Voltímetro Eletrônico de altíssima resistência de entrada

Voltímetro Eletrônico usando Amplificador Operacional

Muitas vezes ao medir tensões em um circuito eletrônico não pensamos no efeito de carga que o medidor pode inserir no circuito e alterar o valor medido. Muitos multímetro digitais atuais tem resistência de entrada de 10M ohms, o que é suficiente para a maioria das aplicações, mas alguns mais baratos tem somente 1M ohms de resistência de entrada.  

Com os multímetros analógicos, dificilmente se encontra um com resistência de entrada maior do que 20k ohms por volt (nesse caso multiplica-se esse valor pelo valor de fundo de escala pra saber qual a resistência de entrada). Assim na escala de 10V, de um multímetro que tenho, a resistência de entrada seria só de 200k ohms, o que não é muito. Basta querer medir um divisor de tensão com dois resistores de 100k ohms numa bateria de 9V, que a medição seria muito errada (ao invés de 4,5V, mediria 3,6V !).  Isso se deve à pouca sensibilidade do galvanômetro usado nesses multímetros mais baratos, que usam microamperímetros de 50uA  (daí o 20000 ohms por volt => 1/50uA = 20000).  

Multímetros de marcas boas (Hioki, Sanwa) tinham resistência de entrada melhores (50k ohm por volt e até 100k ohm por volt), mas são muito difíceis de se encontrar atualmente. 

Antigamente, no tempo das válvulas, fabricavam-se os VTVM (voltímetros valvulados) que aumentavam a resistência de entrada para mais de 10M ohm (a maioria 11M ohms) com válvulas triodo e usando um galvanômetro que não precisava ser tão sensível. Com a chegada dos transistores e em especial os transistores efeito de campo (FET), eles substituíram as válvulas nesse papel.

Hoje podemos utilizar amplificadores operacionais (AOs) para fazer esse papel de multiplicadores de resistência de entrada para um voltímetro e obter valores mais altos do que os disponíveis nos modelos comerciais. 

Em 1987, comprei uma revista japonesa (Eletronics Life - "Erekutoronikusu Raifu") que apresentava um projeto de circuito eletrônico para ampliar a resistência de entrada de multímetros analógicos mais simples. 

Basicamente era uma rede de atenuação resistiva que era ligada a um amplificador operacional TL071 em modalidade amplificador não inversor. Da saída do operacional ligavam um multímetro analógico.  Como o TL071 é um amplificador operacional (AO) com transistores efeito de campo de junção na entrada diferencial, ele possui uma resistência de entrada de 1 Tera ohms !  É claro que isso é muito alto, mas a resistência de entrada vai ser determinada pela rede resistiva atenuadora.

No projeto da revista, a resistência de entrada era aumentada pra mais ou menos 5M ohms, o que não é muito comparado aos modelos atuais, mas ainda assim bem mais do que a do multímetro ilustrado na capa da revista. O circuito era montado numa placa universal e precisava de duas baterias de 9V para alimentação (simétrica).  O multiplicador de resistência funcionava para voltímetro DC ou AC, bastava selecionar a escala correta no multímetro, mas ficava limitado a uma excursão de sinal de saída de mais ou menos 8V).

Veja a capa e o esquema do projeto:

Resolvi melhorar um pouco este projeto e mudar os seguintes pontos:
- Usar fonte simples de 12Vdc e usar um conversor para gerar -12Vdc.
- Aumentar a resistência de entrada para 20M ohms
- Ter cinco escalas de medição: 1V, 5V, 10V, 50V e 100Vdc de fim de escala
- Usar um voltímetro fixo de 10Vdc como medidor

Para gerar os -12Vdc para alimentar o TL071 simetricamente, eu preferi o ICL7660S, já que o consumo vai ser muito baixo e o 7660 precisa de apenas dois capacitores externos (10uF de tântalo) para fornecer a tensão negativa.  

A seguir a rede resistiva de atenuação teria resistências de 10M ohms, 8M ohms, 1Mohms, 800k ohms e 200k ohms.  Os valores de 8M ohms e 800k ohms não são valores comerciais, e a precisão do atenuador depende muito da proporcionalidade das resistências usadas.  Nesse caso não é melhor usar resistores de precisão, mas escolher resistores com valores que atendam a proporção, entre vários resistores de 5% de tolerância.

Assim, escolhi resistores de 8M2 nominais que apresentassem a menor resistência medida num ohmímetro. Achei um de 8,12M numa fita de resistores de 8M2. Esse seria o valor base pra selecionar os outros. O resistor de 8,12M é 1,5% maior do que 8M ohms. Assim bastaria eu encontrar resistores que estivesse 1,5% acima do valor necessário inicial.  Achei resistor de 10,15M ohms, 1,015M ohms, 812k ohms e 203k ohms.  Mantem-se assim a proporcionalidade da rede de atenuação.  

Na escala de1V de fim (ou fundo) de escala, nada é atenuado para entrar no TL071. Na escala de 5V, a atenuação é de 50% (divisão de 1/2). Na escala de 10V, o divisor é por 10 (atenua para 10%). Na escala de 50V atenua para 5% e finalmente na escala de 100V, atenua para 1%.

Assim temos fatores de atenuação de 1  0.5  0,1  0.05 e  0.01.

Como o voltímetro é de 10Vdc de fundo de escala, o TL071 precisa amplificar o sinal (DC) para entregar o sinal ao voltímetro. Com 1 volt na entrada, o AO precisa amplificar por 10 vezes. Com 5V na entrada, multiplicado pelo fator de atenuação de 0,5, teremos que amplificar por 4 (5 x 0,5 x 4 = 10). Com 10V na entrada, atenuada para 1V, temos de amplificar novamente por 10. Com 50V, atenuado para 2,5V, a amplificação é novamente de 4 vezes. E finalmente com 100V atenuados para 1V, amplificamos 10V. Assim precisamos de que o AO amplifique ou 4 ou 10 vezes.

Usando resistores de 9k ohms (selecionar em resistores de 9k1) e 3k ohms como resistores de feedback e mais um resistor de 1k ohms, montamos a malha de realimentação do AO.  Uma chave de onda dupla de 5 posições, serve como seletor de escala.

Como o AO TL071 tem entradas JFET, a tensão de offset (balanceamento) de entrada dele é relativamente alta e pode influenciar na saída (multiplica pelo ganho programado do AO). AOs com transistores bipolares conseguem ser fabricados mais casados e menor tensão de offset, mas a resistência de entrada é bem menor e não serviriam para o projeto. Como é necessária altíssima 

resistência de entrada do AO, os tipos com JFET são inevitáveis. Por isso, o TL071 tem dois terminais para ajuste e compensação da tensão de offset. Ligando um trimpot, podemos ajustá-lo e zerar a saída, quando ligamos as duas entradas juntas.  Isso não é muito relevante quando usamos AOs em circuitos de áudio, filtros, etc. (por isso são usados os AOs duplos, quádruplos, sem esse ajuste). Mas em instrumentos, esse ajuste se torna necessário e é fácil de ser feito. Outro AO JFET que pode servir é o CA3140.

Abaixo segue o esquema final do voltímetro.

 As pontas de prova devem ser ligadas na entrada e no terra do circuito. Veja que apesar do circuito poder fornecer tensão positiva e negativa para o voltímetro, ele só mede tensões positivas, portanto a polaridade da medição e das pontas no circuito é importante.

Abaixo algumas fotos do aparelho montado numa caixa de plástico (PB-112 da Patola), o voltímetro Engro de 10Vdc. Para alimentar, pus um conector jack fêmea P4 na lateral da caixa, para alimentar com fontes de parede de 12Vdc.

Gerador de áudio senoidal com AOs

GERADOR DE SINAIS SENOIDAIS

A forma de onda senoidal pode ser encontrada na tomada elétrica das nossas casas, numa frequência de 60Hz e tensão váriavel de 115V a 240V em geral. Ao contrário de ondas quadradas que podem ser facilmente geradas com circuitos digitais e apesar de ser uma forma de onda simples e conter apenas uma componente harmônica (a fundamental) a onda senoidal não é fácil de se obter com  circuitos eletrônicos. Uma onda senoidal é analógica e é muito útil pra se realizar testes e medições em áudio. Então se faz necessário ter um gerador de áudio senoidal e veremos duas formas interessantes de se obter uma onda senoidal com baixa distorção harmônica.  Um dos circuitos é antigo e analógico e o outro circuito é digital e pode ser obtido a partir de software inserido em um microcontrolador.

Na década de 1930, dois engenheiros decidiram constituir uma empresa para fabricar instrumentos eletrônicos e tiveram como encomenda dos estúdios Disney, a fabricação de geradores de áudio. A HP começou assim, fabricando geradores de áudio. E os dois fundadores (Will Hewlett e David Packard) criaram um oscilador que era baseado em uma ponte de Wien, onde a malha de realimentação positiva era formada por capacitores e resistores, que criava a defasagem necessária para um circuito amplificador começar a oscilar. Como essa malha atenuava o sinal para 1/3, a malha de realimentação negativa precisava compensar essa atenuação e dar um ganho de 3. Ocorre que para dar início a oscilação, inicialmente o ganho total precisava ser um pouco maior do que 1, assim a malha de realimentação negativa precisa ter um ganho inicial maior do que 3 e depois quando estiver estabilizado, ser de 3. Para isso eles bolaram um circuito simples e funcional. Aproveitaram que uma lâmpada incandescente possui uma resistência baixa quando fria e uma resistência crescente com o aumento da temperatura do filamento. Obviamente naquela época os amplificadores eram construídos com válvulas e não com transistores ou circuitos integrados. Mas pode-se montar um oscilador com ponte de Wien e um amplificador operacional com o mesmo princípio de operação e sem precisar de altas tensões, podendo ser alimentado por uma pilha de 9V.

O circuito do oscilador usa um duplo AO tipo TL072, onde um AO é usado como oscilador e outro como buffer de corrente e isolador. A frequência de operação é calculada pela fórmula:
F = 1 / (2 x PI x R x C), onde R é formado pelo potênciometro duplo de 47k logarítmico onde  cada resistor varável está em série com um resistor fixo de 100 ohms para limitar a frequência superior e os capacitores são iguais de 100nF. É interessante que o potênciometro tenha as duas resistências variáveis com valor o mais iguais possíveis, assim como os dois capacitores de 100nF.
No lado da malha de realimentação negativa, usar uma lâmpada tipo grão de arroz, de 12V 50mA, que tenha assim uns 240 ohms de resistência quando acesa, somada a um resistor de 100 ohms, resultando em uma resistência por volta de 300 ohms. Para ajustar o ganho final, deve-se ajustar o trimpot de 1k, para que tenha o ganho final de 3. O ajuste se faz com um osciloscópio e verificando a forma de onda na saída, de forma que tenha a maior amplitude sem que haja achatamento ou clipamento nas pontas da senóide. A fonte é uma bateria de 9V que tem um terra virtual no meio da tensão da bateria.
O esquema:

E alguns oscilogramas dos sinais em 100Hz, 1kHz e 10kHz:

100Hz e 2Vpp

1kHz e 2Vpp

10kHz e 2,2Vpp

Foto do gerador de áudio montado

Com o gerador de áudio, consegui obter até 8Vpp de amplitude e adicionei uma chave de 3 posições pra poder comutar os capacitores da ponte, assim tenho um gerador de 3 faixas de frequências. Pra incrementar mais um pouco e não ter que usar aqueles dials pouco precisos pra selecionar a frequência, adicionei um frequêncimetro digital com display de 3 dígitos e faixas de medição auto selecionáveis (999Hz, 9.99kHz e 99.9kHz) usando um PIC18F1220, que consegue medir até uns 30kHz.

O segundo circuito para gerar uma onda senoidal variável usa um circuito com técnica Direct Digital Synthesis (DDS). Esse é um sistema bem atual, onde se consegue uma altíssima resolução de frequências (chegando a 0,01Hz ou menos) e uma grande faixa de frequências, tudo controlado digitalmente e com alta precisão. A técnica DDS consiste em se ter uma tabela de fases e valor de amplitude (conversor fase-amplitude) do sinal de saída. Nessa tabela podemos ter variadas formas de onda e não apenas onda senoidais, mas também triangulares, dente de serra, quadrada, arbitrária e programável. Existem alguns cis especializados da Analog Devices como o AD9850 e o AD9833 que são programáveis via sinais digitais e possuem frequências de saída na casa das dezenas de MHz.
Um circuito DDS é composto basicamente de:
- Uma entrada ou gerador de clock digital, o clock de referência
- Um oscilador controlado numericamente (NCO) que por sua vez é composto de um registrador acumulador de fase, um registrador de incremento de fase e mais alguns registradores auxiliares
- Uma tabela de conversão fase para amplitude
- Um conversor digital - analógico
- Filtros passa baixas

Como funciona o DDS ? O registrador acumulador de fases geralmente tem um número relativamente grande de bits (por ex. 28 bits) e somente alguns bits de mais alta significância são usados para buscar um valor de amplitude na tabela de conversão (uma ROM que pode precisar de por ex. 10bits de endereço para buscar um valor de amplitude). O registrador de incremento de fase contém o valor que vai ser somado a cada período de clock ao registrador acumulador de fase. Quanto maior o valor do registrador de incremento, mais rapidamente o valor no acumulador de fase vai aumentar e mais rapidamente os 10 bits superiores aumentam, fazendo com que a tabela forneça os valores de amplitude variando mais velozmente. Ou seja, o valor do registrador de incremento de fase guarda uma relação direta com a frequência do sinal de saída.
Assim a frequência de saída será dada pela fórmula:
Fo = (valor incremento x frequência do clock)/ (2 ^ número de bits do acumulador de fase)
e a resolução de frequência será igual a:
Res = Frequência do clock / (2^ número de bits do acumulador de fase)

Para saber mais:
Tutorial DDS (em Inglês) da Analog Devices

Um gerador DDS pode ser implementado internamente num microcontrolador, para sintetizar sinais na frequência de áudio, pois haverá uma limitação quanto à velocidade de processamento (somas e conversão na tabela de busca) e o próprio clock do microcontrolador.

Eu escolhi trabalhar com um PIC 16F873 a 20MHz (inicialmente era 4MHz, mas era lento demais) com uma rede R-2R na saída de 8 portas para fazer a conversão digital-analógica. O restante é tudo firmware, aproveitando os registradores internos (memória RAM) do PIC para implementar os registradores de incremento e de acumulação de fase. A tabela de conversão fica na memória FLASH de programa.
O registrador de acumulador de fase será de 16 bits, portanto contará até 65535 e será circular (quando tiver overflow, inicia do zero ou próximo, dependendo do valor do incremento).
O registrador de incremento de fase será também de 16 bits e terá valor de duas vezes o valor da frequência escolhida. Assim a frequência escolhida será limitada a 20kHz (20000), de forma que nesse caso o registrador de incremento terá valor máximo de 40000. Como valor mínimo de frequência, estabeleci o valor de 10Hz. Cabe dizer que com as limitações de tamanho dos registradores usados, a síntese de frequências acima de 5kHz não fica perfeita, com distorção considerável.
A tabela de seno, será de 8 bits de endereço, com 8 bits de amplitude (a ser convertida para analógico pelo conversor DA de 8 bits). O período de clock será de aproximadamente 30us (32768Hz).

Para a conversão digital-analógica uma rede R-2R de 8 bits com resistores de 1k e 2k para obter um sinal de mais ou menos 4Vpp, mas totalmente acima dos 0V. Esse sinal passa por um filtro PI com dois capacitores e um indutor com frequência de corte na faixa de 22kHz. Pode-se passar finalmente o sinal por um buffer feito com AO e ganho unitário.

Como elemento de visualização, foi usado um display de cristal líquido de 2 linhas e 16 colunas, comum para se selecionar a frequência do sinal gerado. Com seis teclas: menu, enter, +1Hz (ajuste fino), -1Hz (ajuste fino), +100Hz e -100Hz (ajuste grosso), escolhe-se a frequência dentro da faixa de 10Hz a 20kHz e aperta-se enter, o sinal começa a ser gerado. Para selecionar ou parar o sinal, aperta-se menu.

O esquema:

O firmware:

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:1002F00050206E308A01502063308A0150206930CE

:100300008A01502061308A01502020308A0150201B

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:100330008A01502061308A0150206C308A0150209F

:100340006F308A01502072308A01502020308A019B

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:1003D00032308A01CD2064008A118518062A013046

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:1004A0008A010220BE00BF01BE1BBF0380303E0791

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:1004C0008A110518652A8A01612916308A01DA2005

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:00000001FF

Amplificador Philbrick

AMPLIFICADOR OPERACIONAL VALVULADO

Muita gente pode pensar que os amplificadores operacionais só existem em forma de circuitos integrados. Quem estuda com os livros de eletrônica aprende com operacionais antigos como o 741, que é o mais famoso, embora ultrapassado e obsoleto. Mas o amplificador operacional é mais antigo que os circuitos integrados e mesmo anterior aos transistores. Sua aparição se deu na década de 1940, para viabilizar os computadores analógicos (daí o seu nome: amplificador operacional = que realizava operações matemáticas). De fato um amplificador pode ser um somador de tensões, um multiplicador de tensões, um subtrator de tensões e outras operações matemáticas podem ser realizadas.

Em 1952, uma empresa chamada Philbrick lançou um circuito eletrônico  que agregava duas 12AX7 e mais alguns componentes para formar um amplificador operacional com funções muito similares ao que encontramos nos AOs de hoje;  Esse modelo de AO valvulado tinha o código de K2-W:

Suas características principais eram:

- Ganho em malha aberta de 15000  (bem pouco comparado aos 100000 ou 200000 dos AOs de hoje).

- Resposta em frequência: 100kHz

- Impedância de entrada: mais de 100Mohms

- Impedância de saída: 1kohm

- Alimentação: -300V e +300V  sem falar nos 6,3V para os filamentos

Veja a datasheet da K2-W e algumas aplicações:

Na segunda página podemos observar o esquema elétrica da K2-W, mostrando que a primeira 12AX7 forma um amplificador diferencial e a segunda é usada em um amplificador de tensão e um seguidor de catodo com entrada limitada por lâmpadas neons.

A seguir a datasheet de outro AO, o K2-X, que tinha especificações melhores: um ganho de malha aberta de 30000 e resposta de 250kHz.  Este usava uma 12AX7 e um 6AN8 (triodo + pentodo):