Roteiro de preparação: Experimento – Amplificador do Eletrocardiograma

Objetivo Geral

Neste experimento você irá:

- Entender como funciona um eletrocardiográfico.

- Entender como funciona o amplificador do

eletrocardiógrafo.

- Aprender como projetar um amplificador simples do

eletrocardiograma.

- Montar e testar o amplificador do eletrocardiógrama.

1) Atividades de preparação

Atividade 1) Assistir o vídeo inicial do laboratório, falando sobre como realizar boas montagens em protoboard: https://www.youtube.com/watch?v=unsMjuWUYqQ&t=6 76s

Atividade 2) Assistir o vídeo a seguir, sobre técnica para fazer bons fios jumpers para protoboard: https://www.youtube.com/watch?v=ver-Av8vr1Q

Atividade 3) Assistir os vídeos a seguir, sobre o uso do software Fritzing: https://www.youtube.com/watch?v=KqwH1xuLuDY https://www.youtube.com/watch?v=M4CvUSkP9hw

Habilidades esperadas:

Conhecer boas ferramentas para a confecção de jumpers

e para a realização de montagem de qualidade em

protoboards.

Ser capaz de cortar fios jumpers de boa qualidade, com

diversos comprimentos.

Ser capaz de montar circuitos com boa qualidade em

protoboard.

Saber elaborar desenhos de circuitos no protoboard usando o software Fritzing.

Atividade 4) Para entender o eletrocardiograma e o

aparelho que o capta, é importante entender o

funcionamento do coração. Para isso, você deve assistir os

vídeos a seguir, que discutem o funcionamento do

coração:

https://www.youtube.com/watch?v=yhnFyU_M-uQ

https://www.youtube.com/watch?v=KOuAjAeZ2lY

https://www.youtube.com/watch?v=TcSqmBaALAk

Habilidades esperadas:

Entender o funcionamento do coração como bomba de dois tempos. Entender a origem da aHvidade elétrica do coração (membrana semipermeável). Entender como surge o eletrocardiograma (ECG ou EKG). Atividade 4) Agora, vamos aprender a construir o sistema para captação do Eletrocardiograma, que se chama Eletrocardiógrafo. Assista aos vídeos seguintes:

Video 1: https://www.youtube.com/watch?v=ACDTSDFh668 Video 2: https://www.youtube.com/watch?v=UVszMmN8ETc&t=1 562s Video 3: https://youtu.be/pfmpOkhfcUg

Atividade 5) Leia o capítulo sobre amplificadores de biopotenciais que está disponibilizado no link a seguir: https://drive.google.com/open?id=0B8estbWKXSX3Z0Q1 ak9CZlJPbkE (Esta atividade é opcional, porém muito

boa para quem quiser se aprofundar no assunto). Habilidades esperadas:

Entender com clareza o funcionamento do amplificador de instrumentação de 3 amp ops. Entender o conceito de CMRR. Entender como a configuração de 3 amp ops melhorar o CMRR. Entender como os eletrodos captam o ECG. Entender o conceito de variação da linha de base (baseline wandering). Entender a importância do filtro passa-alta para a minimização do baseline wandering. Entender a importância do filtro passa-baixa, na saída do circuito. Entender a função do circuito da perna direita.

2) Data Sheets:

INA118:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina118.pdf

TL074:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl074a.pdf

3) MINI-TESTE (pré-relatório)

Neste experimento, em vez de um mini-teste, será cobrado

um pré-relatório, que terá o mesmo valor de um mini-

teste, e será também um pré-requisito para que o aluno

possa iniciar o experimento.

Cada componente individual do grupo de laboratório deve

desenvolver e apresentar individualmente o seu pré-

relatório, e entregar uma cópia ao professor para que dê

um visto no documento.

Após o visto, os dois componentes do grupo podem decidir

sobre qual projeto devem utilizar, e indicar a escolha no

relatório.

Os dois pré-relatórios devem ser incluídos no início

relatório final.

4) Execução do Pré-relatório (Pré-projeto):

O pré-relatório irá conter, basicamente, o pré-projeto, e a especificação desse pré-projeto é apresentada a seguir.

Amplificador de instrumentação

A base do circuito é mostrada na última página deste roteiro. O primeiro componente é um amplificador de diferença com ganho 10, conforme figura na última página. O trecho com esse amplificador é repetido a seguir:

Consulte o datasheet do amplificador de instrumentação INA118, da Texas Instruments. Observe a pinagem do INA118:

Observe que a pinagem do INA114 é parecida com a do 741. Mas há duas diferenças: uma delas é que os pinos 1 e 8 são usados para incluir um resistor RG que define o ganho, pela seguinte equação:

Outra diferença é que o pino 5 deve ser conectado à referência do circuito. E há diferença principal: o 741 é apenas um amp op, e o INA118 é um chip especializado contendo um amplificador de diferença de 3 amp ops integrados e extremamente preciso.

Com base no exposto, projete um amplificador de instrumentação, usando o INA118, com ganho de 10. Observe que, em projetos bem-executados, é importante sempre incluir capacitores de desacoplamento das fontes de alimentação em cada amplificador operacional; isso vale também para o INA118. Examine aa figura a seguir.

Procure, no datasheet qual é a forma de definir o ganho, usando o resistor RG.

Filtro passa-alta

A parte do projeto com o amplificador de diferença já está pronta, e é a mostrada na figura.

A próxima parte é um filtro passa-alta, repetido a seguir:

O valor ideal para a frequência de corte desse filtro é de 0.01 Hz. Entretanto, quando a variação da linha de base é muito alta, o usuário muda a frequência de corte para 0.05 Hz ou até mesmo para 0.1 Hz. Isso diminui a variação da linha de base, mas pode distorcer um pouco o sinal eletrocardiográfico.

Como a frequência é muito baixa, os valores do capacitor e resistor serão muito altos. No caso do capacitor, em geral

o capacitor a partir de 1 µF é eletrolítico, ou seja, tem polaridade. Mas, em princípio, não se deve usar um capacitor eletrolítico nesse caso, pois o sinal eletrocardiográfico pode ser positivo ou negativo. Entretanto, há um tipo de capacitor (tântalo) que tem alto valor e não tem polaridade. Será fornecido para você um

capacitor de 10 µF, que não tem polaridade. E você deverá usá-lo para fazer o filtro de 0.1 Hz. Você deverá comprar esse resistor.

Botão de restauração da linha de base

Observe a chave S1, em paralelo com o resistor. A seguir, é explicada a função dessa chave. Um problema com filtros passa-alta com frequência de corte baixa é que a resposta ao degrau do filtro é uma função exponencial com decaimento muito lento. O que ocorre muitas vezes é que ocorre, por vários motivos, a perda de contato de um eletrodo com a pele. Quando isso ocorre, a saída do amplificador diferencial (INA118) vai à saturação (vai para um valor próximo à tensão de alimentação positiva ou negativa do amp op, e o sinal “desaparece”, demorando um período para reaparecer, à medida que a onda exponencial decai lentamente (quanto menor for a frequência de corte, mais demorado será o retorno). A função da chave S1 é provocar um curto-circuito no resistor, e causar a descarga rápida do capacitor. O botão pode ser, por exemplo, um botão de contato normalmente aberto, ilustrado a seguir (disponível para compra na huinfinito).

Um botão desse tipo será fornecido ao aluno no laboratório.

Neste circuito, como vamos fazer o teste sem que o indivíduo esteja deitado e imóvel, você deverá projetar o filtro para que tenha a frequência de corte de 0.1 Hz.

Amplificador com ganho adicional

O próximo estágio do amplificador é um ganho adicional.

O maior sinal do ECG, o complexo QRS, tem em torno de 1 mV, que é difícil de manipular. Assim, é necessária uma amplificação. Um valor tipicamente bom para trabalhar, em eletrônica, é em torno de alguns volts. Para que o sinal de ECG tenha em torno de 1 V, é necessário um ganho total de 1000. Como o amplificador de diferença já proveu um ganho de 10, então é necessário um ganho adicional de 100. O amplificar proposto no circuito é mostrado a seguir, logo após o filtro passa-alta, que foi discutido anteriormente.

O circuito mostrado acima é um amplificador não inversor. A principal razão para a escolha desse circuito, em vez, por exemplo, de um amplificador inversor é relembrada a seguir. Suponhamos que o filtro passa-alta explicado anteriormente deva ter frequência de corte de 0.01 Hz. A frequência de corte é dada por:

= 12

Dessa forma, supondo que conseguimos encontrar um capacitor não-polarizado de 10, então a resistência do resistor será calculada por:

= 12 = 12 10 × 10 0.01 = 15.9Ω

Esse valor de resistência é muito algo, pois está conectado diretamente à entrada não-inversora do amplificador, e isso causa um problema com a corrente de polarização do amplificador operacional que for usado. Note que as correntes de polarização que entram no estágio anterior vêm de um capacitor e de um resistor muito alto

( 1.59Ω ). O que aconteceria se fosse usado um amplificador operacional 741?

Qual é a corrente de polarização (bias current) do 741 (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ua741.pdf)? Examinando o datasheet do dispositivo, vemos que tem o valor máximo de 800 nA (≅ 0.8 ). Nessa situação, haveria uma tensão de offset, devido à corrente de polarização da entrada não inversora, que seria, no pior caso, igual a: = 1.59Ω 0.8 = 1.27

Adicionalmente, há um ganho de 100. Com isso, a tensão de offset tende a ser offset inaceitavelmente alta, mesmo que os valores dos parâmetros sejam bem abaixo do pior caso, como ilustrado.

Outro problema é que capacitores de tântalo (tantalum) (https://www.vishay.com/docs/40002/293d.pdf) têm correntes de fuga da ordem de 0.5, que, passando pelo resistor R pode também gerar uma tensão de offset.

O que se observa na prática é que, devido a essas correntes e ao alto valor do resistor R, é comum que, quando o 741 é usado, surja tensões de offset da ordem 3 V ou mais, na saída do amp op.

Há várias formas de se aliviar esse efeito. Entretanto, a mais eficaz de todas é o uso, neste amplificador em particular, de um amp op com entrada a JFET. Veja, por exemplo, o datasheet do TL074:

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl074a.pdf.

A corrente de polarização desse dispositivo é da ordem de 0.2 nA, o que reduz a tensão de offset na saída a um valor aceitavelmente baixo. A razão disso é que, apesar do amp op ser construído com transistores bipolares, a entrada do amplificador é construída com um JFET (transistor de efeito de campo de junção) com a junção de entrada polarizada reversamente, o que torna a tensão de polarização na entrada muitíssimo baixa. Só para ilustração, veja abaixo o diagrama esquemático simplificado de o amp op.

Exemplos de am ops com entrada a FET são as seguintes: TL061, TL071 e TL081. Cada uma dessas famílias tem um ponto forte (Por exemplo, o TL061 permite o uso com baixa tensão e tem baixo consumo; se estiver interessado, pesquise as diferenças). Como conseguimos adquirir amp ops da família TL071, usaremos esses amp ops. Menciono que a família TL0** tem três variedades: o TL071, o TL072 e o TL074. O TL071 possui apenas um amp op em seu encapsulamento; 0 TL072 possui dois amp ops em seu envapsulamento; e o TL074 possui quatro amp ops em seu encapsulamento. As pinagens do TL071 e TL072 são mostradas a seguir:

Observe que a pinagem do TL071 é bastante similar à do 741. Porém, a pinagem do TL072 é completamente diferente.

Você poderá escolher qualquer amp op da família TL07x. Porém, o que será fornecido a você, no laboratório, caso queira escolhê-lo, será o TL074, cuja pinagem é mostrada a seguir:

Preste bastante atenção na pinagem. Atente principalmente para o fato de que a tensão de alimentação negativa fica na parte inferior do circuito integrado, e a positiva, na parte superior. Se você invertê-las, irá queimar o amp op.

Como já dito, um amp op TL074 será fornecido a cada grupo para esta atividade de laboratório.

Projete, então, um amplificador com ganho 100, impedância de entrada altíssima e baixíssima corrente de polarização.

Filtro passa-baixa com seletor de frequência de corte

O próximo passo será um filtro passa-baixa com duas frequências possíveis de corte que podem ser selecionadas. A representação dessa seção no circuito geral da última página é reproduzida a seguir:

Como visto nos vídeos introdutórios a função do filtro passa-baixa é eliminar ruídos desnecessários, que são gerados por interferência eletromagnética de dispositivos externos e também pelos próprios ruídos (térmicos e de outras naturezas) que são gerados pelos componentes do circuito. O objetivo mínimo desta seção é projetar um filtro passa-baixas do tipo Butterworth (de primeira ou segunda ordem), com duas frequências de corte selecionáveis: 100 Hz e 25 Hz.

O projeto do filtro Butterworth de primeira ordem é muito simples. Um dos circuitos que podem ser usados no projeto é mostrado a seguir.

O circuito acima mostra um filtro passa-baixa de Butterworth de primeira ordem. Trata-se simplesmente do bem conhecido circuito com um resistor em série como capacitor. O amplificador operacional fornece um ganho adicional dado por AV=Rf/R1. A frequência de corte do filtro é dada por:

= 12

Assim, para se obter várias frequências possíveis de corte, basta, por exemplo, manter o capacitor fixo e alterar o valor do resistor R por meio de chaves seletoras (análogas às já discutidas).

O filtro Butterworth de segunda ordem é mais complexo. O estudante interessado pode pesquisar sobre o projeto de filtros butterworth.

Neste experimento, vamos usar uma topologia que tem algumas desvantagens em termos de precisão, mas tem a vantagem da simplicidade. É a topologia Sallen-Key, mostrada a seguir.

Nessa topologia, se ambos os resistores tiverem o valor de

1 Ω e ambos os capacitores tiverem o valor de 1 F, então teremos um filtro de Butterworth de segunda ordem normalizado, ou seja, frequência angular de corte de: = 2 = 1 rad/s

Ou, equivalentemente, a frequência de corte dada por: = !"#

O ganho total do circuito é igual a 1.

Vamos, como exemplo, projetar um filtro ativo de Butterworth de segunda ordem, com frequência de corte de 10 kHz. Para isso, iniciamos com o circuito normalizado acima (note que em outras ordens o circuito é totalmente diferente).

O primeiro passo é determinar qual será a frequência desejada. É importante lembrar que a frequências normalizada é a frequência angular ( = 2, %& 1 rad/s). Assim, que a frequência muda para 10 kHz, fazer que a frequência angular mude de 1 rad/s para = 2 10 ×10' rad/s (e esse deve ser o fator multiplicativo que iremos usar.

A seguir, fazemos duas operações, descritas a seguir:

(1) A frequência ficará multiplicada por uma constante F, caso ocorro uma das seguintes ações:

(A) ou multiplicar apenas os valores dos resistores pela constante F.

(B) ou dividir apenas os valores dos resistores pela constante F.

Dessa forma, o primeiro passo para mudar a frequência angular de 1 rad/s para = 2 10 × 10' rad/s pode ser dividir todos os capacitores por 2 10 × 10'. Nosso exemplo, dividindo os capacitores por esse valor, o capacitor C1 ficaria com o valor:

=1√22 10 × 10' = 12√2 10 × 10'

≅ 11.25396

E o valor de C2 seria: = 2 ≅ 2 × 11.25396 ≅ 22.507908

Após essa divisão, todos os capacitores ficaram com

valores altos e todos os resistores permaneceram com 1 Ω. Esses ainda não são valores típicos, pois os resistores são muito baixos e os capacitores muito altos (na faixa dos capacitores eletrolíticos).

(2) No segundo passo, se multiplicarmos todos os resistores por uma constante K, e ao mesmo tempo dividirmos as capacitâncias pela mesma constante K, nada mudará na frequência de corte, pois os efeitos se cancelam. Por outro lado, com essas operações de multiplicação e divisão poderemos, sem mudança da

frequência de corte, achar valores mais próximos dos valores comerciais para capacitores e resistores.

Assim, a pergunta a fazer é: quais será o valor da constante K que permitirá a obtenção de valores confortáveis para resistores e capacitores. Há muitos métodos possíveis para se resolver esse problema. Em geral, muitos acreditam que é mais difícil achar valores para os capacitores. Por isso, é comum que se tente, primeiramente, contemplar os valores dos capacitores, especialmente os valores para os quais a pessoa dispõe de acesso a capacitores com alta precisão, como o exemplificado abaixo.

(Capacitor Precisão 5 nF X 1%, 63 V – Polietileno)

Tentemos, então, contemplar o exemplo acima, com capacitância de 5 nF. Por quando seria necessário

dividir o valor anterior, de = !√ +×+, , para

que o resultado seja 5 nF. Para isso, teremos que resolver a equação:

-./√.0-1×-1,234 = 5 × 105 → 7 = -./√.0-1×-1,238×+9: →

7 = !√ +×+, 8×+9: →

7 = 2250.791 Conferindo os cálculos:

,;<=< = .>;?@A<2250.791 = 11.253962250.791 = 5.0B (e este era o valor desejado)

E = 2 = 10B.

Então, falta multiplicar o valor antigo do reistores, 1Ω, por X:

;<=< = >;?@A< × 7 = 1Ω × 2250.791 →

;<=< = 2250.791Ω

Dessa forma os componentes do filtro são os seguintes:

C1 = 10 nF

C2 = 5 nF = = 2250.791Ω ≅ 2200Ω + 47Ω ≅ 2247Ω

Os resistores foram obtidos por uma associação em série de dois resistores com valor comercial. Para achar a melhor combinação, foi utilizado o seguinte website:

https://www.qsl.net/in3otd/parallr.html

Tarefa: com base no que foi visto, projete um filtro Butterworth de segunda ordem que tenha que tenha duas frequências de corte: 100 Hz e 25 Hz. Note que é necessário chavear dois componentes de uma só vez, pois as frequências de corte podem ser alteradas multiplicando-se os valores dos resistores por uma constante. Uma sugestão para definir esse chaveamento pode ser o uso da chave abaixo (disponível para compra na huinfinito):

Circuito seletor de ganho

Agora, vamos tratar do circuito seletor de ganho, cuja representação no diagrama é mostrada a seguir:

É muito comum que os eletrocardiógrafos tenham ganho selecionável. Há várias formas de se construir um amplificador com ganho selecionável. Por exemplo, pode- se usar um amplificador não inversor, em que o ganho é dado por = = 1 + E/@, e mudar o ganho por meio da

alteração do resistor E (ou do @ ), usando uma chave

seletora que permita a seleção de vários valores. Se você puder adquirir uma chave como essa, nós o incentivamos. Muitos modelos diferentes de chave seletora podem ser usados na mudança do resistor. Dois exemplos de chave seletora rotatória são ilustrados a seguir:

Como não temos uma chave dessas no laboratório, sugerimos a possibilidade de um circuito mais simples ilustrado a seguir.

No circuito acima, é possível selecionar os valores dos resistores de forma a obter dois ganhos, de forma que a mudança seja feita com o chaveamento da fonte.

Projet, então, o circuito seletor de ganho para 2 ganhos: G=1 e G=2. Com isso, o ganho total do circuito passará a ser de 1000 ou 2000, dependendo da seleção.

Temos disponível no Laboratório de Eletrônica a chave ilustrada a seguir (disponível também para compra na huinfinito).

A chave mostrada acima é conveniente para uso em protoboard, mas não ideal, pois é mais um tipo de “jumper selecionável”, e não é conveniente, por exemplo para ser colocado no painel de um aparelho. Uma opção melhor para este propósito seria. A ilustrada anteriormente (chaves seletoras rotatórias) ou, no caso de seleção de apenas dois ganhos, a chave a sebuir (disponível para compra na huinfinito).

Com base no que foi visto nesta seção, projete o circuito de ganho selecionável com no mínimo dois ganhos possíveis: 1 e 2 (o que permitirá a seleção de ganhos globais de 1000 ou 2000). Se decidir fazer com três ganhos, sugiro o ganho adicional de 0.5.

O circuito da perna direita

Finalmente, alguns comentários sobre o circuito da perna direita, constante no diagrama geral, mostrado na página final, e reproduzido a seguir.

Note que houve um erro no desenho, pois o circuito está ligado na perna esquerda. Então, considere que na verdade a ligação está sendo feita à perna direita.

Como comentado na vídeo 3 da atividade 4 (a partir do instante 7:00), este é um circuito que pode melhorar o desempenho do amplificador. Entretanto, usando uma boa dose de franqueza, ele é trabalhoso e difícil de sintonizar, pois lida com pólos próximos ao semiplano direito, e, em minha experiência, o fato do circuito ser montado no protoboard torna a tarefa difícil pois é difícil evitar o surgimento de capacitâncias insuspeitas que poderão causar oscilações. Pior ainda: após gastar um bom tempo na sintonia do circuito, qualquer alteração que for feita no protoboard poderá levar à perda do ajuste e a necessidade de muitas horas adicionais, que serão necessárias para ajustar novamente o circuito. Caso o aluno esteja bastante motivado a enfrentar o desafio e dispor de bastante tempo para tal, incentivo-o a fazê-lo. Entretanto, para que o aluno evite usar um tempo excessivo no experimento, sugiro que o aluno opte por fazer a versão mais simples, que não usa o circuito da perna direita, e apenas conecta o eletrodo conectado na perna direita à referência do circuito, conforme mostrado na figura abaixo.

A alimentação do circuito

A alimentação do circuito pode ser feita com duas baterias de 9 V. Caso o aluno opte por essa modalidade, essas duas baterias e os seus terminais devem ser adquirida pelo estudante.

Esta seção completa a explicação sobre o projeto do circuito.

Elaboração do diagrama esquemático do circuito

Detalhe a elaboração do seu projeto, com todos os cálculos e explicações necessárias.

Após terminar o projeto, consolide-o, desenhando o circuito em um aplicativo adequado para desenho de circuitos, ou simplesmente um programa para elaboração de desenhos, e inclua-o no pré-relatório.

Detalhamento da montagem no programa Fritzing

Agora, elabore um diagrama da montagem que você fará no laboratório usando o programa Fritzing.

Entrega do pré-projeto

O pré-projeto deve ser entregue, individualmente por cada aluno, no início da aula.

Mini-teste

O mini-teste deste experimento é o pré-projeto, cuja nota valerá por um mini-teste

5) ATIVIDADES DE LABORATÓRIO

Neste experimento iremos montar e testar, parte por parte, os circuitos componentes de um amplificador do eletrocardiograma, em um protoboard. Ao final, o aluno deverá ser capaz de observar o sinal eletrocardiográfico de uma pessoa ou de um simulador do eletrocardiograma. A seguir, é apresentada uma descrição passo a passo das atividades.

5.1) Montagem e teste do amplificador de diferença

Primeiramente, iremos montar o primeiro elemento do circuito, que é um amplificador de diferença com ganho 10. O circuito é repetido a seguir.

O ganho do INA118 é dado por:

Assim, para a combinação em série dos dois resistores

de 2.8 kΩ, o valor do ganho será: G = 1 + 8+HI8.H =10.1

O que é uma precisão razoável.

Se o aluno for usar o circuito da perna direita (um desafio),

seria melhor usar os dois resistores. Se não for usar,

optando por conectar o eletrodo da perna direita à

referência do circuito, seria possível usar apenas um

resistor de 51 kΩ, que seria mais preciso.

Monte o amplificador, e o alimente com ±15 . Em

seguida, faça os testes descritos a seguir.

Teste do amplificador de instrumentação:

A tensão de saída do amplificador é dada pelas diferenças

entre as tensões nas entradas não-inversora e inversora,

vezes o ganho de 10:

K = 10L M − MO Uma forma para testar é:

(A) Aterre a entrada M , e entre, em M , com a

tensão:

M = P%B 210M (senóide com amplitude de 1 V (de pico) com frequência de

1 Hz)

Então, verifique se a tensão de saída é igual a uma senóide

com a mesma frequência e amplitude de 10 V (de pico). Se

estiver, passe para o próximo passo do teste e, se não

estiver, tente achar o erro.

(B) Aterre a entrada M, e entre, em M, com a tensão:

M = P%B 210M (senóide com amplitude de 1 V (de pico) com frequência de

1 Hz)

Então, verifique se a tensão de saída é igual a uma senóide

com a mesma frequência e amplitude de 10 V (de pico),

porém com sinal invertido. Se estiver, passe para o próximo

passo do teste e, se não estiver, tente achar o erro.

Um erro muito comum no uso do INA118 é esquecer de

conectar o potencial de referência (Ref) no pino 5, como

mostrado na figura acima.

Se todos esses testem deram certo, você pode passar à

próxima fase da montagem.

5.2) Montagem e teste do filtro passa-alta

O próximo passo será montar o filtro passa-alta

Butterworth de primeira ordem com frequência de

corte de 0.1 Hz, que tem a função de minimizar o

“baseline wandering” ou variação da linha de base. O

circuito é mostrado a seguir.

A saída do INA118 é conectada diretamente à entrada

do filtro passa-alta (no primeiro terminal do capacitor

C). Foi acrescentado um circuito do tipo “buffer” após

o resistor R para evitar que a impedância de entrada

não-infinita da sonda do osciloscópio possa alterar a

frequência de corte. Suponha, por exemplo, que o

resistor R seja igual a 1 MΩ; quando um osciloscópio

é usado para medir a frequência de corte do filtro, e a

ponta de prova é colocada no nó que conecta o

capacitor C e o resistor R; e o terra da ponta é

conectado à referência do circuito, então a resistência

da ponta, que é também 1 MΩ; fica em paralelo com

o resistor R, e a resistência da combinação em paralelo

ficará sendo de 0.5 MΩ. Como a frequência de corte é

dada por fc=1/(2πRC), a queda efetiva de R à metade

irá dobrar a frequência de corte, e será medida uma

frequência de corte de 0.2 Hz em vez de 0.1 Hz.

Para evitar esse problema, foi incluído um seguidor de

emissor, com ganho 1 e impedância muito alta (por

isso é bom usar um amplificador com entrada a JFET,

como o TL074, que já está disponível).

Três métodos para medir a frequência de corte do

filtro passa-alta são apresentados a seguir.

Método 1) No domínio da frequência (escala linear)

A resposta em frequência do filtro Butterworth de

primeira ordem deve ter a seguinte equação:

|" R2| = S< R2@ R2S = 1T1 + U< V

E o gráfico é dado, em escala linear é o ilustrado

abaixo (para < = 0.1"#:

Assim, um método possível para se obter a frequência

de corte seria, por exemplo, plotar o gráfico acima.

Note que, na frequência de 1 Hz o ganho já alcançou

quase o seu valor máximo. Assim, um primeiro passo

seria medir o ganho em uma frequência de 1 Hz ou

maior. Assim, medindo-se, por exemplo, o ganho em

2 Hz, o seu valor seria próximo do máximo (ou seja,

Ganho = 1). Em seguida, pode-se diminuir a

frequência; com a diminuição, a amplitude irá

também diminuir. Quando essa amplitude cair ao

valor de 1 √2⁄ ≅ 0.707, a frequência em que isso

ocorrer será a frequência de corte (no presente caso,

0.1 Hz).

Método 2) No domínio da frequência (em dB)

A resposta em dB é dada por:

|" R2|XY = S< R2@ R2SXY= 20Z[\+

]^_ 1T1 + U< V `

aab

Essa expressão pode ser usada para se obter o “Bode

plot”, que é ilustrado abaixo, para o caso do nosso

filtro:

Com esse gráfico, a frequência de corte é dada pela

interseção das duas retas (da região de corte e de

passagem).

Uma pequena dificuldade de se medir frequências de

corte com esses dois métodos, quando a frequência

de corte é muito baixa, é que as senóides de teste são

demoradas. Para uma frequência de 0.01 Hz, por

exemplo, cada ciclo da senóide iria requerer 100

segundos para cada ciclo.

Para filtros de primeira ordem simples, como este, há

um método mais rápido, descrito a seguir.

Método 3) No domínio do tempo

Para filtros passa-alta de primeira ordem, é possível

medir a resposta em frequência usando a resposta ao

degrau. A resposta ao degrau unitário do filtro de

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

frequência (Hz)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Ga

nh

o (a

dim

en

sio

na

l)

Resposta em Frequência

Ga

nh

o (a

dim

en

sio

na

l)

primeira ordem mostrado é dada pela equação a

seguir:

c M = 1 − %?d = 1 − % ?ef

Onde

g = é a constante de tempo do circuito.

Quanto M = g, a resposta ao degrau unitário alcança o

valor de 0.6321. Observe esse fato na figura abaixo,

que a resposta ao degrau do filtro com frequência de

corte de 0.1 Hz.

O método consiste em aplicar uma onda quadrada ao

circuito (que aproxima com alguma precisão um

“degrau”) e verificar a resposta exponencial. Meça em

que instante a amplitude da resposta ao degrau

unitário chega a 0.632, chamando esse instante de g

(“tau”), e calcule a frequência de corte usando a

seguinte expressão:

= 12g

No exemplo acima, quando a amplitude é 0.63, o

tempo é igual a aproximadamente 0.16. Assim, uma

estimativa para a frequência de corte seria:

= ! +.=0.995 Hz

O que é uma boa estimativa.

Tarefa: medir a frequência de corte do filtro passa

alta

Como indicado no circuito abaixo, aterra a entrada

inversora e entre com o sinal de teste na entrada

não-inversora.

Usando os três métodos descritos, meça a frequência

de corte. Apresente seus resultados, e explique como

os obteve, apresentando gráficos (como diagrama de

Bode e resposta ao degrau) cálculos e explicações.

5.3) Teste do botão de restauração da linha de base

Monte e teste, também, o botão de “Reset” do filtro

passa-alta. Sugerimos o botão já mostrado na etapa

preliminar, repetido abaixo.

Faça o teste descrito a seguir. Usando a mesma

consideração do último circuito de teste, entre com

um sinal senoidal com frequência de 10 Hz e

amplitude de 0.1 V (e observe que a saída será uma

senóide de 10 Hz e 1 V, pois o ganho do INA118 é de

10). Em seguida, abra o circuito da entrada, e observe

que a saída do circuito irá para uma tensão de

saturação (observe se é saturação em tensão positiva

ou negativa). Agora, reconecte a tensão de entrada,

e observe que a tensão de saída (linha de base) irá

decair lentamente de forma exponencial, de forma

que aparecerá uma senóide de 10 Hz e amplitude de

1 V superposta a uma senóide lenta. Tente, então,

acelerar o decaimento desta exponencial, apertando

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

tempo (s)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

am

plit

ud

e (a

dim

en

sio

na

l un

itá

ria

)

Resposta ao degrau

o botão de restauração da linha de base. Documente

o que aconteceu, mostrando fotos, cálculos e

explicações.

*Nota: Em muitos dispositivos comerciais, esse notão

é acionado de forma automática, por meios

eletrônicos, sem a necessidade de que um operador

humano aperto o botão.

5.4) Montagem e teste do amplificador de ganho 100

O próximo estágio a ser montado é o amplificador de

ganho 100, que tem a função de prover um ganho

total de 1000 (o primeiro estágio tem ganho 10, e o

segundo, ganho 100; assim, o ganho total é de 1000).

Esse estágio está adicionado ao circuito, na figura a

seguir.

Projete o circuito, escolhendo os resistores adequado,

e teste o circuito. Para testá-lo, você poderá usar o

circuito ilustrado acima, aterrando a entrada

inversora e entrando, na entrada não-inversora com

um sinal senoidal com frequência de 10 Hz e a menor

amplitude que puder. O gerador do nosso laboratório

possui uma tensão mínima de 10 mV de pico (ou 20

milivolts de pico a pico); assim, como o ganho é de

1000, a saída será uma senóide de 10 V de pico. Como

a alimentação usada é de ±15 , não haverá

saturação no circuito. Teste também o circuito com

uma onda triangular, pois ela permite melhor

observação de distorções. Explique os resultados,

adicionando fotos, cálculos e explicações que deixem

claro a razão dos resultados.

5.5) Montagem e teste circuito passa-baixa com 2 frequências de corte selecionáveis

O próximo estágio a ser montado é um filtro

Butterworth passa-baixa de primeira ou de segunda

ordem (você escolhe), com duas frequências de corte

selecionáveis: 100 Hz e 25 Hz. Trata-se do circuito que

você projetou nas atividades preliminares. Para

selecionar a frequência de corte, o ideal seria o uso de

chaves seletoras que pudessem ser colocadas em um

painel que possa ser instalado no painel da caixa onde

o circuito seria instalado. Para um filtro de primeira

ordem, por exemplo, é necessário instalar apenas

uma chave que selecione entre um resistor ou um

capacitor. Para selecionar, por exemplo, o capacitor

que vai para o potencial de referência, poderia ser

usada uma das chaves mostradas anteriorente, que é

repetida a seguir.

Se você optar por um filtro de segunda ordem, é

necessário que se escolha uma chave que modifique

dois componentes (2 resistores ou 2 capacitores)

simultaneamente. Infelizmente, não dispomos de

chaves como essas no laboratório, e o ideal seria

adquirir uma chave como essas em uma loja de

componentes eletrônicos ou em uma loja online.

Como isso pode ser um pouco difícil, você pode, nesse

caso, improvisar nessa montagem, improvisar, usando

as chaves seletoras já mostradas e repetidas a seguir

(que estão disponíveis no laboratório).

Obviamente, as chaves acima não são a solução

técnica ideal, já que não são chaves para uso em um

painel, e o seu uso é só para pessoas especializadas,

que conhecem o circuito. Porém, elas ilustrariam bem

a ideia.

Monte, então, o seu circuito, incluindo a chave

seletora das duas opções de ganho, e teste o seu

desempenho, plotando os diagramas de Bode do

filtro, para as duas opções de ganho. Primeiramente,

selecione (usando a chave seletora) o ganho de 100

Hz, e adquira os dados da resposta em frequência,

plotando em seguida o “Bode plot” do filtro. Em

seguida, selecione o ganho de 25 Hz e repita a mesma

operação. Documente, no relatório, esses testes,

com gráficos, cálculos e explicações que forem

necessários.

5.6) Montagem e teste do circuito seletor de ganho com dois ganhos possíveis

O próximo estágio a ser montado e testado é o circuito

seletor de ganho com dois ganhos possíveis que você

projetou no pré-projeto. Você pode, se quiser, usar a

chave seletora disponível no laboratório, porém deve

retorná-la, sempre, ao final do laboratório. Para

facilitar seu experimento, você poderá adquiri-la em

um loja de artigos eletrônicos, pois assim você poderá

carregar a sua montagem com você e trabalhar em

casa no projeto.

Desenvolva um procedimento de teste da chave

seletor de ganho, para os dois ganhos totais que

podem ser selecionados (sugestão: 1000 e 2000), e

teste o circuito seletor de ganho. O circuito final total

a ser testado na bancada é o seguinte:

Este circuito incorpora as funcionalidades essenciais

de um amplificador do eletrocardiograma.

Como o ganho é alto (1000), é necessário que a tensão

de teste de entrada [v1(t)] seja baixa o suficiente para

não causar saturação na saída. Uma amplitude de 10

mV, por exemplo seria suficiente para o ganho de

1000. Porém, para o ganho de 2000 seria necessário o

uso de um atenuador, (por exemplo, um divisor de

tensão poderia ser usado).

5.7) Preparação do cabo para os eletrodos

Um componente importante do eletrocardiógrafo é o

seu cabo, que contém os fios para conexão dos

eletrodos (que captam o ECG no corpo do paciente) à

entrada do amplificador de ECG e potencial de

referência (perna direita). Observe essas conexões na

figura geral, na última página deste roteiro.

Um exemplo de cabo comercial simples é o mostrado

a seguir, retirado do site:

https://www.alibaba.com/showroom/3-lead-ecg-

cable.html).

No nosso laboratório, vamos usar cabos artesanais

improvisado. 2 conjuntos de cabos estarão disponíveis

no laboratório para o teste. Cada conjunto irá conter

3 fios: dois para conexão aos eletros a serem

colocados ao braço direito e à perna esquerda, e um

para conexão ao eletrodo de referência, a ser

colocado na perna direita. Em um lado do fio (o que se

conecta ao eletrodo) será colocado um conector do

tipo jacaré (“aligator”), ilustrado abaixo.

Em um lado de cada fio será colocado uma garra

“jacaré”, como a mostrado acima, para conexão no

eletrodo (um exemplo é ilustrado abaixo), que pode

ser obtido em uma farmácia especializada (UNICOM).

No outro lado do fio, foi colocado um pino para

conexão em protoboard, como o ilustrado a seguir.

Como discutido nos vídeos instrucionais apresentados

na parte preparatório do experimento, uma forma de

se evitar a interferência magnética é minimizar a área

entre os cabos. Para fazer isso, os fios foram

“trançados”. Veja o seguinte link:

https://www.youtube.com/watch?v=yEZ5CUl-E1Y

Apenas para sua instrução, assista o seguinte vídeo,

que ilustra as 12 formas diferentes (derivações) de se

medir o ECG.

https://www.youtube.com/watch?v=rGkakcEwJQg

O sinal de ECG que você costuma ver em livros é o sinal

geralmente obtido com a derivação DII (dê-dois). Nessa

derivação, o eletrodo de referência é colocado na perna

direita, o eletrodo que se conecta à entrada não-inversor é

conectado ao braço direito, e o eletrodo que se conecta à

entrada negativa é conectado à perna esquerda. O sinal

típico dessa derivação (II) é mostrado a seguir, juntamente

com os sinais típicos das derivações I e III:

No vídeo associado ao link a seguir, é ilustrado o processo

de colocação dos eletrodos em uma pessoa.

Apenas por curiosidade, a seguir é apresentada uma figura

com os traçados típicos de todas as 12 derivações:

A seguir, é apresentado um link com detalhes sobre a

colocação dos eletrodos:

https://www.youtube.com/watch?v=TFVY7Nnqy28

5.8) Circuito da perna direita

Conforme discutido em vários pontos da parte

preparatória do experimento, o circuito da perna

direita é um circuito muito útil. Um exemplo deste

circuito é apresentado na figura geral do circuito,

mostrada

Entretanto, como já visto, esse circuito apresenta

muitas dificuldades e dificuldades de sintonia fina.

Vale a pena quando o circuito tem um layout bem

definido, com um cabo com dimensões fixas e

definidas, de forma que as capacitância e impedâncias

do sistema permaneçam fixas. Com a montagem em

protoboard, leva um bom tempo para ajustar o

funcionamento do circuito, e qualquer pequena

mudança no circuito pode causar a perda de todo o

trabalho. Se um dia você for fazer o sistema em uma

caixa, usando um cabo comercial etc., incentivo você

a usar o circuito. Há alguns artigos interessantes para

consultar, que podem ser acessados nos seguintes

links:

https://drive.google.com/open?id=0B8estbWKXSX3Z0Q1

ak9CZlJPbkE

http://www.ti.com/lit/an/sbaa188/sbaa188.pdf

Para o presente experimento, acredito que a melhor

estratégia seria fazer um circuito com desempenho não tão

bom, mas suficiente para ilustrar o funcionamento do

amplificador, que foi discutido na fase preliminar. Nele, em

vez de conectarmos o eletrodo de referência (perna

direita) ao circuito, ele é conectado diretamente à

referência (“terra”) do circuito. A ilustração dessa situação

é repetida a seguir:

(Lembre-se que a figura contém um erro, e o eletrodo

de referência é colocado, na verdade, na perna

direita)

5.9) Qualidade da montagem

Fotografe a montagem do circuito, e inclua a

fotografia no relatório, assim como comentários que

achar pertinentes.

A qualidade da montagem será avaliada e terá reflexo

na sua nota.

5.10) Teste do circuito

Não tente testar o circuito em você mesmo; se tiver a

intenção de checar o desempenho do seu circuito em

uma pessoa, converse com o professor. A razão desse

cuidado é que esse circuito cobre alguns pontos

básicos sobre os amplificadores, mas não aborda

muitos outros itens de segurança, imunidade a ruído

e proteção do circuito.

Para evitar acidentes, vamos realizar o nosso teste de

laboratório, entretanto, vamos utilizar o dispositivo

“Simulador de ECG e testador de leads”, modelo Dale

Dhs 10, que está ilustrado a seguir.

Veja as características desse simulador:

https://www.flukebiomedical.com/products/biomedical-

test-equipment/electrical-safety-analyzers/dale-ehs10-

ecg-simulator

Esse circuito simula o ECG normal em várias

derivações. As garras jacaré que seriam conectadas

aos eletrodos são, em vez disso, conectada a cinco

bornes que correspondem a: referência (C), braço

esquerdo (RA), braço esquerdo (LA), perna direita (RL)

e perna direita (RD).

Com base nas explicações apresentadas, meça as

derivações DI, DII e DIII do simulador, mostrando-as

no osciloscópio. Fotografe tudo o que for necessário,

e inclua explicações claras sobre os resultados.

5.11) Estimativa do consumo

Tente medir o consumo do circuito, nos seguintes

casos:

(A) Alimentação do circuito com a fonte de

bancada, com ±15.

(B) Alimentação do circuito com baterias de ±9.

Apresente e comente os resultados da medida. Como

seria possível diminuir o consumo?

1) Relatório

Apresente os resultados obtidos e comente-os de forma sucinta, respondendo às questões apresentadas.

EXPERIMENTO DE LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA Amplificador do Eletrocardiograma