Aula de Instrumentação e Medidas — Prof. Samir Martins

Condicionamento de Sinais

Prof. Samir Martins

DEPEL/UFSJDepartamento de Engenharia Elétrica

São João del-Rei, 23 de novembro de 2017

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Sumário

Introdução

Sensores resistivos

Sensores capacitivos e Indutivos

Outros circuitos e conceitos úteis

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Introdução

Sumário

Introdução

Sensores resistivos

Sensores capacitivos e Indutivos

Outros circuitos e conceitos úteis

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Introdução

Condicionamento de sinais

I Sinais de sensores/transdutores geralmente possuembaixa intensidade;

I Frequentemente imersos em ruídos;

I Necessidade de saída padronizada (tensão - 0 a 5V ou emcorrente - 4 a 20mA)

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Introdução

Condicionamento de sinais

I Sinais de sensores/transdutores geralmente possuembaixa intensidade;

I Frequentemente imersos em ruídos;

I Necessidade de saída padronizada (tensão - 0 a 5V ou emcorrente - 4 a 20mA)

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Introdução

Condicionamento de sinais

I Sinais de sensores/transdutores geralmente possuembaixa intensidade;

I Frequentemente imersos em ruídos;

I Necessidade de saída padronizada (tensão - 0 a 5V ou emcorrente - 4 a 20mA)

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Introdução

Condicionamento de sinais

Princípios básicos de condicionamento de sinais:

I Alteração do nível de um sinal: amplificação e atenuação;

I Alteração do espectro de frequência de um sinal: remoçãode componentes indesejadas - filtragem;

I Linearização ou qualquer outra operação matemática(integração, diferenciação, ...) realizada em um sinal.

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Introdução

Condicionamento de sinais

Princípios básicos de condicionamento de sinais:

I Alteração do nível de um sinal: amplificação e atenuação;

I Alteração do espectro de frequência de um sinal: remoçãode componentes indesejadas - filtragem;

I Linearização ou qualquer outra operação matemática(integração, diferenciação, ...) realizada em um sinal.

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Introdução

Condicionamento de sinais

Princípios básicos de condicionamento de sinais:

I Alteração do nível de um sinal: amplificação e atenuação;

I Alteração do espectro de frequência de um sinal: remoçãode componentes indesejadas - filtragem;

I Linearização ou qualquer outra operação matemática(integração, diferenciação, ...) realizada em um sinal.

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Introdução

Condicionamento de sinais

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Sensores resistivos

Sumário

Introdução

Sensores resistivos

Sensores capacitivos e Indutivos

Outros circuitos e conceitos úteis

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Sensores resistivos

Divisor de tensão resistivo

I Circuito responsável por converter variação de resistênciaem variação de tensão;

I Forma mais óbvia para realizar medição do mensurandopela variação da resistência;

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Sensores resistivos

Divisor de tensão resistivo

I Circuito responsável por converter variação de resistênciaem variação de tensão;

I Forma mais óbvia para realizar medição do mensurandopela variação da resistência;

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Sensores resistivos

Divisores de tensão resistivo

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Sensores resistivos

Pontes de Wheatstone

I Utilizada em duas situações distintas: para medição deresistência ou detectar variação de um sensor resistivo.

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Sensores resistivos

Pontes de Wheatstone - Compensação

I Sensor afastado da ponte → influência da resistência doscabos nas medições;

I Compensação da influência dos cabos → pontes a três equatro fios, como já vimos em sala.

I Existência de outras configurações em ponte não aquidetalhadas, permitem o aumento da sensibilidade oucompensação de temperatura.

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Sensores resistivos

Pontes de Wheatstone - Compensação

I Sensor afastado da ponte → influência da resistência doscabos nas medições;

I Compensação da influência dos cabos → pontes a três equatro fios, como já vimos em sala.

I Existência de outras configurações em ponte não aquidetalhadas, permitem o aumento da sensibilidade oucompensação de temperatura.

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Sensores resistivos

Pontes de Wheatstone - Compensação

I Sensor afastado da ponte → influência da resistência doscabos nas medições;

I Compensação da influência dos cabos → pontes a três equatro fios, como já vimos em sala.

I Existência de outras configurações em ponte não aquidetalhadas, permitem o aumento da sensibilidade oucompensação de temperatura.

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Sensores resistivos

Linearização de NTCs

I Inserção de um resistor em paralelo ao sensor;

I Menor variação da resistência em função do mensurando;

I Maior linearidade;

I Custo → diminuição de sensibilidade.

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Sensores resistivos

Linearização de NTCs

I Inserção de um resistor em paralelo ao sensor;

I Menor variação da resistência em função do mensurando;

I Maior linearidade;

I Custo → diminuição de sensibilidade.

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Sensores resistivos

Linearização de NTCs

I Inserção de um resistor em paralelo ao sensor;

I Menor variação da resistência em função do mensurando;

I Maior linearidade;

I Custo → diminuição de sensibilidade.

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Sensores resistivos

Linearização de NTCs

I Inserção de um resistor em paralelo ao sensor;

I Menor variação da resistência em função do mensurando;

I Maior linearidade;

I Custo → diminuição de sensibilidade.

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Sensores resistivos

Linearização de NTCs

I Método aplicável a todos sensores resistivos decomportamento semelhante.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Sumário

Introdução

Sensores resistivos

Sensores capacitivos e Indutivos

Outros circuitos e conceitos úteis

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Sensores capacitivos e Indutivos

Divisores de tensão capacitivo/indutivo

I Circuito responsável por converter variação de impedânciacapacitiva/indutiva em variação de tensão;

I Semelhante aos divisores de tensão resistivos;

I Par de impedâncias alimentado por uma tensão senoidal;

I A amplitude da tensão de saída variará em função davariação da impedância do sensor.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Divisores de tensão capacitivo/indutivo

I Circuito responsável por converter variação de impedânciacapacitiva/indutiva em variação de tensão;

I Semelhante aos divisores de tensão resistivos;

I Par de impedâncias alimentado por uma tensão senoidal;

I A amplitude da tensão de saída variará em função davariação da impedância do sensor.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Divisores de tensão capacitivo/indutivo

I Circuito responsável por converter variação de impedânciacapacitiva/indutiva em variação de tensão;

I Semelhante aos divisores de tensão resistivos;

I Par de impedâncias alimentado por uma tensão senoidal;

I A amplitude da tensão de saída variará em função davariação da impedância do sensor.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Divisores de tensão capacitivo/indutivo

I Circuito responsável por converter variação de impedânciacapacitiva/indutiva em variação de tensão;

I Semelhante aos divisores de tensão resistivos;

I Par de impedâncias alimentado por uma tensão senoidal;

I A amplitude da tensão de saída variará em função davariação da impedância do sensor.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Divisores de tensão capacitivo/indutivo

Considerando Z1 como um resistor, a variação da tensão desaída é dada por:

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes Capacitivas

I Projetadas inicialmente para medição de valores decapacitância pelo equilíbrio da ponte;

I Utilizadas em circuitos de condicionamento, quando sedeseja medir a variação de capacitância associada àvariação de um mensurando.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes Capacitivas

I Projetadas inicialmente para medição de valores decapacitância pelo equilíbrio da ponte;

I Utilizadas em circuitos de condicionamento, quando sedeseja medir a variação de capacitância associada àvariação de um mensurando.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes de balanço de tensão RC série

I Equilibrio acontece quando Z1Z3 = Z2Zx ;

I Variação de Cx faz com que haja variação de V;

I Circuito retificador pode ser associado à saída;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes de balanço de tensão RC série

I Equilibrio acontece quando Z1Z3 = Z2Zx ;

I Variação de Cx faz com que haja variação de V;

I Circuito retificador pode ser associado à saída;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes de balanço de tensão RC série

I Equilibrio acontece quando Z1Z3 = Z2Zx ;

I Variação de Cx faz com que haja variação de V;

I Circuito retificador pode ser associado à saída;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Ponte de Shering e de Wien

I Projetadas para medição de capacitância;

I Também podem ser utilizadas como parte do circuitocondicionador, associadas à um retificador.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Ponte de Shering e de Wien

I Projetadas para medição de capacitância;

I Também podem ser utilizadas como parte do circuitocondicionador, associadas à um retificador.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes Indutivas

I Projetadas inicialmente para medição de valores deindutância pelo equilíbrio da ponte;

I Utilizadas em circuitos em que se deseja medir a variaçãoda indutância associada à variação de um dadomensurando.

I Circuito retificador pode ser associado à saída;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes Indutivas

I Projetadas inicialmente para medição de valores deindutância pelo equilíbrio da ponte;

I Utilizadas em circuitos em que se deseja medir a variaçãoda indutância associada à variação de um dadomensurando.

I Circuito retificador pode ser associado à saída;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes Indutivas

I Projetadas inicialmente para medição de valores deindutância pelo equilíbrio da ponte;

I Utilizadas em circuitos em que se deseja medir a variaçãoda indutância associada à variação de um dadomensurando.

I Circuito retificador pode ser associado à saída;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Pontes de Maxwell-Wien e Hay

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensorescapacitivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da capacitância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

I Configuração com maior imunidade às interferênciaseletromagnéticas do meio.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensorescapacitivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da capacitância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

I Configuração com maior imunidade às interferênciaseletromagnéticas do meio.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensorescapacitivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da capacitância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

I Configuração com maior imunidade às interferênciaseletromagnéticas do meio.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensorescapacitivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da capacitância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

I Configuração com maior imunidade às interferênciaseletromagnéticas do meio.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensorescapacitivos

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensoresindutivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da indutância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensoresindutivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da indutância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - Sensoresindutivos

I Consiste na variação da frequência de um sinal em face avariação da indutância de um determinado sensor;

I Necessidade de utilização de circuitos osciladores;

I Fornecem um sinal cuja frequência é alterada pelavariação do mensurando;

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência - SensoresIndutivos

A frequência de oscilação do oscilador de Colpitts é dada por:

f =1

2π√

LC, C =

C1C2

C1 + C2

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Frequência/Tensão

I Circuitos responsáveis por converter uma entrada emfrequência para uma saída em tensão;

I Tipicamente utilizado em conjunto com osciladores emcondicionamento de sinais de sensoresindutivos/capacitivos;

I Utilizado também em circuitos condicionadores aplicadosa tacômetros digitais.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Frequência/Tensão

I Circuitos responsáveis por converter uma entrada emfrequência para uma saída em tensão;

I Tipicamente utilizado em conjunto com osciladores emcondicionamento de sinais de sensoresindutivos/capacitivos;

I Utilizado também em circuitos condicionadores aplicadosa tacômetros digitais.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Frequência/Tensão

I Circuitos responsáveis por converter uma entrada emfrequência para uma saída em tensão;

I Tipicamente utilizado em conjunto com osciladores emcondicionamento de sinais de sensoresindutivos/capacitivos;

I Utilizado também em circuitos condicionadores aplicadosa tacômetros digitais.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Frequência/Tensão

Exemplo conversor F/T e T/F utilizando LM331.

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Sensores capacitivos e Indutivos

Conversão Impedância/Frequência/Tensão

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Outros circuitos e conceitos úteis

Sumário

Introdução

Sensores resistivos

Sensores capacitivos e Indutivos

Outros circuitos e conceitos úteis

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversores I/V

I Converte um sinal de corrente em um sinal de tensão;

I Apenas um amplificador, relação linear tensão/corrente.

I Resistor Rf define a sensibilidade do conversor.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversores I/V

I Converte um sinal de corrente em um sinal de tensão;

I Apenas um amplificador, relação linear tensão/corrente.

I Resistor Rf define a sensibilidade do conversor.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversores I/V

I Converte um sinal de corrente em um sinal de tensão;

I Apenas um amplificador, relação linear tensão/corrente.

I Resistor Rf define a sensibilidade do conversor.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversores I/V

I Tensão v0 depende da corrente e do valor de Rf ,comumente fixado.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversor V/I

I Converte um sinal de tensão em um sinal de corrente;

I Apenas um amplificador, relação linear tensão/corrente.

I Resistor Rs define a sensibilidade do conversor.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversor V/I

I Converte um sinal de tensão em um sinal de corrente;

I Apenas um amplificador, relação linear tensão/corrente.

I Resistor Rs define a sensibilidade do conversor.

32 / 40

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversor V/I

I Converte um sinal de tensão em um sinal de corrente;

I Apenas um amplificador, relação linear tensão/corrente.

I Resistor Rs define a sensibilidade do conversor.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversores V/I

I Corrente i0 depende da tensão de entrada e do valor deRs, comumente fixado.

I Corrente não depende de RL.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Conversores V/I

I Corrente i0 depende da tensão de entrada e do valor deRs, comumente fixado.

I Corrente não depende de RL.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissores e laços de corrente

I Transmissores → transforma o sinal do sensor em umsinal padronizado, adequado para transmissão;

I Passagem do sinal do sensor por diversas etapas deprocessamento e conversão;

I A transmissão pode ser em corrente ou tensão;

I Transmissores em corrente: transforma a variação domensurando em uma variação de 4 a 20mA, a sertransmitida.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissores e laços de corrente

I Transmissores → transforma o sinal do sensor em umsinal padronizado, adequado para transmissão;

I Passagem do sinal do sensor por diversas etapas deprocessamento e conversão;

I A transmissão pode ser em corrente ou tensão;

I Transmissores em corrente: transforma a variação domensurando em uma variação de 4 a 20mA, a sertransmitida.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissores e laços de corrente

I Transmissores → transforma o sinal do sensor em umsinal padronizado, adequado para transmissão;

I Passagem do sinal do sensor por diversas etapas deprocessamento e conversão;

I A transmissão pode ser em corrente ou tensão;

I Transmissores em corrente: transforma a variação domensurando em uma variação de 4 a 20mA, a sertransmitida.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissores e laços de corrente

I Transmissores → transforma o sinal do sensor em umsinal padronizado, adequado para transmissão;

I Passagem do sinal do sensor por diversas etapas deprocessamento e conversão;

I A transmissão pode ser em corrente ou tensão;

I Transmissores em corrente: transforma a variação domensurando em uma variação de 4 a 20mA, a sertransmitida.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissão por corrente

I Maior imunidade a ruído e influências externas

I Corrente independe de variações de tensão ao longo dalinha;

I Fácil diferenciação entre sinal zero de circuito aberto.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissão por corrente

I Maior imunidade a ruído e influências externas

I Corrente independe de variações de tensão ao longo dalinha;

I Fácil diferenciação entre sinal zero de circuito aberto.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissão por corrente

I Maior imunidade a ruído e influências externas

I Corrente independe de variações de tensão ao longo dalinha;

I Fácil diferenciação entre sinal zero de circuito aberto.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Transmissão por corrente

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Outros circuitos e conceitos úteis

Circuito integrado INA121

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Outros circuitos e conceitos úteis

Circuito integrado INA125

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Outros circuitos e conceitos úteis

Considerações finais

I Circuitos de condicionamento aplicáveis a diferentes tiposde sensores;

I Sensores resistivos, capacitivos e indutivos;

I Circuitos osciladores, conversores frequência tensão, I/V,V/I, linearização, pontes.

I Outros componentes utilizados em circuitos decondicionamento.

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Agradecimentos

MUITO OBRIGADO!

Prof. Samir MartinsDEPEL/UFSJ

martins@ufsj.edu.br

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