Condicionamento do sinal do sensor: da medição bruta à leitura precisa
Como projetar o amplificador, o filtro e a interface ADC entre um sensor e um microcontrolador. Abrange RTDs, termopares, células de carga, derivações de corrente e circuitos de 4-20mA.
O que é condicionamento de sinal?
Os sensores produzem sinais pequenos, ruidosos ou não lineares que são incompatíveis com as entradas ADC do microcontrolador. O condicionamento de sinal é o front-end analógico que transforma esses sinais em voltagens limpas e dimensionadas, prontas para serem digitalizadas.
A cadeia de sinal: Sensor → Excitação → Amplificação → Filtragem → ADC
Cada estágio introduz um erro. Use a [Calculadora de orçamento de precisão do sensor] (/calculators/sensor/sensor-accuracy-budget) para rastrear a precisão total do sistema ao longo da cadeia.
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Condicionamento de sinal RTD (PT100/PT1000)
Um RTD (Detector de Temperatura de Resistência) muda a resistência com a temperatura. O PT100 segue a equação de Callendar-Van Dusen:
“BLOCO MATEMÁTICO_0"
onde “MATHINLINE_10” /°C, “MATHINLINE_11” /°C².
Use a [calculadora de resistência PT100] (/calculators/sensor/pt100-resistance) para encontrar R em qualquer temperatura.
Circuito de medição
A abordagem clássica é uma fonte de corrente constante através do RTD, medindo a tensão:
“BLOCO MATEMÁTICO_1"
A conexão de 3 fios elimina erros de resistência do cabo medindo a queda de tensão no RTD separadamente da resistência do cabo condutor de corrente. A conexão de 4 fios (Kelvin) elimina toda a resistência do cabo, alcançando precisão de 0,01° C com uma fonte de corrente de precisão.Principais considerações
- Auto-aquecimento: muita corrente de excitação aquece o RTD. Mantenha “MATHINLINE_12” mW.
- Use um amplificador de instrumentação de baixo ruído (INA128, AD8221)
- O PT1000 é preferido para projetos alimentados por bateria (maior resistência = menor corrente de excitação)
Condicionamento de sinal de termopar
Os termopares geram um EMF muito pequeno (microvolts a milivolts) proporcional à diferença de temperatura entre a junção quente e a junção fria:
“BLOCO MATEMÁTICO_2”
onde “MATHINLINE_13” é o coeficiente de Seebeck (Tipo K: ~41 μV/°C).
Use a [Calculadora de tensão do termopar] (/calculadoras/sensor/tensão do termopar) para encontrar o EMF esperado.
Compensação de junção fria
A junção fria é onde o fio do termopar se conecta ao seu PCB. Sua temperatura deve ser medida (geralmente com um NTC ou RTD no PCB) e adicionada à leitura.
ICs integrados, como o MAX31855 (Tipo K) ou o LTC2986, amplificação de alça, compensação de junção fria e linearização interna. Use-os, a menos que tenha um motivo para não fazê-lo. O design discreto requer: 1. Ganho de ~ 10 mV/°C através de um amplificador de instrumentação de precisão 2. Um sensor de temperatura separado para compensação de junção fria 3. Uma tabela de pesquisa de linearização ou polinômio no firmware---
Condicionamento de sinal de célula de carga/medidor de tensão
Uma célula de carga é uma ponte de medidores de tensão de Wheatstone. A saída em grande escala é normalmente de 1 a 3 mV/V de excitação:
“BLOCO MATEMÁTICO 3"
Com excitação de 5V e sensibilidade de 2 mV/V, escala total = 10 mV — minúscula e enterrada em ruídos.
Use a [calculadora do amplificador de célula de carga] (/calculadoras/sensor/amplificador de célula de carga) para encontrar o ganho necessário.
Seleção de amplificador
INA125P/INA128 são escolhas clássicas. O INA125 inclui uma referência de tensão de precisão para excitação:- Defina o ganho com um resistor externo: “MATHINLINE_14”
- Ruído RTI: ~8 nV/√Hz típico — adequado para ADC de 24 bits
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Sensor de corrente com resistores de derivação
A corrente é medida pela queda de tensão em um resistor de derivação de baixo valor:
“BLOCO MATEMÁTICO_4”
Um shunt de 10 mΩ a 10A fornece 100 mV — um sinal razoável para um amplificador de diferença.
Use a [Calculadora de derivação de corrente] (/calculators/sensor/current-shunt) para verificar a tensão de derivação, a dissipação de energia e a resolução do ADC.
Detecção de lado alto versus lado baixo
Lado baixo (desvio entre carga e GND) : O mais simples. O amplificador de extremidade única funciona. Problema: a carga não está em terra firme. Lado alto (desvio entre alimentação e carga) : A carga permanece no solo verdadeiro, sem mudança de carga no solo. Requer um amplificador de diferença ou IC com sensor de corrente bidirecional (INA219, INA240).Selecionando a resistência de derivação
“MATHBLOCK_5”
Alvo “MATHINLINE_15” = 50—100 mV em escala total. Muito pequeno → SNR ruim. Muito grande → dissipação excessiva de energia (“MATHINLINE_16”).
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Condicionamento de sinal de fotodiodo/sensor óptico
Os fotodiodos produzem corrente proporcional à luz incidente. Um amplificador de transimpedância (TIA) converte isso em tensão:
“MATHBLOCK_6”
Uma fotocorrente de 10 μA com “MATHINLINE_17” = 100 kΩ fornece saída de 1V.
Use a [calculadora TIA de fotodiodo] (/calculadoras/sensor/fotodiodo-transimpedância) para encontrar largura de banda e ruído.
Estabilidade
O TIA pode oscilar sem um capacitor de feedback. Adicione “MATHINLINE_18” em “MATHINLINE_19” para estabilizar:
“MATHBLOCK_7”
Normalmente, “MATHINLINE_20” = 1—10 pF fornece estabilidade enquanto mantém a largura de banda adequada.
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Circuito de corrente de 4—20 mA
Os sensores industriais usam um circuito de corrente de 4 a 20 mA em cabos longos (até 1 km). A codificação atual é imune à resistência do cabo:
- 4 mA = 0% do alcance (também fornece energia ao transmissor)
- 20 mA = 100% do alcance
Recebendo o sinal
No receptor, um resistor de precisão de 250Ω converte 4—20 mA em 1—5V (para um ADC de 0—5V):
“MATHBLOCK_8”
Essa faixa de 1—5V indica convenientemente quebras de cabos (0V) e falhas no sensor (<1V).
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Construindo um orçamento preciso
Cada componente na cadeia de sinal contribui com erros:
| Fonte | Erro típico |
|---|---|
| Não linearidade do sensor | 0,1— 0,5% FS |
| Offset do amplificador | 0,02— 0,2% FS |
| Quantização ADC | LSB/2 |
| Variação de temperatura | 50—500 ppm/°C |
| Tensão de referência | 0,05— 0,5% |
“MATHBLOCK_9”
Use a [Calculadora de orçamento de precisão do sensor] (/calculators/sensor/sensor-accuracy-budget) para modelar a precisão do seu sistema em todas as temperaturas.
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Resumo
| Tipo de sensor | Saída típica | IC recomendado |
|---|---|---|
| PT100 RTD | 100—400 Ω | Fonte de corrente constante INA128+ |
| Termopar | 1—50 mV | MAX31855 |
| Célula de carga | 1—10 mV | HX711 ou INA125 |
| Fotodiodo | 1 Na—100 μA | TIA com OPA2134 |
| Derivação de corrente | 10—100 mV | INA219 ou INA240 |
| Loop de 4—20 mA | 1—5 V (via 250 Ω) | ADC direto |