Leonardo A. B. Tôrres Novembro de 2003 -...

Instrumentação Industrial

Instrumentação Eletrônica

Leonardo A. B. Tôrres

Novembro de 2003

DELT/UFMG


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 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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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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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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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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• 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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SNR = 3,2dB

SNR = 8,97dB

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Técnicas para Melhoria da SNR

Função de Autocorrelação

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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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Ampli�cadores Sintonizados

sensorV

sensorV

+15V

CL

PróximoEstágio

L

C

Para o próximoestágio

+

−

• Ampli�cam sinais somente em uma faixa estreitade freqüências.

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