Condicionadores de Sinais: Introdução

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Condicionadores de Sinais

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

NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de Sinais

• Introdução
• Fontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• Proteção
• Filtros


Sinais
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Introdução
ç

Saída
Analógica

Tratamento
do
Sinal


Condicionadores de Sinais
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Introdução

• Objetivo: manipular o sinal do transdutor, em
termos de magnitude e freqüência, de forma
g q
controlada, ou seja:
– Alterar o nível do sinal;
– Modular a freqüência;
– Linearizar;
– Filtrar.



• Introdução
• Amplificadores
• Proteção
• Filtros


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Alimentação
ç


Reguladores de Tensão
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA com CIs

+ -
E – Entrada
78XX 79XX
T – Terra
S – Saída
E T S T E S

Ajustável

Fixo

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

NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de tensão ajustável


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Corrente

• Fonte de Corrente a
JFET


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de Corrente

• Transistor Bipolar • Transistor /
diodo Zener



• Introdução
• Amplificadores
• Proteção
• Filtros


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pontes de Medida

• Converte variações de impedância em tensão;
• A 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 tensão
indicam variações de impedância;


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pontes de Medida

RX RV
Ponte de corrente contínua
Vi

Ponte de Wheatstone
o te eatsto e
R3 R2

Pontes de corrente alternada
Z? ZV
Ponte de Hay
Vi
Maxwell Z3
Schering Z
Wien 2
Z? Z2 = ZV Z3


Pontes de Wheatstone

A
Método do zero I4 I1
Aplica-se Vi (cc) e R4 R1
varia-se R1 até que V0 = 0 Vi Vo
D B
R3 R2
I4 = I3 I1 = I2 I3 I2
I4 =
Vi
I1 =
Vi C
R3 + R4 R1 + R2

Vi R4 Vi R1
VAD = I 4 R4 = VAB = I1R1 =
R3 + R4 R1 + R2

R1R3 − R2 R4
V0 = VBD = VBA + VAD = −VAB + VAD V0 = Vi
(R1 + R2 )(R3 + R4 )



Exemplo de Aplicação

R1
Vi

R3 R2


Tensão Vo [V]
2
1,5
1
0,5
0
-0,5 1000
05 6000 11000 16000 21000 26000 31000
RV = R2 e R3
-1
-1,5
-2
2
-2,5

R? [Ω]
Tensão Vo [V]

1
0,8
o

0,6
0,4 RV = 1
10 de R2
0,2
0
e R3
-0,2 1000 6000 11000 16000 21000 26000 31000

-0,4
,
-0,6

R? [Ω]

NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA PT 100 - Linearidade




Não Linearidade – Fonte de Tensão

r ΔR
V0 = − (1 − η )Vi
nearidade - η [%]

(r + 1) R
2
e

R2
r=
Não lin

R1

Variação na resistência, ∆R/R



Não Linearidade – Fonte de Corrente
R2
r=
R1
Não linearidad [%]
de

Variação na resistência, ∆R/R

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPE Ponte Wheatstone Ativa
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA R>100 Ω

• Mais linear 1 ΔR
V0 = − Vi
• 2x mais sensível 2 R

Vi
V0


ativa
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA alimentada a tensão constante

Vi ΔR
V0 = G Vi
R

Ganho



• Introdução
• Amplificadores
• Proteção
• Filtros


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O amplificador operacional
p p

• Características esperadas:
– Alto ganho (~ 20.000)
g ( )
– Alta resistencia de entrada (~ 2 MΩ)
– Resistencia de saída ~ 75 Ω
Ω.
• Função:
– Amplificar a diferença entre dois sinais.
• Aplicações:
– Sistemas de controle e regulação, instrumentação,
processamento e geração d sinais, filt ativos,
t ã de i i filtros ti
entre outras…

NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O amplificador operacional
p p

Amplificador Diferencial
lf d f l mais Seguidor d Emissor
d de
de Ganho Elevado Ganho Push-Pull

Amp OP
NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Características ideais

• Ganho de malha aberta Ad: infinito
aberta,
• Ganho de modo comum, Ac: zero
• Impedância de entrada: infinita
• Impedância de saída: zero
• Tempo de resposta: zero
• Offset: zero
• Defasagem = 180
180°


Amplificadores Operacionais

Alimentação


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Filtro Passa-Baixa
Passa-
CF

RF
Z 1
vo = − F ⋅ vi Z F = RF // R1
Z1 . jωCF vi -
.
.
vg vo
+
Z RF
G=− F ZF =
Z1 1 + jω RF CF
RF RF
RF 1+ j R1
fazendo: ω RC = 1 Z F = 1+ j
G=− =−
R1 1+ j
RF RF
R1 R1 1 ⎛ RF ⎞
parte real: G =− = = ⎜ ⎟
1+ j 1+1 2 ⎝ R1 ⎠

1
1 ⎛ RF ⎞
atenuação de :
2
fazendo: ω RC = 10
f d G = ⎜ ⎟
G

101 ⎝ R1 ⎠
f

Conversor C
C Corrente-Tensão
T ã
RF

vi -
vg vo
+

AmpOp ideal: ig = 0 ⇒ vg = v+ = 0

iF = i1

vo = −iF RF = −i1 RF i1 >>> vo



Conversor Tensão Corrente
Tensão-Corrente

AmpOp ideal: ig = 0 ⇒ vg = vi
R1
G = ∞ ⇒ v+ = v- = vi vi
i1 vg - vo
vi v- +
i2 = i2
R1 R2
vi
iF = i2 = vi >>> iF
iF Z
F
R1



Conversor Tensão-Corrente

Aplicações básicas
iF
1
iF = G ⋅ vi − vL R ZF vF
Ro -
+ vo
c/ Ro a resistência vista pela carga Z vi

O AmpOp faz “o necessário” (isto é, regula iF) de forma a que
v- = v+ = vi , ou seja: R.iF = vi
vi
iF =
R
para fazer isto, o AmpOp regula a tensão de saída para: vo = vi + vL



Amplificador de Instrumentação (InAmp)
p ç ( p)

AmpOp’s particulares

Fase

Neutro

Terra


com 3 AmpOp’s
A O ’
AmpOp’s particulares
Utilizado para amplificação de precisão, de sinais CA ou CC.
Rejeitam elevados valores de ruído em modo comum.

v1 +
vo1 R1 R2
– R5
i=0
i –
RG vo
+
i=0 – R6 R3 R4
v2 + vo2 ⎛ 2 R5 ⎞ ⎛ R2 ⎞
vo = (v2 − v1 ) ⎜1 + ⎟⎜ ⎟
⎝ RG ⎠ ⎝ R1 ⎠

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


com 2 AmpOp’s
AmpOp’s p
p p particulares


AmpOp’s
A O ’ particulares
ti l

+VCC (+5V)

0,1 μF
350 Ω 350 Ω
+

2,5 – 5V
350 Ω 350 Ω
0
0V

0,1 μF
vruído 0

VCM = + 5 V/2
/ –VCC (–5V)

5V/2
5V
Modo Comum (
d (nota i
imp: modo comum em DC)
d C)
5V/2
Ruído


CMRR ≡ Capacidade de rejeitar o Modo Comum

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

⎛ G ⋅ VCM ⎞
CMRR = 20 ⋅ log⎜
⎜ V ⎟
⎟ [dB]
⎝ O ⎠
Saída ( f(VCM) )
10 ×
10× 2,5
VO =
G ⋅ VCM −1 ⎛ 90 ⎞
VO = log ⎜ ⎟
⎛ CMRR ⎞ ex: CMRR = 90 dB ⎝ 20 ⎠
l −1 ⎜
log ⎟
⎝ 20 ⎠
VO = 790 μV


CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA 1
v +
+
+
R1
NÚCLEO DE 2 = VCM
v1 = v ENGENHARIA MECÂNICA vo1 R2
Se:
– R5

VO ⎛ R2 + R1 R ⎞ i=0 i
R4
=⎜ ⋅ − 2⎟
–
–
–

VCM ⎜ R1 R3 + R4 R1 ⎟
vo
⎝ ⎠
RG
+
i=0
–
–
– R5
R3 R4
⎛ G ⋅ VCM ⎞
CMRR = 20 ⋅ log⎜ ⎟ v2 vo2
⎜ V ⎟ +
⎝ O ⎠
⎛ ⎞
⎜ ⎟
CMRR = 20 ⋅ log⎜ ⎟
G
⎜ R2 + R1 R4 R2 ⎟ i e se:
i.e.
⎜ R ⋅R +R − R ⎟
⎝ 1 3 4 1 ⎠ R1 = R2 = R3 = R4 denominador = 0

senão:
⎛ G ⋅100 ⎞
CMRR = 20 ⋅ log ⎜ ⎟
⎝ % desigualdade entre resistências ⎠
g


AmpOp’s
A O ’ particulares
ti l

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



• Introdução
• Amplificadores
• Proteção
• Filtros



Ruído


NÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Ruído

Rand Kruback

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


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 sensor introduz ruído ( medir uma corrente aos t
i t d íd (ex: di t terminais d uma resistência que está
i i de i tê i tá
sujeita ao
ruído térmico – Vruído = 4.k.T .R.Δf – 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)


Soluções:
ç

Transdutores de baixa impedância ⇒ baixo ruído (V
ruído = 4.k .T .R.Δf )
1ª abordagem de minimização do ruído → remover equipamentos1
tais como:

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

1 ou remover instrumentação da proximidade daqueles equipamentos

Ruído electroestático → acoplamento capacitivo
(campos eléctricos variáveis)
( lé i iá i )
dVruído
iruído = C
C dt

C

2
2ª abordagem de minimização do ruído → blindagem
C iruído



Capacitância fonte ruído–blindagem
Capacitância condutor–blindagem

Necessário fornecer uma terra satisfatória, de forma a que as cargas
capturadas possam escoar-se.
Senão, acoplam-se aos condutores do sinal – .
V≠0V

Rcircuito terra

V = 0 V (talvez ... !)
( )


Ruído devido a aterramento incorrecto

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

V≠0 V=0



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

Differential M
Diff ti l Measurement S t
t System

Non-Referenced Single-Ended (NRSE)

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


CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA Corrente (de retorno) no
condutor cria um ΔV
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 fsinal ≠ fruído)


O controle do ruído capacitivo (electroestático) é cada vez mais
crítico, à medida que se os sistemas de instrumentação tendem
p
para combinação de circuitos q operam a:
ç que p

- Baixa potência (o que implica níveis de impedância elevados)
- Velocidade elevada ( que i li f
l id d l d (o implica frequências elevadas)
ê i l d )
- Resolução alta (o que implica S/N reduzida)
1) Ligação da blindagem, do lado do sinal

potencial
f
de referência



Vários troços

potencial
t i l
de referência

Vários sinais

ddp
(entre referências)
Cada i l independente, sua blindagem !
C d sinal i d d t bli d
Cada blindagem, seu potencial de referência !

Impedir existência de potencial na blindagem

VS
VO =
1
1+
(2π ⋅ f ⋅ ReqCSC )2
VO

VS : tensão do sinal
CSC: capacitancia blindagem-cabo
potencial RO : impedância da fonte do sinal
de referência Req: RO // RL

Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência
comporta-se como uma bobine (Z)

potencial
de referência

Separar (qd possível) sistemas analógicos de digitais

sistema analógico
+VCC

sistema digital

p
potencial
de referência

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


Ruído electromagnético → acoplamento indutivo

(campos magnéticos variáveis)

Vruído

M

dI ruído
Vruído =M
dt

Ruído electromagnético – blindagem não é solução
para frequências baixas (50 Hz p. ex.) a blindagem teria que ser extremamente espessa
3 mm (Cu)
( )


Soluções:

entrançar os condutores
t d t

Passar os cabos de energia na perpendicular aos cabos de sinal
Nota: 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
(resultado da fricção entre condutores) ⇒ fixar devidamente os condutores
ruídos “escondidos”

lubrificante Δl ⇒ ΔH ⇒ femi

sensor x


Acoplamento de rádio frequencia

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



Soluções:
Filtro
Filt passa-baixo
b i
Blindagem
Afastamento de fontes de radiação

Na
N aquisição d equipamento d i t
i i ã de i t de instrumentação, procurar
t ã
indicação de: Imunidade a EMI (ou RFI(*))
(ElectroMagnetic Interference / Radio Frequency Interference)

(*) inicialmente conhecido por esta sigla , já que os seus efeitos, na altura, eram sentidos nas ondas de rádio.

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