Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos – Parte 3

Neste artigo é abordado o condicionamento de sinais analógicos cujo conteúdo a ser medido é em corrente alternada (CA). Confira toda a série também!
sinais analógicos

Introdução

Neste artigo será abordado o condicionamento de sinais analógicos cujo conteúdo a ser medido é em corrente alternada (CA), ou seja, são as frequências do sinal que nos interessam. Frequentemente o sinal CA é montado sobre um sinal em corrente contínua (CC), que nem sempre é adequado para a entrada analógica do seu circuito. No decorrer deste artigo serão apresentadas algumas situações mais comuns e algumas ideias de como realizar esse condicionamento.

Análise das situações mais frequentes

Para ilustrar e simular as situações mais frequentes foi utilizado o programa gratuito LTSpice IV fornecido pela Linear Technology. Os circuitos desenvolvidos como exemplo podem ser acessados aqui. Retirar a componente em corrente contínua de um sensor ou transdutor nada mais é do que submeter esse sinal a um filtro passivo do tipo passa-altas. Só para recordar, a Figura 1 mostra um filtro passivo do tipo passa-altas e a fórmula para calcular a frequência de corte desse filtro.

Filtro passa-altas para condicionamento de sinais analógicos.
Figura 1 – Filtro passa-altas

Pode-se classificar as situações mais frequentes como a combinação das seguintes especificações:

  • Quanto à relação entre as amplitudes máximas do sinal em corrente alternada com a máxima excursão desejada após o condicionamento:
    • O sinal é menor do que o desejado -> Amplificação;
    • O sinal é maior do que o desejado -> Atenuação.
  • Quanto a uma nova componente em corrente contínua desejada na saída do condicionador:
    • A referência é o GND do circuito;
    • A nova referência é uma componente em corrente contínua, em geral correspondente à metade da excursão do sinal na saída do condicionador.

Suponhamos que o nosso sensor ou transdutor tenha uma componente em corrente contínua de 10 Vcc. Vamos detalhar alguns cálculos comuns aos circuitos utilizados nos exemplos.

  • Frequência de corte do filtro passa-altas: fc = 1/(2 x π x 10 µF x 100 kΩ) = 0,16 Hz
  • Ganho do amplificador operacional não inversor:  G = 1 + R3/R4

Situação 1

Nessa situação, o sinal em CA é menor do que o necessário e a saída é referenciada ao GND. Pode-se observar o circuito desenvolvido para essa situação na Figura 2. O sinal do sensor tem 2 Vpp, e o de saída tem 10 Vpp.

 Sensor com 10 Vcc e 2 Vpp em CA. - Saída 10 Vpp simétrica com relação ao GND
Figura 2 – Sensor com 10 Vcc e 2 Vpp em CA. – Saída 10 Vpp simétrica com relação ao GND

A simulação desse circuito produziu o seguinte gráfico de sinais (Figura 3).

Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída - Situação 1
Figura 3 – Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída – Situação 1

Observe como o sinal após a passagem pelo filtro passa-altas já perdeu a componente CC e oscila em torno de GND. Foi necessária uma simples amplificação pelo fator de 5 para atingir as especificações desejadas.

Situação 2

Nessa situação, o sinal em CA é maior do que o necessário e a saída é referenciada ao GND. Pode-se observar o circuito desenvolvido para essa situação na Figura 4. O sinal do sensor tem 20 Vpp e o de saída tem 10 Vpp.

Sensor com 10 Vcc e 20 Vpp em CA. - Saída 10 Vpp simétrica com relação ao GND
Figura 4 – Sensor com 10 Vcc e 20 Vpp em CA. – Saída 10 Vpp simétrica com relação ao GND

Observe que o circuito apresentado na Figura 4 realiza uma atenuação puramente resistiva do sinal CA filtrado. A simulação desse circuito produziu o seguinte gráfico de sinais (Figura 5).

Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída - Situação 2
Figura 5 – Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída – Situação 2

Situação 3

Nessa situação, o sinal em CA é menor do que o necessário e a saída é referenciada a 2,5 Vcc. Pode-se observar o circuito desenvolvido para essa situação na Figura 6. O sinal do sensor tem 2 Vpp, e o de saída tem 5 Vpp, montado numa referência de 2,5 Vcc.

Sensor com 10 Vcc e 2 Vpp em CA. - Saída 5 Vpp simétrica com relação a 2,5 Vcc
Figura 6 – Sensor com 10 Vcc e 2 Vpp em CA. – Saída 5 Vpp simétrica com relação a 2,5 Vcc

Observe na Figura 6, que na saída do sinal filtrado já é somado um sinal em CC de referência e que nessa solução esse sinal também é amplificado também pelo ganho do amplificador operacional para compor o sinal de saída. O ganho do amplificador é G = 2,5. A componente CC gerada na entrada do amplificador operacional é:

Voffset = Vcc x R2/(R5 + R2) = 12 x 10 k/ (10k + 110k) = 12 x 0,0833 = 1,0

Multiplicado pelo ganho, Voffset na saída = 2,5 Vcc.

Observe que esse arranjo também afeta a frequência de corte do filtro passa-altas:

Fc = 1/(2 x π x 10 µF x 110 kΩ // 10 kΩ) => Fc = 1,74 Hz

Para o nosso caso isso não altera em nada os resultados. A simulação desse circuito produziu o seguinte gráfico de sinais (Figura 7). 

Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída - Situação 3
Figura 7 – Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída – Situação 3

Há uma outra solução para essa situação, na minha opinião brilhante, que é o circuito ilustrado na Figura 8. Nesse circuito separa-se a geração do Voffset em CC da amplificação do sinal em CA. É lindo!!!!

Circuito alternativo para a solução da Situação 3
Figura 8 – Circuito alternativo para a solução da Situação 3

O gráfico da simulação desse circuito pode ser observado na Figura 9.

Ondas Circuito 3a
Figura 9 – Simulação do circuito da Figura 8. Voffset = 2,5 V, Vsaída = 5 Vpp

Situação 4

Nessa situação, o sinal em CA é maior do que o necessário e a saída é referenciada ao 2,5 Vcc. Pode-se observar o circuito desenvolvido para essa situação na Figura 10. O sinal do sensor tem 10 Vpp, e o de saída tem 5 Vpp.

Sensor com 10 Vcc e 10 Vpp em CA. - Saída 5 Vpp simétrica com relação a 2,5 Vcc
Figura 10 – Sensor com 10 Vcc e 10 Vpp em CA. – Saída 5 Vpp simétrica com relação a 2,5 Vcc

Observe que o circuito apresentado na Figura 10, a tensão de offset é determinada pelo divisor resistivo formado por R5 e R2, enquanto que a atenuação do sinal filtrado é produzida pela relação dos resistores R6 e R5 // R2. A simulação desse circuito produziu o seguinte gráfico de sinais (Figura 11). 

Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída - Situação 4
Figura 11 – Gráfico com os sinais da Entrada, Filtrado e da Saída – Situação 4

Conclusão

Este artigo técnico encerra a série sobre condicionamento de sinais analógicos. Leia também os demais artigos dessa série.

Agradecimentos

Meus agradecimentos ao Haroldo Amaral pela sua contribuição na elaboração deste artigo técnico.

Referências

Crédito para a figura destacada – Free Images -red-wave-1463993-1280×960

Crédito para a Figura 1Saber Elétrica – Uma análise filtros passivos

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Sou paulistano, 60 anos, formado em Engenharia Eletrônica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (formado em 1982) e trabalho há pelo menos 33 anos no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo S/A - IPT com Pesquisa e Desenvolvimento, principalmente pesquisa aplicada e desenvolvimento tecnológico de protótipos e produtos eletrônicos dedicados.

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Franklin S.C. Bonfim
Franklin Bonfim
01/04/2016 10:04

O link “Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos”, está levando para a página do artigo “Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos – Parte 2”

Henrique Frank Werner Puhlmann
Reply to  Franklin Bonfim
01/04/2016 10:53

Caro Franklin,
obrigado pelo aviso! Já está corrigido.
Abraço

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