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Incluindo explicação do funcionamento dos estágios do circuito e procedimento para sua calibração

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* Cada saída (A0 e A1)
* Listagem completa dos componentes
* Incluir fórmula de ganho
* Incluir arquivos para usiagem da placa com a Fresadora PCI João-de-Barro
* Incluir arquivos para usinagem da placa com a Fresadora PCI João-de-Barro
Documentação
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### Desenvolvimento
Esquemático do amplificador em [doc/hardware/KiCAD/esquema_shield_AI.pdf](doc/hardware/KiCAD/esquema_shield_AI.pdf). Ver também as [orientações de design](/doc/hardware/guias_design.md) da placa.
Esquemático do amplificador em [PDF](doc/hardware/KiCAD/esquema_shield_AI.pdf). Arquivos esquemático e placa de circuito impresso em projeto KiCAD disponível em [doc/hardware/KiCAD/](doc/hardware/KiCAD/).
Ver também:
** [Funcionamento e calibração](/doc/hardware/funcionamento_e_calibracao.md) do circuito: detalhamento do funcionamento dos elementos do circuito e sua calibração para obter melhores resultados.
** [orientações de design](/doc/hardware/guias_design.md) da placa: orientações utilizadas para desenhar a placa de circuito impresso.
Arquivos esquemático e placa de circuito impresso em projeto KiCAD disponível em [doc/hardware/KiCAD/](doc/hardware/KiCAD/).
### Uso
......@@ -100,4 +103,4 @@ Você pode redistribuir e modificar esta documentação sob os termos da CERN OH
Para o texto completo da licença acesse [CERN Open Hardeware License v1.2](doc/CERN_OHL_v1.2.txt).
* As folhas de dados técnicos (datasheets) dos circuitos intregrados deste circuito foram includos nesta documentação para conveniência, não estando disponíveis sob os termos da licença indicada acima. Para condições de reuso consulte os detentores dos direitos originais.
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* As folhas de dados técnicos (datasheets) dos circuitos intregrados deste circuito foram includos nesta documentação para conveniência, não estando disponíveis sob os termos da licença indicada acima. Para condições de reuso consulte os detentores dos direitos originais.
Funcionamento e Calibração do Shield Amplificador de Instrumentação
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Para se obter melhores resultados com o Shield Amplificador de Instrumentação, deve-se realizar alguns cuidados para a sua montagem e calibração de cada placa. Atenção especial deve ser dada para o estágio amplificador operacional e para o retificador ideal, conforme descrito abaixo.
1 – Estágio Amplificador de Instrumentação
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A montagem do estágio amplificador de instrumentação exige basicamente dois cuidados a fim de obter melhores características, a seleção dos resistores do estágio amplificador que irá otimizar a rejeição de modo comum e a seleção dos integrados amplificadores operacionais para minimizar a tensão de offset do amplificador.
a) A primeira, e mais importante, refere-se á seleção dos resistores para que tenham os valores mais idênticos entre si. Nas placas montadas em 2015, utilizamos valores de 39 KΩ para todos os 6 resistores do primeiro estágio da placa. O ideal é que estejam dentro de uma tolerância de pelo menos 1%. Por exemplo, você poderá selecionar 6 resistores de 39250Ω, ou 6 de 38990Ω. Como os resistores comuns possuem tolerância de 5% (ou seja, para valores nominais de 39k podem variar tipicamente 1950Ω em torno do valor nominal. A utilização de resistores de alta precisão dispensa essa operação, no entanto eles são bem mais caros e as vezes não disponíveis. Com a utilização de multímetro é possível selecionar manualmente resistores com valores próximos com tolerâncias de até 0,1% ou melhor. Isto é possível pois resistores comuns são baratos e podemos dispor de grande quantidade para realizar a seleção. Esse simples e rápido procedimento irá melhorar significativamente as características desejadas do AI, principalmente a rejeição de modo comum.
* Dica: para boas medidas de resistência, deve-se utilizar as duas ponteiras do multímetro com garras jacaré na ponta para conectar cada resistor a ser medido – não se deve tocar resistor com as mãos durante a medida. Caso seja possível dispor de um multímetro com mais recursos, alguns possuem uma tecla que permite zerar o display, com as ponteiras em curto ( normalmente chama-se offset ou rel (de relativo). Esse recurso permite anular resistências parasitas, como das ponteiras por exemplo, o que aumentará a precisão das medidas. Se não dispõe de multímetro melhor, deve prestar atenção na resistência parasita que mostra o display com as ponteiras em curto, ou seja com o 2 jacarés em curto.
b) Existe também a questão do offset de tensão contínua (DC offset) na saída do AI. Uma consequência negativa do uso de amplificadores operacionais comuns e muito baratos reside na suas tensões de offset de entrada de alguns milivolts, que aparecerão na saída sempre multiplicados pelo ganho adotado no AI. Assim um offset de apenas 1 mV na entrada se transforma em 500 mV na saída se o AI estiver ajustado para ganho de 500 vezes. Essa tensão não é problemática em dois casos especiais
* caso o circuito estiver sendo utilizado para amplificar sinais alternados.
* Amplificar sinais de tensão contínuos originados de circuitos condicionadores de sinal do tipo ponte de Wheatstone. Isto porquê estes circuitos tipicamente contém ajuste (trimpot) em um dos braços para zerar a saída do amplificador. Assim, o DC offset pode ser anulado com a calibração do equilibro da ponte.
Para minimizar o offset DC é possível realizar uma seleção dos amplificadores operacionais (principalmente o de entrada). Isso é relativamente fácil de ser feito com o uso de soquetes. Como no AI o estágio diferencial de saída irá rejeitar sinais de modo comum, na verdade procura-se amplificadores (no caso LM358, duplos), que possuam offsets de saída o mais próximo possível um do outro. Estes sinais podem ser medidos nos pinos 1 e 7 do LM358 de entrada do AI. Basta selecionar os integrados cujos valores medidos nestes pinos estejam os mais próximos possível.
Outra maneira de selecionar os circuitos amplificadores é utilizar a própria placa para selecionar os amplificadores operacionais que resultem em menor offset. Usamos o seguinte procedimento: com ganho 1 no AI, o offset de saída deve estar baixo de 1 mV (tipicamente 0,5 mV). Aqui se aplica o mesmo dito para o caso dos resistores. Como são muito baratos pode-se sempre dispor de um números bem maior de unidades e selecionar os melhores.
Assim tendo esses dois cuidados básicos e muito simples, conseguimos construir um amplificador de instrumentação com muito pouco gasto, e que funciona bem. Claro que sempre existe a alternativa de usar amplificadores operacionais melhores ou até AI integrados, mas na é a intenção aqui.
2 – Ajuste do retificador ideal
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A característica esperada do estágio retificador ideal é que sua saída seja o mais idêntica possível ao módulo do sinal de entrada, ou seja, independe da polaridade do sinal de entrada. Se aplicamos 100 mV ou – 100 mV na entrada, esperamos 100 mV na saída. A figura abaixo resume o funcionamento do circuito. Trata-se apenas de um simples somador de sinais.
![Circuito básico de um retificador ideal](doc/hardware/retificador_ideal.png)
Para que as somas sejam perfeitas temos que ter igualdade entre os valores de R entre si e R/2. Isso é fundamental para que a soma seja exata entre as partes positiva e negativa do sinal de entrada.
A maneira recomendada para isto é selecionar, com o auxílio de um multímetro, os 4 resistores com valores próximos entre si, da mesma forma como descrito acima para o amplificador de instrumentação. No caso das placas montadas em 2015, utilizamos resistores de R = 20 KΩ simplesmente pois tínhamos muitos, mas valores próximos como 18 KΩ ou 22 KΩ podem ser usados. Um detalhe que poderá facilitar a calibração do circuito é o seguinte: procuramos selecionar os 4 resistores idênticos mas com valor um pouco abaixo de 20 KΩ, digamos 19980 Ω. Podem ser utilizados outros valores abaixo de 20 KΩ, desde de que sejam 4 iguais. Para o resistor de R/2 = 10 KΩ, selecionamos um com valor de 10 KΩ ou um pouco acima do nominal, digamos 10100 Ω, ou 10180 Ω. Com isto a calibração fina torna-se simples e será realizada utilizando um resistor de alta resistência em paralelo ao resistor de R/2 para que em conjunto tenham exatamente a resistência desejada, de modo a fazer com que a resposta do retificador seja idêntica para sinais positivos e negativos.
Para selecionar o valor do resistor de calibração, podemos utilizar um trimpot de valor elevado, digamos 1 MΩ, em paralelo com o resistor de 10 KΩ e ajustando para que, com sinal de entrada de 100 mV ou – 100 mV a saída seja o mais próximo possível de +100 mV e, mais importante, a saída seja igual para as duas polaridades de entrada. Uma vez realizado o ajuste, o trimpot pode ser cuidadosamente removido, seu valor medido e então substituído por um resistor de valor mais próximo possível ao valor ajustado. A figura baixo mostra o circuito durante o juste utilizando o trimpot em paralelo ao R/2.
![Esquema para calibração do retificador ideal](doc/hardware/calibracao_retificador_ideal.png)
A figura acima ilustra com um exemplo o esquema elétrico utilizado para a calibração do retificador ideal. O procedimento pode ser resumido da seguinte maneira: i) seleciona-se 4 resistores (R) idênticos entre si, ii) seleciona-se o resistor (R/2) cujo valor real seja um pouco acima de seu valor nominal, e iii) corrige-se usando o trimpot.
Na placa já estão previstos os 2 pinos para soldagem temporária do trimpot em paralelo com o resistor de 10 KΩ. Nestes mesmos 2 pinos será soldado o resistor fixo, depois de escolhido.
Em tempo, assim como no caso do AI, é muito válido, e talvez necessário também, uma escolha prévia do ci LM358 usado no circuito, em termos de tensão de offset, de maneira que com entrada do retificador em zero a saída fique abaixo de 1 mV.
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