1. grandezas digitais, analógicas e pwm...1. grandezas digitais, analógicas e pwm antes de...
Post on 24-Aug-2020
13 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
1
1. Grandezas digitais, analógicas e PWM
Antes de partirmos para o desenvolvimento de aplicações práticas utilizando
algum tipo de sistema embarcado como por exemplo, uma placa Arduino, é
necessário que o leitor tenha o conhecimento necessário para diferenciar
uma grandeza analógica de uma grandeza digital.
O domínio destes conceitos é muito importante para que seja possível
aprender como estes sistemas trabalham com estas grandezas (de maneira
mais específica, como estes sistemas realizam os processos de conversão entre
as mesmas). Sendo assim, este material visa trazer informações referentes
aos tipos de grandezas citadas, para que então, o leitor possa adentrar com
maior segurança em outros conteúdos.
2. Diferença entre grandezas digitais e analógicas
Primeiramente, as grandezas digitais são aquelas que podem ser definidas por
meio de saltos entre valores bem definidos dentro de uma faixa de valores. Um
exemplo de elementos que trabalham com estas grandezas são os relógios
digitais, de modo que, nestes, apesar do tempo em si variar continuamente, o
visor dos mesmos mostra o tempo em saltos de um em um segundo (observe
que os visores destes relógios nunca mostrarão 30,4 segundos, pois, para eles,
só existem 30 e 31 segundos, ou seja, qualquer valor intermediário não está
definido).
Em contrapartida, as grandezas analógicas são aquelas que, ao contrário
das grandezas digitais, podem assumir infinitos valores de amplitude dentro de
uma faixa de valores. O velocímetro de um carro, por exemplo, pode ser
considerado analógico, pois o ponteiro gira continuamente conforme o
automóvel acelera ou freia. Se o ponteiro girasse em saltos, o velocímetro seria
considerado digital.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
2
Uma analogia interessante que pode ser feita é a comparação de uma escada
com uma rampa, pois, enquanto uma rampa sobe de forma contínua, assumindo
todos os valores de altura entre a base e o topo, a escada sobe em saltos, com
apenas alguns valores de altura definidos entre a base e o topo. A escada
representa, portanto, uma grandeza digital, enquanto a rampa representa
uma grandeza analógica.
É importante observar que a quantidade de degraus em uma escada define quais
e quantas posições pode-se escolher. Por exemplo, suponha que um
determinado degrau em uma escada está a 1,00 m de altura do solo e o próximo
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
3
está a 1,20 m da mesma referência, note que, neste caso, não é possível ocupar
uma posição a 1,15 m do solo porque não existe um degrau lá.
Portanto, percebe-se que ao adicionar mais degraus em uma escada, mais perto
de uma rampa esta se aproximará.
3. Entradas analógicas
Com um pouco de observação, pode-se notar que o mundo é quase todo
formado por variáveis analógicas, tais como posição, temperatura e pressão, de
forma que, torna-se necessário saber trabalhar com esses tipos de grandezas.
Um Arduino UNO, por exemplo, possui um conjunto de pinos destinados a
serem utilizados como entradas analógicas.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
4
Como no Arduino UNO tudo é processado de forma digital, é necessário
converter as grandezas analógicas em digitais. Para realizar esta tarefa existem
conversores já embutidos na placa, de forma que, deve-se apenas compreender
o básico do processo de conversão para poder utilizar portas analógicas citadas
anteriormente.
De volta no exemplo da escada e da rampa, a quantidade de degraus que temos
em uma escada nós podemos associar o conceito de resolução. A resolução de
um conversor indica o número de valores discretos (degraus) que o mesmo pode
produzir. Quanto mais intervalos (degraus) existirem, mais perto estará um sinal
digital de um sinal analógico.
Os conversores analógico-digital do Arduino UNO possuem uma resolução de
10 bits e o intervalo de tensão no qual são realizadas as discretizações (degraus
da escada) é de 0 a 5V, ou seja, este intervalo será dividido em 1024 pedaços
(210, onde 10 é a resolução do conversor ) , de forma que, o valor atribuído à
tensão presente em um determinado pino será o valor discreto (um dos 1024
valores) mais próximo da mesma.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
5
Em outras palavras, com 10 bits de resolução e um intervalo de 0 a 5V de
tensão pode-se representar 1024 degraus, os quais, cada um representa um
salto de 0,0048828 V (este resultado foi obtido através da razão 5/1024).
Por exemplo, suponha uma tensão de 3,25 V. o valor retornado pela conversão
será:
3,25 𝑥 1024
5= 665,6
O resultado deve ser inteiro para que o conversor consiga representá-lo,
portanto, o valor 666 será escolhido por ser o degrau mais próximo. Esse valor
representa uma tensão de 3,251953125 V. Repare que a utilização deste
valor insere um erro de 0,001953125 V na medida em questão.
Exemplo 1:
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
6
Exemplo 2:
4. Sinal PWM
PWM (Pulse Width Modulation) refere-se ao conceito de pulsar rapidamente um
sinal digital em um condutor. Além de várias outras aplicações, esta técnica de
modulação pode ser utilizada para simular uma tensão estática variável e é
comumente aplicada no controle de motores elétricos, aquecedores, LEDs ou
luzes em diferentes intensidades ou frequências.
Um dispositivo digital como um microcontrolador pode trabalhar com entradas e
saídas que possuem apenas dois estados: ligado ou desligado. Assim, você
pode facilmente usá-lo para controlar o estado de um LED, por exemplo ligando
ou desligando o mesmo. Da mesma forma que você pode usá-lo para controlar
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
7
qualquer dispositivo elétrico usando dispositivos adequados (transistor, triac,
relés etc).
No entanto, às vezes você precisa de mais do que apenas “ligar” e “desligar” no
controle de dispositivos. Caso você deseje controlar o brilho de um LED (ou
qualquer lâmpada) ou a velocidade de um motor elétrico CA, simplesmente não
será possível aplicando somente o controle (ligar/desligar). Para contornar esta
situação, habilmente foi desenvolvida a técnica chamada PWM ou Pulse Width
Modulation.
PWM é a técnica usada para gerar sinais analógicos de um dispositivo digital
como um Microcontrolador e ela é tão eficiente que hoje em dia quase todos os
Microcontroladores modernos possuem hardware dedicado para a geração de
sinais PWM. Neste artigo você vai aprender os conceitos básicos desta
técnica e como ela pode ser amplamente aplicada no controle de dispositivos e
até máquinas como ocorre no inversor de frequência.
4.1. Controle Analógico
Um sinal analógico é aquele que possui o seu valor variando continuamente com
resolução infinita em tempo e magnitude. Uma bateria de 9 volts é um exemplo
de um dispositivo analógico em que sua tensão de saída não é precisamente 9V,
mudando ao longo do tempo e podendo assim, ter qualquer valor real numérico.
O que quero dizer aqui é que a quantidade de corrente extraída de uma bateria
não está limitada a um conjunto finito de valores possíveis (0 ou 1 por exemplo).
É fácil perceber que os sinais analógicos são distinguíveis dos sinais digitais
pois estes últimos sempre tomam valores de um conjunto finito de possibilidades
predeterminadas, como o conjunto (0V, 5V). Neste caso, ou está ligado (5V) ou
desligado (0V).
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
8
Sinais analógicos e digitais.
Tensões e correntes analógicas podem ser utilizadas para controlar sistemas
diretamente, como o volume de um rádio. Em um rádio analógico simples, o
botão de volume é conectado a uma resistência variável. Ao girar o botão, a
resistência aumenta ou diminui e quando isso acontece, a corrente que flui
através do resistor também aumenta ou diminui. Isso altera a quantidade de
corrente que flui para os alto-falantes, aumentando ou diminuindo o volume. Um
circuito analógico é como o rádio em que a saída é linearmente proporcional à
sua entrada.
Mesmo parecendo intuitivo e simples, o controle analógico nem sempre é
economicamente viável ou de certa forma prático. Adicionalmente, os circuitos
analógicos tendem a variar ao longo do tempo e, portanto, podem ser passíveis
de ajustes.
Outra questão é que os circuitos analógicos podem sofrer por aquecimento pois
a potência dissipada neles é proporcional à tensão entre os elementos ativos
multiplicada pela corrente que flui através do circuito.
Por fim, os circuitos analógicos podem ainda serem sensíveis ao ruído e devido
à sua resolução infinita, qualquer perturbação ou ruído em um sinal analógico
necessariamente altera o seu valor.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
9
4.2. O Controle Digital
Ao controlar os circuitos analógicos digitalmente, os custos do sistema e o
consumo de energia podem ser drasticamente reduzidos. Como falei
anteriormente, devido à eficiência deste tipo de controle, muitos
microcontroladores e DSPs (do inglês Digital Signal Processor) já incluem
controladores PWM no chip, facilitando esta implementação.
O PWM nada mais é do que uma maneira de codificar digitalmente níveis de
sinal analógico. Nesta técnica, através do uso de contadores de alta resolução,
o ciclo de trabalho de uma onda quadrada é modulado para codificar um nível
de sinal analógico específico para que então ele atenda os requisitos de uma
aplicação desejada.
O sinal PWM é totalmente digital porque em qualquer dado instante de tempo, a
alimentação CC ou está totalmente ligada ou completamente desligada. A fonte
de tensão ou de corrente é fornecida à carga analógica por meio de uma série
repetitiva de impulsos de ligar e desligar.
O tempo de ativação é o tempo durante o qual a alimentação CC é aplicada à
carga e o tempo de desativação é o período durante o qual a alimentação é
desligada. Dada uma largura de banda suficiente, qualquer valor analógico pode
ser codificado com PWM.
A Figura 1 mostra três sinais PWM diferentes sendo que a primeira (a) mostra
uma saída PWM a um ciclo de trabalho de 10%. Ou seja, o sinal está ligado para
10% do período e desligado nos outros 90%. As Figuras 1b e 1c mostram as
saídas PWM a ciclos de trabalho de 50% e 90%, respectivamente. Estas três
saídas PWM codificam três diferentes valores de sinal analógico, a 10%, 50% e
90% da energia de entrada. Se, por exemplo, a alimentação for 9V e o ciclo de
trabalho for 10%, teremos um sinal analógico 0.9V.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
10
Figura 1: Sinal PWM.
Vamos a um exemplo:
A Figura 2 mostra um circuito simples que poderia ser controlado usando PWM.
Na Figura, uma bateria de 9V alimenta um diodo emissor de luz (LED) e se
fecharmos o interruptor que liga a bateria no LED durante 50ms, o LED recebe
9V durante esse intervalo. Por outro lado, se abrimos o interruptor para os
próximos 50ms, o LED recebe 0V. Se repetirmos este ciclo 10 vezes por
segundo, o LED ficará aceso como se estivesse ligado a uma bateria de 4.5V
(50% de 9V). Dizemos que o ciclo de trabalho é de 50% e a freqüência de
modulação é de 10Hz.
Figura 2: PWM em um circuito com LED.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
11
A maioria das cargas indutivas e capacitivas requerem uma freqüência de
modulação muito maior do que 10Hz. Imagine que nossa lâmpada foi ligada por
cinco segundos, depois desligada por cinco segundos e este ciclo se repetindo
sucessivamente. O ciclo de trabalho ainda seria de 50%, mas a lâmpada
pareceria brilhantemente iluminada durante os primeiros cinco segundos e
desligada para as próximas.
Para que a lâmpada tenha uma tensão média de 4,5 volts, o período do ciclo
deve ser curto em relação ao tempo de resposta do LED com a mudança no
estado de comutação. Para conseguir o efeito desejado de uma lâmpada dimmer
(sempre acesa variando somente sua intensidade), é necessário aumentar a
frequência de modulação. O mesmo é verdade em outras aplicações de
PWM sendo que frequências de modulação comuns variam de 1kHz a 200kHz.
Na Figura 3, você pode ver uma animação do brilho do LED variando a largura
do pulso.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
12
Figura 3: Sinal PWM.
Este recurso consiste na geração de uma onda quadrada, na qual, controla-se a
porcentagem do tempo em que a onda permanece em nível lógico alto. Esta
porcentagem é chamada de Duty Cycle e sua alteração provoca mudança no
valor médio da onda, indo desde 0V (0% de Duty Cycle) a 5V (100% de Duty
Cycle) no caso do Arduino UNO.
O Duty Cycle a ser definido no projeto corresponde a um número inteiro, que é
armazenado em um registrador 8 bits. Sendo assim, seu valor vai de 0
(0%) a 255 (100%).
De maneira mais detalhada, o Duty Cycle é a razão entre o tempo em que o
sinal permanece na tensão máxima (5V no Arduino UNO) e o tempo total de
oscilação, conforme ilustrado na figura abaixo:
O Duty Cycle pode ser calculado da seguinte maneira:
Da mesma forma, pode-se também calcular o valor médio da tensão que está
sendo entregue pela saída utilizada.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
13
4.3. O PWM Gerando Sinais Analógicos
Como dito anteriormente, a técnica de modulação é utilizada em dispositivos
como o inversor de frequência no controle de motores elétricos sendo que neste
caso, ele opera com eficiência em frequências acima de 20-30 kHz. Esta
eficiência é conseguida porque a corrente (indução) nos enrolamentos do motor
não colapsa completamente durante o curto período de desativação do PWM e
este colapso leva uma certa quantidade de tempo que depende das
especificações do motor. Seguindo este conceito, controlar motores elétricos em
altas frequências de PWM mantém a corrente de indução em todo o processo
de operação do motor, resultando em eficiências elevadas.
Os sinais PWM também podem ser usados para gerar sinais analógicos que
variam no tempo e em conjunto a filtros passa-baixa podemos obter sinais
analógicos fieis a um sinal que seja de fato analógico. O tipo de filtro mais básico
é simplesmente um capacitor conectado entre o sinal e o terra. Um exemplo de
tal alisamento é mostrado no gráfico da Figura 6, onde com a variação PWM de
um ciclo de aproximadamente 25% a 75%, temos uma onda próxima de uma
onda senoidal. Veja que saída real, em azul, não imita perfeitamente uma onda
senoidal mas forma um conjunto de médias locais que atuam como uma onda
senoidal.
Eletrônica Embarcada
Circuitos Analógicos – Rev1 (Teoria)
www.portaleletronica.com.br
Prof. Ricardo Tadeu Ferracioli
14
PWM na geração de sinal analógico.
Um método simples para obter as características do sinal PWM é dividir o sinal
analógico em um número de segmentos discretos iguais ao comprimento do
período PWM. Então, o ciclo para este período pode ser ajustado igual à média
do sinal analógico durante este mesmo intervalo.
4.4. Vantagens e Considerações do PWM
Uma das vantagens de aplicar o PWM é que o sinal permanece digital em todo
o percurso desde o processador até o sistema controlado e nenhuma conversão
de digital para analógico é necessária. Ao manter o sinal digital, os efeitos de
ruído são minimizados pois um ruído só pode afetar um sinal digital se ele for
forte o suficiente para alterar uma lógica 1 para uma lógica 0 ou vice-versa.
top related