Trilha de aprendizado · Nível 11 · Tutorial 5

Tensão analógica com PWM filtrado

Ao concluir, o aluno será capaz de produzir uma tensão analógica aproximada com PWM e um filtro RC próprios, escolhendo um compromisso entre ondulação, velocidade de resposta e carregamento.

  • Nível: Intermediário
  • Duração: 20 min
  • 9 passos
Tensão analógica com PWM filtrado

O que você vai percorrer

  1. Do comando PWM à tensão média Calcule a tensão média ideal de um PWM e diferencie essa média dos pulsos presentes no pino. 2 min
  2. Onde aparece a tensão filtrada Identifique o nó de saída do filtro RC e diferencie o PWM do pino, a tensão suavizada no capacitor e o valor médio esperado. 2 min
  3. Escolha da frequência de corte e dos componentes Escolha um par RC com margem entre a variação útil lenta e os pulsos PWM rápidos. 2 min
  4. Menos ondulação ou resposta mais rápida? 2 min
  5. O efeito da carga e os limites da saída Avalie como uma carga afeta a tensão filtrada e reconheça quando usar isolamento. 2 min
  6. Monte o filtro no seu Uno R3 3 min
  7. Aplique comandos conhecidos ao filtro Execute um ensaio local com patamares PWM conhecidos e registre o código bruto do ADC após a acomodação inicial. 3 min
  8. Verifique a média sem esconder a ondulação Compare previsões e leituras, reconhecendo os limites de ADC, multímetro e osciloscópio para avaliar uma saída PWM filtrada. 3 min
  9. Escolha e justifique uma saída PWM filtrada Conclua um pequeno projeto de saída analógica aproximada com PWM filtrado, justificando comando, filtro, carga e medições. 2 min

O que você vai aprender

  • Estimar a tensão média para um ciclo de trabalho especificado.
  • Dimensionar um filtro RC para uma saída lentamente variável e de alta impedância.
  • Prever como mudanças no filtro afetam ondulação e tempo de resposta.
  • Verificar a saída em diferentes comandos sem usá-la como fonte de potência.
  • Explicar por que uma leitura média estável não comprova ausência de ondulação.

Antes de começar

  • Controle de brilho com PWM
  • Carga, descarga e constante de tempo RC
  • Impedância em circuitos RC e RL
  • Realimentação negativa e seguidor de tensão
  • Leitura de tensão com o ADC do Arduino Uno

Passo 1 de 9

Do comando PWM à tensão média

Calcule a tensão média ideal de um PWM e diferencie essa média dos pulsos presentes no pino.

O que a média representa

Média no tempo, não nível instantâneo

O pino PWM alterna entre dois níveis instantâneos: V_alto e V_baixo. O ciclo de trabalho D é a fração de cada período em que o nível alto fica ativo.

Se esse sinal for considerado ao longo de muitos períodos, seu valor médio ideal é:

V_médio = D × V_alto + (1 − D) × V_baixo

Esse resultado é uma média no tempo. Ele não significa que o pino deixe de alternar ou que já exista uma tensão contínua nele.

Pulsos e suas médias

Três sinais PWM com 25%, 50% e 75% de ciclo de trabalho; cada um tem uma linha horizontal indicando uma média diferente.

Quanto maior a fração de tempo em nível alto, maior a tensão média ideal.

Aplicando a fórmula

Do comando ao ciclo de trabalho

No PWM padrão usado aqui, o comando de analogWrite vai de 0 a 255. A relação ideal é:

D = comando / 255

Portanto, com níveis assumidos de 0 V e 5 V:

V_médio ≈ (comando / 255) × 5 V

Nos extremos, não há alternância: comando 0 mantém o nível baixo; comando 255 mantém o nível alto.

Exemplo

Exemplo: comando 128

Para analogWrite(128), considerando V_baixo = 0 V e V_alto = 5 V:

  • D = 128/255 ≈ 0,502
  • V_médio = 0,502 × 5 V + 0,498 × 0 V
  • V_médio ≈ 2,51 V

A proximidade de 2,5 V vem do comando estar perto da metade da faixa, mas 128/255 não é exatamente 0,5.

O que limita a previsão

Resolução nominal

Há 256 comandos possíveis: de 0 a 255. Se a excursão entre os níveis for idealmente 5 V, mudar o comando em uma unidade altera a média nominal em:

5 V / 255 ≈ 19,6 mV

Essa é a resolução dos comandos nessa excursão. Um filtro posterior pode suavizar os pulsos, mas não cria níveis de comando entre 127 e 128.

Atenção

Atenção aos níveis reais

Os valores 0 V e 5 V são uma aproximação útil para calcular. Na montagem real, a alimentação pode não ser exatamente 5 V e os níveis do GPIO dependem das condições elétricas, especialmente da corrente exigida.

Assim, a fórmula prevê uma média ideal; ela não garante uma tensão exata sem medir os níveis reais.

Pratique o cálculo

Calcule a média

Um PWM tem comando 64, V_alto = 3,3 V e V_baixo = 0,2 V. Complete com a tensão média ideal aproximada, em volts:

V_médio ≈ ____ V

Passo 2 de 9

Onde aparece a tensão filtrada

Identifique o nó de saída do filtro RC e diferencie o PWM do pino, a tensão suavizada no capacitor e o valor médio esperado.

A topologia aplicada

O nó de saída do filtro

O PWM continua sendo um sinal digital no pino 3: ele alterna entre nível baixo e nível alto. Para obter uma tensão aproximadamente contínua, coloque um resistor em série entre o pino e o ponto de saída. Ligue um capacitor desse ponto de saída ao GND.

A tensão filtrada aparece no nó comum entre resistor e capacitor — não diretamente no pino 3.

PWM, resistor, capacitor e saída

Esquema do pino 3 ligado a um resistor em série; o nó após o resistor é a saída e conecta um capacitor ao GND.

Meça ou conecte uma entrada de alta impedância no nó entre R e C.

Dica

Resistor em série e carga leve

O resistor é indispensável: ele limita a corrente que flui enquanto o capacitor carrega ou descarrega. Não conecte um capacitor diretamente a um GPIO.

Neste modelo inicial, a saída alimenta somente uma entrada de alta impedância, como uma entrada de medição. Assim, praticamente não há corrente contínua saindo do nó para outra carga.

Do pulso à tensão no capacitor

Por que a saída é suavizada

Quando o PWM fica alto, o capacitor recebe carga através do resistor e sua tensão sobe. Quando o PWM fica baixo, ele descarrega através do resistor, e sua tensão desce.

Como o capacitor não muda de tensão instantaneamente, essas variações são muito menores que os pulsos originais. Ainda assim, a saída não fica perfeitamente reta: permanece uma pequena variação periódica, chamada ondulação.

Três tensões diferentes

Comparação entre pulsos quadrados no pino, tensão suavizada com pequena ondulação no capacitor e uma linha tracejada indicando o valor médio.

O valor médio é uma referência; a tensão real do capacitor oscila ligeiramente ao redor dele.

Exemplo

O que cada traço representa

Não confunda os três sinais:

  • Pino 3: pulsos digitais rápidos.
  • Nó de saída / capacitor: tensão suavizada, com ondulação.
  • Valor médio esperado: um único valor calculado a partir do ciclo de trabalho.

O filtro aproxima a tensão no capacitor desse valor médio; ele não transforma o PWM em uma fonte ideal de tensão contínua.

Verifique sua identificação

Localize a saída

Qual ponto representa a saída analógica aproximada do filtro RC?

Escreva pelo menos 20 caracteres (0/20).

Reconheça a forma de onda

Qual representação corresponde à tensão no nó de saída do filtro, com um PWM em ciclo de trabalho intermediário?

Passo 3 de 9

Escolha da frequência de corte e dos componentes

Escolha um par RC com margem entre a variação útil lenta e os pulsos PWM rápidos.

Defina a margem de frequência

Três frequências, três papéis

O PWM de D3 continua alternando perto de 490 Hz. Já a tensão que você quer obter pode mudar muito mais devagar — por exemplo, acompanhando um comando que varia até cerca de 0,3 Hz.

O filtro RC deve deixar passar essa variação lenta e atenuar fortemente os pulsos rápidos. Portanto, compare três faixas:

  • banda útil: variações desejadas na saída;
  • frequência de corte \(f_c\): região de transição do filtro;
  • frequência do PWM: cerca de 490 Hz no pino 3 do Uno R3.

Uma escolha útil mantém a banda útil bem abaixo de \(f_c\), e \(f_c\) bem abaixo de 490 Hz. Estar somente um pouco abaixo da frequência do PWM não oferece margem suficiente para suavizar os pulsos.

Posição relativa das frequências

Diagrama mostrando uma variação lenta à esquerda, a frequência de corte no meio e pulsos PWM densos muito à direita.

A separação entre a variação desejada, o corte do filtro e os pulsos PWM cria margem para o filtro atuar.

Calcule um ponto de partida

Equações para escolher o par RC

Para um filtro RC passa-baixas de primeira ordem, use estas relações nominais:

\[
f_c = \frac{1}{2\pi RC}
\]

\[ \tau = RC
\]

Use \(R\) em ohms e \(C\) em farads. A frequência de corte sai em hertz e a constante de tempo \(\tau\), em segundos.

O mesmo produto \(RC\) aparece nas duas expressões: depois de escolher uma frequência de corte adequada, você pode combinar valores comerciais de resistor e capacitor que produzam um produto próximo do necessário.

Exemplo

Exemplo calculado

Caso de referência: saída útil com variações de até aproximadamente 0,3 Hz.

Escolha inicial:

  • \(R = 4,7\ \text{kΩ}\)
  • \(C = 10\ \text{µF}\)

Produto:

\[ RC = 4700 \times 10\times10^{-6} = 0,047\ \text{s}
\]

Assim, \(\tau = 47\ \text{ms}\). Para a frequência de corte:

\[ f_c = \frac{1}{2\pi\times0,047} \approx 3,4\ \text{Hz}
\]

Nesse caso, 0,3 Hz fica abaixo de 3,4 Hz, enquanto 3,4 Hz fica muito abaixo dos aproximadamente 490 Hz do PWM.

Verificação da separação

Comparação das escalas nominais do caso de referência.

A distância entre as faixas é mais importante do que apenas verificar se o corte é menor que 490 Hz.
GrandezaValor aproximadoPapel
Variação útil máxima0,3 HzDeve ser preservada
Corte do filtro3,4 HzFaixa de transição
PWM em D3490 HzDeve ser atenuado

Reconheça os limites do cálculo

Valores nominais são previsões

Um corte de 3,4 Hz não é um valor mágico: é uma escolha com margem para este uso lento. Se a tensão desejada variasse mais rapidamente, seria necessário reconsiderar \(f_c\) e, consequentemente, o produto \(RC\).

Também não trate o resultado como exato. O valor real de resistor e capacitor pode diferir do valor marcado, e a montagem conectada à saída pode modificar o comportamento previsto. Por enquanto, use o cálculo como uma previsão nominal para uma saída ligada a uma entrada de alta impedância.

Dica

Atenção às unidades

Escolha valores comerciais próximos do cálculo e confira as unidades antes de substituir na fórmula. Um erro comum é usar 10 como se 10 µF fossem 10 F; na fórmula, 10 µF corresponde a \(10\times10^{-6}\) F.

Pratique o cálculo

Calcule a frequência de corte

Com \(R = 4,7\ \text{kΩ}\) e \(C = 10\ \text{µF}\), complete a frequência de corte nominal do filtro: aproximadamente __.

Verificação rápida

A frequência de corte aproximada é __.

Passo 4 de 9

Menos ondulação ou resposta mais rápida?

O que muda ao aumentar RC

O compromisso do filtro RC

O filtro RC não transforma o PWM em uma tensão perfeitamente contínua. Em cada período, o capacitor carrega e descarrega um pouco: essa variação residual é a ondulação.

Aumentar o produto R × C faz o capacitor variar menos dentro de cada pulso, reduzindo a ondulação. Porém, o mesmo filtro demora mais para acompanhar uma troca no comando PWM.

Portanto, não existe um valor de capacitor “melhor” em qualquer situação: você escolhe entre saída mais lisa e resposta mais rápida.

Suavização versus velocidade

Comparação visual: capacitor menor produz uma saída que responde rapidamente, mas ondula mais; capacitor maior produz uma saída mais lisa, porém lenta.

RC menor: resposta rápida e mais ondulação. RC maior: menos ondulação e resposta mais lenta.

Dica

Dois efeitos diferentes

Para um filtro de primeira ordem, a componente média chega muito perto do novo patamar após cerca de 5τ, em que τ = R × C. Nesse instante, o erro do transitório exponencial é menor que 1%.

Esse tempo de acomodação não significa “ondulação zero”. Ele descreve a aproximação ao novo valor médio depois de uma mudança de comando; a pequena ondulação periódica do PWM ainda pode permanecer sobre esse valor.

Quantificando a escolha

Estimativa da ondulação

Considere o PWM de aproximadamente 490 Hz no D3, níveis ideais de 0 V e 5 V, resistor de 4,7 kΩ e ciclo de trabalho de 50%.

Para estimar a ondulação pico a pico, quando RC é muito maior que o período do PWM e não há carga significativa, use:

ΔV_pp ≈ (V_alto − V_baixo) × D × (1 − D) / (f_PWM × R × C)

A expressão é uma estimativa: tolerâncias, níveis reais do pino e carga conectada alteram o resultado.

10 µF ou 100 µF?

Comparação nominal para R = 4,7 kΩ e PWM de 490 Hz, em 50% de ciclo de trabalho.

Valores aproximados; a ondulação calculada supõe carga desprezível.
Capacitorτ = RC5τf_cOndulação estimada
10 µF47 ms235 ms3,4 Hz54 mVpp
100 µF470 ms2,35 s0,34 Hz5,4 mVpp

Exemplo

Leitura prática da comparação

Trocar 10 µF por 100 µF multiplica RC por 10. Assim, a ondulação estimada cai de cerca de 54 mVpp para 5,4 mVpp, mas a acomodação passa de aproximadamente 0,24 s para 2,35 s.

Além de ficar lenta, a opção de 100 µF tem corte próximo de 0,34 Hz. Ela pode atenuar variações úteis que mudem mais depressa. Escolha o filtro a partir da velocidade que a tensão de saída precisa acompanhar, não apenas pelo menor valor de ondulação.

Pratique a previsão

Verifique o compromisso

Relacione cada situação ao efeito predominante no filtro RC ideal com carga desprezível.

Toque em um item e depois no par correspondente.

Passo 5 de 9

O efeito da carga e os limites da saída

Avalie como uma carga afeta a tensão filtrada e reconheça quando usar isolamento.

A saída não é uma fonte ideal

A carga altera a tensão média

Até aqui, o filtro RC foi considerado ligado a uma entrada de alta impedância: ela praticamente não retira corrente do nó de saída. Ao conectar uma resistência de carga R_L entre a saída e o GND, porém, ela forma um divisor com o resistor R do filtro.

Como aproximação, desprezando a resistência interna do pino:

V_saída ≈ V_médio × R_L/(R + R_L)

Portanto, a tensão filtrada deixa de ser simplesmente a média prevista pelo PWM. Uma carga finita reduz o valor disponível no nó.

Alta impedância versus carga resistiva

Comparação entre o filtro RC ligado a uma entrada de alta impedância e o mesmo filtro com um resistor de carga ligado ao GND.

Uma carga em paralelo com o capacitor também conduz corrente pelo resistor série, reduzindo a tensão no nó de saída.

Queda e constante de tempo

Exemplo: carga de 47 kΩ

Considere R = 4,7 kΩ e uma carga R_L = 47 kΩ. A fração preservada é:

47/(4,7 + 47) ≈ 0,91

Logo, V_saída ≈ 0,91 × V_médio: há queda nominal de cerca de 9%. Se a média ideal fosse 2,50 V, a previsão com essa carga seria aproximadamente 2,27 V.

Uma entrada de alta impedância, como a entrada de um circuito apropriado de medição ou condicionamento, tem R_L muito maior que R e produz queda bem menor.

A resposta também muda

A carga também muda a dinâmica. A constante de tempo aproximada passa a ser:

τ ≈ (R em paralelo com R_L) × C

Como R em paralelo com R_L é menor que R, a resposta pode parecer mais rápida. Isso não é uma melhoria gratuita: a tensão útil caiu. Para R = 4,7 kΩ e R_L = 47 kΩ, R paralelo R_L é cerca de 4,27 kΩ.

Efeito da carga

Comparação nominal para R = 4,7 kΩ e C = 10 µF

Valores aproximados; tolerâncias e características reais do circuito podem alterar os resultados.
CondiçãoV_saída/V_médioConstante de tempo
Entrada de alta impedânciaPróximo de 1Próximo de 47 ms
Carga de 47 kΩPróximo de 0,91Próximo de 43 ms

Limite de uso e isolamento

Corrente no resistor

No instante em que o PWM está alto e o capacitor está descarregado, a corrente inicial pelo resistor é aproximadamente:

I ≈ 5 V / 4,7 kΩ ≈ 1,1 mA

Na descarga, o sentido da corrente muda conforme os níveis instantâneos, mas o resistor continua limitando-a. Esse cálculo verifica o resistor do filtro; não é um limite universal permitido para um GPIO. Consulte sempre as condições e os limites da sua placa.

Atenção

Não confunda filtragem com potência

Esta saída é para sinalização analógica em entradas compatíveis de alta impedância. Não a use para alimentar diretamente LED, motor ou outra carga de potência.

Aumentar o capacitor pode reduzir a ondulação, mas não corrige a divisão de tensão causada por R_L. Quando a carga precisa receber a tensão sem carregar o filtro, use isolamento: um seguidor de tensão adequado à alimentação, à faixa de entrada, à excursão de saída e à corrente exigida.

Pratique a decisão

Escolha a solução

Um filtro com R = 4,7 kΩ e C = 10 µF alimenta uma carga de 47 kΩ. A tensão média na saída ficou cerca de 9% abaixo do esperado. Qual ação trata diretamente essa queda, mantendo a finalidade de sinal analógico?

Passo 6 de 9

Monte o filtro no seu Uno R3

Prepare a prática com segurança

Materiais e objetivo

Você vai montar um filtro RC de baixa tensão para o Uno R3. Separe: computador com IDE Arduino, Uno R3 e cabo USB, protoboard, jumpers, resistor de 4,7 kΩ e capacitor de 10 µF com tensão nominal de pelo menos 10 V.

Nesta prática, alimente o Uno somente pelo USB. Não conecte fonte externa nem qualquer carga à saída filtrada. O nó de saída servirá apenas como sinal para a entrada A0, que é de alta impedância.

Atenção

Antes de ligar

Faça toda montagem ou alteração com o USB desconectado. Antes de reposicionar um capacitor que esteve conectado, descarregue-o passando por um resistor; não una diretamente seus terminais com um fio.

Confira também que AREF permanece sem conexão externa e que todos os pontos de GND usados na montagem são o mesmo GND do Uno.

Faça as conexões

Ligações do filtro

Monte estas cinco ligações funcionais na protoboard:

  1. D3 → resistor de 4,7 kΩ.
  2. A outra ponta do resistor forma o nó de saída.
  3. Do nó de saída, ligue o terminal positivo do capacitor de 10 µF.
  4. Ligue o terminal negativo do capacitor ao GND do Uno.
  5. Ligue também A0 ao mesmo nó de saída.

Assim, D3 fornece o PWM, o resistor limita a corrente que carrega e descarrega o capacitor, e A0 poderá verificar a tensão filtrada depois. Não conecte LED, motor ou outra carga a esse nó.

Dica

Polaridade e nó de saída

Observe o nó compartilhado: ele reúne a ponta do resistor, o positivo do capacitor e o jumper para A0. Em um capacitor eletrolítico, procure a faixa marcada com “−”: esse é o terminal negativo e deve ir ao GND. Confirme a identificação no componente que você tem em mãos.

Esquema aplicado da montagem

Diagrama da ligação: D3 passa pelo resistor de 4,7 kΩ até o nó de saída; desse nó saem conexões para A0 e para o terminal positivo do capacitor de 10 µF, cujo terminal negativo vai ao GND.

A0 mede o mesmo nó em que o capacitor suaviza os pulsos vindos de D3.

Conferência antes da energização

Sequência segura

Ordene as ações para preparar a montagem. Considere que o capacitor ainda não foi usado; se ele já tivesse sido conectado e precisasse ser movido, sua descarga por um resistor ocorreria antes do reposicionamento.

Ordene a preparação

Coloque as ações na ordem mais segura.

  1. Conferir a tensão nominal e a polaridade do capacitor.
  2. Reconectar o USB, sem adicionar cargas à saída.
  3. Desconectar o cabo USB do Uno.
  4. Revisar visualmente o nó de saída, o GND comum e AREF sem conexão externa.
  5. Montar as ligações entre D3, resistor, nó de saída, capacitor, GND e A0.

Confira o nó e a polaridade

De acordo com o diagrama, qual ligação descreve corretamente o nó de saída?

Passo 7 de 9

Aplique comandos conhecidos ao filtro

Execute um ensaio local com patamares PWM conhecidos e registre o código bruto do ADC após a acomodação inicial.

Sequência e tempos do ensaio

O que este teste registra

O programa vai aplicar os comandos 0, 64, 128, 191 e 255 ao PWM do pino D3. Cada patamar dura 5 s. Após uma troca, ele espera 300 ms antes da primeira leitura em A0 e então registra um código ADC a cada 200 ms.

Os pulsos no D3 continuam perto de 490 Hz; os 5 s são apenas o intervalo entre mudanças do comando. Mantenha o Timer2 na configuração padrão: não use funções ou bibliotecas que o reconfigurem durante este teste.

Diagrama comparando os pulsos rápidos do PWM, os patamares lentos de comando e as leituras periódicas do ADC.

O PWM é rápido; a mudança de comando e o registro pelo ADC ocorrem em escalas de tempo bem mais lentas.

Dica

Registro sem falsa precisão

Use o Monitor Serial em 9600 bit/s. Registre principalmente os códigos brutos do ADC: eles permitem comparar os patamares sem assumir que a alimentação vale exatamente 5 V.

Execute e observe os patamares

Programa de teste local

Copie o programa completo para a IDE Arduino, grave-o no Uno R3 já conectado ao filtro e abra o Monitor Serial em 9600 bit/s. A0 deve estar ligado ao nó entre o resistor e o capacitor.

cpp
const byte pinoPWM = 3;
const byte pinoEntrada = A0;
const byte comandos[] = {0, 64, 128, 191, 255};
const byte totalComandos = sizeof(comandos) / sizeof(comandos[0]);

byte indice = 0;
unsigned long inicioPatamar;
unsigned long proximaLeitura;

void aplicarComando() {
  analogWrite(pinoPWM, comandos[indice]);
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  aplicarComando();
  inicioPatamar = millis();
  proximaLeitura = inicioPatamar + 300;
}

void loop() {
  unsigned long agora = millis();

  if (agora - inicioPatamar >= 5000) {
    indice = (indice + 1) % totalComandos;
    aplicarComando();
    inicioPatamar = agora;
    proximaLeitura = agora + 300;
  }

  if ((long)(agora - proximaLeitura) >= 0) {
    int codigoADC = analogRead(pinoEntrada);
    Serial.print("comando=");
    Serial.print(comandos[indice]);
    Serial.print(" adc=");
    Serial.println(codigoADC);
    proximaLeitura += 200;
  }
}
Saída esperada
comando=0 adc=0
comando=0 adc=0
comando=64 adc=257
comando=64 adc=257
comando=128 adc=514
comando=128 adc=514
comando=191 adc=766
comando=191 adc=766
comando=255 adc=1023
comando=255 adc=1023

Os códigos variam com a alimentação, tolerâncias e carga. As linhas se repetem enquanto cada patamar estiver ativo; os valores abaixo são apenas um exemplo nominal para um circuito sem carga significativa.

Pratique a aplicação do comando

Confira os dois intervalos

Complete as duas lacunas que preservam o teste: o PWM deve sair em D3 e cada comando deve permanecer ativo por cinco segundos. Não altere a frequência do PWM.

Preencha o pino e a duração do patamar.

cpp
analogWrite(, comandos[indice]);

if (agora - inicioPatamar >= ) {
  indice = (indice + 1) % totalComandos;
}

Passo 8 de 9

Verifique a média sem esconder a ondulação

Compare previsões e leituras, reconhecendo os limites de ADC, multímetro e osciloscópio para avaliar uma saída PWM filtrada.

Faça uma comparação organizada

Registre média prevista e observada

Use o programa do passo anterior e espere a região estabilizada de cada patamar antes de registrar valores. Compare pelo menos três comandos — por exemplo, 64, 128 e 191 — com a previsão ideal.

Para cada caso, anote: comando PWM, tensão média prevista, observação estabilizada e instrumento usado. Se usar o ADC, registre principalmente o código bruto impresso; se usar multímetro, registre a leitura em tensão contínua.

Os valores previstos abaixo assumem níveis reais de 0 V e 5 V. Eles são referências de comparação, não uma garantia de tensão exata na montagem.

Tabela de comparação

Previsões ideais para uma excursão de 0 V a 5 V. Escolha ao menos três linhas para seu registro.

V_médio ideal ≈ comando/255 × 5 V
Comando PWMTensão média previstaObservação estabilizadaInstrumento
00,00 VAnote a suaAnote o seu
641,25 VAnote a suaAnote o seu
1282,51 VAnote a suaAnote o seu
1913,75 VAnote a suaAnote o seu
2555,00 VAnote a suaAnote o seu

Escolha a evidência certa para cada conclusão

O que o ADC permite concluir

O ADC em A0 é útil para acompanhar os patamares, mas sua referência padrão está associada à mesma alimentação que também define aproximadamente o nível alto do PWM. Por isso, códigos coerentes com o comando mostram que a fração média está plausível; eles não demonstram que o nível alto seja exatamente 5 V.

Também não conclua que não há ondulação porque os códigos parecem repetíveis. Uma leitura isolada — ou várias leituras feitas em fases parecidas do PWM — pode não expor a variação rápida dentro de cada período.

Média e ondulação são observações diferentes

Diagrama de uma saída PWM filtrada medida por ADC, multímetro e osciloscópio: os dois primeiros indicam a média, enquanto o osciloscópio revela uma pequena ondulação em torno dela.

Uma indicação média estável não mostra, por si só, a forma de onda entre as amostras.

Dica

O multímetro mede a componente contínua

Um multímetro em tensão contínua também é adequado para conferir a componente média entre a saída e o GND. Divergências em relação à previsão podem resultar da alimentação real, das tolerâncias de R e C e de algum carregamento na saída.

Porém, o multímetro pode apresentar uma média muito estável mesmo com uma ondulação periódica presente. Ele não substitui uma observação da forma de onda.

Não confunda média estável com sinal perfeitamente contínuo

Ondulação medida exige observar a forma de onda

Se você tiver um osciloscópio, observe opcionalmente a saída em relação ao GND da montagem, com ponta de alta impedância. Ajuste as escalas de tempo e tensão até enxergar a pequena variação periódica e meça sua amplitude pico a pico.

Conecte o clipe de terra da ponta somente ao GND da montagem. Não o conecte a outro ponto do circuito. Com alimentação USB, mantenha a prática sem fontes externas nem cargas adicionais.

Sem osciloscópio, registre a ondulação como prevista pelo modelo, não como medida. A imagem deste tutorial é didática: ela não é uma medição da sua montagem.

Julgue a afirmação

“Se os códigos do ADC permanecem quase constantes em um patamar, então a saída não tem ondulação de PWM.”

Estabilidade não é ausência de ondulação

A afirmação é verdadeira ou falsa?

Consolide sua verificação

Relate sua evidência

Registre os resultados da sua verificação. Informe pelo menos três comandos PWM, a previsão de tensão média para cada um e a observação (código ADC e/ou leitura do multímetro). Depois, diga se você mediu a ondulação com osciloscópio ou apenas a estimou pelo modelo.

Conclua explicando, em uma frase, por que uma indicação estável do ADC ou do multímetro não prova que a ondulação é zero.

Escreva pelo menos 180 caracteres (0/180).

Passo 9 de 9

Escolha e justifique uma saída PWM filtrada

Conclua um pequeno projeto de saída analógica aproximada com PWM filtrado, justificando comando, filtro, carga e medições.

Caso integrado: referência lenta próxima de 2,5 V

Especificação com margem para componentes

Você vai concluir o projeto para esta especificação:

  • saída próxima de 2,5 V usando PWM no pino 3 do Uno R3;
  • variação útil de até 0,3 Hz;
  • entrada conectada de pelo menos 470 kΩ;
  • ondulação estimada menor que 60 mVpp;
  • acomodação em menos de 0,30 s após uma troca de comando.

Considere níveis nominais de PWM entre 0 V e 5 V. Isso torna a meta uma previsão, não uma referência de precisão. Para que o limite de ondulação tenha margem verificável, especifique R = 4,7 kΩ com tolerância de 1% e C = 10 µF com tolerância de 5%.

Saída lenta para uma entrada de alta impedância

Diagrama de PWM passando por resistor e capacitor até uma entrada de alta impedância, com pulsos antes do filtro e tensão suavizada depois.

O nó filtrado é destinado a uma entrada de alta impedância; ele não é uma fonte para cargas de potência.

Justificativa técnica da escolha

Comando, filtro e efeito da entrada

Use o comando 128. Com níveis nominais de 0 V e 5 V, ele prevê:

  • \(D = 128/255 \approx 0,502\);
  • \(V_{médio} \approx 2,51\ \text{V}\).

O filtro nominal de 4,7 kΩ e 10 µF tem \(\tau = 47\ \text{ms}\), \(f_c \approx 3,4\ \text{Hz}\) e acomodação nominal de cerca de \(5\tau = 235\ \text{ms}\). A banda útil de 0,3 Hz fica bem abaixo do corte, enquanto o PWM de D3, perto de 490 Hz, fica muito acima dele.

A entrada mínima de 470 kΩ reduz a média por aproximadamente 1%. No pior caso de resistor alto, a previsão para o patamar de comando 128 cai de 2,51 V para aproximadamente 2,48 V. Isso ainda caracteriza uma saída próxima de 2,5 V, mas deve ser considerado se a aplicação exigir exatidão maior.

Piores casos nominais

Verificação pelas tolerâncias especificadas de R e C. A estimativa de ondulação considera comando próximo de 50%, PWM de 490 Hz e carga desprezível; a entrada de 470 kΩ é suficientemente alta para este modelo inicial.

A margem é avaliada nos extremos dos componentes, e não somente com os valores impressos.
VerificaçãoPior combinaçãoResultadoConclusão
OndulaçãoR = 4,653 kΩ; C = 9,5 µF≈ 58 mVppAbaixo de 60 mVpp
AcomodaçãoR = 4,747 kΩ; C = 10,5 µF5τ ≈ 249 msAbaixo de 300 ms
Banda útilf_c nominal ≈ 3,4 Hz0,3 Hz << f_cVariação lenta preservada
Carga mínimaR_L = 470 kΩQueda ≈ 1%Entrada compatível

Dica

Mudanças que exigem nova conferência

A margem não elimina todas as incertezas: alimentação real, níveis do GPIO e componentes fora de sua especificação ainda podem alterar o resultado. Ela mostra, porém, que as tolerâncias declaradas de R e C não consomem os limites de 60 mVpp e 0,30 s no modelo usado.

Se trocar o capacitor por 100 µF, a ondulação cai aproximadamente dez vezes, mas a acomodação passa para cerca de 2,35 s: essa troca não atende à especificação. Se reduzir a resistência da carga, a tensão média cai pelo divisor e a resposta também muda. Aumentar C não corrige esse erro de carregamento.

Aplique os limites aos extremos

Escolha uma especificação defensável

Qual opção sustenta a especificação de ondulação abaixo de 60 mVpp e acomodação abaixo de 0,30 s, usando o modelo estudado?

Revisão e conclusão

Defenda a solução escolhida

Escreva uma justificativa curta para o caso integrado. Informe o comando, R e C com suas tolerâncias, o pior caso de ondulação e de acomodação, o efeito da entrada de 470 kΩ e as evidências para média e ondulação. Não proponha alimentar uma carga de potência pelo nó filtrado.

Escreva pelo menos 180 caracteres (0/180).

Resumo

O que você consolidou

Síntese final

  • PWM filtrado produz uma tensão analógica aproximada; o comando define a média nominal, não uma tensão exata.
  • O par RC deve ser conferido contra banda útil, ondulação e tempo de acomodação, inclusive nos extremos de tolerância relevantes.
  • A entrada conectada precisa ter alta impedância; uma carga menor derruba a tensão e altera a resposta.
  • ADC e multímetro ajudam a avaliar a média, mas não comprovam ausência de ondulação.
  • Para medir ondulação pico a pico, é necessária observação apropriada da forma de onda, tipicamente com osciloscópio.

Tutorial concluído

Parabéns! Você concluiu: Tensão analógica com PWM filtrado

Parabéns! Você pode avaliar quando um PWM filtrado atende a uma entrada analógica lenta — e reconhecer seus limites de resolução, velocidade, carga e medição.

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