Instrumentação e Medida Universidade da Beira Interior Elementos da Cadeia de Aquisição de Dados CAPÍTULO 6 ELEMENTOS DA CADEIA DE AQUISIÇÃO DE DADOS 6.1. Cadeia de Aquisição de Dados vs. Cadeia de Medição O computador, sob a forma de computador pessoal ou de um microprocessador com memória e mecanismos de comunicação, é a unidade central de um sistema de aquisição de dados. Tipos básicos de sistemas de aquisição de dados: - Computador pessoal e uma placa (cartão) de aquisição de dados que está introduzida no barramento interno do computador; - Sistemas com barramento externo, com o seu próprio microprocessador e memória. Os sistemas baseados num cartão introduzido no barramento: - Constituídos pelo cartão e pelo computador; - Os sinais analógicos são ligados directamente ao cartão de aquisição de dados; - São sistemas de baixo custo; - Permitem uma elevada velocidade de aquisição de dados. Sistemas com barramento externo: - Permitem configurações diversificadas; - Podem ser instalados em lugares remotos; - Aliviam o computador das tarefas de aquisição de dados; - Permitem uma maior imunidade ao ruído (importante na aquisição de sinais com baixas amplitudes). 1
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Instrumentação e Medida Universidade da Beira Interior Elementos da Cadeia de Aquisição de Dados
CAPÍTULO 6
ELEMENTOS DA CADEIA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
6.1. Cadeia de Aquisição de Dados vs. Cadeia de Medição
O computador, sob a forma de computador pessoal ou de um microprocessador com memória
e mecanismos de comunicação, é a unidade central de um sistema de aquisição de dados.
Tipos básicos de sistemas de aquisição de dados:
- Computador pessoal e uma placa (cartão) de aquisição de dados que está introduzida
no barramento interno do computador;
- Sistemas com barramento externo, com o seu próprio microprocessador e memória.
Os sistemas baseados num cartão introduzido no barramento:
- Constituídos pelo cartão e pelo computador;
- Os sinais analógicos são ligados directamente ao cartão de aquisição de dados;
- São sistemas de baixo custo;
- Permitem uma elevada velocidade de aquisição de dados.
Sistemas com barramento externo:
- Permitem configurações diversificadas;
- Podem ser instalados em lugares remotos;
- Aliviam o computador das tarefas de aquisição de dados;
- Permitem uma maior imunidade ao ruído (importante na aquisição de sinais com
baixas amplitudes).
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Uma cadeia de medição é constituída por um conjunto de elementos, que são devidamente
associados de forma a medir uma determinada grandeza.
Em geral uma cadeia de medição é constituída por:
- Um transdutor e um circuito de condicionamento de sinal, que convertem uma
determinada forma de energia não-eléctrica numa variação de um parâmetro eléctrico;
- Um amplificador de instrumentação, que tem como missão amplificar o sinal
proveniente da ponte, de baixa amplitude, para um nível adequado para ser medido no
andar seguinte;
- Um conversor analógico-digital, que converte o sinal analógico de entrada numa
forma digital, para ser visualizada directamente por um visor numérico, com diversos
dígitos, ou o de produzir um sinal digital para ser tratado por sistemas digitais.
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Caracterização de uma cadeia de medição:
Questões a serem levadas em consideração durante o dimensionamento de uma cadeia de
medição:
- Qual a gama dinâmica da grandeza de entrada e, consequentemente, qual a gama de
grandeza eléctrica correspondente à saída do primeiro bloco do transdutor e ponte de
ponte de medição?
- Qual o ganho do amplificador?
- Qual o número de bits que devemos seleccionar para o conversor?
6.2. Instrumentação Digital
6.2.1. DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS
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6.2.2. PRINCIPIOS GERAIS
Filtro passa-baixo
- Função: reduzir a largura de banda do sinal analógico de entrada.
- Objectivo: minimizar a distorção espectral introduzida pela sub-amostragem.
Amostragem
- Função: discretização temporal, mantendo a amplitude contínua.
- O sinal à saída do filtro é amostrado com uma frequência constante.
- A saída do amostrador deverá ser retida durante um tempo suficiente para permitir a
conversão analógico-digital.
Conversão analógico-digital
- Função: discretização das amplitudes.
- O sinal amostrado é convertido numa sequência de palavras digitais.
- A amplitude de cada amostra passa a ser caracterizada por um conjunto de níveis
discretos.
Processamento digital
- Função realizada num computador digital ou num processador de sinal.
- Cada amostra digital é processada de acordo com uma função previamente
programada.
Conversão digital-analógica
- Os dados digitais são convertidos para a forma analógica através de um conversor
D/A.
- O sinal analógico é aproximado por um conjunto de níveis discretos de amplitude.
Reconstrução do sinal
- Função: remover as componentes de alta-frequência do sinal de saída do conversor
D/A (correspondentes às transições abruptas entre amostras sucessivas).
- Utiliza-se um filtro passa-baixo para realizar esta função.
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6.2.3. COMPOSIÇÃO DE SINAIS
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6.3. Filtragem
Um sinal sinusoidal ao atravessar um sistema linear, não altera a sua forma. Com uma
entrada:
vi(t) = A1 sen (wt)
A saída é do tipo:
vo(t) = A2 sen ( wt - φ(w) )
A função φ(w) caracteriza a variação da fase com a frequência; |H(w)|= A2/A1 é o módulo da
função de transferência H(w). A função de transferência do sistema é uma grandeza
complexa, que à frequência w, apresenta o módulo |H(w)| e fase φ(w), isto é:
6.3.1. CIRCUITO RC PASSA-ALTO
Um filtro passa-alto passivo é dado pela seguinte montagem:
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A função de transferência H(s) do circuito RC passa-alto é:
0 ( )( )( ) 1i
V s sH sV s s
ττ
= =+
Vi(s) e Vo(s) são, respectivamente, as transformadas de Laplace de vi(t) e vo(t). O parâmetro τ é
a constante de tempo, sendo:
τ = RC
Resposta em frequência
O módulo e a fase da função de transferência H(f) apresentam as expressões:
12
1
1( ) , ( ) arctan
1
fH f fff
f
φ⎛ ⎞
= = ⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞
+ ⎜ ⎟⎝ ⎠
Frequência inferior de corte do filtro:
11
2f
π τ=
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6.3.2. CIRCUITO RC PASSA-BAIXO
A função de transferência H(s) do circuito RC passa-baixo é:
01( )( ) 1( )i
V sH sV s s
τ
τ= =
+
Vi(s) e Vo(s) são, respectivamente, as transformadas de Laplace de vi(t) e vo(t). O parâmetro τ é
a constante de tempo, sendo:
τ = RC
Resposta em frequência
O módulo e a fase da função de transferência H(f) apresentam as expressões:
22
2
1( ) , ( ) arctan
1
fH f fff
f
φ⎛ ⎞
= = ⎜ ⎟⎝ ⎠⎛ ⎞
+ ⎜ ⎟⎝ ⎠
Frequência inferior de corte do filtro:
21
2f
π τ=
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Exemplo:
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6.4. Multiplexador Analógico
6.4.1. FUNÇÃO DO MULTIPLEXADOR ANALÓGICO
Quando a aquisição de dados é relativa a várias mensurandas, possuindo cada uma o seu canal
(transdutor, condicionador, filtro, etc...), o multiplexador permite a selecção de um
determinado canal de modo a conduzir um sinal específico aos dispositivos de tratamento do
sinal situados a jusante.
A selecção de um canal é realizada pelo seu endereçamento, palavra binária fornecida pelo
controlador da cadeia de medição e representativa do seu número de ordem. O comando de
descodificação ordena o fecho dos interruptores que ligam o canal escolhido à saída do
multiplexador.
O interruptor é geralmente um transístor com efeito de campo ou mais raramente um relé, que
passa de estado bloqueado ao estado condutor quando é seleccionado.
Dependendo das referências dos sinais de tensão em cada canal e na organização da cadeia de
medição a jusante do multiplexador, cada canal apresenta uma ou duas linhas. No primeiro
caso, o multiplexador possui uma via para cada canal e é unipolar. No segundo caso, o
multiplexador comporta duas vias por canal e designa-se por diferencial.
Multiplexador unipolar Multiplexador diferencial
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6.4.2. TOPOLOGIA DA CADEIA DE MEDIÇÃO
São possíveis diferentes configurações da cadeia de medição dependendo das referências de
tensão (massa) das fontes de sinal (transdutores e eventualmente condicionadores de sinal).
Dependendo do caso, surge a necessidade de multiplexadores unipolares ou diferenciais.
6.4.2.1. Caso 1: Massa das fontes de sinal referenciada à mesma massa que a
instrumentação
Neste caso, não há diferença de potencial entre a massa do sinal e da instrumentação.
O sinal referenciado à massa comum pode ser transmitido por um único fio, permitindo a
utilização de um multiplexador unipolar e de um amplificador assimétrico, eventualmente
com ganho programável, localizado após o multiplexador.
6.4.2.2. Caso 2: Massa das fontes de sinal referenciada à uma massa distinta da
instrumentação
Existência de um potencial entre a massa comum dos transdutores e da instrumentação
(tensão de modo comum se o sinal fosse transmitido por dois fios para um amplificador de
instrumentação). Assim sendo, poderá ser utilizado um multiplexador unipolar seguido de um
amplificador diferencial.
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6.4.2.3. Caso 3: As fontes de sinal são referenciadas a massas diferentes e distintas da
massa da instrumentação
Neste caso, existem duas soluções possíveis:
- Cada canal possui um amplificador diferencial, pelo que o multiplexador poderá ser
unipolar.
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- O sinal diferencial resultante de cada transdutor é seleccionado por um multiplexador
diferencial que fornece a um amplificador de instrumentação, eventualmente
programável e colocado após o multiplexador.
6.5. Amostrador / Retentor
O amostrador/retentor assegura as seguintes funções:
- Realiza num instante conhecido com precisão, a amostragem de uma tensão variável
aplicada à sua entrada;
- Memoriza essa amostragem;
- Fornece à saída uma tensão igual à de amostragem.
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6.5.1. FUNÇÃO E PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
6.5.1.1. Necessidade de um Amostrador / Retentor
No caso de sinais cuja variação poderá ser importante durante a conversão analógica-digital, o
amostrador/retentor deverá necessariamente preceder o conversor de modo a lhe apresentar à
entrada uma tensão estável representativa do sinal no instante de amostragem.
Seja, vi = Vi sin(ω t), um sinal sinusoidal. Durante um período tc de um conversão, a variação
∆vi do sinal deverá ser inferior a um máximo especificado, por exemplo Q / 2, sendo Q o
quantum do conversor analógico-digital.
∆vi ≤ Q / 2
O valor máximo de ∆vi será dado pela seguinte expressão:
max maxmax max
, em que, 2i ii c
d v d vv td t d t
π∆ = ⋅ = iF V
O valor Vi max correspondente à amplitude pico a pico do sinal, Vpe, tensão de entrada de escala
máxima do CAN será dado por:
Vi max = Vpe / 2
sabendo que:
Q = Vpe / 2n , em que, n = número de bits do conversor A/D
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virá:
122 2 2 2 2pe pe
c ln nc
V VF t F
tπ
π≤ ⇒ ≤ =
⋅ ⋅F
sendo Fl, a frequência limite à qual, para as condições indicadas (número de bits e período de
conversão), o amostrador/retentor se torna necessário.
6.5.1.2. Elementos constituintes
Um Amostrador / Retentor é constituído pelos seguintes dispositivos:
- Um interruptor, geralmente do tipo FET e o seu circuito de comando;
- Um condensador de memorização;
- Dois andares de acoplamento, um à entrada e outro à saída.
O comando do interruptor é operado por um sinal lógico S/H:
- durante o nível lógico “1”, de duração ts (período de amostragem), este sinal provoca o
fecho do interruptor. É a fase de amostragem durante a qual a tensão de entrada
percorre o andar de entrada e carrega o condensador;
- durante o nível lógico “0”, de duração th (período de retenção), o sinal lógico acarreta
a abertura do interruptor. É a fase de bloqueio, durante a qual, o valor de tensão
memorizado no condensador na fase precedente é colocado no andar de saída.
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Quando os dois andares de acoplamento são acoplados individualmente, a estrutura é
denominada por acoplamento aberto, em que a tensão de desvio à saída, vd0, é dada por:
vd0 = vdi 1 + vdi 2
sendo vdi 1 e vdi 2 as tensões de desvio à entrada dos amplificadores operacionais.
Outras montagens podem ser realizadas:
- Uma delas consiste na estrutura em acoplamento fechado, que corresponde a uma
reacção global estabelecida entre a saída do A.O.2 e a entrada do A.O.1. Esta
montagem tem por objectivo evitar a saturação do A.O.1.
- Uma outra montagem, denominada de integradora, apresenta duas vantagens
adicionais: uma rapidez acrescida e uma limitação da corrente de fuga quando o
interruptor está aberto.
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6.5.1.3. Características temporais
Durante a sucessão de fases de amostragem de duração ts e de retenção de duração th, é
necessário levar em consideração diversos intervalos temporais para garantir a precisão das
operações de amostragem e retenção.
Fase de amostragem
- Necessidade de uma rápida variação da tensão de saída do amplificador operacional do
andar de entrada, de modo a reduzir o tempo de aquisição, tacq(ε), isto é, o intervalo de tempo
entre o comando de amostragem e o instante em que a tensão no condensador é igual à tensão
de entrada, vi.
Fase de amostragem / retenção
Quando o sinal de retenção é aplicado, existe um tempo de retardamento de abertura, tad, até
que o contacto fica efectivamente aberto. Assim, a aquisição de um sinal de entrada exige
que:
ts + tad ≥ tacq(ε)
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Fase de retenção
Nesta fase é efectuada a conversão analógica-digital. Após o comando de retenção, é
necessário aguardar um período de tempo, tad + tl(ε) para que a tensão de saída do
amostrador/retentor se encontre estabilizada e iniciar a conversão durante um período de
tempo, tc.
O intervalo de tempo com duração th correspondente ao comando de retenção deverá
satisfazer a seguinte condição:
th ≥ tad + tl(ε)+ tc
6.5.2. CRITÉRIOS DE DECISÃO QUANTO À SUA UTILIZAÇÃO
Qual a frequência com que se deve amostrar um sinal analógico de modo a não perder
informação contida no sinal?
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- Um sinal que varia lentamente no tempo (ex: a temperatura ambiente) é muito menor
do que aquela que deve ser utilizada para sinais com uma maior taxa de variação (ex:
sinal eléctrico da voz captado por um microfone)
Teorema da amostragem (teorema de Nyquist)
- A resposta está no “teorema da amostragem” que estabelece: “um sinal contínuo de
banda limitada contendo frequências inferiores a uma frequência fc é completamente
reconstituído se for amostrado a uma taxa de amostragem igual ou superior a 2fc
amostras por segundo.
- Na realidade devemos recorrer a frequências de amostragem bem mais elevadas, da
ordem das 10× superior.
A escolha da frequência de amostragem fs é baseada na frequência do sinal de entrada.
- As componentes de um sinal com frequência superiores a fs / 2 = fc surgem como
componentes do sinal reconstituído, produzindo o mesmo efeito que as componentes
com frequências no intervalo 0 – fs / 2 (sinal original)
Como determinar a distorção espectral (aliasing frequency)?
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6.6. Conversão Analógica / Digital
Designam-se por conversores analógico / digital, os dispositivos que transformam uma tensão
analógica numa palavra digital de n bits. Consoante o princípio de funcionamento podem
classificar-se em:
- Conversores tensão-frequência;
- Conversores tensão-tempo;
- Conversores por comparação.
É também possível classificar os conversores A/D nos tipos integradores e não integradores,
consoante a conversão se baseie ou não na integração temporal do sinal a medir.
Esta divisão é útil pois permite classificar os instrumentos quanto ao comportamento na
presença de ruído e à velocidade de conversão (número de medidas que é possível efectuar
por unidade de tempo).
As técnicas não integradoras permitem uma maior velocidade de conversão (até cerca de 106
leituras por segundo no caso de conversores de aproximações sucessivas e até mais nos de
comparação simultânea), enquanto que as técnicas integradoras, não podendo ir muito além
das 50 leituras por segundo apresentam tipicamente valores mais baixos. Esta diferença surge
dos princípios de funcionamento distintos.
No que respeita a imunidade ao ruído, os conversores integradores apresenta a vantagem de
rejeitarem naturalmente certas frequências. Com efeito, todos os sinais alternados de valor
médio nulo que se sobreponham ao sinal a medir e cujos períodos sejam iguais ao período de
integração, ou a uma fracção inteira deste, terão um efeito nulo no resultado final da
integração.
No caso dos aparelhos que utilizam conversores do tipo não integradores há a necessidade de
filtrar o sinal a medir para obter a imunidade ao ruído.
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Ainda, há que definir os seguintes pressupostos em que o seu funcionamento assenta:
Quantificação
As grandezas analógicas, seja qual for o tipo, são frequentemente convertidas em tensões ou
correntes por dispositivos transdutores.
Na conversão analógico-digital, o sinal de entrada é convertido num conjunto finito de
estados discretos de saída (operação designada por quantificação):
- O número de estados, N, é determinado pelo número de bits do conversor, n, pela
relação:
N = 2n
Codificação
A quantificação é seguida pela codificação
- Atribuição de um código de um código a cada um dos estados de saída
Quantum
O maior intervalo de valore de tensão do sinal de entrada, que produz o mesmo código de
saída, é designado por quantum Q.
em que VF é a tensão de fim de escala do conversor A/D
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6.6.1. CONVERSÃO ANALÓGICA / DIGITAL – FUNÇÃO DE TRANSFERÊNCIA
- Int(.) representa o inteiro contido no argumento
- vi é o sinal analógico aplicado à entrada
- xb é o resultado da conversão
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6.6.2. CONVERSORES TENSÃO-FREQUÊNCIA
Neste tipo de conversores, o sinal analógico de entrada em tensão é convertido num sinal,
usualmente uma sequência de impulsos, cuja frequência é proporcional ao sinal de entrada.
Os impulsos são contados num contador durante um intervalo de tempo determinado. O valor
final da contagem representará o valor da tensão de entrada.
Características:
- Produz na saída uma onda com frequência proporcional à tensão de entrada.
- Elevada rejeição de modo série devido ao processo de integração.
- A exactidão não é boa, já que são vários os factores que a influenciam (R, C, Vs e T).
- A descarga rápida do condensador originas d«sinais de retorno elevados.
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Princípio de funcionamento:
(1) Quando a tensão de entrada, Vi, é aplicada ao circuito, o integrador estará em zero. A
tensão Vi é então integrada produzindo à saída do integrador uma rampa.
(2) Quando esta rampa atingir o valor Vr de comparação, o comparador mudará de estado,
disparando o gerador de impulsos.
(3) Este irá produzir um impulso de duração fixa e de amplitude superior a Vi.
(4) A tensão à entrada do integrador muda de sinal e este será rapidamente descarregado,
voltando o circuito ao estado inicial.
(5) Enquanto Vi estiver aplicada ao circuito, o ciclo irá repertir-se, obtendo-se uma
sequência de impulsos cuja frequência será tanto maior quanto mais rapidamente o
integrador for carregado, ou seja, quanto maior for a amplitude do sinal a converter.
(6) Aplicando estes impulsos a um contador durante o intervalo tempo fixo, irá obter-se
uma contagem proporcional à tensão Vi.
Conforme indicado o esquema apenas funcionará para tensões positivas. Para tensões de
ambas polaridades haverá que duplicar o comparador e o gerador de impulsos.
A precisão da medida depende de:
- Precisão da tensão de comparação;
- Precisão do intervalo de tempo de contagem;
- Linearidade do integrador;
- Da não existência de corrente residual que carregue o integrador na ausência de tensão
aplicada ( o que provocará a geração espontânea de impulsos).
A maior limitação desta técnica de conversão reside na dependência entre o tempo de
amostragem e o número de dígitos pretendido.
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6.6.3. CONVERSORES TENSÃO-TEMPO
Nos conversores tensão-tempo, o sinal de entrada é convertido num sinal com uma
determinada duração temporal que lhe é proporcional. Essa duração é convertida para forma
digital contando os impulsos dum oscilador de frequência conhecida, que ocorrem durante
esse intervalo de tempo.
Dois tipos de conversores tensão-tempo são:
- Do tipo não integrador: Conversor de rampa simples;
- Do tipo integrador: Conversor de dupla rampa.
6.6.3.1. Conversor de rampa simples
Princípio de funcionamento:
(1) O gerador de rampa produz uma tensão crescente linearmente entre –Vmax e +Vmax ,
valores que correspondem ao final da escala.
(2) Dois comparadores têm este sinal à sua entrada, detectando um deles a passagem da
rampa por zero e outro a passagem pelo valor correspondente a Vi. O ou exclusivo
(XOR) dos impulsos correspondentes às comparações é aplicado a uma báscula que se
encontra inicialmente a zero, estando a tensão a converter dentro da gama de valores
aceite.
(3) A primeira comparação irá abrir a passagem dos impulsos do oscilador (de frequência
conhecida) para o contador, enquanto a segunda comparação fecha-la.
(4) O intervalo de tempo entre as duas comparações é directamente proporcional a Vi.
(5) A indicação de fora da escala deverá repor em zero a báscula pode ser obtida através
da indicação de que a rampa já atingiu Vmax e que simultaneamente a saída da báscula
continua a desbloquear os impulsos do oscilador.
(6) A existência do ou exclusivo evita que na ausência de tensão de entrada o contador
entre em sobrecarga por abertura permanente da porta.
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Os factores mais influentes na precisão da conversão são:
- Linearidade do gerador de rampa;
- Estabilidade do oscilador;
- Qualidade dos comparadores.
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6.6.3.2. Conversor de dupla-rampa
O principal objectivo desta técnica, de uso muito generalizado, é o de diminuir os requisitos
quanto à linearidade do gerador de tempo que se verificam no conversor de rampa simples.
Características:
- Um dos métodos mais utilizados, sendo baseado na integração da tensão de entrada
durante um período de tempo constante, seguido da medição do intervalo de tempo
necessário para descarregar o condensador a corrente constante.
- Boa rejeição de modo série.
- A exactidão é influenciada apenas pela tensão de referência.
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Princípio de funcionamento:
(1) No inicio da conversão, o interruptor controlável é posicionado de modo a permitir a
integração da tensão a converter, durante um intervalo de tempo fixo, T.
(2) Passado esse intervalo de tempo, o interruptor é comutado, permitindo agora a
integração duma tensão de referência Vref.
(3) Esta sequência de operações é garantida pelo bloco de controlo lógico.
(4) A tensão de referência é uma de duas possíveis, de igual amplitude e de sinais
contrários, sendo seleccionada aquela que contrarie a carga do integrador devido à
tensão de entrada, Vi, ou seja, de polaridade oposta a esta.
(5) Tem-se deste modo que o integrador será carregado durante um certo tempo, ficando a
sua saída a um nível desconhecido mas que é proporcional à tensão de entrada.
(6) A descarga é feita pela tensão de referência conhecida, e demorará um tempo
proporcional à tensão a converter, tx.
(7) Este tempo de descarga é lido, permitindo-se a passagem dos impulsos de um
oscilador de frequência conhecida entre o início da descarga do integrador (controlado
pelo bloco de controlo) e o fim do mesmo, ou seja, quando a saída do integrador
atingir zero, o qual é detectado pelo comparador:
tx = Vi T / Vref
A precisão da conversão fazendo uso desta técnica depende de:
- Estabilidade do oscilador;
- Qualidade do comparador;
- Precisão com que Vref é conhecida;
- Qualidade do interruptor controlável.
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6.6.4. CONVERSORES DE COMPARAÇÃO
Nos conversores de comparação, o sinal de entrada é comparado simultaneamente ou
sequencialmente com uma série de valores de tensão gerados internamente, cuja
representação digital é conhecida. O valor desta série que mais se aproxima do sinal a medir é
dado como a sua representação digital. Para obter os valores da tensão usada na comparação,
alguns desses conversores fazem uso de um conversor digital-analógico (D/A).
Os seguintes conversores apresentados são todos do tipo não integradores, pelo que terão que
ser aliados a técnicas de filtragem para garantir a precisão da conversão.
6.6.4.1. Conversor paralelo ou simultâneo
Este tipo de conversor é potencialmente mais rápido mas ao mesmo tempo mais complexo.
Características:
- Conversão simultânea dos bits através de comparadores.
- •A saída dos comparadores é descodificada, produzindo um código binário.
- •O número de comparadores exigido para um conversor de n bits é igual a 2n - 1.
Princípio de funcionamento:
(1) Comparação simultânea da tensão a medir com 2n – 1 tensões de referência (sendo n o
número de bits da palavra digital desejada).
(2) Estas tensões estão igualmente espaçadas.
(3) Em cada conversão, os comparadores correspondentes às tensões inferiores à tensão
de entrada estarão num determinado estado e os restantes no estado complementar.
(4) Um circuito lógico com 2n – 1 entradas e n saídas produzirá o valor digital da tensão.
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As principais dificuldades construtivas deste tipo de conversor são:
- Número elevado de comparadores que podem ser necessários e que deverão apresentar
igual estabilidade quer no tempo quer com a temperatura;
- Necessidade de 2n – 1 tensões de referência com elevada precisão.
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6.6.4.2. Conversores de escada e de seguimento
Os esquemas destes conversores são muito mais simples, apresentado no entanto a
desvantagem da lentidão da conversão.
Características:
- O sinal de entrada é comparado com um sinal em forma de rampa linearmente
crescente no tempo.
- O tempo de conversão é variável com a amplitude do sinal a medir.
- A exactidão depende apenas da fonte de referência.
- O conversor mede o valor instantâneo do sinal de entrada no momento em que a
compensação é atingida.
Princípio de funcionamento:
(1) O princípio de funcionamento do conversor de escada é semelhante ao do conversor
de rampa simples.
(2) O gerador de rampa é substituído por um gerador de tensão em escada conseguido à
custa de um conversor D/A e de um contador.
(3) A conversão começa com o contador em zero à custa de um impulso de “reset” gerado
num bloco de controlo.
(4) Sendo a tensão Vi positiva, a saída do comparador é tal que permite a passagem de
impulsos do oscilador e portanto a contagem destes pelo contador.
(5) A esta contagem corresponde, à saída do conversor D/A, uma tensão em escada
crescente.
(6) Quando esta tensão for superior a Vi o contador parará devido à comutação do
comparador, sendo então o seu conteúdo a representação digital da tensão de entrada.
(7) Ao fim de certo intervalo de tempo, novo impulso de “reset” surgirá e nova conversão
se iniciará.
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As maiores limitações ao uso deste tipo de conversor prendem-se com a baixa velocidade
conversão.
O conversor de seguimento difere do conversor em escada no tipo de contador utilizado.
Neste caso, usa-se um contador capaz de contar nos dois sentidos, para cima e para baixo
(up/down counter). Assim, o comparador está ligado à entrada up/down de tal modo que,
quando a tensão Vi for superior à tensão gerada pelo conversor D/A, o contador contará para
cima, contado para baixo em caso contrário. Deste modo, para uma tensão de entrada estável,
a primeira conversão é em tudo idêntica à efectuada pelo conversor em escada. A partir desta,
qualquer flutuação do valor de Vi é seguida pelo contador que assim tentará minimizar a
diferença entre as duas tensões.
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6.6.4.3. Conversores de aproximações sucessivas
Baseia-se na técnica de procura binária para efectuar a pesquisa, possuindo um tempo de
busca proporcional a log2N.
Características:
- Bom compromisso entre a complexidade do circuito, a velocidade e a possibilidade de
obtenção de resoluções elevadas.
- O tempo de conversão é constante
- •A exactidão depende apenas da fonte de referência.
- •O conversor mede o valor instantâneo do sinal de entrada no momento em que a
compensação é atingida.
Princípio de funcionamento:
(1) No início da conversão, o programador é posto em zero, pelo que a tensão à saída do
conversor D/A também tomará este valor.
(2) Ao primeiro impulso de relógio, o bit mais significativo do programador (MSB) é
posto no valor “1”.
(3) A correspondente tensão, igual a metade do valor máximo num programador binário,
é gerada à saída do conversor D/A e comparada com Vi.
(4) Quando surgir o próximo impulso de relógio o bit seguinte será posto a “1”, sendo o
bit MSB mantido a “1” no caso de ser Vr menor que Vi ou reposto a zero no caso
contrário.
(5) O processo repetir-se-á até todos os bits terem sido ensaiados, sendo a procura digital
resultante no programador o valor de com um erro igual a metade do valor do último
bit.
A precisão da medida depende de:
- Qualidade do comparador;
- Qualidade do conversor D/A;
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6.6.5. EXPLORAÇÃO DE DISPOSITIVOS CONVERSORES ANALÓGICOS /
DIGITAIS
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6.7. Microcontroladores
Após a passagem pelo conversor analógico-digital, onde o valor da grandeza física adquirida
pela cadeia de aquisição de dados é transformado numa palavra digital, estes dados serão
colocados num microprocessador com o objectivo de ser realizada uma qualquer função de
gestão, monitorização ou de controlo.
Neste caso em particular, será realizada uma descrição do microcontrolador que será utilizado
na disciplina para aplicação prática dos conceitos teóricos.
6.7.1. INTRODUÇÃO AO MICROCONTROLADOR MSP430
O microcontrolador da família MSP430 é fabricado pela Texas Instruments. Trata-se de um
microcontrolador de baixo consumo com 16 bits. Esta família de microcontroladores partilha
um core do CPU (Central Processing Unit) comum, do tipo RISC1, com uma arquitectura Von
Neumann2. O MSP430 torna-se competitivo em preço com os controladores de 8 bits
existentes no mercado, conseguindo suportar instruções de 8 bits e de 16 bits, permitindo a
migração a partir de plataformas similares.
As características fundamentais da família dos microcontroladores MSP430 são:
- Arquitectura para aplicações de baixo consumo energético;
- Medidas analógicas de alto desempenho;
- Arquitectura e características da unidade central de processamento com aplicações que
permitem reduzir o tamanho do código.
- Memória Flash programável.
1 RISC (Reduced Instructions Set Computing) – Neste tipo de configuração, as instruções são reduzidas ao básico com o objectivo de facilitar uma descodificação mais simples e rápida das instruções.
2 Arquitectura Von Neumann - Arquitectura computacional que faz uso de uma única estrutura de armazenamento para guardar tanto o conjunto de instruções como os dados. Neste modelo, a separação do armazenamento da unidade de processamento é implícita. Ao tratar as instruções do mesmo modo que os dados, as máquinas que fazem uso desta arquitectura podem facilmente alterar as instruções, isto é, são reprogramáveis.
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O sistema de relógio foi desenvolvido especificamente para aplicações que façam uso de uma
fonte de alimentação externa. O relógio auxiliar de baixa frequência (ACLK) é obtido
directamente a partir de um cristal com 32 kHz. Um oscilador controlado digitalmente de alta
velocidade integrado no µC (DCO) pode fornecer a fonte de relógio ao relógio master
(MCLK) utilizado pela CPU e pelos periféricos de alta velocidade.
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6.7.2. FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO
6.7.2.1. Kit OLIMEX
A descrição dos itens seguintes será em função do microcontrolador MSP430x4xx incluído no
kit de desenvolvimento da OLIMEX, que possui capacidades mais adequadas às funções
pretendidas de aquisição de dados e a sua posterior gestão.
Dos kits disponíveis irão ser mais pormenorizadamente descritos o MSP430F449 STK e o
MSP430F449 STK2, cuja diferença mais significativa reside no número de dígitos do painel
LCD.
Será utilizada a placa de desenvolvimento da OLIMEX integra:
- TI MSP430F449;
- Alimentação por duas pilhas AA de 1,5 V;
- Buzina;
- Painel LCD (Liquid Cristal Display);
- Oscilador de cristais a 32 768 Hz;
- Oscilador de cristais de alta-frequência a 8 MHz (apenas funciona alimentado a
3,6 V);
- Porto JTAG;
- LED (Light Emissor Diode);
- 4 botões de pressão;
- Ligação RS232;
- Porto de botão de pressão DALLAS;
- Entrada em frequência;
- Portos de extensão (4 portos digitais e 1 porto analógico).
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