Condicionamento de sinal

1. INTRODUÇÃO

Sistemas eletrônicos são amplamente utilizados na aquisição de dados ambientais e estruturais, de forma a permitir a análise computadorizada dos mesmos. Estes dados são adquiridos por meio de sensores. Sensores, por outro lado, exigem o condicionamento do sinal de entrada antes que os dados possam ser analisados de forma eficiente e precisa. Assim, o condicionamento de sinais é uma das etapas mais importantes na aquisição de dados, já que conferem a estas informações a confiabilidade necessária para a execução de análises posteriores.

O condicionamento do sinal varia consideravelmente dependendo do sensor que será alimentado, assim diversas etapas podem ser necessárias. Por exemplo, termostatos produzem sinais de voltagem extremamente baixos, o que demanda sua linearização, amplificação e passagem por filtro, enquanto acelerômetros precisam de excitação. Outros sinais podem não precisar deste condicionamento, mas necessitar do isolamento de altas voltagens. Assim, o segredo para a realização, com sucesso, do condicionamento do sinal é entender as necessidades do circuito com o qual se pretende trabalhar.

1. Principais tipos de condicionamento de sinal

Esta seção pretende apresentar as principais de formas de condicionamento de sinais existem.

1. Amplificação

Amplificadores são dispositivos que visam aumentar a voltagem recebida de forma a compatibilizar o sinal captado aos níveis de leitura, por exemplo, de um conversor digital, permitindo assim ampliar a resolução e sensibilidade da medição. Além disso, colocar o condicionador de sinal próximo da fonte medida, melhora a distinção entre o sinal medido e ruídos ambientais, já que o sinal é amplificado antes de sofrer interferência.

1. Atenuação

A atenuação, o oposto da amplificação, é necessária quando as voltagens a serem medidas estão acima da faixa de leitura dos equipamentos utilizados. Este tipo de condicionamento do sinal diminui a amplitude do sinal lido, permitindo sua medição pelo aparelho utilizado. A atenuação é normalmente utilizada quando medem-se voltagens acima de 10V.

1. Filtros

Os filtros excluem ruídos indesejados limitando a passagem do sinal a uma determinada banda de frequência. Comumente, filtros passa-baixa são utilizados para bloquear ruídos externos em medições elétricas, como em fontes de 50/60Hz. Outro uso comum de filtros é na prevenção de erros, distorções, de leitura em sinais de alta frequência. Isto pode ser feito pela utilização de filtros anti-distorção para atenuar sinais acima da frequência Nyquist (frequência mínima na qual um sinal pode ser medido sem a introdução de erros, que é o dobro da frequência mais alta presente no sinal). Filtros anti-distorção são um tipo de filtro passa-baixa, caracterizados por uma passagem de banda plana e rápido roll-off. Medições feitas por acelerômetros e microfones são normalmente analisadas no domínio da frequência, assim filtros anti-distorção são ideais para aplicações de áudio e vibrações.

1. Isolamento

Sinais de voltagem muito fora da faixa do equipamento de mensuração podem danificar estes e causar acidentes com o operador. Por esta razão o isolamento do sinal em conjunto com a atenuação são normalmente utilizados para proteger o sistema e seu operador de tensões e picos de tensão perigosos.

1. Excitação

A excitação é necessária em diversos tipos de transdutores. Por exemplo, acelerômetros e termostatos, necessitam de excitação da corrente ou da tensão. Termostatos realizam medições a partir de uma fonte de corrente que convertem uma variação na resistência para uma tensão mensurável. Acelerômetros normalmente possuem um amplificador integrado, o qual necessita da excitação da corrente oferecida pelo mecanismo de medição.

1. Linearização

A linearização faz-se necessária quando os sensores que produzem sinais de tensão que não são linearmente relacionados a grandeza física medida. A linearização é então o processo de interpretação do sinal oferecido pelo sensor, podendo tanto ser utilizada na etapa de condicionamento do sinal quanto por software. Termopares são o exemplo típico de sensores que requerem uma linearização do sinal oferecido.

1. Tipos de condicionamento por tipo de sensor

Com vista a alcançar a melhor mensuração possível, entender o tipo de condicionamento que um sinal demanda é fundamental. De forma geral estes condicionamentos são conhecidos e bem explorados, a Tabela 1 abaixo sumariza os tipos de condicionamentos de sinal exigidos para diferentes tipos de sensores.

Tabela 1: Tipo de condicionamento de sinal por tipo de sensor

	Amplificação	Atenuação	Isolamento	Filtro	Excitação	Linearização
Termopares	•	–	•	•		•
Termistor	•	–	•	•	•	•
Carga de pressão e torque	•	–	•	•	•	•
Acelerômetro	•	–	•	•	•	•
Microfone	•	–		•	•	•
Alta voltagem	–	•	•	–	–	–

1. Acelerômetros

Acelerômetros são dispositivos que medem aceleração própria. A aceleração própria, por sua vez, não é o mesmo que aceleração (enquanto taxa de variação da velocidade), mas sim aquela atrelada a sensação de peso em um dado referencial. Por exemplo, um acelerômetro colocado na superfície terrestre no nível do mar irá medir uma aceleração de 9,81 m/s²; o mesmo equipamento em uma situação de queda livre irá aferir uma aceleração igual à zero.