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Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Licenciatura em Engenharia Informática e Computação
2º Ano – 2º Semestre
Instrumentação Electrónica - 1999/2000
A. Campilho
A. Cardoso
TRABALHOS PRÁTICOS
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Licenciatura em Engenharia Informática e Computação
2º Ano – 2º Semestre
Instrumentação Electrónica - 1999/2000
Trabalho
Prático 1
Linear ização de um sensor
Objectivo
Simular a linearização por software da medição de temperatura usando um termistor (NTC).
Descr ição
O circuito de interface do sensor é o representado, no qual RT é o termistor. As características do circuito são
Va = 5 V, R1 = 500 Ω, e o termistor tem uma resistência a 25 ºC de 500 Ω, e um coeficiente β = 5200.
Assume-se que este circuito irá fazer a medição de temperatura entre os valores de
−50 ºC e 150 ºC, em incrementos de 5 ºC. Os valores de tensão de saída do circuito,
aos terminais de R1, são convertidos em valores digitais por conversão analógica-
digital. Como não existe uma relação linear entre a variação de temperatura e a
variação da tensão de saída do circuito, é necessário introduzir uma correcção
variável com a temperatura (se a relação fosse linear, bastava uma constante de escala para converter os valores
digitalizados em valores numéricos de temperatura).
Procedimento
Criar em Excel uma tabela (Tabela 1) em que se fará corresponder aos vários valores de temperatura os valores de
Rθ, da tensão da saída do circuito, e os valores resultantes da conversão analógica-digital. Criar então uma tabela
(Tabela 2) em que a cada valor digital possível da saída do conversor se associa o valor numérico o mais correcto
possível da temperatura.
Experimente variar o número de bits da conversão A/D. Qual o número mínimo de bits para que a cada valor de
temperatura corresponda um só valor digital
Relatór io
Deve seguir o modelo de relatório indicado no documento disponível na página web da disciplina, com o título
“Um guia para a escrita de relatórios”.
Em particular, deve apresentar as tabelas 1 e 2, para 6 bits e para 10 bits e comentar sobre o impacto da variação
do número de bits.
R1
RT
Va
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Trabalho
Prático 2
Conversor analógico/digital – er ro de quantificação
Objectivo
Simular a conversão analógica-digital de vários tipos de sinais, com várias amplitudes, e estudar o erro de
quantificação.
Descr ição
Pretende-se observar graficamente e caracterizar numericamente o erro de quantificação para vários tipos e
amplitudes de sinal analógico. O erro de quantificação é a diferença entre o valor analógico ideal correspondente a
cada código digital na saída do conversor AD, e o verdadeiro valor da entrada analógica que é convertida nesse
código. Por outras palavras, se se fizer uma conversão DA ideal dos valores digitais obtidos, o erro é a diferença
entre cada um destes valores e o valor analógico original.
Procedimento
Em Excel, representar vários tipos de sinais (sinusoidal, dente de serra, triangular, aleatório), pelos valores das
suas amplitudes. No caso de sinais periódicos basta representar um período. O número de pontos não deverá ser
excessivamente pequeno, sugere-se 32 ou 64.
Simular a conversão AD das amostras dos vários sinais assim obtidos. Calcular os erros de quantificação, e
representá-los graficamente, juntamente com o sinal original e o sinal quantificado.
Experimentar várias amplitudes dos sinais. Calcular para cada caso o valor eficaz do erro de quantificação, bem
como a relação sinal-ruído (SNR), 2
2
log10e
s
V
VSNR= , onde Vs é o valor eficaz do sinal e Ve o valor eficaz do
erro de quantificação.
Relatór io
Deve seguir o modelo de relatório indicado no documento disponível na página web da disciplina, com o título
“Um guia para a escrita de relatórios”.
Apresente os gráficos acima descritos para os vários sinais, para pelo menos duas amplitudes (p. ex. uma
amplitude igual à tensão fim de escala do conversor, outra de ¼ dessa tensão). Para cada gráfico apresente o valor
de SNR. Discuta os resultados obtidos.
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Trabalho
Prático 3
Simulação de um Osciloscópio
Objectivo
Simular o funcionamento básico de um osciloscópio em software
Descr ição
Simular em software o funcionamento de um osciloscópio, nomeadamente as funções de ganho vertical, base de
tempo, e nível de disparo, bem como a determinação do valor de pico, valor médio e valor eficaz do sinal. Os
sinais de entrada a representar serão escolhidos de um menu com pelo menos três sinais periódicos e um aleatório,
bem como somas de dois ou mais sinais.
Procedimento
A simulação poderá usar Excel ou outro programa que o aluno deseje. Basicamente pretende-se representar
graficamente os sinais de entrada, discretizado no eixo horizontal, com controlo da amplitude (eixo vertical), e da
base de tempo (eixo horizontal), e selecção do nível de disparo (valor da amplitude do sinal a partir do qual
começa a sua representação gráfica). O programa deverá também calcular e mostrar o valor de pico, do valor
médio e do valor eficaz do sinal representado.
Relatór io
Deve seguir o modelo de relatório indicado no documento disponível na página web da disciplina, com o título
“Um guia para a escrita de relatórios”.
No relatório deve incluir uma demonstração do programa.
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Trabalho
Prático 4
Calibração da escala de um voltímetro
Objectivo
Desenvolver procedimento de calibração de instrumento de medição.
Descr ição
A partir de uma tabela de valores de calibração de um voltímetro, efectuar o tratamento estatístico dos dados para
obter a curva de calibração do voltímetro e determinar os erros do mesmo.
Procedimento
Obtenha a tabela com os valores da calibração do voltímetro na página Web da disciplina. Siga as indicações dos
apontamentos da disciplina, pag.s 22-25. Basicamente deverá efectuar uma regressão linear dos valores, e
representar graficamente os dados e a recta de aproximação. Determine o coeficiente de correlação. Determine
qual o índice de classe que deverá ser atribuído ao voltímetro.
Relatór io
Deve seguir o modelo de relatório indicado no documento disponível na página web da disciplina, com o título
“Um guia para a escrita de relatórios”.
Deve descrever e justificar os cálculos efectuados e apresentar o gráfico referido acima, bem como os valores do
coeficiente de correlação e do índice de classe.
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Trabalho
Prático 5
Detecção de valor médio e de valor eficaz
Objectivo
Estudar as propriedades dos detectores de valor médio e de valor eficaz. Analisar comparativamente os detectores
de valor eficaz sinusoidal e de verdadeiro valor eficaz, usando diversas formas de onda de entrada.
Descr ição
Para realizar este trabalho, dispõe de diversas aplicações baseadas no programa TestPoint que realizam as
seguintes funções (ver Manual de Instalação):
• OPENFILE - permite a abertura de um ficheiro de dados com um sinal armazenado em disco e efectua a
respectiva representação gráfica.
• AVERAGE - permite determinação do valor médio, detecção AC sinusoidal e TRMS para ondas periódicas
típicas.
• FILEAVG - idem, para sinais previamente armazenados.
• FILTER - permite a geração de várias formas de onda, a que se pode adicionar ruído com amplitude
especificada. É produzida uma onda filtrada por um filtro passa-banda, com frequência inferior e superior
especificadas pelo utilizador. O sinal de saída é armazenado no ficheiro especificado.
Com estas aplicações deverá registar os valores medidos, para as formas de onda geradas em AVERAGE e para
outras formas de onda geradas em FILAVG ou por outras formas de onda que julgue apropriadas, geradas por
programas exteriores, por exemplo o programa Excel.
Equipamento necessário
Os programas fornecidos podem ser executados em computadores PC, em ambiente Windows.
Procedimento
1. Leia atentamente o Manual de Instalação. Instale o programa, seguindo as notas de instalação fornecidas no
manual .
2. Com o programa OPENFILE observe alguns dos sinais exemplo que acompanham a aplicação. Os sinais são
vectores de 512 elementos reais. Utilize a opção Inspect e procure analisar os sinais observados na aplicação
Excel. Inversamente, em Excel gere sinais de comprimento 512 e procure observá-los com OPENFILE.
3. Para diversas formas de onda, registe as medidas produzidas pelo programa, e organize-as de acordo co
Tabela 1. Os valores indicados para as características das ondas são exemplos das múltiplas combinações
possíveis, de que deverá seleccionar as que pense ser mais sugestivas.
N. Forma de Onda Caracter ísticas da onda Valor médio Detectorsinusoidal
TRMS
8 Hz 32 Hz Ruído1 Sinusoidal2 Triangular3 Rampa4 Quadrada5 Onda 1 On Off 0.16 Onda 2 Off On 0.2
k Onda n On On 0Tabela 1
Relatór io
Deve seguir o modelo de relatório indicado no documento disponível na página web da disciplina, com o título
“Um guia para a escrita de relatórios”.
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Trabalho
Prático 6
Detecção de valor eficaz em sinais sinusoidais comutados ou com 3º
harmónico
Objectivo
Estudar as propriedades dos detectores de valor médio e de valor eficaz na detecção do valor eficaz de sinais
sinusoidais comutados ou com terceiro harmónico. Na medida de valor eficaz, analisar o efeito da variação da fase
entre o 1º e o 3º harmónio, bem como do ângulo de comutação, , em três situações: a) detector de valor eficaz
baseado num detector de valor médio graduado para ondas sinusoidais; b) medida de valor eficaz, baseado nu
detector de pico; c) detector de verdadeiro valor eficaz.
Descr ição
Para realizar este trabalho, dispõe das aplicações 3RDHARM e COMSIN baseadas no programa TestPoint que
realizam as funções descritas no Manual de Utilização.
Com 3RDHARM deverá registar os valores medidos, para diversos desfasamentos e amplitude, por forma a ser
possível analisar experimentalmente os resultados obtidos. Deverá proceder de forma idêntica com COMSIN,
relativamente ao ângulo de comutação.
Dispõe também de OPENFILE que permite a abertura de um ficheiro de dados com um sinal armazenado em disco
e efectua a respectiva representação gráfica.
Equipamento necessário
Os programas fornecidos podem ser executados em computadores PC, em ambiente Windows.
Procedimento
1. Leia atentamente o Manual de Instalação. Instale o programa, seguindo as notas de instalação fornecidas no
manual .
2. Com o programa OPENFILE observe alguns dos sinais exemplo que acompanham a aplicação. Os sinais são
vectores de 512 elementos reais. Utilize a opção Inspect e procure analisar os sinais observados na aplicação
Excel. Inversamente, em Excel gere sinais de comprimento 512 e procure observá-los com OPENFILE.
3. Para diversas amplitudes e desfasamentos entre o terceiro harmónico e o termo fundamental, registe as
medidas produzidas pelo programa, e organize-as de acordo com a Tabela 2.
4. Para diversos ângulos de comutação, registe as medidas produzidas pelo programa, e organize-as de acordo
com a Tabela 3.
N. Fase Amplitude Valor médio Detecção AC TRMS Valormáximo
1 0 0.12 10 0.13 20 0.1... ... ...
0 0.210 0.2... ...
Tabela 2. Análise do efeito do 3º harmónico, na medida de valor eficaz.
N. Ângulo decomutação
Valor médio DetecçãoAC
TRMS Valormáximo
1 02 103 20... ...
Tabela 3. Análise do efeito do ângulo de comutação, na medida de valor eficaz
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Trabalho
Prático 7
Medida de fase
Objectivo
Estudar as técnicas de medida de fase e de razão de duas frequências, recorrendo a observação da evolução
temporal dos sinais e às figuras de Lissajous. Analisar o efeito do ruído nas medidas efectuadas.
Descr ição
Para realizar este trabalho, dispõe de diversas aplicações baseadas no programa TestPoint que realizam as
seguintes funções (ver - Capítulo 0):
• OPENFILE - permite a abertura de um ficheiro de dados com um sinal armazenado em disco e efectua a
respectiva representação gráfica.
• LISSAJOUS - permite a observação de figuras de Lissajous, com uma razão de frequências especificada pelo
utilizador; permite também a introdução de ruído e a sua filtragem posterior.
Com esta aplicação deverá registar diversas formas de onda, para várias desfasamentos, níveis de ruído e razão de
duas frequências.
Equipamento necessário
Os programas fornecidos podem ser executados em computadores PC, em ambiente Windows.
Procedimento
1. Leia atentamente o Manual de Instalação. Instale o programa, seguindo as notas de instalação fornecidas no
manual .
2. Com o programa OPENFILE observe alguns dos sinais exemplo que acompanham a aplicação. Os sinais são
vectores de 512 elementos reais. Utilize a opção Inspect e procure analisar os sinais observados na aplicação
Excel. Inversamente, em Excel gere sinais de comprimento 512 e procure observá-los com OPENFILE.
3. Com dois sinais da mesma frequência, ruído nulo, observe (em fast) como variam as figuras de Lissajous e
registe (em slow) em função do desfasamento algumas figuras típicas.
4. Repita a questão anterior, com algum nível de ruído introduzido
Estru tura do relatór io
Deve seguir o modelo de relatório indicado no documento disponível na página web da disciplina, com o título
“Um guia para a escrita de relatórios”.
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Programas
IMedidas
Manual de utilização
Instalação
Os programas fornecidos são compatíveis com o ambiente Windows. Da página da disciplina
(http://www.fe.up.pt/~campilho/IE em Material da Disciplina) copia para o seu computador o programa Imedidas.
Proceda à sua instalação seguindo os passos seguintes:
1. Execute o programa setup; como resultado é criado o directório C:\Imedidas, onde são instalados os
programas. Em Windows é criado o grupo Imedidas da Figura 1.
2. Copie o directório de dados Data para C:\Imedidas.
Figura 1. Aplicações instaladas
Descr ição
Para a realização dos trabalhos 5, 6 e 7, dispõe de diversas aplicações baseadas no programa TestPoint que
realizam as seguintes funções:
• OPENFILE - permite a abertura de um ficheiro de dados com um sinal armazenado em disco e efectua a
respectiva representação gráfica (Figura 2).
• AVERAGE - calcula o valor médio, o resultado de um detector AC sinusoidal e o verdadeiro valor eficaz para
ondas periódicas típicas (Figura 3).
• FILEAVG - idem, para sinais previamente armazenados (Figura 4).
• FILTER - permite a geração de várias formas de onda periódica de frequência 8Hz e 32 Hz ( ou a soma das
duas), a que se pode adicionar ruído com amplitude especificada (Figura 5). É produzida a onda filtrada por u
filtro passa-banda, com frequência inferior superior e especificada pelo utilizador. O sinal de saída é
armazenado no ficheiro especificado.
• 3RDHARM - permite gerar duas ondas sinusoidais, uma delas com frequência tripla da outra e a medida do
valor médio e valor eficaz relativa a soma das duas formas de onda.
• LISSAJOUS - representa figuras de Lissajous, obtidas a partir de sinais sinusoidais, apresentando um deles um
nível de ruído especificado pelo utilizador; este sinal é submetido a um filtro passa-baixo.
• COMSIN - permite gerar uma onda sinusoidal comutada, com um ângulo de comutação especificado pelo
utilizador.
OPENFILE
Com OPENFILE pode observar um sinal previamente armazenado, cujo nome e localização define na opção File.
Após a abertura do ficheiro seleccionado é apresentada a respectiva representação gráfica - Figura 2. Na opção
Inspect são accionadas as seguintes sub-opções:
• File - impressão do gráfico visualizado;
• Edit - Copy do vector de dados para o Clipboard; através dos comandos Paste ou Paste Special
é possível exportar o vector para outras aplicações, nomeadamente para Excel, quer em formato
gráfico quer numérico;
• Zoom - permite a observação com diversos factores de ampliação.
Diversos parâmetros de observação do gráfico, podem ainda ser alterados, accionando a tecla esquerda do rato
duas vezes, quando o apontador estiver na zona gráfica.
NOTA: os vectores que podem ser observados nesta aplicação são compatíveis com o formato de texto CSV,
criados, por exemplo, na aplicação Excel.
Figura 2 - OPENFILE
AVERAGE
AVERAGE calcula o valor médio (Average Value), o resultado de um detector AC sinusoidal, com rectificação de
onda completa (AC detection) e o verdadeiro valor eficaz (RootMeanSq) para ondas periódicas típicas: sinusoidais
(seno, cosseno), triangular, rampa e quadrada - Figura 3. Podem observar-se três gráficos, correspondentes a (de
cima para baixo): 1) sinal de entrada; 2) sinal proveniente da rectificação de onda completa; 3) o quadrado do sinal
de entrada. Os três valores calculados numericamente correspondem a:
• Average Value - valor médio do sinal rectificado, com rectificação de onda completa.
• AC detection - resultado que se observaria num detector AC, com rectificador de onda
completa e graduado em valor eficaz sinusoidal.
• RootMeanSq - verdadeiro valor eficaz.
Figura 3 RMS.
FILEAVG
FILEAVG executa as mesmas operações indicadas para AVERAGE, mas agora para qualquer forma de onda
previamente armazenada, desde que seja um vector de comprimento 512. O painel respectivo pode observar-se na
Figura 4.
Figura 4 - FILEAVG.
FILTER
FILTER gera diversas formas de onda periódicas (sinusoidal, triangular, rampa e quadrada) de frequência 8 Hz
(botão 8Hz em On e botão 32Hz em On), 32 Hz (botão 8Hz em Off e botão 32Hz em On), ou a soma das duas
(botão 8Hz em On e botão 32Hz em On) com ruído gaussiano de amplitude máxima especificada pelo utilizador
em Noise amount. O gráfico correspondente a forma de onda gerada é observado e Input. Esta onda é filtrada
por um filtro de banda, de frequência inferior de corte Band low e superior de corte Band high, especificadas pelo
o utilizador. O resultado da filtragem é representado na zona Filtered, e o respectivo vector é armazenado em
Output file. O painel respectivo pode observar-se na Figura 5. De notar que, se para o mesmo nome do ficheiro,
realizar várias experiências sucessivas, o vector actual vai sendo acrescentado ao(s) vector(es) já existente(s).
Figura 5 FILTER.
3RDHARM
3RDHARM, permite gerar duas onda sinusoidais, uma delas com frequência tripla da outra. O utilizador tem a
possibilidade de controlar o desfasamento relativo entre as duas ondas em Phase e de especificar o valor máximo
do 3º harmónico, em Amplitude. O painel respectivo pode observar-se na Figura 6 . As duas ondas são
representadas em Waves e o resultado da adição e Added Waves. Relativamente a esta última são calculados os
seguintes valores:
• Average Value - valor médio do sinal rectificado, com rectificação de onda completa.
• AC detection - resultado que se observaria num detector AC, com rectificador de onda
completa e graduado em valor eficaz sinusoidal.
• RootMeanSq - verdadeiro valor eficaz.
• Maximum value - valor de pico.
Figura 6 3RDHARM.
LISSAJOUS
LISSAJOUS (Figura 7) permite a observação de figuras de Lissajous, com uma razão de frequências especificada
pelo utilizador no parâmetro ratio. Os dois sinais sinusoidais são observados no gráfico x(t) and y(t) com uma
relação de fases que, que enquanto o botão Run estiver em On, varia no tempo com uma velocidade especificada
nos botões slow, mediu e fast.. Quando o botão Run passar a Off , mantem-se a relação de fases anterior. Em no
gráfico x(t) versus y(t) é desenhada a respectiva figura de Lissajous. E Phase é indicado o valor do
desfasamento entre as duas ondas.
Figura 7 LISSAJOU.
COMSIN
COMSIN, permite gerar uma onda sinusoidal comutada, com um ângulo de comutação, especificado pelo
utilizador em Phase. No painel podem observar-se (Figura 8) a onda comutada e o resultado da rectificação.
Relativamente à onda comutada são calculados os seguintes valores:
• Average Value - valor médio do sinal rectificado, com rectificação de onda completa.
• AC detection - resultado que se observaria num detector AC, com rectificador de onda
completa e graduado em valor eficaz sinusoidal.
• RootMeanSq - verdadeiro valor eficaz.
• Maximum value - valor de pico.
Figura 8. COMSIN