Descrevemos nesse artigo, baseado em documentação da Analog Devices (www.analog.com) algumas diretrizes básicas recomendadas para se projetar balanças de alto desempenho. A proposta básica é oferecer soluções para o projeto de balanças que tenham resoluções na faixa de 1:300 a 1:10 000 utilizando-se ADCs que tenham resoluções perto de 20 bits. Além disso, esses componentes devem ter características de ruído que atendam a esse tipo de aplicação.
O sensor
Nesse tipo de aplicação o sensor mais usado é o que faz uso de uma célula de carga do tipo em ponte, conforme mostra a figura 1.
Esses sensores fornecem uma saída diferencial que é uma tensão proporcional á força aplicada. Numa ponte desse tipo a excitação típica é de 5 V e os resistores usados têm valores em torno de 300 Ω.
Ao se projetar uma balança que utilize esse tipo de sensor, devemos levar em conta suas principais características que são:
* Sensibilidade
A sensibilidade normalmente é expressa em termos da relação entre a tensão de excitação e a saída à plena carga. Por exemplo, um sensor de 2 mV/V terá uma saída à plena escala de 10 mV quando a excitação do sensor for de 5 V.
Na prática é comum a faixa toda de tensões de saída não seja usada de modo a se aproveitar apenas a porção linear. Assim, em lugar dos 10 mV de saída na faixa total, é comum que apenas 2/3 dessa faixa seja usado, ou seja, 6 mV.
A dificuldade maior no projeto está justamente na dificuldade de se medir variações de tensões numa faixa de valores muito baixo, como ocorre nesse caso.
* Erro Total
Esse erro é especificado em termos da relação que existe entre a saída esperada e a saída obtida. Para os sensores comuns, usados nesse tipo de aplicação, con seguem-se erros tão pequenos como 0,025. Essa característica é importante, pois ela está diretamente ligada à resolução do ADC que vai ser usado na aplicação, assim como influi no projeto do filtro e do circuito de amplificação.
* Drift
O drift ou deslocamento consiste na mudança de características que o sensor apresenta com o decorrer do tempo. Na figura 2 temos um gráfico que mostra o que ocorre num período de apenas 24 horas para um sensor desse tipo.
O gráfico mostra a variação do número de bits usando um ADC de 24 bits, obtendo-se assim um total de 125 LSB ou 4,5 ppm (partes por milhão).
O Sistema
Ao se projetar uma balança, os principais parâmetros a serem considerados são: contagem interna, faixa dinâmica do ACD, resolução livre de ruído, taxa de atualização, ganho do sistema e erro de deslocamento de ganho.
Na figura 3 temos a estrutura típica de uma balança implementada com os circuitos indicados.
Contagem Interna
Para os sistemas típicos, a contagem pode variar de 1:3 000 a 1:10 000. Por exemplo, uma escala que pode medir até 5 kg com uma contagem de 1:10 000 terá uma resolução de 0,5 g.
Essa resolução, apresentada no display, normalmente é especificada como contagem externa. Para se alcançar essa precisão de resolução, a resolução interna deve ser maior. Alguns padrões obrigam que essa resolução seja pelo menos 20 vezes melhor que a resolução externa, ou seja, chegando a ser de 1: 200 000.
Faixa Dinâmica do ADC
Nas aplicações típicas, usando um ADC comum de alta resolução, a faixa inteira do ADC não é usada. No exemplo que demos para o sensor da figura 1, a célula de carga com uma alimentação de 5 V, tem uma faixa de tensões de saída de10 mV, com uma região linear de 6 mV.
Usando uma etapa de ganho 128 na entrada do circuito, a faixa dinâmica vista pelo ADC será de 768 mV. Se uma referência de 2,5 V é usada, apenas 30% da faixa dinâmica do ACD será usada.
Se a contagem interna precisa ser de 1: 200 000 de precisão para a faixa inteira de 770 mV, o ADC deve ser de 3 a 4 vezes melhor de modo a atingir as exigências de performance.
Isso significa uma contagem de 1:800 000 o que significa que o ADC precisa ter uma resolução de 19 bits a 20 bits.
Ganho e Offset
Balanças industriais tipicamente operam em temperaturas numa faixa que chega aos 50 graus Celsius. Os projetistas devem considerar a precisão do sistema numa ampla faixa de temperaturas de operação.
Por exemplo, um sistema estável de 20 bits com 1 ppm/oC de drift pode variar de 50 lSB na faixa de 50 graus Celsius.
Offset Driftt
Essa variação é importante também para ser considerada num projeto. A maior parte dos ADCs sigma-delta são projetados com um modo-chopping inerente que tem a vantagem de fornecer um baixo drift e melhor imunidade aos ruídos 1/f. - uma característica bastante útil para os projetistas de balanças.
Resolução Livre de Ruído
Um erro comum ao ser analisar datasheets é a falta de atenção para o fato de se o ruído é especificado como o valor médio quadrático (rms) ou pico a pico (pp).
Para aplicações no projeto de balanças, a informação mais importante é a referente ao ruído pico a pico, que determina a resolução do código livre de ruído.
Para um ADC a resolução do código livre de ruído é o número de bits além do qual é impossível resolver códigos individuais devido a presença de ruído de entrada - fato associado a todos ADCs.
O ruído pode ser expresso como um valor rms ou ainda como um certo número de LSB. Multiplicando por 6,6 (para capturar 99,9% dos valores numa distribuição padrão), possibilita a obtenção de um equivalente razoável pico a pico (expresso em LSBs).
Os datasheets dos ADCs sigma-delta de empresas como a Analog Devices, especificam tanto o valor rms como pp ou ainda, códigos livres de ruídos.
Taxa de Atualização
Conforme vimos, uma resolução livre de ruído do sistema depende também da taxa de atualização do ADC. Por exemplo, com uma referência de 2,5 v e uma taxa de 4,17 Hz, a resolução será de 20.5 bits pp (ganho 128), enquanto que com 500 Hz, a resolução decresce para 16,5 bits.
Numa balança, o projetista deve procurar a mais baixa taxa de atualização que o sistema admite para obter a taxa de dados necessária á atualização do display na aplicação. Nas aplicações comuns é utilizada uma taxa de atualização de 10 Hz.
Reference Design da Analog
Escolhendo o Melhor ADC
A melhor arquitetura para se usar nesse tipo de aplicação é a sigma-delta, devido ao seu baixo ruído e grande linearidade em baixas taxas de atualização.
Um outro benefício dessa arquitetura é que ela possui recursos de redução de ruído on-chip.
O ADC deve também conter um amplificador programável de alto ganho (PGA) com um ganho interno elevado o que permite trabalhar diretamente com os sinais de baixa intensidade da célula de carga usada como sensor.
Na figura 4 temos um diagrama de blocos para um projeto típico fazendo uso de componentes da Analog Devices.
Esse sistema consiste de um ADC AD7799 controlando por um microcontrolador ADuC847 o qual implementando o processamento também contém um ADC sigma-delta de 24 bits.
Isso permite aos usuários comparar os resultados de teste entre um sistema contendo o AD7799 e o que faz uso do ADC interno ao ADuC847, com as mesmas conexões de hardware de modo a escolher o projeto que melhor atenda ás suas exigências.
Resultados dos Testes
No gráfico da figura 5 mostramos os resultados obtidos usando a referência de tensão como entrada para o ADC. A distribuição das referências medidas é de 3,25 LSB.
A figura 6 mostra o mesmo teste feito com uma célula típica de carga. A resolução livre de ruído, nesse caso, é de 19,58 bits.
Nos dois casos os testes são feitos com ganho 64, taxa de atualização de 4,17 Hz, referência de 5 v e as entradas curto-circuitada à referência.
Melhorando o Desempenho do ADC
A faixa estreita e alta resolução do ADC7799 possibilita uma resolução de 24 bits. No entanto, o número efetivo de bits é limitado pelo ruído, dependendo da taxa de palavras na saída e o ganho ajustado.
Para aumentar a resolução efetiva e remover a maior quantidade possível de ruído, o microcontrolador ADuC847 foi programado para utilizar um algoritmo de média.
Na figura 7 mostramos um histograma típico obtido de um ADC sigma-delta quando uma entrada é aterrada. Assim, fixando a entrada, a saída deve ser constante. No entanto, devido ao ruído isso não ocorrer, com resultados se espalhando num certo espectro que é mostrado no gráfico.
Esse espalhamento tem uma natureza Gaussiana. Um filtro que faça a média dos resultados é a melhor solução para se reduzir o ruído branco e tornar a resposta mais aguda. Para essa finalidade utiliza um software apropriado.
Conclusão
Outros recursos podem ser usados para se obter o melhor desempenho de um sistema desse tipo, por exemplo, para se melhorar a resposta à variações do peso com tempo.
Todas essas possibilidades podem ser vistas em detalhes pelos leitores interessados acessando o Analog Dialog 39-12, uma publicação da Analog Devices, disponível na Internet. O documento sugerido tem o título ¨A Reference Design for high-Performance, Low-Cost Weigh Scales¨.
