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

Condicionando II recortado_50

 

 

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.

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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.

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Desenvolvimento das soluções

A solução genérica para esse tipo de condicionamento pode ser observada na Figura 1.

Condicionamento_Esquema_Geral

Figura 1 – Esquema genérico para condicionamento de sinais analógicos

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Solução 1

Uma solução clássica, desenvolvida por Francesco Sacco, utilizando-se de 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.

Circuito_1

Figura 2 – Condicionador utilizando-se amplificadores operacionais

Solução 2

Essa solução foi calculada utilizando-se as informações detalhadas num application note da Texas Instruments [1]. 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.

Abacco divisor resistivo

Figura 3 – Fórmulas para o cálculo do divisor resistivo

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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.

Circuito_2_W

Figura 4 – Solução utilizando-se apenas resistores

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.

Circuito_3_w

Figura 5 – Condicionador que utiliza transistor e diodo

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.

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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 5.

Circuito_4

Figura 5 – Solução com divisores resistivos e operacional

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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.

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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.

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Artigos da série “Trazendo o mundo real para dentro do processador – Condicionamento de sinais analógicos”

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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.

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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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