Aquisição e Tratamento de Dados – Teoria (5): Sinais Analógicos e Digitais

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Sinais Analógicos e Digitais

Classificação dos Sinais

No mundo real, os fenómenos físicos, como a temperatura e pressão, por exemplo, variam de acordo com as leis da natureza e possuem propriedades que variam continuamente no tempo; isto é, são sinais de variação analógica no tempo.
Os transdutores convertem esses fenómenos físicos em sinais eléctricos cuja tensão e corrente que depois são acondicionados e medidos por sistemas DAQ. Embora os sinais de tensão e corrente saídos dos transdutores possuam uma relação directa com os fenómenos físicos que são projectados para medir, muitas vezes não é claro o modo como essa informação está contida no sinal de saída. Por exemplo, no caso de um medidor de fluxo, a saída é um trem de impulsos digitais cuja frequência é directamente proporcional à taxa de fluxo. Enquanto a variação na taxa de fluxo de um fluido possa variar lentamente no tempo, o sinal de saída é um trem de impulsos digitais que pode variar rapidamente no tempo, dependendo da taxa de fluxo, e não da velocidade de variação da taxa de fluxo. Isto é mostrado na figura seguinte.

A taxa de fluxo e o sinal na saída de um transdutor medidor de fluxo.

Isto conduz-nos à necessidade de classificação dos sinais nos sistemas DAQ, porque é a informação contida no interior de um sinal que determina a sua classificação e, assim, o método de medição do sinal e/ou o tipo de hardware necessário para produzir esse sinal. A classificação dos sinais que podemos encontrar nos sistemas de controlo e aquisição de dados são definidos a seguir.

Sinais Digitais / Sinais Binários

Um sinal digital, ou binário, pode ter apenas dois níveis ou estados; ‘on’, onde o sinal está no nível mais elevado, e ‘off’, no qual o sinal está no nível mais baixo (ver figura seguinte).

Um sinal digital binário

Por exemplo, a tensão eléctrica do sinal de saída de um interruptor lógico TTL (transístor-to-transístor) pode ter apenas dois estados – o valor do estado ‘on’ é 5V, enquanto o valor do estado ‘off’ é de 0V. Os dispositivos de controlo, tal como os relés e indicadores, como por exemplo os LEDs, requerem, para o seu funcionamento, sinais de saída como esses nas placas digitais de I/O.

Trens de Impulsos Digitais

Um trem de impulsos digitais é um tipo especial de sinal digital, formado por uma sequência de impulsos digitais, como exemplificado na figura seguinte.

Sinal trem de impulsos digitais

Como todos os sinais digitais, um impulso digital pode apenas ter dois níveis ou estados definidos. É definido como um impulso porque permanece apenas por um pequeno período de tempo. Um impulso de transição positiva é aquele que transita do estado baixo para o estado alto, permanece no estado alto durante um curto período de tempo e depois regressa ao nível baixo. Um impulso negativo faz a sua transição do estado alto para o baixo, permanece neste estado durante um pequeno período, e depois regressa ao estado alto. A informação transmitida num trem de impulsos digitais é transmitida no número de impulsos que ocorrem, na taxa a que os impulsos ocorrem e/ou no tempo entre impulsos.
Os sinais de saída de um medidor de fluxo ou de um encoder óptico montado num eixo rotativo são exemplos de trens de impulsos digitais. Também é possível num sistema DAQ ser necessário uma saída na forma de trem de impulsos digitais como parte de um processo de controlo. Um motor passo-a-passo, por exemplo, precisa de uma série de impulsos digitais para controlar a sua posição e velocidade. Embora os trens de impulsos digitais de saída ou entrada possam ser medidos ou produzidos utilizando placas de I/O digitais, as placas I/O contadores/temporizadores são mais eficientes na execução dessa tarefa.

Sinais Analógicos

Os sinais analógicos contêm informação na variação de magnitude do sinal ao longo do tempo. A informação relevante contida no sinal está dependente da magnitude do sinal analógico variar lenta ou rapidamente, ou se o sinal é considerado no domínio do tempo ou da frequência.

Sinais Analógicos DC

Os sinais analógicos DC são sinais DC estáticos ou variam muito lentamente. A informação transmitida neste tipo de sinal está contida no nível ou amplitude do sinal num dado instante, e não como varia o sinal ao longo do tempo. Isso é mostrado na figura seguinte.

Um sinal analógico DC

Como a altura de medição deste tipo de sinais que variam lentamente não é crítico, o hardware DAQ é apenas necessário para converter o nível de sinal para uma forma digital para processamento pelo computador, utilizando-se um conversor analógico-digital (ADC). Placas A/D de baixa velocidade serão capazes de medir esta classe de sinais.
A monitorização de temperatura e pressão são apenas dois exemplos de sinais analógicos que variam lentamente ao longo do tempo, para os quais o sistema DAQ os mede e devolve um valor único indicando a magnitude do sinal num dado instante. Esses sinais podem ser utilizados como entradas de displays digitais e bitolas ou processados para indicar uma acção de controlo (ex: ligar um aquecedor ou abrir uma válvula) necessária num determinado processo.
Por exemplo, hardware de controlo como uma válvula actuadora, precisa apenas de um sinal analógico de variação lenta; a magnitude num determinado instante é suficiente para determinar a acção de controlo. O hardware DAQ que pode executar esta tarefa tem de ser capaz apenas de converter o sinal digital de controlo para uma forma analógica, utilizando um conversor digital-analógico (DAC) num dado instante do tempo. Uma placa D/A de utilização geral, de baixa velocidade, consegue executar essa função.
Os parâmetros mais importantes a considerar para as placas A/D e D/A de baixa velocidade, são a fiabilidade e a resolução na qual a lenta variação do sinal pode ser medido ou enviado para a saída, respectivamente.

Sinais Analógicos AC

A informação contida nos sinais analógicos AC está contida não apenas no nível ou amplitude do sinal num dado instante, mas também na forma como a amplitude varia no tempo. A forma do sinal, o seu declive num dado instante, a frequência, e a localização dos picos, podem fornecer informação acerca do próprio sinal. Um exemplo de um sinal analógico AC é mostrado a seguir

Um sinal analógico AC

Como um sinal analógico AC pode variar muito rapidamente no tempo, o instante da medição, neste tipo de sinal, pode ser crítico. Assim, além de converter a amplitude do sinal para a forma digital para processamento pelo computador, utilizando-se uma placa ADC, o hardware DAQ terá também de efectuar medições suficientemente perto umas das outras no tempo, de forma a poder reproduzir-se depois, de forma adequada, a forma do sinal, e assim a informação, contida nesse sinal. Além disso, a informação extraída do sinal poderá variar dependendo de onde a medição do sinal começou e terminou. O hardware DAQ utilizado para medir estes sinais precisará de um ADC, um relógio de amostragem, para registar o instante de tempo da ocorrência de cada conversão A/D, e um disparo para iniciar e/ou terminar as medições num instante de tempo preciso, de acordo com algum evento ou condição externa, de modo a que a porção relevante do sinal possa ser adquirida. Uma placa de A/D de alta velocidade, será capaz de efectuar estas funções.
Como todos os sinais que variam no tempo podem ser representados pela soma de uma série de ondas sinusoidais de diferentes magnitudes e frequências, uma outra maneira útil de extrair informação é através do espectro de frequência do sinal. Esse espectro indica as magnitudes e as frequências de cada uma das componentes sinusoidais que formam o sinal, em vez das suas características baseadas no tempo, isto é, forma, declive num dado ponto, etc.). Isto é mostrado na figura seguinte.

Um sinal analógico AC no domínio da frequência

A análise no domínio da frequência permite uma mais fácil detecção e extracção do sinal pretendido, através da sua filtragem, em que se deitam fora os componentes indesejados de ruído, que têm frequências muito mais elevadas que o sinal desejado. O processamento digital do sinal (DSP) necessário para converter o sinal medido no domínio do tempo em informação no domínio da frequência e possivelmente executar análise do espectro da frequência, pode ser obtido através de software, ou com hardware DSP especial.