leonardo a. b. tôrres novembro de 2003 -...
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Instrumentação Industrial
Instrumentação Eletrônica
Leonardo A. B. Tôrres
Novembro de 2003
DELT/UFMG
Instrumentação Industrial
Resumo
Fundamentos de Compatibilidade Eletromagnética,caracterização de diferentes fontes de ruído elétri-co intrínseco, relação sinal-ruído e �gura de ruídoem ampli�cadores, aterramento e blindagem, laçode terra, circuitos para melhoria da SNR, pontede Wheatstone, ampli�cadores síncronos ( lock-in),ampli�cadores de isolação.
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Instrumentação Industrial
Instrumentação Eletrônica
Fontes de perturbações em circuitos eletrônicos
Tipos:
1. Externas (Exógenas) � Interferência Eletromag-nática (EMI):
(a) Condutiva,
(b) Capacitiva,
(c) Indutiva,
(d) Irradiada.
2. Internas (Endógenas) � ruídos elétricos intrínse-cos:
(a) Ruído térmico,
(b) Ruído balístico,
(c) Ruído 1/f , etc.
Como eliminar/minimizar estas perturbações?
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Instrumentação Industrial
Interferência Eletromagnética �
EMI
Os problemas de EMI são constituídos por 3 elemen-tos principais:
1. Fonte de ruído;
2. Canal (acoplamento);
3. Receptor.
Fonte deRuído
(Circuito ruidoso)
− Monitor de computador
− Circuitos chaveados de
− Cabos de Alimentação
− Sinais lógicos
alta tensão e/ou corrente.
− Impedância comum (condutivo)− Campo elétrico (capacitivo)− Campo magnético (indutivo)− Campo eletromagnético (radiação)
− Transdutores/Sensores− Cabo do sensor para o circuitode condicionamento de sinal.− Circuito de condicionamento.− Cabo para a etapa devisualização.
Acoplamento
(Instrumentação
Receptor
Eletrônica)
Os elementos que compõem o problema de EMI são,
em geral, difíceis de serem caracterizados, isolados
e tratados. Normalmente existem vários problemas
coexistindo no mesmo sistema de instrumentação.
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Interferência Condutiva
• Isolação defeituosa:
127V60Hz
Falha noisolamento
Instrumento
R
• Cabo de alimentação compartilhado entre circui-to de baixa e de alta potência.
Rfio
RfioFonte
de Alimentação
I total
I a
Im
Medidor
Atuador
+
+ −
−
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Interferência Condutiva (cont.)
Solução:
• Melhor isolação entre circuitos de potência e cir-cuitos de sinal.
• Caminhos independentes de fornecimento de ener-gia.
Rfio
Fonte
de Alimentação Im
Rfio
Rfio
I a
Rfio
Medidor
Atuador
+
−
−
+
Barramento dePotência
Barramento deSinal
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Interferência Capacitiva
Acoplamento via campo elétrico ⇒ Uso de BlindagemEletrostática.
127V60Hz
Capacitânciaparasita
Instrumento
ser aterrada!
127V60Hz
Instrumento
A blindagem precisa
C 1
C 2
C 3
C 1
C 2
C 2C 1
C 3
C 1 C 2
Amp.
Amp.
Amp.
Amp.
É preciso conectar a blindagem ao ponto de referênciada fonte de sinal para que ela seja e�caz.
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Laço de Terra (Ground Loop)
Vs
Vs
������������������������������������������
����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
Diferença depotencial entre aterramentos.
Diferença depotencial entre aterramentos.
Amp.
Amp.
Atenção ao Laço de Terra: aterrar o circuito eletrô-nico somente em 1 ponto!
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Formas de Conexão � Evitando Laços de Terra
Do ponto de vista do ampli�cador de instrumentação.
Note a necessidade de resistores nos terminais do ampli�cadorde instrumentação, nos casos DIFF e NRSE, para prover umcaminho de circulação para as correntes de polarização do estágiode entrada do ampli�cador.Fonte: National Instruments �Field Wiring and Noise Considera-tion for Analog Signals� � Syed Ja�ar Shah
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Interferência Indutiva
R 1 R 2
R 1
R 2
60HzInstrumento127V
127V60Hz
Malha dealtas correntes
InstrumentaçãoMalha de
M
Solução:
• Manter cablagens de energia e de instrumentaçãodistantes.
• Diminuir áreas dos laços (�os de um mesmo laçodevem ser colocados no mesmo conduite).
• Usar par trançado.
correntes induzidas
Cancelamento mútuo das
Campo magnético
entrando na página.
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Interferência Indutiva (cont.)
A blindagem magnética só é prática para campos mag-néticos de freqüência > 100Hz.
Materiais de alta permeabilidade magnética para bai-
xas freqüências (e.g. Numetal) costumam ser frá-
geis mecanicamente e perdem as boas características
magnéticas com facilidade (e.g. através de choque
mecânico ou aquecimento).
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EMI � Outras práticas
importantes
� Usar cabos blindados contendo pares trançados:
Isolante externo.
Blindagem.
� Preferir o uso de cabos balanceados (mesmo com-primento, mesma resistividade, etc.) e medição di-ferencial. Assim a interferência aparecerá em Modo
Comum e será eliminada pelo ampli�cador com altaCMRR � Razão de Rejeição em Modo Comum.
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EMI � Outras práticas importantes (cont.)
Z c1
Z c2
V c
V c
V L1
V L2
R1
R2
+−
Sensor
+−
Interf. Indutiva
Amplificador emModo Diferencial
Interf. capacitiva
Interf. capacitiva
Resist. fio
Amp.
Modelo elétrico de um sistema de medição com per-
turbações exógenas.
Para VL1 = VL2, ZC1 = ZC2 e R1 = R2 diz-seque o circuito está balanceado ⇒ o ampli-cador de instrumentação eliminará boa partedas interferências.
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Perturbações Internas
(Endógenas)
-3
-2
-1
0
1
2
3
0 50 100 150 200 250 300
n(t)
[mV
]
t [s]
Uma realizacoo de Ruido Gaussiano
Ruído
São sinais aleatórios produzidos pelo próprio cir-cuito eletrônico, devido a passagem de correnteelétrica, a agitação térmica dos portadores decarga, etc.
Um sinal de ruído n(t) é caracterizado por seu valore�caz (RMS), considerando sua presença em uma da-da faixa de freqüências. Para sinais de tensão e decorrente, as unidade serão:
V/√
Hz e A/√
Hz,respectivamnte, que elevadas ao quadrado, e multipli-cadas pela faixa de passagem do circuito, indicarão apotência espectral média de ruído.
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Perturbações Internas (cont.)
Uma função importante na caracterização de um sinalestocástico é a função de autocorrelação:
Rnn(τ) = E[n(t)n(t+ τ)],
sendo τ ∈ R.
A densidade espectral de potência de um sinal é de�-nida como a transformada de Fourier desta função:
SN(f) = F{Rnn(τ)} =
∫ ∞−∞
Rnn(τ)e−j2πfτdτ.
Conseqüentemente, tem-se que:
Rnn(τ) = F−1{SN(f)} =
∫ ∞−∞
SN(f)ej2πfτdf,
sendo que, para τ = 0, encontra-se a potência média
do ruído:
P̄N = E[n2(t)] =∫ ∞−∞
SN(f)df,
S N (f)
f 1 f 2
f 2f 1
������������������������������������
������������������������������������
f
),Potência na faixa (
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Perturbações Internas (cont.)
O ruído é BRANCO se SN(f) é uma constante paratodos os valores de f , indicando que a potência dosinal de ruído está espalhada igualmente em todo oespectro (todas as �cores�).
Exemplos:
• Ruído Térmico (ou Johnson) (�utuação de ten-são devida à agitação térmica dos elétrons nomaterial):
V 2n /B = 4kTR,
sendo k a constante de Boltzmann, T a tempera-tura absoluta, R a resistência elétrica do disposi-tivo, B a largura de faixa de freqüências em queo dispositivo irá operar.
• Ruído Balístico (�utuação de corrente devida aocruzamento aleatório de elétrons através da bar-reira de potencial de uma junção PN):
I2n/B = 2qIdc + 4qIs,
sendo q a carga do elétron, Idc a corrente DC najunção, Is a corrente reversa de saturação e B alargura de faixa em que o dispositivo irá operar.
• Ruído Avalanche (�utuação de corrente em dio-dos Zener que se rompem por avalanche). Pareci-do com o ruído balístico, mas muito mais intenso.
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Perturbações Internas (cont.)
Outros tipos de ruído (e suas cores)
� Dependendo da variação da densidade espectral depotência com a freqüência, tem-se as seguintes cores:
Cor Variação com a freq.
Púpura f2
Azul fBranco 1Rosa 1/f
Vermelho/Marron 1/f2
� Ruído Estalo (Burst ou Popcorn noise): está rela-cionado a defeitos na estrutura cristalina dos compo-nentes semicondutores. A colisão com estes defeitosgera pulsos de alta freqüência discretos e de alta am-plitude (bem superior a amplitude do ruído térmico).Quando ampli�cado e submetido a um alto-falante,se parece com pipoca estalando.
� O Ruído Rosa está presente em uma grande vari-edade de processos naturais. Considera-se um pro-blema em aberto na Física, mostrar o porquê destamanifestação generalizada.
� Ruído Triboelétrico: produzido pelo atrito dos iso-lantes com os condutores dos cabos, quando há mo-vimentação dos mesmos.
� Ruído Termoelétrico: sinais de tensão DC produ-zidos pelos contatos entre materiais condutores comdiferentes concentrações de portadores a uma dadatemperatura (Efeito Seebeck).
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Perturbações Internas (cont.)
• Relação Sinal-Ruído (SNR)
SNRdB = 10 logP̄S
P̄N= 20 log
Vs
Vn,
sendo P̄S e P̄N as potências médias de sinal ede ruído, respectivamente; e Vs e Vn os valorese�cazes das tensões de sinal e de ruído.
• Fator de Ruído (Noise Factor)
F =
(P̄S/P̄N
)in(
P̄S/P̄N)
out
=(P̄S)in(P̄N)out
(P̄S)out(P̄N)in
• Figura de Ruído (Noise Figure)
NF = 10 logF
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Fontes de Ruído: Resumo
O grá�co acima mostra que será difícil extrair o sinalde medição desejado, devido a uma SNR ruim emfunção do (ruído térmico) + (ruído 1/f) + . . . .
Devemos evitar, sempre que possível, as mediçõesem C.C. ou em freqüências próximas de múltiplos de60Hz.
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Técnicas para Melhoria da SNR
Cálculo de médias sucessivas
SNR = -9,48dB
SNR = -3,02dB
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Rnn(τ) = E{ [x(t)x(t+ τ)] }= E{ [s(t) + n(t)][s(t+ τ) + n(t+ τ)] },
= E[s(t)s(t+ τ)] +2E[s(t)n(t+ τ)] +E[n(t)n(t+ τ)],
Mas,
E[s(t)n(t+ τ)] = 0.
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O Ampli�cador de
Instrumentação
R1
R1
R2
R2
R2 R2
Rret
V o
V sensor
RG
Amplificador de Instrumentação
+
−
+
−
+
−
• Medição em modo diferencial.
• Alta Razão de Rejeição em Modo Comum (CMRR).
• Baixo nível de ruído.
• Impedância de entrada →∞.
• Ganho de tensão superior a 1000:
Av = 1 + 2R1
RG
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