implementação de teclado através de sensoriamento indutivo mtouchtm
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Ao Término desta aula, você irá: Entender o princípio de funcionamento datecnologia Entender o processo mecânico demontagem Entender o impacto de sensibilidade nodesenvolvimento elétrico do sistemaEntender as dicas e cuidados sobrelay-outTRANSCRIPT
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Implementação de Teclado através de Sensoriamento
Indutivo mTouchTM
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Objetivos
� Ao Término desta aula, você irá:� Entender o princípio de funcionamento da
tecnologia� Entender o processo mecânico de
montagem� Entender o impacto de sensibilidade no
desenvolvimento elétrico do sistema� Entender as dicas e cuidados sobre
lay-out
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecânico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecânico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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A Necessidade – InterruptoresElétricos Externos
� Como solucionar esterústico e pontecialmenteperigoso problema?
� De que forma manipulareste tipo de interruptordurante um dia de chuvaou com as mãoshúmidas?
� Quais seriam os fatorese barreiras no desenvolvimento de umasolução “ elétrica”?
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Mais que um simples sistemade On/Off Robusto?
� Quais outrassoluções poderemosadotar?
� Uma simples caixapara múltiplaschaves pode ser umasolução.
� Talvez isoladores de borracha nao sejamo suficiente.
� LEDs de indicaçãosejam necessáriospara informar o status da chave.
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Microchip oferece ambas as tecnologias mTouchTM
Capacitiva Indutiva
� Código Fonte Aberto;� Fácil de ser aplicado;� Baseado nas funções do MCU.
Tecnologias mTouchTM
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Como selecionar entre SistemaCapacitivo e Indutivo
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Inductive vs Capacitive Touch Sensing
Theoretically any material can be used. Glass could be
a problem
Works best with glass or plastics
Touch Surface Materials
Not a problemPress may not be detectedGloves
Not a problemCould trigger a pressLiquid on touch surface
Mechanical design slightly more complex with interface
electronics required
Integrated peripherals minimize external
components
Design Complexity
More power due to higher current levels required
Low powerPower
Movement of a target (actuation force)
Effects introduced by user’s body
Triggering Mechanism
Inductive SensingCapacitive Sensing
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecanico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Revisão sobre Indutância
� Fluxo de corrente (I) atravésde um condutor é produzidoum campo magnético (�)
� Indutância (L) é um efeitodeste campo gerado
�
�I ���������� gerado uma Força Eletromotriz (E)(Oposta a mudança de corrente)
cross section of straight conductor
L = Propriedade de um condutor de gerar um E sobre elemesmo quando submetido a uma corrente variável.
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Trafo com núcleo de Ar
� Cada bobina (sensor) seriao primário de um transformador.
� A placa Target (cover plate) seria um “secundário em curto”.
� Movimento da placa target próxima a bobina faz com que a indutância destaseja alterada pela indutância refletida daplaca target.
Sensor Target
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Indutância vs Distância
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Construção
Sistema de Sensoriamento Indutivo mTouchutiliza uma costrução por camadas
Painel Frontal(Interface usuário)
Placa Condutiva (Target)(Somente caso a Frontal não seja condutiva)
Placa Espaçadora
Placa de Circuito Impressocom as Bobinas
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Princípio de MediçãoProporcional
� Para uma maior precisão, duasbobinas no primário são utilizadas� Uma Bobina possui “movimento”
(Touch Sensor)� Outra bobina seria
uma Referência Fixa� Medição “proporcional”
evitamos mudanças de temperatura e voltagementre as bobinas.
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Circuito EletrônicoMedidor de Impedância
Oscilador
Sensor Conversor A/D
Iremos analisar com maiores detalhes.........
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O que seria a solução mTouchTM
de sensoriamento Indutivo?
A solução mTouchTM Indutiva é uma tecnologiaproprietária da Microchip.
Está disponível para os clientes sem qualquercusto e acordos de utilização que permite a implementação da tecnologia em qualquer
microcontrolador PIC® ou dsPIC®.
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Porque sensoriamentoIndutivo?
� Sensoriamento através de vários materiais, Aço Inox, Alumínio, Plástico entre outros.
� Indicado para ambientesexternos ou locais com muitahumidade
� Ativação do sistema mesmosendo manipulado com uso de luvas
� Interface de fácil implementaçãopara leitura em Braille
� Possibilidade de ajuste nasensibilidade do sensor (Soft ouHard Touch)
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Princípio Básico
Sensor Indutivo
PlacaTargetPainel Frontal
Placa de Circuito Impresso
Usuário pressionapainel frontal
Deflexão do Painel
(na ordem de microns)
Deflexão éindutivamente
detectada.
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� Appliance (Linha Branca)� Acabamento estético em alumínio ou
Aço Inox
� Automotivo� Acabamento em Alumínio (painel)
� Médico / Odontológico� Equipamentos em geral
� Industrial� Maior segurança contra vandalismo (ATM)� Robustez para ambientes externos
Mercados em Potencial
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecânico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Componentes do Sistema
Osc
ADC
PIC® Microcontroller
MCP2036
Pressionada a placa Frontal, esta movimenta a placacondutiva (Target) proxima a bobina alterando a
indutância do sensor.
d
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Modelo Simulado
RCOIL LCOIL
RTARGET
LTARGET
Impedância
IndutânciaMutua
Distância
Perdas na Placa targetDevido correntes parasitas
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Sensibilidade devido a Separação
� Placa target necessita de um leve movimento paraproduzir uma larga variação na indutância da Bobina
Bobina
Placa Target
Distância
% M
udan
çaIn
dutiv
a
Separação Target/Bobina
Determina o Tamanho do Espaçador
Deflexão na ordem de 10um (micro metros)
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Bobina Indutiva do Sensor
Bobinas são geradas diretamente na PCI
Placa de Circuito Impresso
Via
Trilhas em paralelo
OBS: Trilhas em paralelo com menor espaçoentre elas para reduzir Indutâncias parasitas.
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How_to_create_an_Inductive_Touch_Coil
Bobina Indutiva do Sensor
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Espaçador
Espaçador fornece uma separação entre as placas Frontal e Condutiva (Target) paratermos uma deflexão.
Placa de Circuito ImpressoEspaçador
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Materias Utilizados:� FR4, FR2,Fenolite, Policarbonato, Acrílico, ABS
Placa de Circuito ImpressoEspaçador
Diâmetro do Orifício
�1 - 3% - Diâmetro do Orifício
Espaçador
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� Material não pode ser flexível (evitarinteração entre ambas)
� Eletricamente isolado� Tamanho da placa deve ser de 1% a 3%
do diâmetro do sensor.� Distância entre os orifícios são de 30-50%
do diâmetro do orifício.� Pequenos espaços causam elevação da placa
em sensores adjacentes� Pequenos espaços aumentam o stress no
adesivo entre a placa condutora e o espaçador
Mecânica do Espaçador
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Placa Frontal
� Identifica a função dos botões� Material flexível (Elasticidade)� Materias Não-Condutivos
- Policarbonato, Acrílico, � Material condutivo (Target Adesivo)
- Alumínio, Aço Inox, Aço Carbono, Latão
Placa Frontal
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Placa Frontal e Target
Placa de Circuito ImpressoEspaçador
Placa Condutiva (Target)
Placa Frontal
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Placa de Circuito ImpressoEspaçador
Painel Frontal
Adesivo CondutivoAuto-Colante
TargetTarget
Placa Frontal e Target
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Placa Plastica Moldada com/semEspaçador
Painel Frontal
Placa de Circuito Impresso
Placa Moldada comAdesivo Condutivo
TargetTarget
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� Utilizando uma placa frontal condutiva
Placa de Circuito ImpressoEspaçadorPlaca Frontal e Target
Placa Frontal e Target
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Características Elétricas daplaca Condutiva (Target)
� Tamanho do material estarelacionado com a condutividadedeste:� Materiais de ótima condutividade podem
ser mais finos como ouro, prata, cobre, alumínio
� Materiais de baixa condutividade devemser mais grossos como Aço ou Aço Inóx
� Ferrites não são recomendados, porém podem ser utilizados.
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As Placas Condutiva e Espaçador
� A Placa Target deve cobrir o sensor (Bobina)
� Tamanho do Sensor influência naIndutância
� Diâmetro do orifício e o material utilizado na placa Target determinaráa deflexão
� Deflexão determina o quanto iráalterar a Indutância
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Material da PlacaCondutiva (Target)
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Material da Placa Condutiva(Target)
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Cuidados na Montagem!
� Considerar Força máx e min aplicada� Stress no material (Elasticidade), resulta
em perda da sensibilidade nos botões� Material do espaçador é fator primordial� Diversos métodos de montagem:
- Adesivos- Parafusados- Soldagem por aquecimento- Soldagem Ultrasônica
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Elasticidade da PlacaCondutora
� Região Linear� Lei de Hooke
F = - K X
� Sobre-forçareduzem a elasticidade� Deformação
Permanente� Ponto de Ruptura
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Calculador de Deflexão
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Construção Mecânica
PlacaCircuito
Impresso
Espaçador
PlacaTarget
PlacaFinal
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Opção Com Placa Frontal Condutiva
With Spacer Layer
Without Spacer Layer
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecanico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Hardware Necessário
� Microcontrolador com A/D� Amplificador Operacional
(MCP6001)� Multiplexer (depende do número
de botões desejados)
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Overview doSistema Indutivo
MicrocontroladorPIC®
Sensores de ToqueIndutivos
InterfaceAnalógica
PWM
ADCDC Voltage
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Bobina de Sensoriamento
� A Bobina (Sensor) seria um indutorplanar em espiral na própria PCB
� A indutâcia da bobina é fornecidanos sistemas:� Métrico
� Inglês
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Indutância (PCB)
L = Indutância
r = Raio externo da bobina
N = Número de voltas
d = Raio externo - Raio interno
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Medição da Indutância
� Para medirmos a indutância, a bobinadeve ser excitada por uma corrente AC
� Caso seja uma baixa indutância , a frequênciae a corrente devem ser altas para haver umatensão mensurável.
� Indutâncias na casa de 1-2uH, requerem aprox. 4-8MHz & 5-10mA para termos mV de tensãosobre o indutor.
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Medidor de Impedância
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Oscilador e Driver de Corrente
� Sinal PWM (Fdrive)� 500kHz – 2MHz
� R1/C1 para Fdrive� Impedância ~ 1K
� Driver de Corrente� ~2mA Iout
� Capacitor Bypass� 0.1uF para ruídos
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Diagrama em Blocos
� Versão com Multiplex Analógico
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� Versão com uso de GPIO
Diagrama em Blocos
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Sensores e Multiplexers
� Sistema de Chaveamento paraseleção da bobina a ser analisada
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Mixer, Filtro e Amp. Operacional
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Níveis Elétricos
� Saída do Drive 3-4Vp-p
� Ambas as Bobinas 40-80mVp-p
� Única Bobina 20-40mVp-p
� Terra Virtual 2.5V� Vout 500mV(both)
� invert | invert ?
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecânico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Vantagens do MCP2036
Implementar a Tecnologia de sensoriamento indutivo mTouch:
� Fácil implementação� Melhor relação de custo� Redução do espaço
em PCB
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MCP2026 – Analog Front End� Sistema completo de Medição
Indutiva� Driver de Corrente (Baixa Impedância)� Multiplex para Bobinas
(Sensores/Referencia)� Detector de Alta-Frequencia
� Tensão de operação: 2.7 até 5.5V
� Ajuste de ganho e Frequência via componentes passivos.
� Aplicações:� Teclados Indutivos� Interface para sensores de rotação
Indutivo� Interface para sensores de força Indutivo
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Características – MCP2036
MCP2036 combina todas as funções analógicas:
� Alta frequência, driver de corrente para excitação das bobinas dos sensores.
� Detector de sincronismo para conversão das tensõesAC injetadas nas bobinas para níveis DC
� Amplificador/Filtro de saída para melhorar a resoluçãoe limitar o ruído.
� Virtual ground Reference para trabalhar com umaúnica fonte de alimentação.
Este componente substitui até 18 itens na placa!!!!
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Diagrama de Blocos
Only one AFE needed whatever the number of button isWorks with both Mux and GPIO schematics
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MCP2036 – Circuito Típicocom Mux
Pode ser utilizado com sistema via GPIO
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Sistema Indutivo com MCP2036
� Sistema mTouch Indutivo consiste de:� Microcontrolador PIC® ou dsPIC ® com PWM e ADC� MCP2036 Analog Front End
Eixo deMedição
Osc
ADC
Microcontrolador PIC® Sensor de ToqueIndutivo
MCP2036
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecãnico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Design do Software
� Medição� Selecionar ambas as bobinas, estabilizar,
realizar a medição (BothCoil_val)� Selecionar Bobina REF, estabilizar, realizar a
medição (Ref_val)� Desligar o driver, estabilizar, realizar a medição
(Vref_val)
� Detecção� Valor Normalizado
Normal_Coil = (Sensor_Coil * 1024)/Ref_Coil� Comparar com valor médio
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Software Simples - Loop de Medição
// measure both coils Turn_osc_on() // enable driverSelect_both() // select both coilsDelay() // stabilizeboth = ADC() // convert
// measure reference coil Select_ref() // select reference coilDelay() // stabilizeref = ADC() // convert
// measure virtual groundTurn_osc_off() // disable driverIsolate_Det() // disconnect detectorvgnd = ADC() // convert
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Software Simples - Loop// calculate values
value = both – ref // separate sensor coiltemp = ref – vgnd // get reference coilvalue = sensor*1024/ref // normalize value
// calculate thresholdthreshold = average – trip
// detect pressif (value>threshold) // if press,assumes !invert{
button=true}else // if not a press{
button=falseaverage(value)
}
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Software
� Disponibilizado dois códigos fontes (GPIO ou Mux)
� 2K words utilizados na memória de Programa
� 120~150bytes (Mem. Dados)� Todo material disponível em:
www.microchip.com/mtouch
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Agenda
� Tecnologia mTouch Microchip� Overview Sensor Toque Indutivo� Design Mecânico� Design Elétrico� MCP2036� Design do Software� Ruído� Outras soluções Microchip� Demo, Literaturas
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Redução de Ruídos
� Eletrônicos� Utilizar Capacitores bypass de boa
qualidade� Plano de Terra� Isolação dos detectores� Evitar ou limitar mudanças correntes
(picos) durante o processo de medição
� Filtro passa-faixa RC na saída Vout
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� Sensores� Plano de terra abaixo das bobinas devem
ter entre 2x-3x maior que a distânciaentre a placa target e os sensores
� Conexões com as bobinas devem ser aopares com um tamanho de 10 mil e espaçamento de 10 mil
� Mantenha todas as conexões das bobinas na parte superior da placa e limitar os cortes para o plano terra.
� Aterrar a placa target.
Redução de Ruídos
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Sensores Indutivos - Layout� Terminais das bobinas devem ser
traçadas o mais próximo possível parareduzir a suceptibilidade a ruídos
Placa de Circuito Impresso
Via
Trilhas em Paralelo
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Agenda
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Exemplo Sistema AnalógicoResistivo
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Série AR10X0� Controlador Integrado de
toque resistivo� Suporta anteparos de 4-,
5-, 8 fios� Interfaces: SPI, I²C™,
UART� Otima precisão de
cooordenadas� Filtros de Toque
avançados� Não requer qualquer tipo
de configuração
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Esquema Elétrico - AR1000
Controlador AR10005 Capacitores1 Resistor
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AR1000 Development Kit
� PICKit Serial Analysier� 7” Four Wire Touch Resistive Screen� AR1000 development Board
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Fontes de Pesquisa
� mTouch™ Design Center www.microchip.com/mTouch
� Application Notes: � AN1239: Inductive Touch Sensor Design� AN1238: Inductive Touch Software Design� AN1237: Inductive Touch Hardware Design
� White Paper� Alternatives and Options for the front panel
� Inductive Technology Deflection Tool
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Perguntas?
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Resumo da Aula
� Hoje nós abordamos:� Design Mecânico de um Sistema de
Toque Indutivo� Design Elétrico de um Sistema de
Toque Indutivo� Verificação do Software a ser
utilizado neste Sistema.� Conceitos e Dicas para eliminação
de ruídos no produto
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Obrigado
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Trademarks� The Microchip name and logo, the Microchip logo, dsPIC, KeeLoq, KeeLoq
logo, MPLAB, PIC, PICmicro, PICSTART, rfPIC and UNI/O are registered trademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A. and other countries.
� FilterLab, Hampshire, HI-TECH C, Linear Active Thermistor, MXDEV, MXLAB, SEEVAL and The Embedded Control Solutions Company are registeredtrademarks of Microchip Technology Incorporated in the U.S.A.
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