Medidas precisas: limitações básicas
Medidas precisas: limitações básicasData de publicação: 10-12-2025 🕒 8 min de leitura
Este e os próximos dois artigos contêm informações extremamente importantes para qualquer pessoa que esteja, mesmo que um pouco, interessada em medições precisas. Estas não são diretrizes para designers. Esta é uma apresentação de ciência popular, tão acessível quanto possível, dos principais fatores que limitam a precisão.
Piotr Górecki – divulgador de eletrônica. Atualmente publica sua própria revista "Entendendo a Eletrônica". Anteriormente, por muitos anos, foi o Editor-Chefe de uma revista polonesa popular (Eletrônica para Todos). Ele também é autor de centenas de artigos e projetos educacionais. Até 1993, trabalhou na indústria de telecomunicações.
Este artigo é o quinto de uma série sobre medição e precisão de medição. A série começou com material introdutório contido no artigo Precisão e faixa de medição em eletrônica. Nos artigos subsequentes, discutimos várias questões relacionadas à precisão. Entre outras coisas, foi afirmado que frequência e tempo podem ser medidos com uma precisão ou, melhor dizendo, incerteza, muito melhor do que 10-12, ou seja, 0.000001 ppm = 0.0000000001%. Enquanto isso, tensão e resistência podem ser medidas em laboratório com uma precisão (incerteza) ligeiramente melhor do que 10-9, em outras palavras, 0.001 ppm, ou 0.0000001%.
Questões muito importantes são: As medições podem ser feitas com ainda mais precisão? Os limites definidos pelas possibilidades técnicas atualmente disponíveis? O progresso técnico permitirá que esses limites sejam empurrados cada vez mais para longe, possibilitando medições cada vez mais precisas? Ou já alcançamos limites intransponíveis determinados por leis físicas fundamentais, tornando o progresso futuro impossível ou muito limitado? Isso, no entanto, diz respeito apenas aos melhores laboratórios e ao melhor, mais caro equipamento profissional.
E quanto aos hobbistas? Com que precisão máxima um hobbista moderno, moderadamente rico, pode medir?
No artigo Precisão e exatidão na prática do hobbista, indicamos que na vasta maioria dos casos, um entusiasta da eletrônica não precisa medir com uma precisão maior do que 1%. Normalmente, eles não precisam, mas, em primeiro lugar, em certos casos, medições mais precisas são necessárias. Em segundo lugar, muitos de nós simplesmente gostaríamos de medir tudo o mais precisamente possível. Em terceiro lugar, com a ampla disponibilidade de mercado hoje, cada vez mais pessoas estão interessadas na precisão real de seus instrumentos de medição, especialmente multímetros. Cada vez mais, as pessoas prestam atenção não à aparência atraente de um multímetro, mas a seus parâmetros, incluindo precisão. Queremos comprar medidores com parâmetros técnicos realmente bons e, mais importante: queremos verificar a precisão dos medidores que possuímos.
Dentro da iniciativa Entendendo a Eletrônica, abordaremos essas questões da maneira mais prática possível. Portanto, os artigos mostram as capacidades e limitações de vários medidores. No entanto, neste artigo e nos relacionados, discutiremos as principais limitações de precisão que ocorrem em condições de oficina, especialmente amadoras.
Muitos entusiastas da eletrônica gostariam de realizar as medições mais precisas possíveis. E isso é possível! Possível, mas sob certas condições: deve-se entender as causas e fontes de erros e incertezas para eliminá-los. Aqui estão os detalhes mais importantes.
Limitações de precisão econômica
Observamos preliminarmente que a limitação básica na prática é o preço. Simplificando, um bom medidor preciso deve conter componentes de alta qualidade. Isso não pode ser dito sobre medidores que custam algumas dezenas de zlotys de marcas desconhecidas.
Um multímetro moderno é essencialmente um voltímetro DC (mili)volt, que, com a participação de vários circuitos auxiliares: divisores, amplificadores, conversores, mede uma ampla gama não apenas de tensão e corrente DC, mas também (graças a circuitos adicionais) tensão e corrente AC, resistência e capacitância. Portanto, a precisão de um multímetro depende em grande parte, antes de tudo, do voltímetro (mili)volt empregado. Este milivoltmeter é uma espécie de conversor analógico-digital (ADC), que coopera com uma fonte de tensão de referência.
Nos medidores mais baratos, um circuito integrado ICL7106 ou um relacionado é frequentemente ainda utilizado, onde a fonte de tensão de referência está embutida no CI. Medidores melhores usam vários outros voltímetros integrados (mili). Alguns têm a fonte de tensão de referência embutida no CI do ADC, em outros há um ADC separado e uma fonte de tensão de referência separada.
Foto 1
A Foto 1 mostra quase todos os componentes eletrônicos de um multímetro de orçamento (custo cerca de 100 PLN), que, além do processador especializado (sob a resina preta) e memória 24C02A, contém uma fonte de tensão de referência ICL8069.
Simplificando, quanto maior a precisão exigida, melhor e mais caro devem ser tanto o ADC quanto a fonte de tensão de referência. Hoje, conversores integrados de 24 bits ou até 32 bits (Figura 2) estão prontamente disponíveis. Claro, eles são bastante caros – os melhores custam tanto quanto todo o medidor mostrado na Foto 1 e também não são perfeitos, com seus principais problemas sendo linearidade imperfeita e ruído.
Figura 2
As fontes de tensão de referência mais baratas podem ser compradas por um zloty ou até menos, enquanto o melhor IC de referência de tensão integrado atualmente produzido em série LTZ1000 custa várias centenas de zlotys no varejo. Para permitir que o milivoltmeter integrado meça em várias faixas, são necessários divisores e shunts—resistores. Resistores "de precisão" populares são ridiculamente baratos, especialmente nas versões SMD. No entanto, os melhores resistores produzidos em série (os herméticos de metal-folha) custam várias centenas de zlotys cada. Os multímetros mais precisos contêm muitos desses resistores caros, o que já explica o que constitui o preço de tais instrumentos, que frequentemente chega a vários milhares de dólares.
Um multímetro também deve conter outros circuitos, como conversores ou amplificadores. Um componente essencial é um conversor para formas de onda AC para DC. Anteriormente, isso era chamado de "retificador", e em multímetros baratos, retificadores simples, muitas vezes retificadores ativos, ainda são usados. Em casos extremos, tais soluções primitivas tornam impossível medir correntes AC.
Às vezes, um retificador ativo pode ser construído a partir de um barato amplificador operacional LM358. Surpreendentemente, isso fornece parâmetros bastante bons para uma solução tão barata. Infelizmente, tais retificadores de média não medem corretamente formas de onda distorcidas, mas apenas ondas senoidais; portanto, medidores melhores usam vários conversores True RMS. Conversores mais baratos e mais caros dependendo da precisão e faixa de frequência.
As informações fornecidas sinalizam que não existem multímetros ideais. Aqueles próximos do ideal são terrivelmente caros, e todos os outros são o resultado de inúmeros compromissos que, entre outras coisas, limitam a precisão. No entanto, há boas notícias: um hobbista modesto contemporâneo pode medir com grande precisão, mas deve ter o conhecimento apropriado, principalmente sobre limitações. Então, eles podem aproveitar ao máximo o que está disponível para eles e evitar armadilhas resultantes de suposições equivocadas.
A tolerância é a mais importante?
Os menos informados consideram a tolerância como o problema mais importante—ou seja, aproximadamente a máxima variação permitida em relação ao valor nominal. Isso diz respeito principalmente a resistores.
Existem muitos resistores em medidores. Na prática, nenhum deles tem um valor nominal indicado na carcaça, o que indubitavelmente afeta a precisão do medidor. A fonte de tensão de referência também tem alguma tolerância não zero. Variações relacionadas à tolerância também podem ser encontradas em outros circuitos do medidor.
Ao mesmo tempo, a noção de que a tolerância dos componentes é a causa fundamental da baixa precisão dos instrumentos de medição está completamente errada! O problema da tolerância poderia ser eliminado completamente! Por exemplo, complicando o circuito e adicionando elementos de correção, no caso mais simples, potenciômetros ajustáveis. Eles também foram usados em medidores baratos. Um exemplo está na Foto 3, onde um multímetro antigo mostra cinco trimmers. A presença de tais circuitos de correção, é claro, eleva o preço do instrumento. Parece que quanto mais potenciômetros assim, maior a precisão que pode ser obtida em várias faixas e funções. Anteriormente, tais conclusões eram corretas.
Foto 3
Anteriormente sim, mas hoje definitivamente não! É preciso saber que outros métodos de correção são utilizados hoje, que praticamente não aumentam o custo, pelo menos o custo dos materiais. Em multímetros modernos, não há potenciômetros de ajuste—como na anterior Foto 1, onde as informações de correção são armazenadas na memória Flash 24C02. Isso é muito bom, não apenas por causa dos custos dos componentes. Em tais medidores, o problema da tolerância poderia ser completamente removido digitalmente.
Medidores melhores contêm um ADC e um microprocessador clássico, ou seu CI principal é um microprocessador especializado com um ADC preciso e vários circuitos auxiliares, incluindo um conversor True RMS embutido. O mais importante, os dados digitais do ADC, antes de serem enviados ao display, são processados pelo programa do microprocessador. Após a produção, tensões e correntes de referência podem ser aplicadas a suas entradas para realizar e introduzir uma correção de software para que o display mostre resultados corretos. Da mesma forma, os resultados da medição de resistência resistência, capacitância e possivelmente outras quantidades podem ser corrigidos.
A correção de software pode ajustar as indicações em todas as faixas e funções do multímetro, o que permite eliminar completamente o efeito da tolerância dos componentes no sistema.
Claro, isso requer tempo e equipamentos apropriados. Em termos de hardware, o medidor é então muito menos complicado, mas o custo da calibração demorada e do equipamento necessário é adicionado. Portanto, na prática, devido aos custos de trabalho e tempo, a calibração de software em instrumentos mais baratos não é completa, mas, digamos, realizada apenas em algumas faixas.
De qualquer forma, a calibração de software completa poderia eliminar completamente o problema da tolerância, ou seja, a variação de parâmetros entre unidades individuais. Poderia, mas isso não resolve absolutamente os problemas de precisão mais importantes dos medidores.
Problema sério – estabilidade térmica
Alguns entusiastas da eletrônica um pouco mais experientes sabem que a temperatura afeta significativamente os parâmetros de praticamente todos os componentes eletrônicos. Isso inclui resistores, capacitores, e fontes de tensão de referência. Eles também sabem que essas mudanças são repetíveis, caracterizadas por parâmetros chamados coeficientes térmicos (de resistência, capacitância, tensão), expressos em porcentagem ou partes por milhão por grau Celsius (%/°C, ppm/°C).
Aqui, deve-se lembrar que 1 ppm é 0.0001%, portanto aparentemente muito pequeno. Em artigos anteriores, observamos que os melhores multímetros medem tensões DC e resistências com precisão, ou melhor dizendo, incerteza, da ordem de precisamente 1 ppm (10^-6).
Uma ideia preliminar de quão difícil isso é de alcançar é fornecida pelos resistores. É bem sabido que os populares resistores de tolerância de 1% (±1%), muitas vezes chamados de precisão, geralmente têm um coeficiente de temperatura de resistência (TCR) de até 100 ppm/°C, mais precisamente ±100 ppm/°C. O efeito da temperatura não pode ser ignorado se quisermos medir o mais precisamente possível em uma faixa de temperatura, digamos de +15 °C a pelo menos +30 °C—que pode ser a temperatura interna extrema em que as medições são feitas. Em condições de campo, a temperatura ambiente pode estar abaixo de zero! Então, a faixa de mudança de temperatura esperada será de mais de 30 graus! Um resistor "de precisão" com TCR = 100 ppm/°C mudará sua resistência em 1500 ppm ou 0.15% ao longo de uma mudança de 15 graus Celsius.
Lembre-se de que um medidor de 4,5 dígitos (0...19999) tem uma resolução de 0.005%, ou 50 ppm. Se este multímetro usasse resistores "de precisão" com TCR = ±100 ppm/°C, então as mudanças de temperatura mencionadas poderiam deslocar as leituras em ±1500 ppm, ou seja, ±0.15%. Isso significa destruir a precisão mesmo que o instrumento tenha sido calibrado após a produção.
Já está claro que para medições verdadeiramente precisas são necessários resistores significativamente melhores. Como uma primeira aproximação, o coeficiente térmico TCR dos melhores e mais caros resistores pode ser assumido como cerca de 1 ppm/°C. Catálogos listam resistores com valores de TCR ainda melhores, até 0.2 ppm/°C ou até menos.
Deve-se lembrar, no entanto, que o coeficiente TCR não é a questão mais importante de todas. Em primeiro lugar, o coeficiente térmico, mesmo em forma polinomial, poderia ser levado em conta e sua influência eliminada realizando a calibração programática do instrumento em diferentes temperaturas. Com os meios técnicos modernos, isso está disponível até para amadores e às vezes é utilizado por eles.
Em segundo lugar, o problema da influência da temperatura poderia ser eliminado colocando o instrumento em um termostato realmente bom. Muitos instrumentos de medição de laboratório usam termostatos. Alguns estabilizam a temperatura até centésimos de grau Celsius. Hobbistas também podem construir termostatos eficazes e precisos.
No entanto, mesmo a eliminação eficaz das mudanças de temperatura ambiente não resolve a questão de medições realmente precisas e sua confiabilidade. Nem a tolerância nem a influência da temperatura são os maiores problemas. Estes são problemas elementares, pelo menos aproximadamente conhecidos pela maioria dos entusiastas da eletrônica. Para medições verdadeiramente precisas, outros problemas têm uma importância prática muito maior. Começaremos a discuti-los no próximo artigo. ©
Piotr Górecki
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