robson - apresentação amp op diferencial + de instrumentação

Amplificador Diferencial Amplificador Diferencial e de Instrumentaçãoe de Instrumentação

Robson Nunes Dal Col

[email protected]

mailto:[email protected]

22

Conteúdo da Apresentação

1.Sensores / Transdutores – Princípios Básicos.

2.Amplificador Operacional – Breve Histórico.

3.Amplificador Operacional – Algumas Configurações.

4.Amp Op na Configuração Diferencial.

5.Amp Op na Configuração Amplificador Diferencial

de Instrumentação.

6.Exemplos de Aplicação do Amplificador Diferencial

e de Instrumentação.

7.Considerações Finais.

33

As medições de variáveis físicas são necessárias para realizar o monitoramento e

controle.

Algumas variáveis típicas que são medidas em sistemas de aquisição de dados e controle são:

1.Posição, Velocidade, Aceleração.

2.Força, Torque, Deformação, Pressão.

3.Temperatura.

4.Vazão.

5.Umidade.

O sensor deve ser exposto ao efeito da variável medida.

44

Existem 3 fenômenos básicos que governam a operação de sensores utilizados em Sistemas de Aquisição de

Dados:

1 A variação na variável física medida (por exemplo pressão, temperatura, deslocamento) é traduzida na variação de uma propriedade do sensor (resistência elétrica, capacitância, indutância...). Isso é chamado de TRANSDUÇÃO.

NTC

Variação de Temperatura Variação da

Resistência Elétrica

55

2 A variação na propriedade do sensor é traduzida em um sinal elétrico de baixa potência na forma de tensão ou corrente.

Tensão

66

3 Este sinal de baixa potência é condicionado e transmitido para dispositivos inteligentes para processamento.

Sistema Comercial, National Instruments.Interface: USB 2.0

Sistema Projetado, Fabricado, Montado e programado no LPDNT (DECAT-UFOP).Interfaces: USB 2.0, I2C, RS232 e RS485.

13-14 Bits

10 Bits

SSR 250V /

40AZigBee

77

Os tipos de sensores diferem no estágio transdutor em medições de variáveis físicas. Em resposta a uma variável

física, o sensor pode ser projetado para alterar sua resistência elétrica, sua capacitância, sua indutância, sua

corrente induzida, ...

NTC

Termopar

88

Conteúdo da Apresentação -


2. Amplificador Operacional – Breve Histórico.

3.Amplificador Operacional – Algumas Configurações.







99

Amplificador Operacional – Breve Histórico

Inicialmente criados a partir de válvulas termoiônicas, atualmente podem ser fabricados com tecnologia de transistores bipolares, FETs e MOSFETs* .

Foram desenvolvidos no final da década de 40.

O nome é uma analogia à intenção de projeto inicial, a realização de operações matemáticas utilizando a tensão como analogia de uma outra quantidade.Realização de operações como soma, multiplicação, subtração, diferenciação e integração foram a base dos computadores analógicos.

Fairchild UA-709: primeiro AmpOp a tornar-se largamente disponível, no final da década de 60.

O UA-709 foi rapidamente substituído pelo 741, mais fácil de utilizar e provavelmente o mais “famoso” da eletrônica.

1010

Amplificador Operacional – Breve Histórico

AmpOp com

válvulas (1953) AmpOp com transístores

(1961)

AmpOp com transístores

incorporados em encapsulamento “comum” (1962)

AmpOp em Circuito Integrado híbrido de

alta velocidade (1979)

AmpOp em encapsulamento SOIC-8 (Small Outline Package) - (tempos modernos-

SMD)

AmpOp em encapsulamento SC-70 (Plastic Small Outline Package) - (tempos

modernos - SMD)

AmpOp em encapsulamento DIP-8 (Dual In-Line Package) - (tempos modernos)

1111

Aspecto Físico(Vista de topo para projeto de PCI) Simbologia Eletrônica

Amplificador Operacional

AmpOp em encapsulamento SOIC-8 (Small Outline Package) - (tempos modernos-

SMD)

AmpOp em encapsulamento DIP-8 (Dual In-Line Package) - (tempos modernos)

AmpOp em encapsulamento SOT-23-5 (tempos modernos - SMD)

Sem realimentação, o AmpOp funciona como um comparador de tensão e tem

ganho ideal infinito.

1212

Impedâncias de Entrada / Saída – Ideais x Reais

1313

Características – Ideais x Reais

?

??

1414




3. Algumas Configurações de Projeto com AmpOp.







1515

Amplificador Operacional Utilizado como Comparador

Considerações:

• Sem realimentação.• Ganho=infinito.• O sinal de saída depende da comparação entre os valores de tensão presentes nas entradas inversora e não-inversora, a cada momento.• Como o ganho é infinito, sua saída assume praticamente o valor de tensão da fonte de alimentação, de acordo com o resultado da comparação entre os valores de tensão nas entradas.

1616

Considerações:

• Ganho=1• O sinal de saída é igual ao de entrada, em fase e amplitude. • Utilizado para casamento de impedância entre sub-sistemas.

=0 volt?

Configuração “Amplificador” de Ganho Unitário

1717

Considerações:

• O ganho nunca será menor que 1.• A amplitude do sinal de saída será “igual” ou maior do que o sinal de entrada, com mesma fase.• Não pode ser utilizado para atenuar o sinal de entrada.

Configuração Amplificador Não-Inversor

1818

Considerações:

• O ganho pode ser menor do que 1.• A amplitude do sinal de saída será igual, maior ou menor do que o sinal de entrada, com fase invertida.• Pode ser utilizado para atenuar o sinal de entrada.

Configuração Amplificador Inversor

1919




3.Algumas Configurações de Projeto.







2020

O Amplificador Diferencial

Sua saída assume o valor da diferença de tensão entre os sinais de entrada multiplicado pelos

respectivos ganhos !

2121


2222


2323

Desde que a frequência de trabalho esteja dentro da banda de passagem (BandWidth) do AmpOp.

2424

Desde que a frequência de trabalho esteja dentro da banda de passagem (BandWidth) do AmpOp.

2525






5. Amp Op na Configuração Amplificador Diferencial de

Instrumentação.




2626

O Amplificador de Instrumentação

O amplificador de instrumentação é usado para amplificar pequenos sinais de sensores em ambientes ruidosos.

Ele é uma versão modificada do amplificador diferencial com características aperfeiçoadas, como impedância de entrada mais alta e fácil ajuste de ganho.

2727


Considerações:

• É um amplificador diferencial, ou seja, amplifica apenas a diferença entre as tensões de entrada.•Podem ser obtidas altíssimas impedâncias de entrada, na faixa de 105 a 1012 Ω (centenas de

kΩ a TΩ)• CMRR mais alto do que na configuração diferencial, característica desejada em ambientes ruidosos. • Facilidade de ajuste de ganho, através de um único trimpot, para ambos os terminais de entrada.•Como nenhuma entrada é aterrada, loops de terra são eliminados.

2828


2929

O Amplificador de Instrumentação Encapsulado Comercial

Fabricante: Texas Instruments

3030

O Amplificador de Instrumentação Encapsulado Comercial

Fabricante: Texas Instruments

Aplicações:

• Amplificador para Pontes.

• Amplificador para Termopares.

• Amplificador para Sensor RTD.

• Instrumentação Médica.

• Sistemas de Aquisição de

Dados.

Características:

• CMRR (mínimo) = 120 dB

• *Drift (máximo) = 0,5 µV/ºC.

• Ampla largura de banda, mesmo em altos

ganhos (200kHz com G=100).

• Alimentação: ±2,25V a ±18V.

•Disponível em encapsulamentos SOIC-8 e PDIP-

8.

• INA128 disponível em configuração dupla

(INA2128).

•Ganho ajustável por único resistor externo: 1 a

10000.* O OP07C possui drift de 1,6 µV/ºC, e o 741 de 15 µV/ºC

3131








6. Exemplos de Aplicação do Amplificador Diferencial e de

Instrumentação.


3232

Amplificador para Pontes de Wheatstone

3333

Sistema Multiplexado de Condicionamento de Sinais, com Ganho Programável via Software.

3434


3535


3636

VARIAÇÃO DA TEMPERATURA ENTRE 16 E 17 DE JULHO 2005 NO LABORATÓRIO

21

21,5

22

22,5

23

23,5

72 77 82 87 92

TEMPO [HORAS]

TE

MP

ER

AT

UR

A [

GR

AU

S

CE

NT

ÍGR

AD

OS

]

VARIAÇÃO DA TEMPERATURA ENTRE 16 E 17 DE JULHO 2005 NO LABORATÓRIO

0

5

10

15

20

25

72 77 82 87 92

TEMPO [HORAS]

TE

MP

ER

AT

UR

A [

GR

AU

S

CE

NT

ÍGR

AD

OS

]


Dados Obtidos

3737

Amplificador Diferencial, Amplificador Inversor, e

Amplificador Inversor Somador

3838

Termopar: T1 – T2 = a0 + a1.V0 + a2.V02 + ... + an.V0n

Condicionador de Sinal Compensado em Temperatura para Termopares.TO-92

3939

Condicionador de Sinal Compensado em Temperatura para Termopares: Diagrama de Blocos da Montagem

Experimental para Aquisição de Dados.

4040

Aquisição de Dados Utilizando o Condicionador de Sinal Compensado em Temperatura para termopares.

• Hardware NI – USB 6009 da National Instruments.• Software LabVIEW Signal Express instalado em PC.• Hardware: protótipo de condicionador de sinal compensado em temperatura para termopares (calibrado para termopar K).• Termopar K e LM35 como transdutores de temperatura, do interior do forno e de temperatura ambiente respectivamente.• Protótipo de filtro RC com buffer de ganho=1 para filtragem e casamento de impedância entre filtro RC e o hardware NI-USB 6009.

4141

Considerações Sobre o Desempenho do Sistema

Houve consideráveis variações no sinal de temperatura registrado, de acordo com a utilização ou não do filtro RC (+ buffer para casamento de impedâncias) posicionado entre o Protótipo Condicionador e o hardware NI-USB 6009.

O nível de ruído obtido no registro dos dados, quando da não utilização do filtro RC e buffer, foi demasiadamente maior do que se fossem utilizados !

4242

Considerações Sobre o Desempenho do Sistema

4343

Dados Obtidos

Curva Lenta (Azul)Curva Rápida (Magenta)

Temperatura Ambiente (Amarelo)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 2 4 6 8 10

Tempo [h]

Tem

per

atu

ra [

ºC] ºC

(Curva Lenta)

ºC(Curva Rápida)

ºC(Tamb)

4444

EEGEEG

4545

EEGEEG

4646

Miguel Angelo Laporta Nicolelis, paulistano de 45 anos, chefia um dos mais avançados laboratórios de neurociência do planeta, o da Universidade Duke, em Durham, Carolina do Norte, EUA.

Vídeo: “Brain_Control_Monkey –

Legendado.wmv”

4848

Fonte: arquivo “TS921 Rail to Rail High Output

Current Single Amp Op SOIC.pdf”

TS921IDTS921IDSO8SO8

IL30IL3000

DIPDIP

Fonte: arquivo “IL300 - Linear Optocoupler –

Siemens.pdf”

Isolador Galvânico para Uso em Registro de Sinais Isolador Galvânico para Uso em Registro de Sinais Elétricos HumanosElétricos Humanos

4949

Fonte: arquivo “TS921 Rail to Rail High Output

Current Single Amp Op SOIC.pdf”

Fonte: arquivo “IL300 - Linear Optocoupler –

Siemens.pdf”

Sistema Experimental para EEG / ECG

5050

ECGECG

5151











5252

Considerações Finais – Interferências

Vi Vo

A

ruido

desviación

distorsión

5353

Considerações Finais – EMI (Eletromagnetic EMI (Eletromagnetic Interference)Interference)

5454

Considerações Finais – Capacitores de Desacoplamento / Resistores de Precisão

Resistores SMD com precisão de ±0,1%.

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