Diagnóstico de ruído em um sinal de sensor industrial
Um sensor de corrente em uma planta industrial entrega sinal analógico de 0 a 5 V a um conversor A/D de 12 bits, com fundo de escala de 5 V e taxa de amostragem de 10 kHz. O sinal útil ocupa a faixa de 0 a 400 Hz. Leituras mostram oscilação de aproximadamente 40 mV em torno do valor médio, com componente visível de 60 Hz e harmônicos, além de picos esporádicos de origem eletromagnética. O engenheiro precisa decidir entre: (A) aumentar a resolução para 16 bits; (B) inserir filtro passa-baixa analógico antes do A/D com corte em 500 Hz; (C) aplicar média móvel de 8 amostras no firmware; (D) aumentar a taxa de amostragem para 100 kHz. O sistema tem restrição de custo e de latência: a resposta deve ficar abaixo de 5 ms.
1. Calcule o passo de quantização do A/D de 12 bits e compare com a amplitude do ruído observado, discutindo se aumentar a resolução resolveria o problema.
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Com fundo de escala de 5 V e 12 bits, o número de níveis é 2^12 = 4096. O passo de quantização é 5 V / 4096 ≈ 1,22 mV.
O ruído observado é de cerca de 40 mV, mais de 30 vezes o passo de quantização. Isso significa que o erro não é de quantização: é ruído analógico que entra antes do conversor. Aumentar para 16 bits reduziria o passo para cerca de 76 µV, mas o ruído de 40 mV continuaria presente e seria digitalizado com mais fidelidade, sem melhora na qualidade do sinal útil. Pior: a resolução extra seria desperdiçada, pois os bits inferiores ficariam dominados pelo ruído.
A conclusão é que a alternativa A não ataca a causa. O problema está na cadeia analógica - acoplamento de 60 Hz, blindagem inadequada e falta de filtragem anti-aliasing - e deve ser tratado antes do conversor, com filtro, aterramento adequado e cabeamento blindado.
2. Avalie as alternativas B, C e D quanto à eficácia contra o ruído e ao cumprimento do limite de latência de 5 ms, e recomende uma solução.
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B - filtro passa-baixa analógico em 500 Hz: remove a componente de 60 Hz? Não, pois 60 Hz está dentro da banda passante; mas atenua ruído de alta frequência e evita aliasing. Para o sinal útil de até 400 Hz, um corte em 500 Hz é apertado e pode atenuar o próprio sinal; seria melhor corte em torno de 800 Hz a 1 kHz, com filtro de ordem adequada. A latência de um filtro analógico é desprezível para 5 ms.
C - média móvel de 8 amostras a 10 kHz: a janela é de 0,8 ms, compatível com o limite de latência. A média funciona como filtro com zeros em múltiplos de 1,25 kHz, atenuando ruído de alta frequência, mas não elimina 60 Hz de forma confiável e não impede aliasing.
D - amostragem em 100 kHz: não reduz o ruído; apenas o espalha em banda mais larga. Aumenta custo e processamento sem ganho.
Recomendação: combinar B e C. Primeiro, melhorar a cadeia analógica (blindagem, aterramento, filtro anti-aliasing em cerca de 1 kHz); depois, aplicar média móvel no firmware para suavizar o resíduo. Para o componente de 60 Hz, usar filtro notch digital sintonizado, se a latência permitir. A alternativa A fica descartada como solução principal.