Leitura de Tensões de Pequenos Sinais

Se você já trabalhou com sensores que têm saídas de tensão muito baixas, como células de carga ou outras pontes de Wheatstone ou transformadores de corrente, você sabe que precisa de um amplificador muito preciso e um conversor analógico para digital (ADC) de alta contagem de bits para utilizar suas medições. A maioria das minhas placas de circuito tende a ter restrições de tamanho muito apertadas, então integrar mais componentes nem sempre é uma solução ideal. No entanto, ao usar um ADC de alta contagem de bits com um amplificador de ganho programável (PGA), você pode economizar espaço significativo na placa e também melhorar a consistência das leituras em um lote de placas.

Uma célula de carga com um extensômetro pode ter uma saída de gama completa de apenas 1mV por volt, que, se operada a 5 volts, dará um sinal de 0-5mV para a gama completa do sensor. Isso faz com que uma célula de carga de 100kg dê um sinal de 50μV por quilograma, o que não forneceria dados utilizáveis sem uma amplificação significativa. Mesmo com uma amplificação de 128x, o sinal na carga total seria de apenas 0,64 volts, o que lhe daria uma resolução longe do ideal de 2kg com um ADC de 8 bits de 3,3 volts. No entanto, a maioria dos controladores ARM modernos possui um ADC de 10 ou 12 bits, o que lhe daria uma resolução na célula de carga de cerca de 125 gramas. Isso ainda é bastante pobre, então podemos olhar para ADCs externos que oferecem uma contagem de bits muito maior para ser capaz de obter uma resolução satisfatória. Utilizando um ADC de 24 bits com um amplificador de 128 V/V, nossa célula de carga de 100kg agora pode ler miligramas. Esta alta resolução permite medições precisas e torna-se crítica para aplicações industriais de precisão que podem estar usando células de carga com uma gama de escala completa de várias toneladas (por exemplo: guindastes, balanças rodoviárias) ou sensores de corrente que têm que lidar com potencialmente milhares de amperes (por exemplo: prédios de escritórios, fábricas). A resolução extra também permite filtrar o sinal para garantir uma leitura estável e um alto grau de confiança na leitura.

Amplificador de Ganho Programável

ADCs com amplificador de ganho programável são um pouco mais caros do que um ADC regular da mesma resolução, mas provaram valer a pena o gasto extra nos meus projetos. Sem mencionar, uma solução usando um ADC com um op-amp de precisão e capacitores e resistores de precisão muitas vezes igualará o custo da unidade integrada, e, portanto, não oferece nenhuma vantagem real. A solução integrada de PGA também oferece uma redução significativa do espaço na placa, bem como uma amplificação de sinal muito mais consistente de placa para placa. Com o ganho sendo facilmente programável, também torna a mudança para diferentes opções de sensores muito fácil, dando-lhe suporte de resolução total para uma gama de sensores.

Se você está usando o ADC do seu microcontrolador ou outro ADC externo que não possui o amplificador de ganho programável integrado, PGAs independentes também estão disponíveis no mercado. O PGA281 da Texas Instruments é uma escolha muito popular com até 128 V/V de amplificação de sinais diferenciais ou de entrada única.

Conversor Analógico para Digital

A partir do exemplo acima, você pode ver que o ADC de 12 bits em um bom microcontrolador realmente não é suficiente para tensões de sinal pequenas. Se você estiver usando algo como o ATmega, que é popular nos Arduinos, você só tem um ADC de 8 bits, o que é ainda mais limitante. Portanto, um ADC externo é necessário para poder ler tais tensões pequenas com precisão suficiente para fornecer dados utilizáveis.

Embora a alta contagem de bits seja importante, não é o único fator importante. Ao lidar com tensões pequenas, seu ADC precisa ter baixa deriva, possuir uma tensão de referência muito estável e ter largura de banda suficiente para capturar seu sinal. Uma alta contagem de bits em um ADC instável ou com deriva ainda lhe dará leituras imprecisas.

Eu tendo a recorrer ao Texas Instruments ADS1220 para ler transformadores de corrente ou extensômetros porque é muito estável e fantásticamente preciso. É um ADC de 24 bits, mas com o filtro interno, ele te dá uma resolução útil efetiva de 20 bits. Dito isso, é assim que eu conectei meu ADS1220 em um dos meus projetos:

A implementação do circuito é bastante crítica. Eu tenho um filtro pi que usa uma conta de ferrite em vez de um indutor nas entradas, com alguma filtragem muito básica nas entradas da célula de carga, como pode ser visto aqui:

Este circuito foi usado para medir dados para uma equipe olímpica canadense usando uma célula de carga Omega LCM302 de 2000 Newtons. Ao comparar os dados registrados com os mesmos impulsos registrados em placas de força atléticas de ponta, os dados do ADS1220 foram capazes de ler impulsos de curta duração com muito mais precisão, pois estava fazendo leituras a 960 amostras por segundo, e os resultados tinham menos jitter de sinal e deriva conforme a temperatura mudava.

O amplificador de ganho programável e ter a célula de carga alimentada diretamente pelo ADC facilitou a troca para uma célula de carga com uma faixa de escala completa menor, simplesmente alterando a amplificação por meio de configuração ou quando uma sobrecarga foi detectada. Isso torna o ADS1220 de 4 entradas muito mais atraente para minhas aplicações do que seu irmão de canal único um pouco mais barato, o ADS1246.

Existem muitas outras opções no mercado, no entanto, e algumas delas podem ser mais adequadas para sua aplicação específica, então por que não explorar algumas das opções no Octopart olhando através da categoria ADC e procurando por ‘PGA’.

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