5. Condicionadores de Sinais

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Condicionadores de SinaisCondicionadores de SinaisCondicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais

11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 1

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais

• Introdução

• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação

• Pontes de Medida

• Amplificadores

• ProteçãoProteção

• Filtros



SinaisSinaisIntroduçãoIntroduçãoçç

SaídaAnalógica

Tratamentodo


doSinal


Condicionadores de SinaisCondicionadores de SinaisIntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução

• Objetivo: manipular o sinal do transdutor, em termos de magnitude e freqüência, de forma g qcontrolada, ou seja:– Alterar o nível do sinal;– Alterar o nível do sinal;

– Modular a freqüência;

– Linearizar;

– Filtrar.



• Introdução



• Amplificadores


• Filtros


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA FontesFontes de de AlimentaçãoAlimentaçãoçç



Reguladores de TensãoReguladores de Tensãocom CIscom CIscom CIscom CIs

78XX 79XX

E – Entrada

T – Terra

+ -

E ET TS S

T – Terra

S – Saída

Ajustável

Fixo

õ á i i


protecções automáticas contra aquecimento excessivo e curto-circuitos na saída.

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustável


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustável


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de CorrenteFontes de Corrente

• Fonte de Corrente a JFET


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de CorrenteFontes de Corrente

• Transistor Bipolar • Transistor / diodo Zener



• Introdução



• Amplificadores


• Filtros


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pontes de Pontes de MedidaMedida

• Converte variações de impedância em tensão;

• A amplificação pode ser usada para elevar aA amplificação pode ser usada para elevar a magnitude da tensão de saída.

Mé d• Métodos:– Zero: impedância igual a de referência,

a tensão de saída é zero;

– Deflexão: variações de tensãoDeflexão: variações de tensão indicam variações de impedância;


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pontes de Pontes de MedidaMedida

Ponte de corrente contínua

Ponte de Wheatstone

RV

Vi

RX RV

Vi

RX

o te de eatsto eR2R3 R2R3

Pontes de corrente alternadaZ

Pontes de corrente alternada

Ponte de HayMaxwell

Vi

Z? ZV

MaxwellScheringWien

Z

2

Z3


Wien 2

Z? Z2 = ZV Z3

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAPontes de Wheatstone

Método do zero A

I4 I1Aplica-se Vi (cc) e varia-se R1 até que V0 = 0

R1

ViBD

Vo

I4 I1R4

I4 = I3R2

R3

BD

I3 I2I1 = I2

211 RR

VI i

+= C

3 2

434 RR

VI i

+=

21

111 RR

RVRIV iAB +

==43

444 RR

RVRIV iAD +

==

VVVVVV ++ VRRRRV 4231 −


ADABADBABD VVVVVV +−=+==0 ( )( ) iVRRRR

V4321

42310 ++

=


Exemplo de Aplicação

R1Vi

R2R3

Vi

R2R3



1,5

2

Vo [

V]

0 5

0

0,5

1

1000 6000 11000 16000 21000 26000 31000

Tens

ão

R = R e R

-2

-1,5

-1

-0,5 1000 6000 11000 16000 21000 26000 31000 RV = R2 e R3

-2,5

2

R? [Ω]

0,8

1

o Vo

[V

]

0,2

0,4

0,6

Tens

ão

RV = de R2e R

110

-0,4

-0,2

01000 6000 11000 16000 21000 26000 31000

e R3


-0,6

,

R? [Ω]

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA PT 100 PT 100 -- LinearidadeLinearidade



Não Linearidade – Fonte de Tensãoe

-η[%

]

( ) ( ) iVRR

rrV η−Δ+

−= 11 20

near

idad

e

2R

( )

Não

lin

1

2

Rr =


Variação na resistência, ∆R/R


Não Linearidade – Fonte de Corrente

1

2

RRr =

de [%

]lin

eari

dad

Não


Variação na resistência, ∆R/R


Ponte Ponte WheatstoneWheatstone AtivaAtivaR>100 ΩR>100 Ω

• Mais linear

• 2x mais sensíveliV

RRV Δ−=

21

02x mais sensível

Vi

V00



ativa ativa alimentada a tensão constantealimentada a tensão constante

iVRRGV Δ=0

ViiR0

Ganho



• Introdução



• Amplificadores


• Filtros


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O amplificador operacionalO amplificador operacionalp pp p

• Características esperadas:– Alto ganho (~ 20.000)g ( )

– Alta resistencia de entrada (~ 2 MΩ)

Resistencia de saída ~ 75 Ω– Resistencia de saída ~ 75 Ω.

• Função:– Amplificar a diferença entre dois sinais.

• Aplicações:• Aplicações:– Sistemas de controle e regulação, instrumentação,

t ã d i i filt ti


processamento e geração de sinais, filtros ativos, entre outras…

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O amplificador operacionalO amplificador operacionalp pp p

l f d f l d d


Amplificador Diferencialde Ganho Elevado

maisGanho

Seguidor de EmissorPush-Pull


AmpAmp OPOPCaracterísticas ideaisCaracterísticas ideaisCaracterísticas ideaisCaracterísticas ideais

• Ganho de malha aberta Ad: infinitoGanho de malha aberta, Ad: infinito

• Ganho de modo comum, Ac: zero

• Impedância de entrada: infinita

• Impedância de saída: zero• Impedância de saída: zero

• Tempo de resposta: zero

• Offset: zero

• Defasagem = 180°• Defasagem = 180


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAAmplificadores OperacionaisAmplificadores Operacionais

Alimentação


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CFiltro PassaFiltro Passa--BaixaBaixa

RF

CF

Z 1

-R1vi

vovg

1

Fo i

Zv vZ

= − ⋅1//F F

F

Z Rj Cω

=...

+

1FF

F F

RZj R Cω

=+1

FZGZ

= −

1RCω =fazendo: 1FFRZj

=+

1

1

11

FF RRRjG

R j+= − = −

+1 j

parte real: 1 1 11 1 1 2

F F

F

R RR R RGj R

⎛ ⎞= − = = ⎜ ⎟+ + ⎝ ⎠11 1 1 2j R+ + ⎝ ⎠

10RCf d1 FRG

⎛ ⎞= ⎜ ⎟ G

1 : 2

atenuação de


10RCω =fazendo:1101

GR

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

G

f


C C T ãConversor Corrente-Tensão

RF

-vi vv+

vovg

AmpOp ideal: ig = 0 ⇒ vg = v+ = 0

1Fi i=

i v>>>v i R i R= =


1 oi v>>>1o F F Fv i R i R= − = −

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAConversor Tensão CorrenteConversor Tensão-Corrente

R1

AmpOp ideal: ig = 0 ⇒ vg = vi

v +

-1

vovg

vi i1v

G = ∞ ⇒ v+ = v- = vi

21

iviR

= +R2

-

i2

ZFiF

21

iF

vi iR

= = i Fv i>>>


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAConversor Tensão-Corrente

i

Aplicações básicas

-R ZF

iF

vF

1F i L

o

i G v vR

= ⋅ −

+ vovic/ Ro a resistência vista pela carga Z

O AmpOp faz “o necessário” (isto é, regula iF) de forma a quev- = v+ = vi , ou seja: R.iF = vi

Rvi i

F =R

para fazer isto, o AmpOp regula a tensão de saída para: o i Lv v v= +


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAAmplificador de Instrumentação (InAmp)p ç ( p)

AmpOp’s particulares

Fase

Neutro

Terra


Terra


Amplificador de Instrumentação (InAmp)

3 A O ’com 3 AmpOp’sAmpOp’s particulares

Utilizado para amplificação de precisão, de sinais CA ou CC.Rejeitam elevados valores de ruído em modo comum.

+ R1 R2vo1v1

R v

– R5i = 0 i –

RGvo

R6 R3 Ri = 0 –

+

5 22 1

1

2( ) 1oG

R Rv v vR R

⎛ ⎞⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠⎝ ⎠

6 R3 R4

vo2v2 +


1GR R⎝ ⎠⎝ ⎠

(c/ R1 = R3 ; R2 = R4 ; R5 = R6)


Amplificador de Instrumentação (InAmp)

com 2 AmpOp’sAmpOp’s particularesp p p



Amplificador de Instrumentação (InAmp) A O ’ ti l

+V (+5V)


350 Ω 350 Ω

+VCC (+5V)

0,1 μF

2,5 5 V350 Ω 350 Ω

+

–

00 V

0,1 μF

VCM = + 5 V/2

vruído 0

–VCC (–5V)CM /

5V5V/2

d ( i d C)


5V5V/2

Modo ComumRuído

(nota imp: modo comum em DC)


CMRR ≡ Capacidade de rejeitar o Modo Comum

entrada

CMRR (dB) = 20 log (Differential Gain/Common-Mode Gain)

[ ]dBVVGCMRRO

CM log20 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅=

Saída ( f(VCM) )

5210×

⎟⎞

⎜⎛⋅=

−l 1 CMRRVGV CM

O ex: CMRR = 90 dB

VO

2090log

5,2101 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

×=−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

20log 1 CMRR

VVO μ790=

⎠⎝


O μ

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICACMVvv == 21Se:

+

R1 R2vo1v1

++

R1 R2vo1v1

⎟⎟⎞

⎜⎜⎛

−⋅+= 2412 RRRRVO

CM21Se:

v

– R5

i = 0 i

–

v

–– R5

i = 0 i

––

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ + 1431 RRRRVCM

⎞⎛

RGvo

R5R3 R4

i = 0

–

+RG

vo

R5R3 R4

i = 0

––

++

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅=O

CM

VVGCMRR log20

⎞⎛

vo2v2 + vo2v2 ++

⎟⎟⎟⎟⎞

⎜⎜⎜⎜⎛

+⋅=2412

log20 RRRRGCMRR

i e se:⎟⎠

⎜⎝

−+

⋅1

2

43

4

1

12

RRRRi.e. se:R1 = R2 = R3 = R4 denominador = 0senão:

10020 log% desigualdade entre resistências

GCMRR⎛ ⎞⋅= ⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠


g⎝ ⎠


Amplificador de Instrumentação (InAmp) A O ’ ti l

Importante analizar o CMRR de um IN-AMP em função da frequência


Importante analizar o CMRR de um IN AMP em função da frequência



• Introdução



• Amplificadores


• Filtros



• Introdução



• Amplificadores


• Filtros



RuídoRuído


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RuídoRuído

Rand Kruback


Whether noise is a nuisance or a signal may depend on whom you ask

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAOnde pode existir ruído:

(1) (2) (3) (4) (3) (4)

Onde pode existir ruído:

(1) (2) (3) (4) (3) (4)

Com tanta fonte de ruído, é surpreendente conseguir medir o que quer que seja !

(1) O próprio parâmetro (a ser medido) é ruídoso (ex: medir a deformação de uma trave sujeita a vibrações)

(2) O i t d íd ( di t t i i d i tê i tá

fRTkVruído Δ= ....4

(2) O sensor introduz ruído (ex: medir uma corrente aos terminais de uma resistência que está sujeita ao

ruído térmico – – ou efeito Peltier no termopar)

(3) A transmissão de dados comporta-se como uma antena de ruído (ex: acoplamento indutivo, com linhas de energia a 50 Hz, nas proximidades, agravado pelos harmónicos)


(4) O acondicionamento do sinal introduz ruído (ex: sinais em modo comum num amplificador)

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Soluções:

Transdutores de baixa impedância ⇒ baixo ruído ( )fRTkV Δ= 4

ç

1ª abordagem de minimização do ruído → remover equipamentos1

Transdutores de baixa impedância ⇒ baixo ruído ( )fRTkVruído Δ= ....4

1ª abordagem de minimização do ruído → remover equipamentos1

tais como:

• linhas de potência• motores• transformadores• lampadas fluorescentes• relés• relés• ...


1 ou remover instrumentação da proximidade daqueles equipamentos


Ruído electroestático → acoplamento capacitivo( lé i iá i )(campos eléctricos variáveis)

dtdVCi ruído

ruído =C dtC

CC

2ª abordagem de minimização do ruído → blindagem

C ruídoi2 abordagem de minimização do ruído → blindagem



Capacitância fonte ruído–blindagem

Capacitância condutor–blindagem

Necessário fornecer uma terra satisfatória, de forma a que as cargas capturadas possam escoar-se.

V ≠ 0 VSenão, acoplam-se aos condutores do sinal – .

Rcircuito terra

V = 0 V (talvez ... !)


( )


Ruído devido a aterramento incorrecto

É d “ d l ” áÉ criado um “ground loop” sempre que existam várias terras –interligadas – com diferentes potenciais

V ≠ 0 V = 0



Ground Referenced Single Ended (GRSE) or Referenced Single Ended (RSE)Ground Referenced Single-Ended (GRSE) or Referenced Single Ended (RSE)

Diff ti l M t S tDifferential Measurement System

Non-Referenced Single-Ended (NRSE)


http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3394


Corrente (de retorno) no

ΔV

condutor cria um ΔV

(o condutor tem resistência)

Corrente através da blindagem

cria acoplamentos

capacitivos (blindagem–

condutores)

Desfazendo uma das ligações à

terra da blindagem (1)

quebra-se um dos “loops” (1)

Utilizando o modo diferencial do

amplificador


quebra-se o outro “loop” (2)


Outra solução: Filtragem (mas apenas se f ≠ f )Outra solução: Filtragem (mas apenas se fsinal ≠ fruído)


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAO controle do ruído capacitivo (electroestático) é cada vez maisO controle do ruído capacitivo (electroestático) é cada vez mais crítico, à medida que se os sistemas de instrumentação tendem para combinação de circuitos que operam a:p ç q p

- Baixa potência (o que implica níveis de impedância elevados)l id d l d ( i li f ê i l d )- Velocidade elevada (o que implica frequências elevadas)

- Resolução alta (o que implica S/N reduzida)

1) Ligação da blindagem, do lado do sinal

potencialde referência


f


Vários troços

t i lpotencialde referência

Vários sinaisVários sinais

C d i l i d d t bli d !

ddp(entre referências)


Cada sinal independente, sua blindagem !Cada blindagem, seu potencial de referência !

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAImpedir existência de potencial na blindagem

( )211

SO

VV+

=

VO

( )22 SCeqCRf ⋅⋅π

VS : tensão do sinal


SCSC: capacitancia blindagem-caboRO : impedância da fonte do sinalReq: RO // RL

Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência

comporta-se como uma bobine (Z)



UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICASeparar (qd possível) sistemas analógicos de digitais

sistema analógico

+VCC

potencial

sistema digital

pde referência

Uma provoca um acoplamento capacitivo condutor-blindagem,criando uma corrente na ligação blidagem referênciacriando uma corrente na ligação blidagem-referência.Esta, por sua vez, cria uma ddp na blindagem, que é comum àblindagem analógica e digital.blindagem analógica e digital.


UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICARuído electromagnético → acoplamento indutivoRuído electromagnético → acoplamento indutivo

(campos magnéticos variáveis)

Vruído

M

dtdIMV ruído

ruído =dt

Ruído electromagnético – blindagem não é soluçãoRuído electromagnético blindagem não é soluçãopara frequências baixas (50 Hz p. ex.) a blindagem teria que ser extremamente espessa

3 mm (Cu)( )



t d t

Soluções:

entrançar os condutores

Passar os cabos de energia na perpendicular aos cabos de sinalNota: se for possível entrelaçar os cabos de energia, óptimo (já que assim autocancelam os seus campos magnéticos)

Nota: o arqueamento de condutores é, também, fonte de ruído

(já que assim autocancelam os seus campos magnéticos)

ruídos “escondidos”

(resultado da fricção entre condutores) ⇒ fixar devidamente os condutores

Δl ⇒ ΔH ⇒ femi

sensor x

lubrificante



Acoplamento de rádio frequencia

Ondas de rádio frequência: são uma combinação de campos eléctricos e magnéticos de frequência elevada



Soluções:Filt b iFiltro passa-baixoBlindagemAfastamento de fontes de radiaçãoAfastamento de fontes de radiação

N i i ã d i t d i t t ãNa aquisição de equipamento de instrumentação, procurar

indicação de: Imunidade a EMI (ou RFI(*)) (ElectroMagnetic Interference / Radio Frequency Interference)

11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 58(*) inicialmente conhecido por esta sigla , já que os seus efeitos, na altura, eram sentidos nas ondas de rádio.

Technology

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