17/05/2016
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(parte I)
Instrumentação eletrônica para sistemas de medição
Capítulo 9
Elementos condicionadores de sinais
Prof. Lélio R. Soares Júnior – ENE – FT – UnB
Elementos condicionadores de sinais
Introdução
Converte a saída do sensor em uma forma mais adequada para
processamento (tensão, corrente ou tensão AC com frequência variável)
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão
Circuito equivalente de Thévenin para a ponte de deflexão
Seja o nó C o nó de referência
+
-
+ -
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão
Tensão de circuito aberto:
Impedância de saída:
Para uma carga ZL inserida entre os nós B e D:
No limite:
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Projeto da ponte de deflexão (assumindo ponte resistiva, Zi → Ri)
Seja R1=RI o elemento sensor e os outros resistores fixos
Dado RI é necessário determinar R3/R2, R4 e VS .
Fatores a serem considerados: faixa de indicação, linearidade e dissipação de potência.
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Dadas as faixas de indicação, seja:
IMIN → RIMIN e IMAX → RIMAX
Onde I é a variável física que causa alteração da resistência do sensor
resistivo
Seja: VMIN = 0
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Se a potência i2
2RI
no sensor for limitada a ŵ:
Para IMIN ≤ I ≤ IMAX
Não linearidade total na relação entre ETh e I para limites especificados:
Relação ideal
Não linearidade como uma porcentagem da faixa de operação de medida (VMAX)
menor que N^
Para IMIN ≤ I ≤ IMAX
A razão R3/R2 depende do tipo de sensor utilizado
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Então, por substituição
ou
onde
Para balancear a ponte quando I =IMIN
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Ponte balanceada em I=IMIN
Não linearidade e a sensibilidade
dependem de r
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Para um strain gauge a variação da resistência ∆R = R0Ge é muito
pequena → x é muito próximo de 1
Para r = 1, tem-se máxima sensibilidade: (∂v/∂x)x=1
r = R3/R2 = 1 → R2 = R3 e R4 = RIMIN = R0
Faz-se R2 = R3 = R4 = R0
Então
LINEAR
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Para um termômetro resistor RT = R0(1+αT) (platina, bastante linear).
Normalmente x varia de 1 a 2 (R0=100Ω e R250 ≈ 200Ω)
A ponte precisa ser “linear” (paga-se o preço de uma menor
sensibilidade→ pode-se usar r ≈ 100
→
Se TMIN = 0oC e como RT = R0(1+αT)
LINEAR
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Para um termistor (não linear):
Com resistência de 12kΩ a 298K (25oC) e 2kΩ a 348K (75oC), tem-
se que x varia de 1,0 a 0,17.
Com r entre 0,25 e 0,30, pode-se compensar a não linearidade do
sensor com a não linearidade da ponte de deflexão
Seja uma faixa de operação de saída de 1V:
298K → 0V e 348K → 1V
As incógnitas VS, R4 e R3/R2 podem ser obtidas pela solução de três
equações independentes, vista a seguir.
NTC → (T ↑ → R ↓)
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Obs. Como se trata de um Termistor NTC
interprete ETh como -0.5V e -1.0V ou Vs
como negativo
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Para dois termômetros resistores (metálicos), R1=R0(1+αT1) e
R2=R0(1+αT2), e assumindo ponte equilibrada quando T1 = T2.
R4/R0=R3/R0 → R4=R3
Se R3 for tal que R3/R0 >> 1
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão resistivas
Elementos condicionadores de sinais
Para ponte com quatro strain gauges (um par oposto em tensão e outro par oposto em compressão) tem-se maior sensibilidade.
Há compensação intrínseca de temperatura
E → Módulo de Young
Viga suspensa
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão reativas
• A fonte VS é AC• Normalmente dois braços são reativos e dois braços são resistivos
Sensor capacitivo de nível
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão reativas
Seja ETh = 0 para h = hMIN →
Se R3/R2 >> 1
Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão reativas
As pontes de deflexão reativas podem incorporar sensores diferenciais capacitivos ou indutivos em dois de seus braços.
Linear e
independente da frequência.
Obs: Desprezaram-se resistências
parasitas
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Elementos condicionadores de sinais
Pontes de deflexão reativas
No caso de sensor capacitivo diferencial de deslocamento
xd
AC
+=
εε0
1xd
AC
−=
εε0
2
Linear e independente da
frequência.
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Amplifica sinais de baixo nível:
• Amplificador de tensão – entrada tensão, saída tensão (V/V)• Amplificador de corrente – entrada corrente, saída corrente (A/A)• Amplificador de transcondutância – entrada tensão, saída corrente (A/V)• Amplificador de transresistência – entrada corrente, saída tensão (V/A)
Ex. tensões de saída de termopares e ponte de deflexão com strain gauges
precisam ser amplificadas
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Amplificador operacional ideal
ZIN → ∞ (correntes de entrada, i+ e i- nulas)
ZOUT → 0
AOL → ∞ (v+=v- → curto-circuito virtual p/
realimentação negativa)
BW → 0 a ∞ (largura de banda)
CMRR → ∞ (relação de rejeição de modo comum)
VOS → 0 (tensão de offset de entrada)
iB → 0 (corrente de polarização de entrada)
CM
OL
A
ACMRR =
( )
2
−+
−+
+=
+−=
VVV
VAVVAV
CM
CMCMOLOUT
2
−+ +=
iiiB
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Slew rate de um amplificador operacional
Velocidade de resposta do amplificador operacional a uma variação de tensão na entrada. Este valor na teoria deveria ser infinito, o que não ocorre na realidade.
Onda
quadrada de
entrada
Onda de saída limitada
pelo Slew rate do
amplificador
=dt
dvSR outmax
Ex:
-5V
+5V
s
V
s
VSR
µµ 6,3
1
36
10==
O Amp. Op. 741 tem um slew rate de 0,5V/µs.
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Amplificador operacional real
Características do Op Amp OPA27
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Aplicações:
a) Amplificador inversor
Para evitar componente na
tensão de saída devido às
correntes de
polarização, i+e i-
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
b) Amplificador não inversor
RIN = R1//RF
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
c) Seguidor de tensão (buffer)
Serve para conectar uma fonte de tensão de alta impedância de saída a uma
carga com baixa impedância de entrada (isso em termos relativos)
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
d) Amplificador de diferença
Para um funcionamento preciso a concordância entre as resistências deve ser
muito alta.
Alto ganho →
RIN pequeno
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Amplificadores
Amplificador de diferenças para uma ponte resistiva com straing gauges
Pequena deformação → pequena variação de resistência →
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
e) Amplificador AC (também atenua componentes de alta frequência)
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Observações:
Filtro passa-faixa
BW = f2 - f1
R = RF Na entrada não inversora
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f) Somador ponderado inversor
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Ex. de uso: em circuito de
conversão D/A
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
g) Amplificador de instrumentação (amplificador de diferença de alto desempenho)
Deseja-se:
• Alta impedância de entrada
• Alto CMRR
• Baixo VOS
• Baixa dependência de VOS com a temperatura
• K preciso em uma larga faixa de valores e ajustado por apenas
uma resistência
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
VB
VA
Se V1=V2=VCM, VA=VB=VCM→ ACM=1 para A1 e para A2
Comercializado na forma de CI
( )
( )
+−=−
+−=−
G
AB
G
GAB
R
RVVVV
RR
RVVVV
1
12
1
12
21
2
Divisor de tensão
( )
( )
+−=
−×=
G
OUT
ABOUT
R
RVVV
VVV
1
1221
1
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Exemplo: INA115
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Amplificador operacional real
Tensão de offset (deslocamento) de entrada, VOS
γ (µV/oC) → coeficiente de VOS em relação à temperatura T
Alguns Amp Ops possuem terminais de ajuste de offset (ex: 741)
Para um amplificador em malha fechada (configuração inversora)
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Relação de rejeição de modo comum, CMRR
Ganho de modo comum
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
• Isso para um correta concordância entre as resistências
• Caso ocorram problemas na concordância entre as resistências, os efeitos da tensão de modo comum serão ainda mais pronunciados na saída.
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Caracterísiticas dinâmicas
Modelo de 1ª ordem:
Frequência de corte (-3dB)
O produto ganho-banda passante se mantém constante:
(ganho em malha fechada x largura de
banda em malha fechada)
=
AOLxfB
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Caracterísiticas dinâmicas
πτ2 OL
BOL
AfA
OL=→Produto ganho – largura de banda em malha aberta:
O produto ganho – largura de banda passante se mantém constante:
πττω
ωτω
2
1
1
1)( =→=→
+=
OLOL BBOL
OL fj
AjG
Produto ganho – largura de banda em malha fechada:
πτπτ
β
ββ 22
1
11 OLOL
OL
OLB
OL
OL AA
A
Af
A
ACL
=+
+=
+→
πτ
β
τ
βω
β
ωτ
β
ωτβωτ
β
ωτω
2
1
1
11
1
)1(
11
1)(
OLB
OLB
OL
OL
OL
OL
OL
OL
OL
CL
Af
A
Aj
A
A
jA
A
j
A
j
A
jG
OLCL
+=→
+=→
++
+=
++=
++
+=
+
-
β
GOL(jω)