Sistema seletor através de botão

Hugo Thomás Mendes · 3 de junho de 2019

Saudações a todos!

Tenho uma dúvida sobre um circuito seletor envolvendo sinais analógicos. Seguinte: foi pedido que seja criada uma caixinha com (além dos borns de alimentação) duas entradas de sinal analógico (E1 e E2) e dois borns para a medição de sinais de saída (OUT1 e OUT2). A questão é: os sinais de saída podem ser E1 + E2 (OUT1), E1 - E2 (OUT1), E1*2 (OUT1), E1 + E2 (OUT1 - sendo agora E2 um sinal DC) e E2 * 4 (OUT2). Até aí beleza, todos os circuitos (soma, subtração, soma de offset e multiplicação) já estão feitos com amplificadores operacionais, funcionando para senoides, ondas quadradas e triangulares. O problema, no entanto, se refere à saída OUT1, que pode contar com diversos sinais, a depender da função desejada, fazendo-se necessário um método seletor. O sistema de seleção poderia ser puramente mecânico, através de chaves, mas acontece todo aquele problema de precisar desligar uma chave S1 (cuja saída é a soma) para poder ligar a chave S2 (cuja saída é o sinal resultante da subtração), o que fica bem chatinho. Pensei, então, em utilizar um único botão, e um sistema de 4 estados, através de flip-flop tipo D e portas lógicas AND (vejam a figura 1). Não há erros nesse sistema, a seleção ocorre perfeitamente.

Agora vem o problema: coloquei a saída da porta lógica (que varia em torno de 5V) para alimentar o gate de um MOSFET, fazendo-o funcionar como chave (alternando entre as regiões de corte e triodo). Na source, coloquei o sinal que sai do amplificador somador e, no drain, a minha OUT1 (conforme figura 1). O mesmo se repetiu para o sinal do subtrator, do multiplicador e do somador de offset, todos enviados à mesma OUT_1.

Na minha lógica (que deve estar errada), Quando os FF-D estiverem no estado 00, a porta com entradas nA e nB terá saída ativa, colocando o MOSFET 1 em triodo (condução). Enquanto isso, todas as outras portas lógicas estariam em estado baixo, com seus respectivos FETs em corte; isso faria com que OUT_1 recebesse o sinal OUT_SOMADOR, e somente ele. O mesmo valeria para 01 com sinal do subtrator, 10 e sinal do somador de offset, e 11 com sinal do multiplicador. Até o ponto da colocação do FET em estado de triodo, tá dando certo, mas olhem agora o que segue. A imagem 2 mostra os sinais num osciloscópio quando em estado triodo: os canais 1 e 2 mostram os sinais de entrada (senoides de amplitude 2V e 1V), o canal 3 mostra a saída OUT_1 e o canal 4 mostra a saída OUT_SOMADOR (a que eu quero que apareça em OUT_1).

A imagem 3 mostra os mesmos sinais, agora com o MOSFET em estado de corte.

Há os seguintes questionamentos, portanto:

Por que na imagem 2, a parte negativa da onda é somada com perfeição, mas a parte positiva sofre esse gigante achatamento em +1V?
Por que o FET, na imagem 3, permite condução (em menor proporção), mesmo com o sinal injetado no Gate em 0V?

O que foi mostrado acima é o resultado observado somente com acoplamento do circuito SOMADOR a OUT_1. Quando acoplado o subtrator, somador de offset e multiplicador, as ondas adquirem formatos ainda mais loucos, sendo que o único que funciona razoavelmente acaba sendo o subtrator, ainda que com erro. Nesse caso, creio que o que está acontecendo é que, justamente por haver condução quando os FETs estão em corte, os sinais que eu queria na saída estão sofrendo interferência daqueles que eu não desejo, gerando uma onda com formas não-senoidais.

Adorarei caso as perguntas sejam respondidas, mas meu questionamento principal é se há alguma maneira de fazer esse seletor de sinais analógicos sem usar chaves mecânicas (switch on-off ou relé), usando transistores como chaves, ou se a queda de tensão gerada pela junção fonte-dreno (ou coletor-emissor) acaba tornando essa uma tarefa um tanto mais árdua. Se alguém puder ajudar com esse sistema de seleção, ficarei muito grato.

Desde já agradecido!

Hugo

aphawk · 3 de junho de 2019

@Hugo Thomás Mendes ,

Bom, me pareceu meio complicado

mas .... vou dar uns palpites:

1 - Usar um Mosfet como chave série não vai dar certo : precisa de um Vgs minimo para haver condução.

2 - Esqueceu do diodo interno entre dreno e source ?

3 - Olha o CD4066 e veja se resolve.

Paulo

MOR_AL · 3 de junho de 2019

@Hugo Thomás Mendes

Bom.

1- Você tem 5 possíveis saídas em sua postagem, então precisaria de pelo menos três flip-flops, mas vai complicar, coloque um circuito integrado apropriado para tal, que é mais fácil.

1 hora atrás, Hugo Thomás Mendes disse:

os sinais de saída podem ser

E1 + E2 (OUT1),

E1 - E2 (OUT1),

E1*2 (OUT1),

E1 + E2 (OUT1 - sendo agora E2 um sinal DC)

e E2 * 4 (OUT2)

2 - Mosfet como chave só em condições controladas, como no CD4066, mencionado pelo Paulo.

Procure ver o manual da National Semiconductor do CD4066BC. Lá tem o circuito de uma das chaves. Ele possui três inversores e 5 mosfets.

3 - O mosfet que você colocou em seu circuito não funciona como chave.

Quando o gate estiver em '0', o source vai estar em '0'.

Quando o gate estiver em '1', o source vai estar em '1' se o dreno tiver tensão positiva e com nível 1 e o source com resistor a terra.

Para sinal analógico no gate, o ganho de tensão do gate para o source é igual ou menor que 1 (é o circuito dreno comum), desde que o dreno possua tensão superior ao gate e o source possua um resistor a terra.

MOR_AL

Renato.88 · 3 de junho de 2019

Se tratando de sinais analógicos (de baixa intensidade) o caminho é justamente o 4066 que já foi sugerido.

Quanto ao circuito do seletor, esquece esses flip flop e cogite contadores binários prontos.

Eu não entendi muito bem como deve ser a seleção das entradas e saídas.

Mas um contador binário puro como o 4024 ou um binário decimal como o 4017 deve servir.

Estude as tabelas verdades deles e veja qual é o melhor.

Talvez alguma porta lógica deva ser adicionada nas saídas, mas nada complicado.

.if · 3 de junho de 2019

Não li o tópico com profundidade pra ver se já possui mas tarde d+ pra preencher requisitos como área disponível, consumo do sistema e etc...

Ci de chave analógica era resposta óbvia d+. Caso você não possua nenhum aí no seu gaveteiro ou em alguma sucatinha ou só tenha smd difícil de soldar, há a possibilidade de você possuir alguns relés e obviamente alguns bc548. Assim sendo chavear com os relés n.a. e n.f. é uma alternativa minimamente curiosa pra quem tá com prazo apertado, não tem o ci, tem alguma criatividade, só quer se livrar da matéria/professor e etc.

Renato.88 · 3 de junho de 2019

4 horas atrás, Isadora Ferraz disse:

Ci de chave analógica era resposta óbvia d+. Caso você não possua nenhum

Aliás, eu ia mencionar no outro post, mas esqueci.

Já fiz chaveamento de áudio com BC548 e resistores.

Na entrada do amplificador operacional coloco um resistor, pode ser entre 1 e 10K (afinal é alta impedância que será amplificada)

Na frente do resistor coloquei o coletor do transistor com o emissor para o terra.

A ideia é acionar a base e adeus sinal, já que teremos um curto.

Isso é muito utilizado nos circuitos de mute de aparelhos comerciais.

Pode ser que não sirva ao autor do tópico, mas é uma ideia diferente.

.if · 3 de junho de 2019

Excelentíssima ideia do Exmo colega@Renato.88... a mais minimalista e bem rica entre pobres. Se entendi bem, a ideia é usar um npn pra "matar" todos os sinais exceto aquele que quero que saia. Se sentir vontade ilustrar, o Ilmo colega poderá fazê-lo.

Renato.88 · 3 de junho de 2019

1 hora atrás, Isadora Ferraz disse:

Se entendi bem, a ideia é usar um npn pra "matar" todos os sinais exceto aquele que quero que saia.

Exatamente.

Podemos usar vários transistores controlados pelos flip flops.

Resistores e capacitores desacoplam o sinal é descartam o curto causado pelos transistores das entradas que não são usadas.

aphawk · 3 de junho de 2019

@Isadora Ferraz ,

Não vai dar certo.

São circuitos onde qualquer nível DC “mata” o resultado na saída. Tem de ter algum elemento série .... fora o fato de que pode existir tensão negativa ( amp ops ! ) .

A solução CD4066 é de quase 40 anos atrás ... hoje tem chaves analógicas da Maxim que tem características com as quais nem sonhamos um dia .... impedância de miliohms, voltagens acima de 20 Volts, casamento entre as chaves a nivel de 0,1% , ficou tudo bem mais fácil !

Paulo

.if · 3 de junho de 2019

É isso aí Paulão. Mas a ideia é sim matar o sinais mas não matar o que quero .. só deixar ele "agonizando", entende? Se não, olha este "desenho"...

sinal1-----[10K]--+--[10k]---+
                  |          |
____            |/           |
hab1-----[10k]--| bc548      |  ...1=inibe, 0=habilita
                |>           |
                  |          |
                 ---         |
                  -          |
                             |
sinal2-----[10K]--+--[10k]---o---[saída]
                  |          |
____            |/           |
hab2-----[10k]--| bc548      |  ...1=inibe, 0=habilita
                |>           |
                  |          |
                 ---         |
                  -          |
                             |
sinal3-----[10K]--+--[10k]---+
                  |          |
____            |/           |
hab3-----[10k]--| bc548      |  ...1=inibe, 0=habilita
                |>           |
                  |          |
                 ---         .
                  -          .
                             .
...                          .

Sim as impedâncias 10K devem atenuar (e agonizar) o sinal mas de toda a forma os estágios posteriores geralmente tem ampop ou algum tratamento de sinal mesmo.

Só pra constar, a ideia não é resolver o problema do garoto. Trata-se apenas de um exercício mental conceitual alternativo. Vai que alguém usa a máquina do tempo e volta 41 anos atrás quando não havia 4066 e precisa chavear sinais... E "viva a sociedade alternativa!" kk.

Hugo Thomás Mendes · 4 de junho de 2019

Muito obrigado a todos!

A sugestão do 4066 foi em ótima hora! Não conhecia o CI e tava quebrando cabeça tentando fazer na mão grande. Acatei imediatamente aos conselhos, modifiquei meu circuito e já estou com o 4066 em mãos.

Novamente, agradeço imensamente a vocês!

Hugo

aphawk · 4 de junho de 2019

@Hugo Thomás Mendes ,

Opa, boa sorte !

Mas tome cuidado se estiver usando sinais positivos e negativos, leia o datasheet com atenção

Paulo

MOR_AL · 4 de junho de 2019

18 horas atrás, Hugo Thomás Mendes disse:

Muito obrigado a todos!

A sugestão do 4066 foi em ótima hora! Não conhecia o CI e tava quebrando cabeça tentando fazer na mão grande. Acatei imediatamente aos conselhos, modifiquei meu circuito e já estou com o 4066 em mãos.

Novamente, agradeço imensamente a vocês!

Hugo

Puxa!!!

Fiquei satisfeito com sua decisão. Isso é uma excelente característica sua.

Poucos que procuram auxílio, acatam as sugestões apresentadas. Ela me incentiva a responder, pois não é bom, quando observamos que o autor do tópico resiste às mudanças.

Parabéns.

MOR_AL

Hugo Thomás Mendes · 12 de junho de 2019

Gente, perdoa reviver o tópico, mas infelizmente algumas coisinhas pontuais acabaram complicando a execução do circuito e queria novamente ter o apoio de vocês, se possível. Então, conforme suas sugestões, utilizei em meu circuito um CI de chaves analógicas. Ao invés do 4066, utilizei o 4051 porque precisava de 5 entradas, mas, excetuando a resistência das chaves (que é bem maior), os CIs são bastante semelhantes. Na simulação, seu funcionamento se deu perfeito, assim como tinha acontecido com o 4066.

Pra minha surpresa, também não foi difícil obter resultados satisfatórios na montagem do circuito. Compensei a queda de tensão na chave através de um buffer e o circuito ficou conforme desejado... até que alimentei uma das entradas com tensão negativa, pois, uma vez que amplificarei senóides, haverá eventuais entradas desse tipo. Eu esperava que a saída da chave fosse também negativa, conforme entrada, mas não foi. Na verdade, o que era para ser -6V ficou como +6V.

Vale pontuar aqui que a chave está sendo alimentada com fonte simétrica (-8V em Vee e +8V em Vdd), confirme sugerido pelo datasheet e sites os quais visitei. Eu realmente não entendo onde pode estar o erro.

Vocês poderiam me dar uma luz? Faz sentidos que a chave, mesmo com alimentação simétrica (e Vss em 0V) não conduza o sinal negativo? CIs de chaves analógicas apresentam essa restrição, ou há algum erro no meu circuito? Eu fui crente achando que funcionaria porque na simulação a chave transmite a onda inteira, não somente a parte positiva, mas não deu certo.

.if · 12 de junho de 2019

Permita-me...

estas chaves não se dão muito bem com sinais de alta amplitude e obviamente de potência alta, nem pensar.

você alimentou tanto o vee como o vss com -V? Ah só o vee. Talvez tenha que ser ambos. Já fiz isso mas não lembro e não estou com o circuito aqui e agora. A qualquer momento verifico...

aphawk · 12 de junho de 2019

@Hugo Thomás Mendes ,

Nunca ví usarem o CD4051 com tensão negativa .... embora você ache que são semelhantes, eles tem diferenças fundamentais nas estruturas.

Na simulação creio que você não ligou todas as fontes de tensão negativas e positivas para testar a parte digital junto com a parte analógica.

Paulo

Hugo Thomás Mendes · 12 de junho de 2019

Oi, Isadora!

Quanto à amplitude, é informado no datasheet que a amplitude máxima do sinal a ser chaveado é definida pelo Vdd + 0.5V. No caso, não inseri sinais que ultrapassassem o valor, e funcionou conforme verifica-se na teoria. O ruim mesmo foi só quando injetei sinal negativo. Agora, em um segundo teste, a saída está dando -1V, mas ainda não chega aos -6V esperados. Verifiquei se tá tudo aterrado direitinho, pra não criar grounds virtuais, e tá sim. Tentei também conectar tanto Vee quanto Vss ao -V, só que ele nem funciona quando nessa configuração. Vou continuar aqui, qualquer sugestão é bem-vinda!

Hugo Thomás Mendes · 13 de junho de 2019

@aphawk Cheguei a imaginar que fosse isso. Procurei chaves análogas à 4066 e acabei caindo no demux 4051. Foi uma burrice, pelo visto. Acho que vou voltar à opção do 4066 e testá-la, aí compro outra 4066 amanhã, caso funcione. Muito obrigado!

aphawk · 13 de junho de 2019

@Hugo Thomás Mendes ,

Eu dei uma pesquisada , e ví que algumas pessoas tiveram sucesso usando o 4051 ... mas a tensão aplicada na entrada era entre -5 e +5v e a alimentação era de +5 e -12V e usando um conversor de nível na entrada seletora, achei meio maluco mas enfim pesquise isso antes de trocar pelo 4066 .

Paulo

Renato.88 · 13 de junho de 2019

Outras opções de cis de Chaves analógicas são os 4052 e 4053.

São diferentes, mas podem ser utilizados.

O 4053 tem as entradas de alimentação VEE e Vss para fonte simétrica.

.if · 13 de junho de 2019

From d.s.

"For example, if VDD = +4.5 V, V SS = 0 V, and VEE = –13.5 V, analog signals from –13.5 V to +4.5 V can be controlled by digital inputs of 0 V to 5 V."

De fato tinha que funcionar. Ou tá bichado ou você colocou muita carga (baixa impedância) na saída. Apesar do símbolo, aquilo não é uma chave L/D. Ela tem alguns ohms de resistência, ou seja, é só pra sinal de baixa a baixíssima corrente (e tensão). Experimenta medir sem nada conectado nela...

Ah e prestenção nos sinais de seleção e habilitação: não podem ficar abertos. Defina 0 e 1 neles.

Publique seu esquema...

aphawk · 13 de junho de 2019

@Renato.88 ,

Eu também pensava que as fontes tinham de ser simétricas .... mas ontem achei vários posts pelo mundo de pessoas que conseguiram funcionar com tensões doidas tipo -5 e +12V.

O truque é adequar o nível da parte digital que faz a seleção do sinal desejado.

Paulo

Hugo Thomás Mendes · 15 de junho de 2019

e aí, gente! Muito obrigado novamente pelo apoio. Acabei usando chaves manuais mesmo, porque o tempo pra fazer o circuito tava curto e cês sabem como protoboard ama dar mau-contato, aí deixei o mais simplista possível. Consegui realizar o circuito, todos os Amp. Op. funcionaram perfeitinhos e a nota foi ótima.
Ainda assim, minha curiosidade sobre a aplicação do 4051 se manteve, então testei o CI (somente ele na placa), usando Arduino para as entradas seletoras digitais. E finalmente tive a oportunidade de ler a datasheet sem estar na correria.

Em 13/06/2019 às 09:10, aphawk disse:

mas ontem achei vários posts pelo mundo de pessoas que conseguiram funcionar com tensões doidas tipo -5 e +12V

Como dito aqui, o uso por aí de alimentações não-simétricas é super comum, justificado inclusive pelo trecho que @Isadora Ferraz transcreveu, do datasheet.

Em 13/06/2019 às 09:09, Isadora Ferraz disse:

"For example, if VDD = +4.5 V, V SS = 0 V, and VEE = –13.5 V, analog signals from –13.5 V to +4.5 V can be controlled by digital inputs of 0 V to 5 V."

No caso do CD4051, uma diferença entre Vdd e Vss de 3V consegue controlar sinais com (Vdd - Vee) de até 13V. Para ranges maiores que 13V, Vdd-Vss precisa ser maior que 4.5V, que é o caso transcrito acima. Pode-se dizer, então, que o circuito citado por @aphawk, funcionaria pra tensões entre -5V e +12V, com tensão de seleção entre 0V e +5V, caso Vss estivesse entre 0V e +7.5V. Baseado nessa leitura mais aprofundada, consegui fazer o circuito de seleção e, ainda que não tenha sido aplicado ao meu trabalho de laboratório, foi um aprendizado magnífico, e agradeço a vocês por isso!

Ter descoberto a existência dessa ferramenta que eu não tinha conhecimento prévio (a chave analógica) agregou um valor imenso a esse trabalho, graças a vocês! Ah, e como o trabalho tenha uma segunda etapa, montagem da PCI, quem sabe eu consiga aplicar esse chaveamento que a gente conversou!

Abraços e muito agradecido,

Hugo