Shield Amplificador de Instrumentação

O Shield Amplificador de Instrumentação foi desenhado para aquisição de dados de sinais de baixa intensidade com um Arduino em um sistema de alto desempenho e baixo custo. Permite a amplificação e coleta de sinais negativos utilizando o Arduino.

As entradas do amplificador, além do terra e as alimentações +5V e -5V estão dispostas de forma a facilitar a criação de circuitos condicionadores de sinais para as mais gerais das aplicações.

Este projeto foi desenvolvido pelo Setor de Eletrônica do Instituto de Física e do Centro de Tecnologia Acadêmica da UFRGS para apoiar as atividades do curso de Instrumentação Física oferecido para alunos de Bacharelado em Engenharia Física. Entretanto o projeto pode ser reproduzido por qualquer interessado.

Este repositório contém os arquivos fonte do esquemático e placa de circuito impresso em projeto KiCAD. Para conveniência o diagrama está disponível em formato PDF.

Repositório e site oficial do projeto em https://git.cta.if.ufrgs.br/CTA/shield-AI

Equipe/Autores

• Mauro Fin
• Rafael Pezzi
• Elton De Brum
• Bruno Nabinger
• Germano Postal

Características

• amplificador de instrumentação com duas entradas de alta impedância;
• forte rejeição de modo comum;
• ganho ajustável através de um resistor;
• fonte dupla: amplificação e leitura de sinais negativos.
• bit adicional para a conversão analógica-digital do microcontrolador do Arduino (pela adição de bit de sinal);
• duas saídas unipolares:
  • unipolar positiva - V_pos (A0);
  • retificada - V_ret (A1) e bit de sinal (pino 2 digital);
• referência analógica estável (Aref) com 3.5 V;
• baixo custo;
• componentes de fácil aquisição;
• compatível com Arduino;
• acesso aos demais pinos do Arduino (permite a elaboração de shields especializados);
• código aberto: projeto esquemático e placa de circuito impresso em software livre KiCAD;
• disponível sob os termos da Licença de Hardware Aberto do CERN.

Lista de componentes

• 1 un TL341 - Regulador de tensão
• 4 un LM358 (dip 8 pinos) - Amplificador operacional duplo
• 1 un ICL7660
• Resistores, diodos e capacitores

Próximos passos

• Ensaios/testes de desempenho
  • Cada saída (A0 e A1)
• Listagem completa dos componentes
• Incluir arquivos para usinagem da placa com a Fresadora PCI João-de-Barro
• Descrever uso dos jumpers

Documentação

Desenvolvimento

Esquemático do amplificador em PDF e esquemático e placa de circuito impresso em projeto KiCAD disponível em doc/hardware/KiCAD/. Este projeto utiliza um amplificador de instrumentação com a topologia de 3 amplificadores operacionais conforme ilutrado na figura 1.

Figura 1: Esquemático de amplificador de instrumentação típico com topologia de 3 amplificadores operacionais. Fonte da Imagem: Wikimedia commons

Ver também:

• Funcionamento e calibração do circuito: detalhamento do funcionamento dos elementos do circuito e sua calibração para obter melhores resultados;
• Orientações de design da placa: orientações utilizadas para desenhar a placa de circuito impresso.

Uso

As placas montadas para as atividades didáticas do IF/UFRGS utilizam resistores de R1=R2=R3 39Kohms. Neste caso, o ganho diferencial (G_d) do amplificador de instrumentação é dado por

G_d=1+(2*R_1)/(R_ganho).

Abaixo estão indicadas as posições dos sinais de entrada, do resistor de ganho e das alimentações. Existem pinos convenientemente posicionados para a utilização de osciloscópios.

Figura 2: Legenda dos pinos e conexões do Shield Amplificador de Instrumentação.

O sinal de V_ret deve ser combinado com o resultado do bit de sinal enviado para o pino digital 2. O bit de sinal estará em estado baixo (0V) para tensões de saída negativas e estado alto (+5V) para sinais positivos.

Detalhes dos conectores dos sinais de entrada, alimentações e resistor de ganho:

Figura 3: Detalhe do barramento do amplificador.

Estes conectores permitem a criação de placas especializadas para condicionamento de sinal de diferentes sensores. O alinhamento dos pinos é padrão, permitindo a criação de protótipos utilizando placas de ilhas que façam uso dos pinos (do Arduino) digitais de 0 a 7 e todos os analógicos. Os pinos de 8 a 13 não seguem o padrão de espaçamento, requerendo furação diferenciada.

Exemplos de código

Ver Exemplos de código ilustrando a utilização dos sinais em V_pos e V_ret no diretório exemplos.

Caracterização

Ilustração de testes de desempenho em ensaios de caracterização. (Em construção)

Licença

Copyright 2015 Centro de Tecnologia Acadêmica, Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul.

Esta documentação descreve hardware aberto e livre e está licenciada sob termos da licença de hardware aberto do CERN Ver. 1.2 ou superior.

Você pode redistribuir e modificar esta documentação sob os termos da CERN OHL v.1.2. (http://ohwr.org/cernohl). Esta documentação é distribuída SEM QUALQUER GARANTIA EXPRESSA OU IMPLÍCITA, INCLUINDO COMERCIAIS, QUALIDADE SATISFATÓRIA OU ADEQUAÇÃO PARA UM PROPÓSITO OU USO PARTICULAR. Vejas a licença CERN OHL v.1.2 para condições aplicáveis.

Para o texto completo da licença acesse CERN Open Hardeware License v1.2.

• As folhas de dados técnicos (datasheets) dos circuitos intregrados utilizados neste projeto foram includos nesta documentação para conveniência, não estando disponíveis sob os termos da licença indicada acima. Para condições de reuso do material de terceiros consulte os detentores dos direitos originais.