Considere que a barra da questão 8 foi instrumentada com uma célula Strain Gauge através de uma configuração em Ponte de Wheatstone, gerando em sua saída um sinal de 100 mV / mm. Considere a deformação e o erro calculados na questão 8) e projete um circuito de condicionamento de sinal para leitura em Arduíno ATMEGA328 (entrada analógica de 0 a 5V) contendo as seguintes etapas:
a) Circuito amplificador;
b) Circuito de filtragem;
c) Circuito de proteção.

Passo 1

Estamos projetando o condicionamento de um sinal de ponte de Wheatstone com célula Strain Gauge que gera 100:mV/mm. Queremos ler esse sinal numa entrada analógica do Arduino ( 0 5 V). Precisamos projetar três etapas: amplificador, filtro e proteção.

Passo 2

Amplificador de instrumentação
1. Escolhemos um amplificador de instrumentação rail-to-rail (por ex. AD 620 ou INA 128) alimentado em 0 5 V.
2. Como o sinal varia de 0 a 100:mV (assumindo máximo 1:mm), queremos mapear 0<= Vdiff<=100:mV em 0<= Vout<=5:V.
3. Definimos o ganho como
G = 5:V100:mV = 50
4. No AD 620, o ganho é
G = 1 + 49,4,kOmegaRGRightarrow RG = 49,4,kOmegaG-1 = 49,449,kOmega approx 1,008,kOmega
Portanto, usamos RG = 1,0,kOmega.
5. Ligamos o ponto de referência (Ref) do AD 620 a 0:V para que Vout=0 quando V+-V-=0.

Passo 3

Filtro passa-baixo
1. Para rejeitar ruídos de alta frequência (e eventuais interferências de linha 50/ 60 Hz), usamos um filtro RC de primeira ordem logo na saída do amplificador.
2. Escolhemos frequência de corte ,fc=50:Hz.
3. A constante de tempo é
tau = 12pi fc = 12picdot50 approx 3,18:ms
4. Tomamos Rf = 10:kOmega e
Cf = tauRf = 3,18:ms10:kOmega = 318:nF
Arredondamos para Cf = 330:nF.
5. O filtro é simplesmente resistor de 10:kOmega em série com a saída do amp. instr., seguido de 330:nF ligado ao terra.

Passo 4

Proteção da entrada do Arduino
1. Colocamos em série com a saída do filtro um resistor Rp = 1:kOmega.
2. Para clamping utilizamos duas diodos de Schottky no nó de entrada do Arduino:
  • um diodo entre a entrada e +5:V (cátodo no +5 V),
  • outro diodo entre a entrada e o terra (ânodo no terra).
    Estes diodos conduzem correntes limitadas por Rp se a tensão tentar ultrapassar 0 5 V.
    3. Opcionalmente, pode-se adicionar um diodo Zener de 5,1:V em paralelo à entrada para reforçar a limitação.

Resposta

Projeto completo:
(a) Amplificador de instrumentação (AD 620) com ganho G=50 ( RG=1,kOmega), Ref em 0 V.
(b) Filtro RC de 1ª ordem com Rf=10,kOmega e Cf=330,nF, fcapprox50 Hz.
(c) Proteção por Rp=1,kOmega em série e diodos de Schottky de clamp 0 5 V (ou Zener de 5,1 V).

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