Por Camila de Oliveira Abrantes

A luz do sol, uma onda sonora e a temperatura de uma sala são exemplos de sinais. A intensidade desses fenômenos físicos encontrados no mundo real pode ser medida por meio de dispositivos chamados de transdutores, como sensores de pressão, luminosidade, PH ou temperatura, alguns exemplos são mostrados na Figura 1.

Esses sensores captam e transformam os sinais captados em sinais elétricos, como corrente ou tensão. Só assim um circuito pode usar esses valores para realizar alguma aplicação, como apagar a luz de um poste quando amanhece ou acendê-la quando fica escuro.

Sinais captados e transformados por esses sensores são chamados de sinais analógicos e sua amplitude varia de forma contínua. Mesmo com um grande número de aplicações desses sinais, infelizmente eles não podem ser interpretados pelos computadores.

Isso acontece porque os computadores entendem o que chamamos de “linguagem de máquina”, na qual uma simples informação de ligado é representada pelo dígito 1 e desligado, representada pelo dígito 0. Sequências desses dois dígitos são chamadas de códigos binários e podem fornecer ao computador dados de usuários ou informações de controle. Dessa forma, como podemos deixar as grandezas encontradas no mundo real interpretáveis pelas máquinas?

Assim como são necessários sensores para transformar grandezas físicas em elétricas, também são necessários dispositivos para transformar esses sinais analógicos em digitais para que possam ser processados pelos computadores. Chamamos esses dispositivos de Conversores Analógico/ Digital .

Um sinal digital é aquele que toma valores em um conjunto discreto. Ele pode ser definido em tempo contínuo ou instantes discretos. O sinal binário, formado por uma sequência de 0 e 1, é um caso particular da classe de sinais digitais.

Antes de ser convertido em um sinal digital, um sinal analógico precisa passar por uma transformação, feita pelos conversores (A/D). O primeiro passo para realizar essa conversão é a amostragem . Nesse processo são salvos valores do sinal em instantes de tempo pré-definidos pelo Teorema da Amostragem, resultando nas amostras do sinal original, como mostrado na Figura 2. Assim, o sinal amostrado passa a ser definido em tempo discreto.

O Teorema da Amostragem (ou de Nyquist) diz que para um sinal ser recuperado é preciso que a frequência de amostragem seja pelo menos duas vezes maior que a maior frequência do sinal. Ou seja, devem ser medidas duas amostras do sinal a cada período de repetição dele. O sinal amostrada encontrado na Figura 2 obedece o Teorema, pois em um período do sinal temos mais de 30 amostras.

Depois disso, o conversor precisa transformar esses valores obtidos na amostragem em combinações de 0’s e 1’s. Para isso, o conversor utiliza níveis de quantização, como ilustra a Figura 3 para apenas um nível, em que todos os valores abaixo desse nível são considerados como 0 e acima dele como 1.

Após essa conversão, é nítido que o sinal digital se encontra muito distante do real. Para melhorar essa aproximação, ajusta-se a quantidade de níveis de quantização, como mostrado na Figura 4, deixando o sinal digital mais próximo do original.

Como é possível ver no gráfico, quanto mais níveis de quantização mais bits serão necessários para representar esse sinal. Na Figura 3, seria preciso apenas um bit para os dois níveis (0 ou 1), na Figura 4, dois bits seriam necessários os para quatro níveis. Nesse contexto é possível calcular a resolução do conversor por meio da expressão

em que Vref seria a tensão de referência, no caso o valor máximo que o sinal pode assumir, no exemplo mostrado esse valor seria 1V, como pode ser visto na Figura 2. O n seria o número de bits do conversor. No exemplo dado na Figura 4 (com dois bits) a resolução seria 0,25 . Sendo considerado inversamente proporcional à qualidade do conversor em relação ao valor da resolução.

Uma dica importante para adquirir um Conversor A/D, ou um processador com um conversor, é observar o número de bits. Quanto maior esse valor, melhor é a qualidade da conversão e mais proximidade terá o sinal medido do sinal que será processado.

Referências: 

Trazendo o mundo real para dentro do processador. Disponível em www.embarcados.com.br/conversor-a-d/. Acesso em 25 de Maio de 2017.

Como Conversores Analógico/Digital Funcionam. Disponível em http://www.clubedohardware.com.br/artigos/outros/como-conversores-anal%C3%B3gico-digital-funcionam-r34730/. Acesso em 26 de Maio de 2017.

Conversores A/D e D/A. Disponível em http://iris.sel.eesc.usp.br/sel414m/Aula%2019%20-%20Conversores%20AD%20e%20DA.pdf. Acesso em 26 de Maio de 2017.