Qual a diferença fundamental entre uma entrada digital e uma entrada analógica em um CLP na representação do mundo físico para a CPU?

Passo 1

O que o enunciado pede: explicar qual é a diferença fundamental entre uma entrada digital e uma entrada analógica em um CLP na forma como o mundo físico é representado para a CPU.
Informações que já temos do enunciado (o que já foi dado implicitamente):
  • Há dois tipos de entrada a comparar: digital e analógica.
  • O foco é a representação do sinal físico para a CPU do CLP (isto é, como a CPU “vê” aquela grandeza do mundo real).

Passo 2

O que é uma entrada digital (explicação didática e exemplos).
  • Uma entrada digital representa uma informação discreta: existem só dois estados possíveis, ligado/desligado. Pense como um interruptor que só tem “aberto” ou “fechado”.
  • Exemplos típicos: botão, fim de curso, sensor indutivo de presença que entrega somente “detecção” ou “não detecção”.
  • Em termos elétricos, o CLP interpreta um nível de tensão/ corrente como 0 (desligado) ou 1 (ligado) comparando com uma tensão limiar. Tipicamente a entrada digital aceita níveis como 0\\ \mathrm{V} para 0 e 24\\ \mathrm{V} para 1 (valores variam conforme o CLP).
  • Atenção prática: entradas digitais têm tratamento para rebote (debounce) e geralmente usam histérese para evitar comutação por ruído. A CPU recebe a informação como um bit (ou um registrador de bits).

Passo 3

O que é uma entrada analógica (explicação didática e exemplos).
  • Uma entrada analógica representa uma grandeza contínua: temperatura, nível, pressão, velocidade — valores que variam em um intervalo contínuo.
  • Exemplos de sinais padronizados usados entre sensor e CLP: 4\text{-}20\,\mathrm{mA} (muito comum), 0\text{-}10\,\mathrm{V}, termopar com mV, etc.
  • O módulo analógico do CLP mede essa tensão ou corrente e converte para um número digital via um conversor analógico-digital (ADC). Esse número é então disponibilizado à CPU (normalmente como um inteiro bruto que depois é escalado para unidades de engenharia).

Passo 4

Como a CPU “vê” cada uma — representação interna.
  • Entrada digital: a CPU recebe um bit por entrada; internamente é 0 ou 1. É informação discreta sem necessidade de conversão complexa.
  • Entrada analógica: a CPU recebe um valor digitalizado resultante do ADC. Então a grandeza contínua passa por duas etapas: medida elétrica → ADC → contagem digital (um número inteiro). Depois há um mapeamento (escala) desse número para a unidade física (por exemplo, corrente 4\text{-}20\,\mathrm{mA} → temperatura em ^\circ\mathrm{C}).
  • Consequência: digital = 1 bit; analógico = múltiplos bits (resolução do ADC).

Passo 5

Conceitos importantes do ADC (explicação didática; formule as parcelas para caber na prova).
  • Resolução do ADC: se o ADC tem N bits, o número de níveis discretos é 2^{N}. Por exemplo, N=12 2^{12}=4096 níveis.
  • Passo de quantização ( \Delta): é a menor variação que o ADC consegue distinguir; pode ser calculado por
\Delta=\dfrac{\text{FSR}}{2^{N}},
onde \text{FSR} é a faixa completa do sinal de entrada (por exemplo, 0\text{-}20\,\mathrm{mA} ou 0\text{-}10\,\mathrm{V}).
  • Erro de quantização e ruído: a representação analógica tem imprecisão (quantização, ruído elétrico, offset, ganho) — portanto menos “limpo” que um bit digital mas muito mais informativo (valor contínuo).

Passo 6

Como o CLP escala e apresenta o valor analógico à CPU (passo a passo prático).
  • O módulo analógico retorna uma contagem inteira C entre 0 e 2^{N}-1.
  • Para converter essa contagem em um valor físico (por ex. temperatura T), usa-se uma relação linear do tipo
T = a\cdot C + b,
onde a e b são constantes de escala definidas pela faixa do sensor e do ADC (essas constantes são calculadas pelo engenheiro/usuário do CLP).
  • Na prática o programador do CLP configura a entrada indicando a faixa do sensor (por ex. 4\text{-}20\,\mathrm{mA} corresponde a 0\text{-}100^\circ\mathrm{C}), e o CLP faz a conversão interna automaticamente ou fornece a contagem bruta para o usuário escalar.

Passo 7

Implicações práticas e comportamentais que ajudam a diferenciar na prova (resumo didático).
  • Velocidade / determinismo: entradas digitais mudam instantaneamente entre estados e são ideais para lógica rápida; entradas analógicas exigem conversão e filtragem (alguma latência).
  • Ruído e cabo: sinais analógicos são sensíveis a ruído e costumam exigir cabo blindado, aterramento e isolação; digitais são mais tolerantes.
  • Tratamento no software: entradas digitais exigem debounce/histérese; analógicas exigem filtragem (média móvel, filtro passa-baixa) e linearização/calibração.
  • Informação disponível: digital dá informação booleana (situação); analógica dá magnitude (quanto exatamente).

Passo 8

Exemplos rápidos para fixar (faça igual na prova para ilustrar).
  • Exemplo digital: um fim de curso fecha e o CLP lê 1. A CPU tem um bit que vale 1 — nada mais a dizer.
  • Exemplo analógico: um transmissor de nível envia 12\,\mathrm{mA} num laço de 4\text{-}20\,\mathrm{mA}. O módulo mede, converte para uma contagem (por exemplo 2048 num ADC de 12 bits) e a CPU escala isso para, digamos, 50\% de nível ou 5{,}0\,\mathrm{m} dependendo da faixa configurada.

Resposta

Entrada digital: sinal discreto que representa apenas dois estados ( 0 ou 1); a CPU recebe um bit (ligado/desligado) e não precisa de conversão analógica complexa.
Entrada analógica: sinal contínuo (por exemplo 4\text{-}20\,\mathrm{mA} ou 0\text{-}10\,\mathrm{V}) que é convertido por um ADC em um número com N bits; a CPU recebe uma contagem digital que precisa ser escalada para obter a grandeza física real.

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