Ola!
Nesse post vamos falar sobre conversores Digital para Analógico, também conhecidos pela sigla em inglês DAC (Digital to Analog Converter). O nome desse dispositivo já é bem autoexplicativo.
Basicamente ele serve para transformar um valor digital que pode ser um numero representado no sistema Binário por exemplo, em uma grandeza analógica como tensão Elétrica ou Corrente.
Seu funcionamento é relativamente simples, ele pode ser interpretado como um sistema que possui em sua entrada um certo valor numérico e em sua saída um nível de tensão proporcional a esse valor.
Os valores de entrada estão dentro de uma faixa de contagem proporcional a resolução do DAC e a saída varia de Zero até uma amplitude máxima, sendo que essa variação se dá em degraus de tensão.
Por exemplo, vamos considerar um DAC com 8 Bits de resolução na entrada e uma amplitude 'A' de saída máxima de 5 volts!
Como temos 8 Bits de resolução o nosso "range" de contagem sera de 2 ^ 8 = 256 ou de 0 à 255.
Como nossa amplitude máxima é de 5 volts, significa que nossa tensão de saída sera dividida em degraus de 5v / 255 ~= 0,0196 Volts.
Com isso sabemos que a nossa tensão de saída sera o valor (numérico) que injetarmos na entrada multiplicado pelo degrau de tensão que calculamos logo acima, por exemplo
Se injetarmos o valor 1 na entrada teremos 0,0196 Volts na saída.
Se injetarmos o valor 128 na entrada teremos 2,50 Volts na saída.
Se injetarmos o valor 255 na entrada teremos 5 Volts na saída.
Esse tipo de dispositivo permite conformar ondas analógicas a partir de circuitos digitais, obviamente que como ele possui uma determinada resolução e um certo período de tempo entre a mudança dos valores na entrada do DAC (que corresponde ao período de amostragem da onda reproduzida), ele não consegue reproduzir com 100% de fidelidade um sinal analógico, como podemos ver na figura abaixo:
Em azul temos um sinal analógico e em amarelo um sinal digital obtido por meio do DAC. É visível que apesar de se aproximar do sinal analógico original existe uma certa distorção na forma de onda, devido ao principio de funcionamento do DAC, sendo que os Degraus de tensão são bem visíveis.
Sempre que se faz a amostragem de um sinal temos perdas de informação, isso por que não podemos digitalizar 100% da onda, para isso seria necessário coletar infinitas amostras para qualquer trecho do sinal, o que podemos fazer é aumentar a resolução e aumentar a taxa de amostragem¹ para minimizar as perdas e deixar-las dentro de um patamar aceitável de acordo com a necessidade de cada projeto.
A teoria por trás da construção de um DAC também é relativamente simples, considerando um circuito ideal ele pode ser feito com um Amplificador Operacional na configuração de somador.
Podemos notar que a relação entre as resistências segue a mesma relação de progressão da contagem Binaria sendo que cada novo elemento tem seu valor atrelado ao valor anterior multiplicado 2 (R.2^0, R.2^1, R.2^2, R.2^3... etc.), é importante respeitar essa relação, se não os degraus de tensão podem ter valores diferentes, inclusive esse circuito funciona bem em condições ideais, mas na pratica as variações de valor entre as resistências pode adicionar muita imprecisão no sistema, sendo que para esse circuito ser implementado com eficiência seria necessário usar resistores de alta precisão. Principalmente para os valores de resistência mais altos, o que é extremamente difícil.
Podemos determinar a tensão de saída por meio dessa equação:
Pela equação podemos perceber que o Bit Mais Significativo (que tem maior valor) é o VR1, também podemos perceber que a tensão de saída sera NEGATIVA e que caso o RFB seja igual à R a tensão de referência (que aplicamos nos Resistores) deve ser metade da tensão máxima de saída. No circuito acima caso você utilize na entrada o nível Lógico TTL (5 Volts), que foi o que eu fiz... A Tensão na saída do DAC vai variar de 0 até -10V, com degraus de 10v / (2^8) = 0,039V.
Então é necessário alimentar o Amplificador Operacional com uma fonte Simétrica de tensão maior que o valor máximo de saída do DAC.
Também é possível montar um DAC usando uma malha R2R, isso diminui os problemas com a imprecisão dos resistores de maior valor no circuito anterior.
Nesse caso o Bit Mais significativo é o VR7 e o menos significativo é o VR12.
As aplicações dos DAC's são quase infinitas, por exemplo... Imagine que você conecte a entrada do DAC ao barramento de dados de uma Memoria RAM, o Barramento de endereços da memoria você conecta a um contador que trabalha em uma frequência especifica. Com isso você pode reproduzir continuamente um sinal analógico armazenado nessa memoria.
Esse dispositivo é chamado de RAMDAC, ele é utilizado para reproduzir sinais de áudio por exemplo, bastando armazenar o WAV/PCM do áudio na Memoria Ram, esse mesmo dispositivo também é usado na geração de sinais de vídeo analógico, principalmente para monitores CRT, dado que o controle do Electron Beam é feito variando o nível de tensão dentro de intervalos de tempo específicos para literalmente desenhar a imagem na tela... Alias, sera que seria interessante um post explicando o funcionamento dos monitores CRT??
Enfim, vou deixar um projetinho de exemplo sobre DACs aqui para download, ele consiste em gerar o semiciclo de uma onda senoidal com duração de 8 mili Segundos,usando um ATmega328p e um DAC feito com um Amplificador operacional.
Espero que gostem!
>>DOWNLOAD<<
[.1] Taxa de amostragem: Quantidade de amostras obtidas de um sinal dentro de um certo intervalo de tempo durante a digitalização de um sinal analógico.
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