Projetando um medidor analógico de tensão e corrente de banda larga

Pode ser surpreendente oferecer um medidor puramente analógico quando os medidores digitais são agora tão amplamente utilizados. No entanto, não se sabe que os medidores digitais possuem circuitos analógicos anteriores ao conversor analógico-digital (ADC). Voltímetros analógicos de banda larga, com frequências abaixo de 20 Hz até 200 kHz, foram amplamente utilizados no passado e ainda são muito úteis.

Com amplificadores operacionais modernos (amplificadores operacionais), o design do nosso medidor analógico pode ser bastante simplificado. Este design fornece uma largura de banda plana de 20 Hz a 1 MHz (-1 dB a 10 Hz) usando componentes com preços razoáveis.

Não é difícil adicionar a capacidade de medir correntes em circuitos nos quais a inserção de uma resistência de 0,1 Ω na extremidade aterrada não reduz significativamente a corrente. Se o medidor for operado por bateria ou for de construção Classe 2 de segurança, a conexão aterrada não precisa ser um aterramento real.

As seis faixas de tensão são 1, 10, 100 mV e 1, 10,100 V em escala completa, enquanto as quatro faixas de corrente são 10, 100 mA e 1, 10 A em escala completa. O projeto incorpora um detector de pico de banda larga, cuja sensibilidade pode ser alterada para ler a tensão de pico ou a tensão RMS (raiz quadrada média) de um sinal de onda senoidal.

Existe uma disposição para inserir filtros externos para fornecer respostas de frequência especiais. Este recurso também permite que o medidor seja usado como dois amplificadores separados com ganho variável comutado.

O instrumento funcionará com duas baterias de 9 V ou uma fonte de alimentação de 9-0-9 V. O consumo de corrente é inferior a 25 mA para cada bateria (sem quaisquer indicadores de diodo emissor de luz (LED)), portanto, pode-se prever uma longa vida útil.

O diagrama de blocos do instrumento é mostrado na Figura 1.

O seletor de modo de corrente/atenuador de entrada é necessário porque queremos medir tensões de até 100 V e elas não podem ser aplicadas diretamente no amplificador. O modo de corrente é selecionado de forma que não haja contato de comutação em série com o resistor sensor de corrente, eliminando assim uma fonte potencial de erro. O pequeno preço a pagar é que é necessário um conector separado para operação no modo atual.

O amplificador requer um ganho de cerca de 1000 (60 dB) para fornecer uma leitura completa para entrada de 1 mV. Isso é conseguido usando os dois amplificadores operacionais do LM4562, com ganhos de 31,62 cada. Na verdade, o LM4562 é destinado a pré-amplificadores de alta fidelidade, por isso possui baixo ruído e baixa distorção, além de uma ampla largura de banda. Não é tão quente na tensão de deslocamento, mas isso pode ser superado nesta aplicação.

Como existem dois estágios de amplificador, é fácil fornecer conectores e comutação para que outros circuitos possam ser inseridos entre os dois amplificadores, e eles também podem ser usados ​​como amplificadores independentes se um conector adicional for adicionado na saída do segundo amplificador.

Uma decisão importante deve ser tomada em relação ao tipo de detector fornecido para transformar o sinal amplificado em CC para operar um display digital ou um instrumento ponteiro. O detector mais simples é do tipo médio de meia onda, que nos diz pouco sobre o sinal e pode ocultar uma excursão significativa de tensão no meio ciclo não detectado.

No outro extremo da escala de complexidade está o detector "true-RMS", rotulado como 'true' para distingui-lo de um detector médio cujo ganho foi ajustado para ler o valor RMS de um sinal de onda, mas não de todos os outros. Isso é bom se você quiser saber o valor RMS do sinal, mas o único dispositivo com preço razoável é o AD736, que é limitado a 200 kHz, enquanto o amplificador funciona até 1 MHz e além.

O terceiro tipo de detector é o detector de pico de onda completa e pode ser construído a um preço razoável. É muito frequente que o valor de pico de um sinal precise ser medido, pois pode indicar que algo na cadeia do sinal está sobrecarregado e com pico cortado. Também é fácil encontrar o valor RMS de um sinal de onda senoidal (mesmo com distorção de até 10%) dividindo o valor de pico por 1,4 ou multiplicando por 0,7, desde que a forma de onda não seja significativamente cortada. Isso é facilmente organizado porque requer a ativação de um atenuador de 3 dB.