Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de Medidas

Prof.: Geraldo Cernicchiaro

geraldo@cbpf.br

O curso pretende apresentar fundamentos físicos para se entender a eletrônica, e as bases de tecnologia moderna, a partir de elementos funcionais como amplificação, modulação, transmissão, demodulaçãoe processamento de sinais elétricos, sem focar tecnicismos, nem sua implementação.

•• Eletricidade bEletricidade báásica. sica.

•• CodificaCodificaçção, transmissão, processamento e decodificaão, transmissão, processamento e decodificaçção de ão de informainformaçção e sinais elão e sinais eléétricos. tricos.

•• Transdutores e sensores. Transdutores e sensores.

•• O mundo analO mundo analóógico e as vgico e as váálvulas. lvulas.

•• AmplificaAmplificaçção, retificaão, retificaçção, modulaão, modulaçção e ão e demodulademodulaççãoão. .

•• O mundo digital e noO mundo digital e noçções de ões de áálgebra de lgebra de BooleBoole. .

•• Medidas elMedidas eléétricas e rutricas e ruíído. do.

•• Dispositivos de medida: Dispositivos de medida: ADCsADCs, , DACsDACs, oscilosc, osciloscóópios, etc. pios, etc.

•• TTéécnicas experimentais: cnicas experimentais: magnetometriamagnetometria, resistividade, etc. , resistividade, etc.

•• AquisiAquisiçção de dados e interfaces.ão de dados e interfaces.

EMENTAEMENTA

SumSumááriorio

•• Aula 4Aula 4

–– Amplificadores OperacionaisAmplificadores Operacionais

–– OperaOperaçções analões analóógicasgicas

–– Amplificador Amplificador LockLock inin

–– Controle PIDControle PID

–– DigitalDigital

–– ÁÁlgebra de lgebra de BooleBoole

Amplificadores OperacionaisAmplificadores Operacionais

• Alta impedância de entrada (Ri ~10 MΩ)

• Baixa impedância de saída (Rth ~75 Ω) • Alto ganho de Tensão a ( 741 ~ 100000)

• Possibilidade de operar como amplificador diferencial

• Alimentação simétrica

V1 Entrada não inversora

V2 Entrada inversora

Vo Tensão saida

Alimentação simétrica

Vth = a (V1 - V2)

Ro = Rth

Regras de ouroRegras de ouro

• Alta impedância de entrada

• Quando conectado em uma configuração de realimentação negativa, o OpAmp irá tentar mudar a tensão de Vout de modo a deixar as tensões de entrada iguais.

1. Nenhuma corrente irá fluir nas

entradas.

2. As tensões, ou seja os potenciais em

relação ao terra, nas duas entradas

serão iguais.

(vi − v2) / R1 = (v2 − vo) / R2

R2 (vi − v2) = R1 (v2 − vo).

vo = a (v1 −v2) = −a v2 , pois v1=0.

R2vi + R2vo/a = −R1vo/a − R1vo. vo = R2

R1

vi−

OperaOperaçções analões analóógicasgicas

Circuito somador

va/Ra + vb/Rb + vc/Rc = −vo/R2

Circuito diferenciador

vo = − R1 Cdvi

dt

vo = - R2 (va/Ra + vb/Rb + vc/Rc)

Circuito Integrador

vo = −vi

RC

dt

0

t

−∫ + c

ComparadorComparador

• Se abaixo de um determinado valor

saída em nível alto alto

• Converte uma informação analógica

em uma informação digital

Amplificador Amplificador LockLock inin

V = A cos (ωωωωt) . B cos (ωωωωt + θθθθ)

= AB cos ωωωωt (cos ωωωωt cos θ θ θ θ - sin ωωωωt sin θθθθ)

= AB(cos2 ωωωωt cos θ θ θ θ - cos ωωωωt sin ωωωωt sin θθθθ)

= AB((½ + ½cos 2ωωωωt)cos θ θ θ θ - ½sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½AB((1+ cos 2ωωωωt)cos θ θ θ θ - sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½AB(cos θ θ θ θ + cos 2ωωωωt cos θ θ θ θ - sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½ABcos θ θ θ θ + ½AB(cos 2ωωωωt cos θ θ θ θ - sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½AB cos θ θ θ θ + ½ABcos(2ωωωωt + θθθθ)

Vin = A cos (ωt)

ω = 2 πf

Vref = B cos (ωt + θ)

Filtro Passa Baixa

MultiplicadorFiltro PassaBanda

• Amplifica o sinal que estiver

com a mesma fase e freqüência

do sinal de referência

• Medida de sinal AC

• Funciona como um Filtro

altamente seletivo

• Detecção síncrona

Sinal medidoSet

Point

+-

-+

Controle Proporcional Integral DiferencialControle Proporcional Integral Diferencial

Proporcional + Integral + Diferencial = Sinal de correçãoProporcional Integral Diferencial

CritCritéérios de sintoniarios de sintonia

Parâmetros de Entrada Cálculo

Fim

Medidado sinal

ConversorDigital/Analógico

Controle PID DigitalControle PID Digital

ConversorAnalógico/Digital

ÁÁlgebra de lgebra de BooleBoole

“NOT” F = AFA

111001010000FBA

“OR” F = A+BFAB

0110FA

111101110000FBA

“AND” F = A•BFAB

Nome Símbolo NotaçãoTabelaVerdade

CCóódigo bindigo binááriorio

10000010código

1248163264128valor

•Operações Aritméticas (Adição; Subtracção; Multiplicação; Divisão;)

A B S

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

A B S

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 1

A S

0 1

1 0

A B S

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A B S

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0

A B S

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1 1 0

J K Q

0 0 Qa

0 1 0

1 0 1

1 1 Qa

D Q

0 0

1 1

T Q

0 Qa

1 Qa

---S = (A + B)S = (A . B)S = AS = A + BS = A . BNotação

Símbolo

Flip-Flop T

Flip-Flop D

Flip-Flop JK

NÃO OU (NOR)

NÃO E (NAND)

OU exclusivo (XOR)

NÃO (NOT)

OU (OR)

E (AND)Nome

S = A B

Blocos lBlocos lóógicos elementaresgicos elementares

X Y S C

0 0 0 0

0 1 1 0

1 0 1 0

1 1 0 1

Bloco somador

S = X YE a saída de "vai um" é a função E:C = X . Y

ContadorContador

Divisão de freqüência

Contador assíncrono básico

001112

110111

010110

10019

00018

11107

01106

10105

00104

11003

01002

10001

0000nada

S0S1S2S3E

S0

S1

S2

S3

clock

S0 S1 S2 S3

CCóódigo ASCIIdigo ASCII

A (Va) B (Vb) C (Vc) D (Vd) |Vs| (V)

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0,625

0 0 1 0 1,25

0 0 1 1 1,875

0 1 0 0 2,5

0 1 0 1 3,125

0 1 1 0 3,75

0 1 1 1 4,375

1 0 0 0 5

1 0 0 1 5,625

1 0 1 0 6,25

1 0 1 1 6,875

1 1 0 0 7,5

1 1 0 1 8,125

1 1 1 0 8,75

1 1 1 1 9,375

Vs = -Rr [ (Va/R) + (Vb/2R) + (Vc/4R) + (Vd/8R) ]

| Vs | = 0/1 + 0/2 + 0/4 + 5/8 = 0,625 V.

Conversor DigitalConversor Digital--AnalAnalóógico tipo Rgico tipo R--2nR2nR

| Vs | = 0/1 + 0/2 + 5/4 + 0/8 = 1,250.

Conversor AnalConversor Analóógico Digital gico Digital -- ADCADC

Conversor tipo rampa digitalConversor tipo paralelo

• Byte; Bit; Palavra

• Código (Binário; BCD; ASCII)

• Hardware; Software;

• Linguagem de Alto Nível; Linguagem Assembly; Linguagem Máquina

• Compilador; Interpretador; Assembler

• CPU - “Central Processing Unit”

• Barramento (Endereço; Dados; Control2)

• ALU - Unidade Aritmética e Lógica

• Vírgula fixa; Vírgula flutuante (Mantissa; Base; Expoente)

• Instrução; Programa

• Ciclo de instrução (Busca; Decodificação; Execução)

• Conjunto de instruções

TerminologiaTerminologia DigitalDigital

BibliografiaBibliografia

• Experimental Principles and Methods Below 1K.

Lounasmaa, O.V. (Academic Press: London and New York)

• The Art of Electronics.

P. Horowitz, W. Hill. (Cambridge University Press.)

• Basic Electronics for Scientists.

J. J. Brophy. (McGraw-Hill Kogakusha Ltda.)

• Numerical Recipes on C.

W.P.Press, S.A.Teukolky., W.T.Vetterling, B.P. Flannery.

(Cambridge University Press)

• Experimental Pulse NMR A Nuts and Bolts Approach

E. Fukushima, S. B.W. Roeder. (Addison-Wesley Publishing

Company)