Introdução
Na primeira parte deste artigo foram apresentadas algumas técnicas para transformar um sinal analógico de saída de um sensor ou transdutor para dentro dos limites do conversor A/D. Para ilustrar isso, foi desenvolvido um exemplo utilizando-se o componente LM35, um sensor de temperatura a ser conectado na entrada de um Arduino.
Nesta parte do artigo será desenvolvido outro exemplo, que foi fruto do desenvolvimento de um caso real iniciado por uma consulta à equipe do Embarcados. O foco deste artigo será mostrar, por meio de algumas soluções desenvolvidas pelos membros do editorial do Embarcados para esse caso específico, que para cada problema há muitas possíveis soluções e o grande desafio é escolher qual a melhor para o seu projeto.
Descrição do problema
Dado um sinal analógico em CC (corrente contínua), que varia de -9 a +19 Vcc, deseja-se condicionar esse sinal, sem distorções, para a faixa de 0 a +5 Vcc da entrada do conversor A/D de um Arduino.
Desenvolvimento das soluções
A solução genérica para esse tipo de condicionamento pode ser observada na Figura 1.
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O foco deste artigo técnico é mostrar diversas soluções para enfatizar que não existem soluções únicas. A melhor solução depende da avaliação do seu projeto e das particularidades de cada solução, que você como projetista precisa conciliar. São as famosas soluções de compromisso. As soluções a seguir podem ser simuladas no Paul Falstad’s Circuit Simulator Applet, um simulador online de circuitos muito simples de se usar. Clique nas figuras dos circuitos a seguir para visualizar a simulação completa de cada circuito.
Solução 1
Uma solução clássica, desenvolvida por Francesco Sacco, utiliza amplificadores operacionais para realizar as operações necessárias. Observando o circuito da Figura 2, pode-se identificar a fonte simulando o sinal de entrada em CA (corrente altrernada) para fins de simulação apenas, uma fonte de 9 Vcc para transformar o sinal de entrada num sinal que varie entre 0 e -28 Vcc na saída do primeiro operacional, configurado como somador e inversor. Esse circuito é seguido de uma rede resistiva que reduz a amplitude máxima do sinal para -5 Vcc. Para completar a solução, foi invertido o sinal de saída do divisor resistivo, utilizando-se um circuito inversor de ganho unitário. Essa solução funciona perfeitamente. O principal problema dela é que os operacionais devem ser alimentados com fontes simétricas de ± 30 Vcc.
Solução 2
Essa solução foi calculada utilizando-se as informações detalhadas num application note da Texas Instruments. As principais fórmulas relacionadas a essa solução estão retratadas na Figura 3. Trata-se de uma solução muito simples e totalmente resistiva conforme pode ser observado na Figura 4. Os valores foram desenvolvidos e calculados por Henrique Torres e Francesco Sacco.
Considerando um Vref de +5 Vcc, R1 valendo 10K e um R3 valendo 4K7, chegamos ao valor de R2 como sendo 3571,43 Ohms. Simulando o circuito, para um range de entrada de -9 V até +19 V, tivemos um range de saída de respectivamente 0,28 V até 5V.
Para um valor de R2 na faixa comercial, utilizando-se um resistor de 3K3 com tolerância de 5%, para o mesmo range de entrada, obteve-se uma saída variando na faixa de 0,27 V até 4,81 V.
Solução 3
Essa solução resgata um pouco as técnicas de uso de transistores e diodos. Apesar de parecer uma solução vintage (clássica ou antiga mas de boa qualidade) ou até fora de uso, vê-se com frequência o uso desse tipo de solução em circuitos modernos. São circuitos simples e robustos. Desenvolvi essa solução para enriquecer o leque de alternativas para o condicionamento de sinais desenvolvido aqui.
O divisor resistivo, que segue a fonte do sinal, reduz o sinal na razão de 3,3/(3,3 + 15) = 3,3/18,3 = 0,18. Isso implica que os limites da faixa do sinal ficaram entre -1,6V e + 3,4 V, ou seja, a faixa do sinal abrange 5V no total. Só faltou deslocar a tensão negativa para ficar perfeito. Isso foi feito utilizando-se a tensão VBE do transistor (0,7 V) e VD do diodo, que pode ser escolhido com tensões próximas a 1V. Dessa forma é somada uma tensão positiva que desloca a faixa para dentro da faixa pretendida de 0 a 5V na saída. Simples, não?
O problema desse tipo de solução é que as tensões VBE e VD variam bastante com a temperatura e com as correntes que circulam pelo componente.
Solução 4
Essa solução, desenvolvida por Haroldo Amaral, combina de uma forma econômica as soluções 1 e 2. Os detalhes podem ser observados na Figura 6.
Observações
Há a necessidade do condicionador ser seguido por um filtro anti-aliasing do tipo passa-baixas, como já foi apontado na primeira parte deste artigo.
Também é necessário que seja prevista uma forma de calibração do circuito, uma vez que nem os componentes e nem as soluções são perfeitas. Os limites transformados pelo condicionador, nas soluções apresentadas neste artigo, não são exatamente 0 e +5 Vcc, em função da utilização de valores comerciais para os resistores e ausência de circuitos para ajuste fino.
Conclusões
Neste artigo foram desenvolvidas 4 soluções distintas para um mesmo problema de condicionamento de sinais analógicos que levaram a resultados muito parecidos. Cabe ressaltar que ainda poderiam ser desenvolvidas outras soluções para esse mesmo problema, pois dificilmente haverá uma solução ótima ou perfeita para isso. Cabe ao projetista escolher a que melhor atende aos requisitos técnico-financeiros do projeto.
Artigos da série “Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos”
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Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos – Parte 2
- Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos – Parte 3
Agradecimentos
Meus agradecimentos aos amigos, colegas e parceiros Francesco Sacco, Henrique Torres e Haroldo Amaral por contribuírem na elaboração deste artigo técnico e permitirem a reprodução das soluções elaboradas por eles, o que enriqueceu em muito o conteúdo deste texto.
Referências
[1] Handy Gadgets and Resistor Divider Calculations
Crédito para a figura destacada – Colors And Covers Collection 18 – © Nicolò Armato | Dreamstime Stock Photos
Olá Henrique.
Acredito que uma nota válida sobre a impedância de entrada é que apenas a Solução 1 permite que ela seja realmente alta (por exemplo > 10^7).
Eu proporia ainda uma variação da Solução 2 com um AmpOp como seguidor na entrada (impedância alta e isolação).
Grato.
Olá Jaques. A Solução 1 utiliza uma configuração de somador inversor no primeiro AmpOp. A impedância de entrada fica dependente do resistor conectado entre a fonte e a porta inversora.
Com um resistor de valor alto é possível uma elevada impedância, mas em contrapartida deve-se levar em consideração o ruído térmico dos resistores (em casos mais extremos) e também a tensão que surgirá sobre o resistor em virtude da corrente de bias.
A variação utilizando um Buffer é uma excelente opção para o casamento de impedâncias.
Exato. Controlar a impedância de entrada por meio do divisor resistivo é uma solução bastante limitada. Para uma impedância maior faz-se necessário uma topologia diferente. Meu pensamento inicial foi o de se usar um AmpOp de alta impedância como os clássicos TL072 como seguidor (com o benefício adicional de isolar as etapas). O circuito é simples e não requer grandes preocupações.
Caro Jaques, agradeço a sua sugestão. A ideia do nosso artigo é justamente destacar que sempre há múltiplas soluções para cada desafio. A sua sugestão é muito boa! Sempre depende do estilo do projetista e dos recursos de que ele dispõe e das limitações impostas pelo projeto. Por exemplo: Se você considerar que a Solução 2 será conectada diretamente ao conversor A/D do Arduino, a menos do filtro passa-baixas, a impedância resultante da rede resistiva é compatível, dispensando o uso do buffer unitário. Porém, para não correr riscos, se não houver outros empecilhos econômicos ou de espaço físico na placa,… Leia mais »
Parabéns pelo artigo Sr. Henrique!
E ainda dizem que “não é tão necessário” estudar eletrônica em um curso de engenharia… Quero ver resolver problemas de campo sem base e conhecimento teóricos…