Referência de tensão de precisão - A ideia

Referência de tensão de precisão fonte para referência de precisão

Caro leitor, se você também tem aquela paixão por instrumentação e constantemente acaba utilizando conversores ADC/DAC em seus projetos, com certeza já passou pelo seguinte dilema: “Como posso garantir que o resultado da conversão é realmente o esperado?” ou então “como posso calibrar meu sistema para incrementar sua exatidão?”. Caso você ainda não tenha muito contato com esses componentes indico a leitura deste artigo sobre conversores ADC escrito pelo Henrique Puhlmann e este artigo escrito pelo Newton Braga.

 

Neste ponto acho interessante conceituar alguns termos que podem se tornar confusos devido à similaridade: Precisão, Exatidão e Resolução.

 

  • Precisão (Precision): Tem relação direta com o grau de reprodutibilidade de uma medida, ou seja, se medições sequenciais através de um mesmo padrão possuem valores semelhantes, dentro da tolerância estipulada. Uma medida precisa possuirá um pequeno desvio padrão, ou seja, sua curva de distribuição normal será bastante afunilada;
  • Exatidão (Accuracy): Tem relação com o grau de concordância de uma medida com o valor alvo, ou seja, quanto mais próxima uma medida for do seu valor de referência, mais exata ela será;
  • Resolução (Resolution): É o menor passo incremental possível de uma medida. Por exemplo, uma régua com intervalos em mm terá mais resolução do que uma com intervalos em cm. Trazendo para nosso mundo da eletrônica, podemos considerar nossos conversores como nossa “régua digital”. Tomando como base um conversor hipotético com referência de 5 V, sua versão de 10 bit terá mais resolução do que uma versão de 8 bit. Os dois possuirão respectivamente resolução de 4,88 mV e 19,6 mV.

 

Veja que um conceito não depende diretamente do outro, mas dentro da instrumentação eles estarão relacionados. É muito comum notarmos que estes termos acabam se misturando e em muitos casos todos acabam sendo relacionados como precisão. A figura a seguir apresenta os conceitos graficamente, o que torna mais simples o entendimento.

 

Precisão, Exatidão e Resolução

Figura 1 - Precisão, Exatidão e Resolução. Fonte: Adaptado de <http://www.gamry.com/application-notes/instrumentation/understanding-specs-of-potentiostat/>

 

Veja, o alvo com mais resolução possui passos menores entre as faixas. Medidas com alta precisão terão todos os valores próximos de si, mas não necessariamente próximas do valor real. Veja que os tiros podem estar próximos entre si mas afastados do centro. Medidas com grande exatidão serão como tiros próximos ao centro do algo, mas não necessariamente próximos entre si. Se unirmos os conceitos chegamos ao objetivo de toda medição, que ela seja precisa, exata e também possua a resolução necessária.

 

A figura a seguir apresenta o conceito aplicado à curva de distribuição normal. A precisão influencia na dispersão da curva, fazendo com que sua base fique mais ou menos larga, o que para nós significa o quão próximo as amostras estão entre si. A resolução pode ser relacionada com o menor incremento possível na variável a ser mensurada, ou seja, a variação incremental no eixo vertical. A barra vermelha indica o valor de referência, ou o valor real desejado. Por fim, o distanciamento entre o pico da forma de onda em azul e o valor de referência é a exatidão.

 

Conceito aplicado a uma curva gaussiana

Figura 2 - Conceito aplicado a uma curva gaussiana Fonte: Adaptado de <http://www.embedded.com/design/real-time-and-performance/4230805/Choosing-sensors--Specsmanship-vs--reality>

 

Com estes conceitos bem fixados voltamos ao foco principal. A maioria dos conversores ADC/DAC possuem internamente referências de tensão que são utilizadas no processo de conversão do sinal, seja para quantizar o seu sinal analógico ou converter seu sinal digital em analógico. E neste ponto a exatidão e estabilidade da referência influenciam diretamente no desempenho da conversão. Para mais informações sobre os princípios de aquisição de dados e conversão indico os dois artigos a seguir:

 

Para a grande parte das aplicações a referência interna costuma funcionar muito bem, entretanto, alguns modelos não possuem essa referência interna e em alguns casos pode ser necessária a utilização de uma referência externa, seja para modificar o range da conversão, seja para garantir melhor exatidão e estabilidade das medidas.

 

Quando estamos trabalhando com o conversor analógico/digital (ADC), dependendo das necessidades do projeto, pode ser necessário realizarmos a calibração do mesmo, garantindo que as medidas obtidas representam o valor real esperado. Indico a leitura deste artigo escrito pelo Henrique Puhlmann sobre a importância da calibração e os procedimentos básicos.

 

Para ambos os casos apresentados anteriormente necessitamos de uma referência de tensão bastante confiável, e neste ponto surgiu a ideia deste projeto.

 

Sempre tive vontade de comprar um “voltage standard” para garantir a calibração de meus equipamentos e ao mesmo tempo garantir a exatidão dos meus projetos. Quando conheci estas referências fiquei bastante animado pois os preços não são surreais, mas infelizmente acabei abortando a ideia já que temos que considerar não somente o custo do equipamento, mas também o frete e ainda mais nossa elevada carga tributária. Em virtude disso comecei a pesquisar sobre como desenvolver minha própria referência de tensão de precisão e com isso garantir resultados mais confiáveis.

 

PentaRef da VoltageStandard - Referência de tensão de precisão

Figura 3 - PentaRef da VoltageStandard Fonte: <http://www.voltagestandard.com/>

 

Nesta busca pelo “projeto ideal” (depois irei explicar o que considerei como ideal) encontrei dois vídeos no  Youtube do usuário “Scullcom Hobby Electronics”, que acabaram me instigando ainda mais da possibilidade desenvolver o projeto. Aqui vão os links para o video 1 e o video 2, indico assistir.

 

 

Projeto ideal

 

Bom, o que eu considero como projeto ideal? Primeiramente, a referência deveria possuir a grande exatidão; em segundo lugar, o projeto deveria ser relativamente simples, tanto com relação à montagem como com relação à obtenção dos componentes.

 

Aqui fica o lado triste, em nossas terras fica difícil resolver todas essas pendências, então alguns componentes não são muito populares e podem ser difíceis de acharmos no comércio especializado.

 

Como meu objetivo era criar uma referência com múltiplas tensões de saída, o projeto do segundo vídeo resolveria bem este quesito, entretanto ele utilizava componentes bastante exóticos para nossa realidade.

 

Nas pesquisas sobre referências de tensão encontrei o modelo REF102 da Texas Instruments. Suas características se mostraram muito interessantes ao meu projeto. Referência de 10 V com variação máxima de ±0,0025 V (na versão mais sofisticada), o que equivale à tolerância máxima de 0,025%. Além disso, seu encapsulamento é DIP8, o que facilita a confecção da placa.

 

O principal componente já estava selecionado, agora como obter precisamente outras saídas derivadas dos 10 V? Uma solução plausível seria utilizar um simples divisor resistivo com múltiplas saídas seguidas por buffers. Apesar de simples, temos dois poréns:

  1. Precisaríamos de resistores com excelente precisão, que além de difíceis de encontrar são bastante caros;
  2. buffer utilizado necessitaria possuir excelente característica de input voltage offset para não denegrir a tensão gerada no divisor de tensão.

 

Veja, são dois componentes críticos que, se mal escolhidos, poderiam diminuir a exatidão da referência.

 

Aqui me lembrei do artigo que escrevi sobre Amplificadores de Instrumentação e sobre um modelo mais específico de amplificador operacional, o Amplificador Diferencial de Precisão, ou Precision Difference Amplifier. Trata-se de um amplificador operacional na configuração diferencial onde o grande diferencial está na rede de resistores. Ao invés de utilizarmos resistores externos e ficarmos dependentes da tolerância deles, pode-se utilizar um amplificador diferencial de precisão. Este componente possui internamente os 4 resistores básicos necessários para a configuração diferencial, onde alguns terminais já estão previamente conectados às portas do AmpOp e outras estão conectadas aos pinos externos do componente, permitindo sua configuração conforme o necessário.

 

Para este projeto escolhi o modelo INA2133 também da TI. Este componente possui dois amplificadores diferenciais de precisão em um mesmo encapsulamento, possui baixo voltage offset com valores máximos de ±450 uV (na versão mais sofisticada) e baixo erro de ganho, como tolerância máxima de 0,05%, erro este relacionado à exatidão dos resistores internos. Manipulando os terminais deste componente conseguimos utiliza-lo como buffer, somador inversor, divisor por 2, multiplicador por 2 e outras configurações (vide o datasheet). Infelizmente este componente é disponibilizado apenas em encapsulamentos para montagem de superfície.

 

Agora que já selecionamos os dois principais componentes, no próximo artigo entrarei propriamente no projeto. Explicarei as etapas do circuito de alimentação desenvolvido, apontarei as restrições, como elas foram contornadas, bem como outras características.

 

O que está achando do artigo? Ficou alguma dúvida, tem algum comentário ou ideia? Use a área de comentários para interagir conosco e com outros leitores. Um abraço e até o próximo artigo!

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