de entrada ficar aquém do ponto médio, o SAR define o bit menos significativo como

Ao reduzir iterativamente para metade o intervalo de valores possíveis, refinamos progressivamente a nossa pesquisa até chegarmos a uma estimativa para a saída do conversor analógico-digital (ADC). Dado que o sinal de entrada se encontra no intervalo de 0 a 255, o ADC acaba por determinar que a saída é aproximadamente 77 através de uma série de cálculos que envolvem a comparação com um ponto médio.

Os conversores Sigma-Delta representam uma classe avançada de técnicas de conversão analógico-digital, que são particularmente difíceis de compreender devido à sua natureza altamente especializada. Tipicamente utilizados em aplicações exigentes que envolvem a medição precisa de sinais ou música, estes dispositivos aproveitam a sobreamostragem e manipulações matemáticas intrincadas juntamente com algoritmos de filtragem sofisticados para melhorar a resolução enquanto reduzem a taxa de amostragem. Como tal, são ideais para situações em que os baixos níveis de ruído e a elevada precisão têm precedência sobre as rápidas taxas de aquisição de dados.

De facto, existem conversores analógico-digitais (ADCs) que integram o processo de conversão. Estes conversores funcionam a um ritmo mais lento do que os do tipo Sigma Delta e utilizam um condensador para carregar, a partir do qual a tensão de saída pode ser determinada.Em muitos casos, a taxa de amostragem destes dispositivos é coordenada com a frequência da fonte de alimentação, de modo a minimizar ao máximo os níveis de ruído.

O que é a teoria de Nyquist-Shannon?

Para digitalizar um sinal analógico, é necessário obter pelo menos dois pontos de dados que correspondam a cada oscilação do sinal. Especificamente, estes pontos devem representar a amplitude de pico da forma de onda no seu limite superior e no seu limite inferior, respetivamente. Este requisito exige uma frequência mínima de amostragem igual ou superior ao dobro da componente de frequência máxima presente no sinal que está a ser medido.

O conceito de frequência de Nyquist, que se refere à frequência mais elevada que pode ser representada com precisão num sinal digital, foi proposto pela primeira vez pelo matemático britânico Edmund Whittaker antes do seu desenvolvimento pelo físico sueco-americano Harry Nyquist e pelo matemático e criptógrafo americano Claude Shannon. No entanto, tornou-se comummente associada a Nyquist devido aos seus contributos para o desenvolvimento e popularização da teoria.

A validade de qualquer proposição teórica é inerentemente incerta, uma vez que o momento exato dos pontos de pico e de vale dentro de uma forma de onda não pode ser previsto antecipadamente. Além disso, a amostragem do sinal num ponto intermédio ao longo da sua trajetória pode distorcer a medição resultante, obscurecendo quaisquer mudanças no sinal de entrada que, de outra forma, seriam evidentes.

Ou talvez se possa aperceber de oscilações electromagnéticas completamente novas que não eram conhecidas pela humanidade:

Estas alucinações são conhecidas como aliases .

O problema dos pseudónimos

Um fenómeno conhecido como a ilusão da “roda de carroça” pode ser-lhe familiar. Esta ilusão de ótica pode ocorrer quando um objeto em movimento é captado em filme e faz com que as rodas de um veículo, como um carro, ou as pás do rotor de um helicóptero pareçam mover-se em marcha-atrás a um ritmo lento. Em casos extremos, a rotação das pás pode mesmo parar abruptamente, dando origem a efeitos visuais invulgares que são ilustrados no vídeo que acompanha o filme.

Durante a procura de um entretenimento eletrónico antiquado, não é raro que os observadores se apercebam de contorções anómalas em elementos lineares como vedações, escadas ou peças de vestuário com faixas horizontais.Do mesmo modo, durante as comunicações transmitidas através de canais digitais de qualidade inferior, os ouvintes podem deparar-se com ruídos dissonantes, normalmente designados por “assobios”. Estas aberrações auditivas podem ser atribuídas a uma forma específica de degradação conhecida como aliasing, que ocorre quando um sinal excede a taxa de amostragem capaz de captar com precisão os seus componentes de frequência. Este fenómeno torna-se particularmente evidente quando aplicado a fontes de áudio complexas, como instrumentos de percussão, em que os componentes de frequência mais elevada são amplificados devido à sua representação limitada nos dados amostrados.

A compreensão de qualquer fenómeno singular é fundamental para a compreensão de todas as ocorrências semelhantes. No que diz respeito a uma roda de carroça, uma taxa de visualização imutável impede a representação exacta do movimento. Quando um objeto completa uma rotação de 350 graus em cada fotograma, é lógico que tenha regredido dez graus. Por conseguinte, os dados recolhidos são dissonantes do parâmetro que está a ser avaliado. Em suma, a informação recolhida não está alinhada com a medida pretendida.

A questão em causa não é exclusiva do processo de conversão analógico-digital; de facto, envolve muitas vezes a transformação de um tipo de sinal digital noutro.

Uma abordagem possível para resolver este problema envolve a utilização de uma técnica de filtragem específica que é normalmente empregue por computadores de diferenciação automática (ADC) para atenuar a presença de tais artefactos. Em alternativa, uma estratégia alternativa implica a recolha de um número de pontos de dados significativamente superior ao necessário para uma representação exacta da forma de onda do sinal. Ao aumentar o número de pontos de dados amostrados, a precisão global da forma de onda representada pode ser substancialmente melhorada.

Amostrar com maior qualidade para obter os melhores resultados

De facto, para aqueles que possam achar estes tópicos intrigantes, vale a pena notar que apenas arranhámos a superfície ao explorá-los. A complexidade dos verificadores automáticos de dualidade (ADC) apresenta uma vasta gama de áreas que ainda não foram totalmente exploradas e compreendidas.

Do ponto de vista do utilizador final ou do típico aficionado do Arduino, estes dispositivos também apresentam simplicidade. São recebidas tensões de entrada, seguidas de saídas numéricas correspondentes. Consequentemente, independentemente da medição pretendida - quer se trate do nível de humidade de um terreno específico, da frequência de vibração de uma corda vocal ou da trajetória das partículas de luz que se curvam numa lente - é muito provável que um conversor analógico-digital (ADC) possa realizar essas tarefas com facilidade.