Robson - Apresentação Amp Op Diferencial + De Instrumentação
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Amplificador Diferencial Amplificador Diferencial e de Instrumentaçãoe de Instrumentação
Robson Nunes Dal Col
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 -
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.
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
Conteúdo da Apresentação -
1.Sensores / Transdutores – Princípios Básicos.
2.Amplificador Operacional – Breve Histórico.
3. Algumas Configurações de Projeto com AmpOp.
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.
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
Conteúdo da Apresentação -
1.Sensores / Transdutores – Princípios Básicos.
2.Amplificador Operacional – Breve Histórico.
3.Algumas Configurações de Projeto.
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.
2020
O Amplificador Diferencial
Sua saída assume o valor da diferença de tensão entre os sinais de entrada multiplicado pelos
respectivos ganhos !
2121
O Amplificador Diferencial
2222
O Amplificador Diferencial
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
Conteúdo da Apresentação -
1.Sensores / Transdutores – Princípios Básicos.
2.Amplificador Operacional – Breve Histórico.
3.Algumas Configurações de Projeto.
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.
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
O Amplificador de Instrumentação
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
O Amplificador de Instrumentação
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
Conteúdo da Apresentação -
1.Sensores / Transdutores – Princípios Básicos.
2.Amplificador Operacional – Breve Histórico.
3.Algumas Configurações de Projeto.
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.
3232
Amplificador para Pontes de Wheatstone
3333
Sistema Multiplexado de Condicionamento de Sinais, com Ganho Programável via Software.
3434
Sistema Multiplexado de Condicionamento de Sinais, com Ganho Programável via Software.
3535
Sistema Multiplexado de Condicionamento de Sinais, com Ganho Programável via Software.
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
]
Sistema Multiplexado de Condicionamento de Sinais, com Ganho Programável via Software.
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”
4747
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
Conteúdo da Apresentação -
1.Sensores / Transdutores – Princípios Básicos.
2.Amplificador Operacional – Breve Histórico.
3.Algumas Configurações de Projeto.
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.
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%.