proces-sinais

8/19/2019 Proces-sinais

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASFACULDADE DE ENGENHARIA AGRÍCOLA

FA 425- Instrumentação Básica

2013Profa. Bárbara Teruel ( [email protected] )

Processamento de Sinais

0 500 1000 1500 2000-60

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mailto:[email protected]:[email protected]://www.unicamp.br/


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PROGRAMA

- Introdução à Instrumentação- Classificação e Tipos de Instrumentos-Características Estáticas e Dinâmicas dos Instrumentos-Calibração de Instrumentos-Erros e tipos de erros em Instrumentação- Simbologia de Instrumentos- Sensores de Força e Torque- Sensores de Deslocamento e Velocidade- Sensores de Vazão e Nível

- Sensores de Temperatura e Umidade Relativa- Sensores de Pressão- Sistemas de Aquisição de Dados- Processamento de sinais- Válvulas e Atuadores


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- O sinal é uma função que transmite informação sobre um fenômenofísico.- Pode ser classificado em: sinal de tempo contínuo, sinal de tempodiscreto, sinal par, sinal impar, sinal aleatório, determinístico, sinal deenergia, sinal de potência, sinal periódico e sinal não-periódico.

Sinais

-Uma questão de fundamental importância no estudo de sinais esistemas é ouso de sistemas para processar ou manipular sinais .- Esta questão normalmente envolve uma combinação de algumasoperações básicas: mudança de escala de amplitude, adição,multiplicação, diferenciação, integração, mudança de escala de tempo,reflexão e deslocamento.

- No estudo dos sistemas é importante conhecer suas propriedades:Estável, com memória, sem memória, causal, não causal, invertível,invariante no tempo, variante no tempo, linear e não linear.


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Importância e Necessidade do Processamento deSinais (PS)?


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Que é Processamento de Sinais (PS)?

O PS entra em cena cada vez que tenta-se Separar

um Sinal de um Ruído que lhe Degrada .


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Classificação dos de Sinais


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Inspeção visual

Eliminação de sinais espúrios

Verificação de tendências

Filtragem

Re-amostragem a uma taxa menor

Análise espectral de freqüência

Processamento de Dados e Análise de Sinais

l õ á


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Análise de Fourier- Consiste na representação de um sinal como uma superposição de senóidcomplexas, sendo que cada senóide dessa superposição terá uma informaçãúnica, uma vez que são ortogonais entre si.- Isso fornece uma caracterização mais criteriosa dos sinais e sistemas, pois coessa análise pode-se representar um sinal tanto no domínio do tempo quanto ndomínio da freqüência.

Manipulações matemáticas para sinais

Transformada de Laplace- Representa sinais de tempo contínuo como uma superposição ponderada dexponenciais complexas.-Trata-se de um mapeamento do domínio do tempo em um plano complexdenominado plano s.

- A transformada de Fourier é obtida avaliando-se a transformada de Laplaceeixo jω ou fazendo-se s= jω. Assim, a Transformada de Laplace pode representaruma classe mais geral de sinais do que a transformada de Fourier, incluindo sinque não são absolutamente integráveis.

M i l õ á i i i


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Transformada Z-É a contraparte em termos discreto da transformada de Laplace.- Logo, a transformada Z representa sinais de tempo discreto como umsuperposição ponderada de exponenciais complexas.- Dessa forma, pode-se usar a transformada Z para analisar sinais e sistemaque não são estáveis.- Vale ressaltar que a Transformada Z permite o estudo das características dsistemas e a derivação de estruturas computacionais para implementasistemas de tempo discreto em computadores.

Manipulações matemáticas para sinais


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Verificação de Tendências

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0

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Remoção de Tendências

Si l R íd


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Sinal com Ruídos

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Sinal Filtrado

Si l R íd


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Sinal com Ruídos

Sinal Filtrado


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Sinal Sobre-amostrado

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Sinal Re-amostrado

Si l S b d


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0 2 4 6 8 10 12-1

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-0.4

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0

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1

Sinal Sub-amostrado

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6-1

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-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Si l R íd ? R íd Si l?


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Sinal ou Ruído? Ruído ou Sinal?

O que é Sinal e o que é Ruído?


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O que é Sinal e o que é Ruído?

Filtragem do Sinal


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Filtragem do SinalDefinição

dispositivos que amplificam ou atenuam regiões do espectro

do sinalutilizados para eliminar as freqüências não desejadas de umsinal de entrada ou para selecionar uma freqüência de umsinal

Mede-se o efeito de um filtro nos domínios da freqüência, dotempo e da fase


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Antes da filtragem

Depois da filtragem


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Conceitos: freq. de corte e bandas

Freqüência de corte (fc)ponto onde a redução atinge 0,707 (-3dB)do valor máximo

Bandasde passagem (sem atenuação), detransição e de rejeição (atenuação total)

freq.

ampl.1

0

passa atenua

fc freq.

ampl.1

0 fc

rejeição transiçãopassagem


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Sinais com frequência dentro dafaixa de passagem são recuperadoscom pouca ou nenhuma distorção,ao passo que aqueles sinais quetêm frequências dentro da faixa derejeição são efetivamenteatenuados.

Filtros


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Tipos de filtrosPassa-baixaPassa-altaPassa-banda (circuito RLC- Resistor-Indutor-Capacitor)Rejeita-banda

Shelf Passa tudoPente


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Hz

d B

Filtro passa baixa é um passabanda até uma dada freqüênciaespecífica denominada de freqüênciade corte.


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Conjunto de especificações definidas para a resposta em frequência de um filtpassa baixa


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Hz

d B

Filtro Passa Altarejeita

freqüências inferiores a umaespecífica freqüência, ou seja, atenuabaixas freqüências.


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3

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20 100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000

Hz

d B

Filtro passa banda (passafaixa): permite a passagem de umabanda específica de freqüência,atenuando baixas e altas freqüências. A diferença entre a freqüência decorte superior e inferior determina alargura de banda do filtro.


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Passa-baixa .............Passa -alta


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Passa-banda ......Rejeita-banda

Tipos de Filtros


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Passa-baixaPassa -alta

Passa-bandaRejeita-banda


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Filtro digital


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Um filtro digitalé um sistema que, dependendo das variações dossinais primeiramente no tempo e amplitude, se realiza umprocessamento matemático sobre dita sinal; geralmente mediante ouso da Transformada rápida de Fourier; obtendo na saída o resultadodo processamento matemático ou o sinal de saída.

Filtro digital

Os filtros digitais têm como entrada umsinal analógico oudigitaleem sua saída têm outro sinal analógico ou digital, podendo termudado em amplitude, freqüência ou fase dependendo dascaracterísticas do filtro digital.

Vantagens do processamento digital

http://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Sinalhttp://pt.wikilingue.com/es/Sinal_digitalhttp://pt.wikilingue.com/es/Sinal_digitalhttp://pt.wikilingue.com/es/Sinalhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourierhttp://pt.wikilingue.com/es/Transformada_r%C3%A1pida_de_Fourier


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Vantagens do processamento digital

Desvantagens do processamento digital


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Desvantagens do processamento digital

Processamento digital


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Processamento digitalSoftware: DSP - Digital Signal Processing.É a utilização de computadores (processadores) para analisar e processasinais.

Hardware: DSP - Digital Signal Processor.É um processador com arquitetura e conjunto de instruções dedicado aoperações de processamento de sinal.

As tarefas principais de um microprocessador são:1. a manipulação e transferência de dados;2. cálculos matemáticos- Genéricamente, os microprocessadores realizam estas duas tarefas, mas édifícil (caro) ter a arquitetura otimizada para as duas;- As arquiteturas de processamento digital de sinal são vocacionadas paraexecutar operações matemáticas repetitivas com elevado grau de paralelismo

Processamento analógico versus digital


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Processamento analógico versus digital

- A grande vantagem dos filtros digitais sobre os analógicos é que apresentamuma grande estabilidade de funcionamento no tempo.- O filtrado digital consiste na realização interna de um processado de dadosprimeiramente.- Em general o processo de filtrado consiste naamostragem digital do sinalprimeiramente, o processamento considerando o valor atual primeiramente econsiderando as entradas anteriores. O último passo é a reconstrução do sinal desaída.- Devem ser consideradas as limitações do filtro primeiramente devido aTeoremade amostragem de Nyquist-Shannonque em poucas palavras; se quero processaraté uma freqüência de 10KHz, devo amostrar a pelo menos 20 KHz.- Os filtros digitais usam-se frequentemente para tratamento digital da imagem opara tratamento do som digital.- Outro exemplo comum de filtros digitais são os programas para retocar imagen

- O filtro eletrônico passa-baixa é utilizado para controlar diferentes tipos dealto-

http://pt.wikilingue.com/es/Muestreo_digitalhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Teorema_de_muestreo_de_Nyquist-Shannonhttp://pt.wikilingue.com/es/Muestreo_digitalhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falantehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falantehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falante


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O filtro eletrônico passa baixa é utilizado para controlar diferentes tipos dealtofalantes, para bloquear os picos mais agudos que não seriam transmitidoseficientemente.- Os transmissores de rádio utilizam filtros passa-baixa para filtrar as emissõharmônicasque podem causar interferência com outras comunicações.Também possuem um papel importante no trabalho dos sons emmúsicaeletrônicaquando esta é criada porsintetizadoresanalógicos

Um filtro de primeira ordem, iráatenuar a amplitude do sinal pelametade (cerca de − 3 dB) cada vezque a freqüência dobrar (subiruma oitava ). O gráfico demagnitude de um filtro deprimeira ordem se assemelha auma linha horizontal antes dafreqüência de corte , e um linhadiagonal após a mesma.- O "cotovelo“, limite entre osdois, que é a transição suaveentre as duas regiões de reta.

http://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falantehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falantehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Harm%C3%B4nicashttp://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsica_eletr%C3%B4nicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsica_eletr%C3%B4nicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Sintetizadorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/DBhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Oitavahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Linha_diagonal&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Linha_diagonal&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Linha_diagonal&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Linha_diagonal&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Linha_diagonal&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Oitavahttp://pt.wikipedia.org/wiki/DBhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Sintetizadorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsica_eletr%C3%B4nicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsica_eletr%C3%B4nicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/M%C3%BAsica_eletr%C3%B4nicahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Harm%C3%B4nicashttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falantehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falantehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Alto-falante


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Fil b i d d d i i ã à


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Filtro passa-baixa de segunda ordem possui uma maior atenuação àsfreqüências mais altas. O gráfico deste tipo de filtro é semelhante ao gráficofiltro de primeira ordem, com a diferença de que a variação na queda damplitude com o aumento da freqüência é mais acentuada. Por exemplo, u

filtro Butterworth de segunda ordem reduzirá a amplitude do sinal a um quarde seu valor anterior cada vez que a freqüência dobrar (− 6 dBpor oitava).

Implementação através de componentes passivos

http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Decib%C3%A9l&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Decib%C3%A9l&action=edit&redlink=1


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Umcircuito eletrônicosimples que funciona como um filtro passa-baixa consisteum resistorem série com umcapacitorem paralelo com a carga. O capacitor exibereatância, e bloqueia os sinais de baixa freqüência, fazendo com que eles passepela carga. A freqüências mais altas, a reatância reduz e o capacitor conduz cfacilidade. A freqüência de corte é determinada pela escolha da resistência ecapacitância:

ou equivalentemente (emradianospor segundo)

Filt lt it d f üê i lt f ilid d

http://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Resistorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Reat%C3%A2nciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Radianohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Radianohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Reat%C3%A2nciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Resistorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Circuito_eletr%C3%B4nicohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAnciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia


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Filtro passa-alta - permite a passagem dasfreqüênciasaltas com facilidade,porém atenua (ou reduz) aamplitudedas freqüências abaixo defreqüência decorte. A quantidade de atenuação para cada freqüência varia de filtro para filtro

- O mais simples existente consiste de umcapacitorem série com umresistor.- O valor daresistênciavezes o valor dacapacitância(R C) é aconstante detempo; ela é inversamente proporcional àfreqüência de corte. Em termos detensão, a freqüência de corte é definida como a freqüência na qual a tensão éreduzida aVs = 0.707Ve , em dB esse valor é (-3dB).

Freqüência de corte

http://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAnciahttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Atenua&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplitudehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Resistorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAnciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacit%C3%A2nciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_tempohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_tempohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Decibelhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Decibelhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_tempohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Constante_de_tempohttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacit%C3%A2nciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Resist%C3%AAnciahttp://pt.wikipedia.org/wiki/Resistorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitorhttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia_de_cortehttp://pt.wikipedia.org/wiki/Amplitudehttp://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Atenua&action=edit&redlink=1http://pt.wikipedia.org/wiki/Frequ%C3%AAncia


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Filtro passa-banda - dispositivo que permite a passagem dasfreqüênciasdeuma certa faixa e rejeita (atenua) as frequências fora dessa faixa. Um exemplo deum filtro passa-faixaanalógicoé o circuito RLC(um circuitoresistor-indutor-capacitor). Estes filtros também podem ser obtidos através da combinação entrum filtro passa-baixa e um filtro passa-alta.

Aplicação: É comum filtrar os dadosmeteorológicoscom uma faixa deperíodode,por exemplo, 3 a 10dias, de modo que apenas osciclonespermaneçam comoflutuações nos campos de dados.

Resposta em freqüência de um filtro passa-faixa.

BIBLIOGRAFIA

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