ENTRADAS ANALÓGICAS CONVERSOR A/D

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1 PRINCÍPIOS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ENTRADAS ANALÓGICAS CONVERSOR A/D Prof. Valmir PAI Sinais Analógicos O CLP: ENTRADAS E SAÍDAS Um valor analógico é continuo, não discreto, como visto na figura. Estes sistemas são menos comuns que os sistemas controlados logicamente, mas são muito importantes. Vo ltage logical continuous t PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 1

2 CONVERSOR A/D Para entrar com uma tensão analógica (em um CLP ou qualquer outro computador) o valor da tensão continua precisa ser amostrado e então convertido para um valor numérico por meio de um conversor A/D CONVERSOR A/D Voltage is sampled during these time periods A figura ao lado mostra uma tensão contínua variando no tempo. São feitas três amostras exibidas na figura. voltage time T = (Sampling Frequency) -1 Sampling time O processo de amostragem de dados não é instantâneo, pois cada amostra possui um tempo de partida e parada. O tempo desejado para adquirir a amostra é chamado tempo de amostragem. Conversores A/D podem somente adquirir um limitado número de amostras por segundo. O tempo entre as amostras é chamado período de amostragem, T, e o seu inverso é a frequência de amostragem (também chamada taxa de amostragem) PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 2

3 CONVERSOR A/D O tempo de amostragem (sampling time) é frequentemente muito menor do que o período de amostragem. A frequência de amostragem é especificada quando da aquisição do hardware, mas para um CLP pode chegar a um máximo de 20 Hz, por exemplo CONVERSOR A/D A figura apresenta um gráfico mais realista de dado amostrado. Este dado é ruidoso, e mesmo entre o início e término da amostra existe uma alteração significativa no valor da tensão. Vt 2 Vt 1 Vt V ma x V min V(t) = tensão real = intervalo de amostra para o conversor A/D t = tempo t 1, t 2 = tempo no inicio e final da amostra V(t 1 ), V(t 2 ) = tensão no início e final da amostra V min, V max = faixa de tensão de entrada do conversor A/D N = número de bits do conversor A/D t t 1 t 2 O dado amostrado terá algum valor entre amplitude de tensão no início V(t 1 ) e final da amostra V(t 2 ) PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 3

4 CONVERSOR A/D As tensões máximas (V max ) e mínimas (V min ) são uma função do controle implementado e são especificadas quando se adquire o hardware. Faixas razoáveis são: 0V a 5V 0V a 10V -5V a 5V -10V a 10V O número de bits do conversor A/D é definido como sendo o número de bits existente na palavra resultante. Se o conversor A/D possui 8 bits então o resultado pode chegar a 256 níveis diferentes de tensão. A maior parte dos conversores A/D de 12 bits e 16 bits são usados em medições de precisão. Os parâmetros definidos na figura podem ser usados para calcular os valores para os conversores A/D CONVERSOR A/D onde, R, R min, R max = resolução, absoluta e relativa,do conversor A/D V I = valor inteiro representando a tensão de entrada V C = tensão calculada a partir do valor inteiro V error = erro máximo de quantização PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 4

5 CONVERSOR A/D A equação (1) relaciona o número de bits do conversor A/D com a resolução. Em uma conversão normal, o valor mínimo, R min, é zero, entretanto alguns dispositivos irão fornecer números negativos em complemento de 2 para tensões negativas. A equação (2) fornece o erro que se pode esperar com um conversor A/D dada a faixa entre as tensões mínima e máxima, e a resolução (que é chamado de erro de quantização). A equação (3) relaciona a faixa de tensão e a resolução para a tensão de entrada para estimar o inteiro que o conversor A/D irá registrar. Finalmente, a equação (4) aloca uma conversão entre o valor inteiro do conversor A/D, e a tensão no computador. Exemplo: Considere que um conversor A/D de 10 bits pode ler tensões entre -10V e +10V. A sua tensão de entrada é V in = 4,564 V. Calcular R, V error, V I e V C CONVERSOR A/D Exemplo: Considere que um conversor A/D de 10 bits pode ler tensões entre -10V e +10V. A sua tensão de entrada é V in = 4,564 V. Calcular R, V error, V I e V C. Solução: Dados: Calcula-se: PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 5

6 CONVERSOR A/D Exemplo: Considere que um conversor A/D de 10 bits pode ler tensões entre -10V e +10V. A sua tensão de entrada é V in = 4,564 V. Calcular R, V error, V I e V C. Comentários: Resulta em uma resolução de 1024, onde 0 é -10V e 1023 é +10V. Como existem somente 1024 degraus, ocorre um erro máximo de ±9,8mV. Se uma tensão de 4,564V é alimentada no CLP, o conversor A/D converte a tensão para um valor inteiro de 745. Quando converte-se novamente este valor para uma tensão, esta resulta em 4,565V. O erro de quantização resultante é de 4,565V 4,564V = +0,001V. Este erro pode ser reduzido selecionando-se um conversor A/D com maior número de bits. Cada bit reduz pela metade o erro de quantização Sensores de Posição Ex. 4: Um braço robô gira 120 o ao todo e utiliza um potenciômetro como sensor de posição. O controlador baseia-se num sistema digital de 8 bits de entrada e necessita conhecer a posição real do braço dentro de uma faixa de 0,5 o. Analise a operação. (a) Hardware setup (b) Sensor circuit PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 6

7 Sensores de Posição Ex. 4: Solução Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL Os sistemas de numeração são uma invenção humana Dentre os sistemas destacam-se: de numeração inventados, O decimal; O binário; O octal; e O hexadecimal. O mais importante no dia-a-dia é o decimal, composto de dez algarismos (0,1,2,..8,9) Entretanto, na área de sistemas digitais e informática, os outros três sistemas de numeração citados, sobretudo o binário e extremamente importantes o hexadecimal, são PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 7

8 Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL bit - unidade mínima de informação com que os sistemas de informática trabalham Binary Digit BIT (0 1) Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL 1 Byte 8 bits 256 combinações possíveis No sistema binário (0 e 1), para determinar o número de combinações com n bits, basta calcular 2 n Exemplos: - 1 bit 2 1 =2 combinações possíveis (0 e 1) PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 8

9 Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL 2 bit 2 2 =4 combinações possíveis bit 2 3 =8 combinações possíveis Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL Conversão de decimal para binário Efetuar divisões sucessivas por 2 até se obter o quociente 1 Agrupar o último quociente e todos os restos da divisão encontrados por ordem inversa. Exemplo: 20 (10) = (2) O último quociente é o bit MSB (Most Significant Bit) O primeiro resto é o bit LSB (Least Significant Bit) PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 9

10 Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL Conversão de binário para decimal Começando a ler o número da direita para a esquerda: - Primeiro dígito representa a potência de base 2 e expoente 0; - Segundo dígito representa a potência de base 2 e expoente 1; - Terceiro dígito representa a potência de base 2 e expoente 2; - n ésimo dígito representa a potência de base 2 e expoente n-1; Somar as multiplicações parciais efetuadas entre o dígito e a potência a ele atribuída Apêndice A SISTEMAS DE NUMERAÇÃO BINÁRIA E DECIMAL Conversão de binário para decimal Exemplo: (2) = 20 (10) 1 x x x x x = 20 (10) PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 10

11 Conversão Decimal Fracionário - Binário Um número decimal fracionário pode ser decomposto em uma parte inteira e um parte fracionária Exemplo: 8,375 = 8 + 0,375 Procedimento: Decompõe-se o número em parte inteira e fracionária Converte-se a parte inteira utilizando divisões sucessivas (já visto) Converte-se a parte fracionária utilizando multiplicações sucessivas 8 / / / Logo, 8 10 = ,375 x 2 0,750 x 2 1,500 Apêndice A Multiplicações Sucessivas 0,500 x 2 1,000 Logo, 0, =0,011 2 Assim, ,011 2 =1000, UNIDADE MÍNIMA DE INFORMAÇÃO Binary Digit BIT 0 1 Apêndice A 1 byte - 8 bits 1 Kbyte bytes 1 Mbyte Kbytes 1 Gbyte Mbytes 1 Tbyte Gbytes PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 11

12 Controladores Programáveis de Pequeno Porte CLP TPW Controladores Programáveis de Pequeno Porte Os Controladores Programáveis TPW-03 WEG caracterizam-se pelo seu tamanho compacto e excelente relação custo-benefício, sendo, sobretudo, equipamentos idealizados para aplicações de pequeno e médio porte em tarefas de intertravamento, temporização, contagem e operação matemáticas. Substituem com vantagens contatores auxiliares, temporizadores e contadores eletromecânicos, reduzindo o espaço necessário e facilitando significativamente as atividades de manutenção PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 12

13 Controladores Programáveis de Pequeno Porte Principais características Unidades básicas com 20, 30, 40 e 60 pontos de E/S (I/O) - todos com capacidade de expansão analógicae digital. Unidades de expansão com 16 e 32 pontos de E/S digitais e 2 e 4 pontos analógicos. Configurável até 124 pontos de E/S digitais e 10 pontos de E/S analógicas. Saídas digitais a relé (2 A) e transistor (0,3 A) Relógio de tempo real incorporado no modelo H. Entradas Rápidas até 100 KHz; Saída trem de pulso e PWM; Função PID; Memória de programa 8K e 16K (passos); Comunicação com IHM s inteligentes (linha PWS) através do protocolo Modbus/TPW-03; Controladores Programáveis de Pequeno Porte Descrição do Hardware PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 13

14 Controladores Programáveis de Pequeno Porte Unidades básicas PAI14s1_Ap12_entradas_analogicas.ppt 14