Tempo de Amostragem - Conversor Analógico-Digital do MSP430

[projetosautom...@gmail.com]

Olá pessoal,

No MSP430 é possível observar que existem alguns valores para seleção do tempo de amostragem para uma conversão analógica-digital.

Queria tirar uma dúvida: Como saber qual o melhor tempo para ser selecionado para uma aplicação ? Vejo que para cada aplicação, pode ser preciso selecionar um valor de tempo diferente. Alguém poderia esclarecer, por favor ?

Agradeço.

[Christiano]

Retirei e traduzi o texto abaixo do livro Microcontroller Programming and Interfacing Texas Instruments MSP430 de Steven F. Barret e Daniel J. Pack

http://amzn.com/1608457133

Seção 8.3.1 - Sampling

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Amostragem

O processo de amostragem é o meio para um sistema digital capturar um sinal analógico em um tempo particular. Alguém pode considerar o processo de amostragem similar a tirar fotos de um cenário usando uma câmera.

Suponha que nós queremos capturar o movimento de um lançador de baseball como ele lança a bola para frente. Também deixe-nos assumir que os únicos meios para você capturar o movimento do lançador é uma câmera. Suponha que leva 2 segundos para o lançador lançar a bola. Se você tirar uma foto no começo do lançamento e outra dois segundos depois, você terá perdido a maioria da ação e não será capaz precisamente de representar o movimento do lançador.

O inverso do período entre as tiragens de foto neste exemplo é a frequência de amostragem, com unidade em Hertz, Hz. Uma vez que há dois segundos de intervalo entre as amostragens, a taxa de amostragem é de ½=0.5Hz. Como você pode imaginar, quanto mais rápido você tira fotos mais preciso é para recriar o movimento com a sequência de fotos. O exemplo acima ilustra a primeira questão do processo de amostragem, aquela da frequencia de amostragem. Um correto frequencia de amostragem depende das características do sinal analógico. Se o sinal analógico muda rapidamente, a frequência de amostragem precisa ser alta enquanto que se o sinal não muda rapidamente a frequência de amostragem pode ser lenta e ainda capturar a essência do sinal de entrada. Uma outra analogia de frequência de amostragem, supõe que você está atravessando uma rua com os seus olhos fechados mas pode abrir seus olhos momentâneamente a uma taxa fixa. Se não há trafego, você pode atravessar a rua sem abrir os olhos uma vez que nenhuma mudança ocorrerá durante sua travessia. Outro extremo é o caso quando você tenta atravessar a rua durante um intenso tráfego. Se você não abrir os olhos frequentemente - alta taxa de amostragem - você pode estar arriscando sua vida.

Você pode perguntar: qual prejuízo uma alta frequência de amostragem sem se importar com a frequência da entrada do sinal analógico? A resposta repousa na otimização de recursos. Da mesma forma que seria desperdício tirar múltiplas fotos de um objeto estático, não seria um bom uso de recursos amostrar com alta taxa de amostragem independente da natureza do sinal analógico. Em 1940, Henry Nyquist, que trabalhou na IBM Bell laborátorios, desenvolveu um conceito de que o mínimo taxa de amostragem requerida está em função da maior frequência do sinal analógico de entrada fs >= 2*fh. A frequência fs e fh são as frequência de amostragem e o maior frequência do sinal que queremos capturar, respectivamente. Isto é, a frequência de amostragem precisa ser maior ou igual a duas vezes da maior frequência do sinal de entrada. Usando a ilustração de tirar fotos de novo, a taxa que você tira uma sequencia de fotos precisa ser no mínimo duas vezes mais rápido que a maior taxa de frequência de mudança no ambiente do qual você está tirando as fotos para reconstruir os sinais do ambiente.

[projetosautom...@gmail.com]

Olá Christiano,

Entendi o que o livro fala. Mas, vejo que as vezes por exemplo, um sensor ele precisa ser lido com um determinado ciclo de amostragem ,pois, caso contrário podem ocorrer possíveis erros de leitura do valor, correto ? Essas análises sou eu que faço, ou existem essas informações no datasheet do sensor ? 

E com relação a esse livro, ele está disponível em algum site de forma gratuita ? Vi que o livro é bem bacana.

Queria conseguí-lo.

Agradeço. 

[Christiano]

Sim, se você olhar o user guide do msp430g2553 por exemplo:

http://www.ti.com/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf

Você verá que o modelo de leitura do ADC é esse:

Esse capacitor representa o Bit menos significativo se não me engano. O sistema só estará estável quando esse capacitor estiver carregado com Vs. Isso leva um tempo. Portanto se você fizer uma leitura muito muito muito rápida, pode não dar tempo de fazer com que a leitura seja confiável.

De um lado, se você colocar uma frequencia de amostragem baixa, você perde em qualidade de dados.
Do outro lado, se você colocar uma frequencia de amostragem alta, você pode correr o risco de pegar o dado em uma situação em que ele não está estável.

Neste modelo, o intervalo de amostragem deve ser maior que (Rs +2k)*7.625*27p ou seja, o seu modelo de sensor, está diretamente relacionado ao Rs, que é a parte externa do microcontrolador desenhado ali.

Essa é a seção 22.2.5.1 do User Guide ( http://www.ti.com/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf )

Quanto maior o Rs, maior será o tempo necessário de estabilização.

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Quanto ao livro, realmente são bastante caros pra quem é estudante.
O livro que tem bastante pdf circulando é o MSP430 Microcontroller Basics, esse aí do Steven eu ainda não vi nenhum pdf dele.

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[projetosautom...@gmail.com]

Christiano, 

Mais uma vez agradeço a resposta.

Então, por exemplo, se eu tenho um sensor eu tenho que calcular o valor da resistência dele para saber o tempo de amostragem ideal, certo ? Tem como eu encontrar essa resistência do sensor no datasheet dele ?

Agora, por exemplo, estava estudando pelo Livro Microcontroller Basic e observei que dependendo da aplicação o autor usava um ciclo de amostragem diferente. A questão do ciclo de amostragem é melhor fazer um estudo ou sempre você tem que calcular a resistência Rs ? Acredito que essa parte de 

ciclo de amostragem seja o único problema de entendimento do conversor analógico-digital, por enquanto.

Agradeço.

Em domingo, 14 de julho de 2013 02h19min10s UTC-3, projetosautom...@gmail.com escreveu:

[Christiano]

Uma vez usei um amplificador instrumental, e usei um dado que indicava a resistência de saída.
Eu penso da seguinte forma: Se for coisa simples, você pôe ADC10SHTx pra dividir 64, se funcionar está bom.
Mas eu fiz esse cálculo a última vez e o calculo indicava que eu tinha que dividir no mínimo por 8 para o INA que eu estava usando. Aí eu dividi por 16, estava bom, 64 estaria bom também.