Trazendo o mundo real para dentro do processador - Condicionamento de sinais analógicos - Parte 2

Condicionamento de sinais

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.

 

Esquema genérico para condicionamento de sinais analógicos
Figura 1 - Esquema genérico para condicionamento de sinais analógicos

 

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.

 

Condicionamento de sinais analógicos - Condicionador utilizando-se amplificadores operacionais
Figura 2 - Condicionador utilizando-se amplificadores operacionais

 

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.

  

Condicionamento de sinais analógicos - Fórmulas para o cálculo do divisor resistivo
Figura 3 - Fórmulas para o cálculo do divisor resistivo

  

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.

 

Condicionamento de sinais analógicos - Solução utilizando-se apenas resistores
Figura 4 - Solução utilizando-se apenas resistores

 

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.

 

Condicionamento de sinais analógicos - Condicionador que utiliza transistor e diodo
Figura 5 - Condicionador que utiliza transistor e diodo

 

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.

 

Condicionamento de sinais analógicos - Solução com divisores resistivos e operacional
Figura 6 - Solução com divisores resistivos e operacional

 

 

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"

 

 

 

Agradecimentos

 

Meus agradecimentos aos amigos, colegas e parceiros Francesco Sacco, Henrique TorresHaroldo 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

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Jaques Arantes
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Jaques Arantes

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.

Haroldo Amaral
Visitante
Haroldo Amaral

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.

Jaques Arantes
Visitante
Jaques Arantes

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.

Henrique Frank Werner Puhlmann
Visitante

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 »

Ciro Peixoto
Visitante
Ciro Peixoto

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...