ET7DE- Instrumentação Virtual. Prof. Winderson Instrumentação Eletrônica

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1 ET7DE- Instrumentação Virtual Prof. Winderson Instrumentação Eletrônica

2 Conteúdo: A. Características de entrada em interfaces B. Amplificadores C. Circuitos de excitação D. Conversores Analógico-Digital E. Digitalização direta com processamento F. Circuitos relacionais G. Circuitos ponte H. Transmissão de dados I. Ruídos em sinais e circuitos J. Baterias para sensores de baixa potência

3 A. Características de entrada em interfaces e 0 = tensão de offset É o potencial representado pela fonte em série no terminal de entrada, o qual resulta num erro que é independente da impedância de saída do sensor. i 0 = corrente de bias Circula através da impedância de entrada do circuito bem como da impedância de saída do sensor, ocasionando uma queda de tensão indesejada.

4 Erros por corrente de fuga Correntes de fuga tornam-se fontes de erro quando circulam em circuitos de alta impedância. As causas mais comuns incluem baixa qualidade do material da PCI, contaminação da superfície da placa com resíduos de fluxo de solda, (PCI suja), degradação de conformidade das camadas. Para minimizar os efeitos de corrente de fuga nas PCI: Cuidado no leiaute da PCI mantendo os condutores de alta tensão longe de componentes de alta impedância. Circundar os terminais de entrada por trilha conectada a um ponto de baixa impedância e com mesmo potencial da entrada. A proteção absorve fugas de outros pontos da PCI.

5 Blindagem ativa no estágio de entrada É altamente recomendável localizar circuitos de interface com alta impedância o mais próximo possível do sensor. Entretanto, várias vezes as linhas de conexão (com alta impedância) não podem ser evitadas. Na ilustração um seguidor de tensão é conectado na entrada inversora do amplificador. O seguidor ativa a blindagem na linha de conexão, reduzindo assim a capacitância do cabo, assim como as fugas e tensões espúrias. Um pequeno capacitor na entrada não inversora do seguidor eleva a estabilidade do circuito.

6 B. Amplificadores Grande parte dos sensores passivos produzem sinais muito fracos. Amplificação é parte do condicionamento de sinais. Tipos principais de amplificadores: Amplificadores operacionais Seguidores de tensão Amplificadores de instrumentos Amplificadores de carga

7 Amplificadores Operacionais Duas entradas: uma inversora ( ) e outra não-inversora (+) Baixa impedância de saída (fração de Ω ) Habilidade para acionar cargas capacitivas Baixa tensão de offset na entrada e 0 (alguns mv ou mesmo μv) Baixa corrente de bias na entrada i 0 (alguns pa ou até menor) Elevada resistência de entrada (na ordem de centenas de MΩ ou até GΩ) Elevadíssimo ganho de malha abarta A OL (pelo menos 10 4 e idealmente acima de 10 6 ) AmpOp devem ser hábeis em elevar (amplificar) a diferença de tensão V in entre suas duas entradas pelo fator A OL Elevado valor de razão de rejeição de modo comum(cmrr) AmpOp suprime sinais de entrada iguais e em fase (sinais de modo comum) V CM aplicados a ambas entradas Baixa sensibilidade a variações de tensão na fonte de alimentação Baixo nível de ruídos intrínsecos Operam em larga faixa de frequencia Apresentam elevada estabilidade ambiental

8 Seguidor de tensão É um circuito eletrônico que realiza um acoplamento de impedâncias, de um nível alto para um nível baixo. Um bom seguidor de tensão deve ter um ganho de tensão muito próximo da unidade (tipicamente em baixas frequencias) e um alto ganho de corrente. Provê a função de buffer entre o sensor e a carga. Dicas: Para sensores geradores de corrente, a corrente de bias na entrada do seguidor deve ser pelo menos 100 vezes menor do que a corrente do sensor. A tensão de offset na entrada deve ser ajustável ou então menor do que o bit menos significativo (LSB) solicitado. O coeficiente térmico da corrente de bias e da tensão de offset não devem resultar em erros maiores do que 1 LSB ao longo de toda faixa nominal de temperatura.

9 Amplificador de Instrumentação Alta impedância de entrada. Ganho limitado (normalmente não maior que 100). Um amplificador de instrumentação (IA) tem duas entradas e uma saída. Produz um sinal de saída proporcional à diferença entre suas duas entradas.

10 Amplificadores de carga São uma classe muito especial de circuitos que apresentam níveis extramente baixos de corrente de bias. Estes amplificadores são aplicados para converter em tensão sinais oriundos de dispositivos que geram cargas ou correntes muito pequenas, da ordem de (pc) ou (pa). Há pré-amplificadores especiais de baixo ruído e sensíveis à carga para aplicações de precisão (ex. DN630 ThermOptics).

11 C. Circuitos de excitação Fontes de alimentação externa necessárias para a operação de sensores ativos. A alimentação pode ser entregue ao sensor em diferentes formas: Tensão (ou corrente) constante, senoidal, pulsante, etc. Em vários casos, a precisão e estabilidade do sinal de excitação reflete-se diretamente na exatidão e estabilidade do sensor.

12 Geradores de corrente Gerador de corrente (current pump) é um dispositivo que produz corrente elétrica constante e independente da impedância de carga. A corrente inclusive pode ser controlada pelo sinal de uma fonte externa (ex. Gerador senoidal).

13 Referenciador de tensão É um dispositivo eletrônico que produz um nível constante de tensão, o qual é minimamente afetado seja por variações na fonte de alimentação, temperatura, envelhecimento, ou outros fatores. O diodo zener é em geral empregado como referenciador.

14 Osciladores Osciladores são fontes de sinais variáveis no tempo. Por definição, um oscilador é um circuito instável (ou astável) Em geral produzem sinal senoidal ou de onda quadrada.

15 Acionadores (drivers) As vezes, são também chamados de fontes de potência. Ao contrário de geradores de corrente, os drivers de tensão devem produzir saídas em tensão que, numa larga faixa de carga e frequência de operação, são independentes da corrente de saída. Os Drivers usam sinais de realimentação para compensar variações na carga.

16 D. Conversores Analógicos-Digitais Transformam dados analógicos em geral tensão numa forma digital equivalente. Algumas características dos conversores A/D incluem: Precisão absoluta ou relativa, linearidade, perda de código, resolução, velocidade de conversão, estabilidade e preço. Os conversores A/D mais populares são baseados na técnica de aproximações sucessivas devido ao inerente bom compromisso entre velocidade e precisão. Outras técnicas também são usadas quando a velocidade de conversão é crucial: dupla rampa, quad-slope, e com conversores tensão-frequencia. µa bit Current Source one of the first ADC IC 1968

17 Conversor A/D de aproximação sucessiva Amplamente usados em CIs graças a sua alta velocidade (até 1 MHz de taxa de processamento) e alta resolução (até 16 bits). O tempo de conversão é fixo e independente sinal de entrada. São aplicáveis para multiplexação em vários canais.

18 Conversores de dupla rampa A dupla rampa é uma técnica popular de conversão A/D. É quase que universalmente utilizada nos multímetros digitais de mão e outros instrumentos portáteis, onde a conversão rápida não é necessária.

19 Conversores V/F Os conversores tensão frequencia (V/F) provêm uma alta resolução de conversão. Úteis para uso com sensores que necessitam longos períodos de tempo de integração (desde segundos até anos). Através do uso de conversores V/F pode-se implementar a conversão A/D da maneira mais simples e econômica. Com um projeto bem realizado, este tipo de conversor pode alcançar erros de menores do que 10 ppm, operando com frequencias desde 1 Hz até 1 MHz. Os pulsos oriundos do conversor são acumulados para um período de amostragem T num contador.

20 E. Processamento com digitalização direta A idéia principal da técnica de digitalização direta é a incorporação do sensor dentro do próprio conversor de sinais. A tendência atual no condicionamento para sinais de sensores é a integração num único chip (amplificador, multiplexadores, conversores A/D, e outros circuitos necessários)

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22 F. Compensadores relativos Um método poderoso para elevar a precisão de um sensor é obtido através do uso de outro sensor como compensador relativo (ratiometric technique). Este método é aplicável apenas se a fonte de erro a ser compensada apresenta natureza multiplicativa (não aditiva). A técnica essencialmente requer o uso de dois sensores: O primeiro atua como um sensor. O segundo atua como sensor de compensação (referência). O sensor de referência é blindado aos estímulos ou insensível aos mesmos. O sensor de referência não precisa necessariamente ser idêntico ao sensor principal.

23 G. Circuitos em ponte Os circuitos ponte de Wheatstone são populares e bastante efetivos como circuitos de compensação relativa ou ainda como uma técnica de divisão do sinal a nível de sensor. Largamente usados com strain-gauges, transdutores de pressão piezo-resistivos, termistores, e outros sensores cuja imunidade a fatores ambientais seja crucial. Em vários circuitos práticos apenas uma impedância é usada como sensor. O circuito básico de ponte Wheatstone geralmente opera como uma ponte desbalanceada. A máxima sensibilidade da ponte é obtida quando R1=R2 e R3=R4.

24 Compensação de temperatura na ponte Em muitas aplicações os sensores resistivos apresentam uma indesejada sensibilidade térmica Uma forma de compensação térmica é realizada através do acréscimo de outro sensor na ponte.

25 H. Transmissão analógica de dados Por diversas razões, em várias ocasiões a transmissão na forma digital dos dados não pode ser implementada. Então os sinais oriundos dos sensores são transmitidos ao ponto de tratamento na forma analógica. Dependendo da conexão esta transmissão pode ocorrer pelos seguintes métodos: Dois fios Quatro fios Seis fios

26 Transmissão a dois fios O método mais trivial usado para transmitir tanto sinais em tensão como em corrente; porém o método em corrente (4-20mA) é o padrão industrial mais bem aceito.

27 Transmissão a quatro fios Permite a medição remota de uma resistência sem a necessidade de medir a resistência dos fios condutores. Torna-se necessário quando um sensor de baixa resistência encontra-se longe do circuito de interface. Dois fios são conectados ao sensor de corrente e os outros dois ao voltímetro.

28 Transmissão a seis fios Usada quando a ponte Wheatstone é localizada remotamente. Tanto o valor de excitação da ponte como o valor de tensão diferencial na saída são medidos por um voltímetro de alta impedância com correntes de entrada desprezíveis. Assim, as tensões da ponte estão disponível com precisão no ponto de processamento, sem serem afetadas pelas longas linhas de transmissão.

29 I. Ruídos em sensores e circuitos Os ruídos podem representar uma substancial fonte de erros e por isto devem ser considerados cuidadosamente. Há duas classificações básicas para ruídos num circuito: Ruído inerente, aquele gerado pelo próprio circuito. Ruído de interferência (transmitido), oriundo de fontes externas ao circuito em análise. Os ruídos são pertubações irregulares, de natureza aleatória (ditos estocásticos), imprevisívies em certo grau, e que podem variar rapidamente.

30 Ruído inerente do tipo Johnson Uma das causas de ruídos é a natureza discreta da corrente elétrica, afinal um fluxo de corrente é formado pelo movimento de cargas ( C). Até mesmo um simples resistor é uma fonte de ruído! O valor médio quadrático da tensão de ruído Johnson (que representa a potência do ruído) pode ser calculado por: onde k = J/K (é a constante de Boltzmann), T é a temperatura (em K), R é a resistência (em Ω), e f é a largura de banda sobre a qual a medição do ruído é avaliada (em Hz). A magnitude do ruído Johnson é constante sobre uma ampla faixa de frequencias. Por isto, ele é chamado de ruído branco, numa analogia à luz branca que é composta por todas as frequencias do espectro visível. A tensão do ruído é especificada em função da raiz quadrada da frequencia. Para fins práticos a densidade de ruído por Hz gerada por um resistor em temperatura ambiente pode ser estimada pela fórmula: en 0,13 R [nv/ Hz].

31 Ruído inerente do tipo Shot Outro tipo de ruído resulta da ação de correntes contínuas fluindo por semicondutores; ele é chamado ruído shot (ou também ruído Schottky). O ruído shot também é uma forma de ruído branco. Nos semicondutores tipo FET e CMOS as correntes de ruído shot são um pouco menores. A equação para estimativa do ruído shot : onde I é a corrente na junção do semicondutor em picoamperes e f é a largura de banda de interesse em que o ruído será avaliado em hertz.

32 Ruído inerente do tipo Rosa Também existe um mecanismo de produção de ruído em correntes alternadas de baixas frequencias. Tanto a tensão de ruído como a corrente de ruído apresentam uma densidade espectral aproximadamente proporcional a 1/f, o qual é chamado de ruído rosa (as vezes também denominado ruído flicker). Na maioria das vezes, este ruído é mais pronunciado em frequências abaixo de 100 Hz, e na qual muito sensores operam.

33 Ruído inerente do tipo Popcorn Um ruído Popcorn é causado por defeitos que são dependentes das técnicas de produção dos circuitos integrados. Ele pode as vezes ser visto na tela do osciloscópio quando observa-se a saída do amplificador operacional, Se parece com um sinal digital com períodos de vários milisegundos. Este tipo de ruído foi drasticamente reduzido nos dispositivos semicondutores mais modernos.

34 Ruído inerente do tipo Seebeck Este ruído resulta da ação do efeito Seebeck, o qual se manifesta pela geração de um força-eletromotriz quando na junção de dois materiais diferentes submetidos a diferentes temperaturas. Este ruído deve ser levado em conta quando a precisão absoluta requerida encontra-se na ordem de μv. Pode ser reduzido equalizando a temperatura.

35 Ruídos inerentes (conclusão) A combinação de todas as fontes de ruído é dada pela raiz quadrada da soma dos quadrados das tensões de ruído individuais: Uma fonte aleatória de ruído pode ser descrita por seu valor médio quadrático (rms), dado por: Mas, ruído também pode ser caracterizado em termos de seu valor de pico, o qual é a diferença excursionada entre o máximo valor positivo e o mínimo negativo observada durante um determinado período de tempo. Para algumas aplicações (como em dispositivos de disparo) o e p-p pode ser essencial. Em geral o valor rms é mais fácil de ser medido repetidamente e, portanto é a forma mais usual para a especificação de dados de ruídos.

36 Ruídos transmitidos Fontes de ruído que podem ser identificadas: Estas fontes, de alguma maneira, acabam afetando o transdutor no interior dos sensores ou os componentes eletrônicos que formam um circuito. Podem ser minimizadas por ações preventivas!

37 Ruídos transmitidos Com respeito à relação com sinal de saída, os ruídos podem ser de natureza aditiva ou multiplicativa. no noise additive noise multiplicative noise Ruídos aditivos aparecem na saída dos circuitos mesmo na ausência dos estímulos de entrada. Já os ruídos multiplicativos desaparecem ou se reduzem bastante (tornando-se aditivos) quando a magnitude do sinal aproxima-se de zero.

38 Ruídos transmitidos (continuação) Para aumentar a estabilidade contra ruídos transmitidos aditiva, as vezes os sensores são agrupados em pares. Este método é chamado de técnica diferencial. Para reduzir ruídos multiplicativos, a técnica com compensadores relativos (ratiometric) é bastante eficiente. Obs.Nenhuma técnica é aplicável para ruídos inerentes, os quais são gerados internamente aos sensores e circuitos.

39 Ruídos transmitidos (continuação) Ruídos transmitidos podem ser reduzidos tomando-se precauções simples em minimizar interferências eletrostática e eletromagnéticas oriundas de: Fontes de alimentação oriundas da rede e seus harmônicos, Estações difusoras de ondas de rádio, Arcos voltaicos em chaves mecânicas, E espúrios de tensão e corrente resultantes do chaveamento de circuitos reativos. Algumas precauções incluem: Filtragem e desacoplamento, Blindagem de trilhas e componentes, Uso de potencial de guarda, Eliminação de malhas de corrente de terra, Reorientação física de trilhas, componentes e fiações, Uso de diodo de amortecimento em bobinas de relés e motores elétricos, Escolha de baixas impedâncias sempre que possível, Seleção de fontes de tensão e fontes de referência com baixo nível de ruído.

40 Ruídos transmitidos (fontes típicas)

41 Blindagem elétrica de ruídos transmitidos As interferências atribuídas à campos elétricos podem ser significativamente reduzidas pela blindagem dos sensores e circuitos. Cada problema de blindagem deve ser analisado de forma separada. É muito importante identificar a fonte do ruído e como está acoplado ao circuito em análise Blindagens e malhas de potencial de guarda impróprias podem apenas piorar a situação ao mesmo criar um novo problema. Uma blindagem serve para dois propósitos: Primeiro, ela confina o ruído em uma pequena região. Segundo, blindagens podem ser colocadas em torno de partes críticas para prevenir os ruídos de chegarem em partes sensíveis de transdutores e circuitos. Blindagens podem ser feitas de caixas metálicas em torno dos circuitos ou de cabos com malhas de blindagem em torno dos condutores centrais.

42 Blindagem elétrica (regras práticas) Uma blindagem elétrica, para ser efetiva, deve ser conectada ao potencial de referência de qualquer circuito contido dentro da blindagem. Se o potencial é conectado ao terra (carcaça do equipamento ou ao solo), a blindagem deve ser conectada neste ponto. Aterramento de blindagens tornam-se inúteis se o sinal não é retornado pelo terra. Quando um cabo blindado é usado, sua blindagem deve ser conecada ao nó de referência no lado da fonte do sinal. Se a blindagem for dividida em seções, como ocorre quando conectores são usados, a blindagem de todos os segmentos devem ser interligadas entre si e por fim apenas ao nó de referância da fonte do sinal.

43 Blindagem elétrica (regras práticas) cont. A quantidade de blindagens separadas em um sistema de aquisição deve ser igual ao número de sinais independentes que estão sendo medidos. Cada sinal deve ter sua própria blindagem, sem conexão à outras blindagens do sistema, a menos que elas compartilhem o mesmo potencial de referência. Caso compartilhem a mesma referência, uma conexão em cada blindagem deve interligar um único ponto comum de interligação com o potencial de referência. Uma blindagem deve ser aterrada apenas em um ponto preferencialmente próximo ao sensor ou à fonte do sinal. Um cabo blindado nunca deve ser aterrado nas duas pontas!!! A d.d.p. (Vn) entre dois pontos de aterramento causará uma corrente na blindagem, a qual induzirá uma tensão de ruído no condutor central via acoplamento magnético.

44 Blindagem elétrica (regras práticas) cont. Se um sensor estiver dentro de uma caixa blindada e o sinal de saída é transmitido via cabo blindado, tais blindagens devem ser interconectadas. É sempre uma boa prática usar um condutor separado como potencial de terra dentro da blindagem, não utilizando a blindagem para outra finalidade a não ser blindar. Nunca deixar que ocorram correntes pela blindagem. Jamais permitir que qualquer potencial com respeito ao potencial de referência seja conectado à blindagem (exceto em blindagem ativa). Tal negligência ocasionará a ocorrência de tensão no condutor (ou condutores) central devido ao acoplamento capacitivo do cabo. Aterrar a blindagem por fios curtos para minimizar efeito indutivo. Especialmente quando sinais digitais e analógicos são transmitidos conjuntamente.

45 Capacitores de Bypass São usados para manter uma baixa impedância da fonte no ponto de conexão à carga. Em geral, os capacitores de bypass têm valores elevados (10 μf ou mais) podendo assim absorver longos transientes. Capacitores eletrolíticos são os mais frequentemente usados. Capacitores de tântalo também podem ser empregados; De fato a combinação do alumínio eletrolítico com capacitor de cerâmica (ou filme) não polarizado resultam no melhor desempenho.

46 Blindagem magnética Blindagem magnética é muito mais difíceis de ser feita do que a elétrica, pois os campos magnéticos podem penetrar nos materiais condutivos. A espessura δ da blindagem é definida pelo valor requerido à uma atenuação de 37% em relação ao ar. A tabela a seguir lista valores típicos de δ (em mm) para vários materiais e frequencias.

47 Blindagem magnética (regras práticas) Localizar os circuitos o mais longe possível das fontes de campo magnético. Evite passar fios paralelos às linhas de campo, ao invés disto, a fiação deve cruzar tais linhas em ângulos retos. Blindar o campo magnético com materiais adequados à frequencia. Utilize fiação com par trançado para os condutores que carregam a corrente mais elevada e causadora da fonte de campos magnéticos. Se as correntes nos dois fios forem iguais e opstas, o campo magnético resultante em qualquer direção será nulo. Para este arranjo funcionar adequadamente nenhuma das correntes pode ser dividida com outro condutor (p.ex, plano de terra, o que resultaria em loops de corrente de terra). Como o ruído magneticamente induzido depende da área do receptor, a tensão induzida devido a campos magnéticos pode ser reduzida tornando-se a área de recepção menor.

48 Ruídos mecânicos Efeitos de vibração e aceleração também são fontes de ruídos do tipo transmitido em sensores, e que também devem ser prevenidos. Se um sensor incorpora algum elemento mecânico móvel, as vibrações ao longo de alguns eixos a uma dada frequencia podem causar efeitos de ressonância. Por exemplo, muitos detetores piroelétricos também possuem propriedades piezoelétricas.

49 Planos de terra Por muitos anos, planos de terra são bem conhecidos pelos engenheiros eletrônicos e projetistas de circuitos impresso como uma solução mística e indefinida para operações espúrias no circuito. Primariamente os planos de terra minimizam efeitos indutivos no circuito. Sua superfície plana também minimiza perdas devido ao efeito pelicular ( de correntes AC na superfície). Por fim, eles contribuem para melhorar estabilidade do circuito em altas frequencias, reduzindo o efeito de capacitâncias parasitas.

50 Plano de terra (sugestões práticas) Faça os planos de terra tão grandes quanto possível no lado dos componentes (ou internamente para PCI multicamadas). Maximize a área especialmente sob trilhas que operam com sinais digitais ou de alta frequencia. Monte os componentes que conduzem transientes rápidos de corrente (terminal de resistores, Cis, transistores, capacitores de desacoplamento, etc) o mais próximo possível da placa. Não importa onde seja necessário um plano de terra como potencial de referência, use trilhas ou condutores separados para o sinal de referência e interligue-os ao plano de terra em um único ponte afim de evitar ruídos de corrente de terra. Encurte as trilhas. A indutância é diretamente proporcional ao seu comprimento, e nenhum plano irá compensá-la totalmente.

51 J. Baterias em sensores de pequena potência As baterias podem ser divididas em dois grupos: Primárias (dispositivos de uso único) e Secundárias recarregáveis (dispositivos de múltiplos usos). Fabricantes normalmente especificam baterias em Ampèreshora ou watt-hora quando descarregadas a uma determinada taxa e para uma determinada tensão de corte. É altamente recomendável determinar a vida útil das baterias através de experimentos, ao invés de apenas cálculos. Quando uma bateria não pode entregar altos pulsos de corrente, um capacitor eletrolítico pode ser usado como um armazenamento temporário de energia. Energy Harvesting é o nome da técnica de captar energia do ambiente para alimentação de sensores de pequena potência.

52 FIM