TRABALHO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO

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1 CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: ELETRÔNICA II PROFESSOR: VLADEMIR DE J. S. OLIVEIRA TRABALHO AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO 1. COMPONENTES DA EQUIPE Alunos Nota: Data: 2. OBJETIVOS - Implementação de um amplificador de instrumentação. - Calibração de um sistema de medição. 3. INTRODUÇÃO TEÓRICA 3.1 Características de Sistemas de Medição Nos próximos itens encontram-se algumas das principais definições em instrumentação eletrônica. As características de sistemas de medição se dividem em estáticas e dinâmicas. As características dinâmicas são encontradas na teoria de controle de processos. Faixa de Calibração e Alcance - Define-se como faixa de calibração (range), os níveis de amplitude da grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão especificada. Por exemplo, se a faixa de operação de um sensor de temperatura fica entre 55 C e 125 C, esse é o alcance e a faixa (span) é de 80 C. Sensibilidade A sensibilidade é dada pela variação entre o sinal elétrico de saída com relação à grandeza de entrada. Resolução - Define-se como resolução o menor incremento da grandeza física medida que provoca uma mudança no sinal de saída. Precisão e Repetibilidade Precisão é definida como o maior valor de erro que um instrumento possa ter ao longo de sua faixa de medição, sendo esse erro consistente para as mesmas condições de operação. A precisão indica a repetibilidade de um instrumento. Exatidão - É a diferença absoluta entre o valor de saída medido e o valor ideal para um determinado valor da grandeza física; Pode ser dado em ppm. Linearidade É a variação da curva de resposta da medição em comparação com a curva dada como sendo a ideal para o mesmo. A medida da não-linearidade é a diferença entre a curva de resposta teórica e o seu erro máximo dividido pela faixa de calibração. 1

2 Relação sinal ruído Essa relação pode ser dada quando a amplitude da grandeza física medida for igual à zero, e existe um sinal com uma amplitude diferente de zero na saída, esse sinal será considerado como ruído e pode ser expresso em db (decibéis por década) ou percentualmente (%). Histerese Se, para um estimulo x ascendente na entrada a saída chega a um valor y, mas quando se tem um estímulo descendente até o mesmo valor x na entrada, porém a saída medida é y1, diferente do valor que foi obtido anteriormente, então neste caso se diz que existe uma histerese. 3.2 Amplificador de Instrumentação Os Amplificadores de instrumentação recebem esse nome porque possuem características especiais para uso em instrumentação eletrônica. As principais vantagens dos AIs comparados ao AOPs são: Maior CMRR (Commom mode rejection ratio); Menor relação sinal-ruído; Alta resistência de entrada e baixa de saída; Baixo Offset de entrada e também Drift. Para o arranjo ser utilizado neste laboratório, a expressão da tensão de saída é dada por: 2R R v o = v v + v R ( 2 1 ) G R5 O CMRR devido ao descasamento dos resistores é dado aproximadamente por: ref Ad CMRR = 20log [ db] A CMRR = log [ db] c 1+ R R ε Onde ε é o fator de tolerância dos resistores, dada por ε=4ρ, onde ρ=tolerância dos resistores. 4. PARTE EXPERIMENTAL Projete e monte um Amplificador de Instrumentação, com ganho variável de 2 a 600, com possibilidade de ajuste de Offset. Utilize a Figura 1 como base para a montagem. Utilize o amplificador operacional LM358 com alimentação simétrica de (+2,5V e -2,5V). Esse operacional é mais indicado para aplicações de potência. 2

3 Figura 1 Amplificador de Instrumentação com ajuste de Offset. 4.1 Montar e energizar o circuito da Figura Usando um multímetro digital e com as entradas aterradas atuar no potenciômetro P1 para zerar o offset de saída. 4.3 Monitorar com o canal 1 do osciloscópio a entrada do circuito e com o canal 2 a saída. 4.4 Ajustar o gerador de funções para fornecer uma tensão senoidal de frequência de 1 khz e 2 V de pico. Aplicar essa tensão na entrada usando terminação comum. Use o terra da fonte simétrica como referência para o circuito. 4.5 Com o osciloscópio, medir a tensão na saída do circuito. Com o objetivo de aumentar a atenuação da tensão em modo comum atuar no potenciômetro P2 para zerar a tensão de saída. Esse ajuste não altera o balanceamento de offset? Por quê? 4.6 Com o auxílio do osciloscópio, usar o aparato montado para medir as tensões de saída da ponte de Wheatstone com o dispositivo sensor. 4.7 Na Figura 2 é mostrado um exemplo de aplicação usando termistores. Com auxílio do professor projete um sistema semelhante para a medida de temperatura. 3

4 +5V P10k 10k R1 12k RT1 RT R2 12k Figura 2 Ponte de Wheatstone 4.8 Preencha a tabela de calibração com os resultados do próximo item. 4.9 Calibrar o sistema para medir a temperatura ambiente: O sistema consiste de dois termistores dispostos de forma a desbalancear a ponte quando houver variação de temperatura. O ajuste do potenciômetro deve ser de forma a zerar a saída da ponte quando a temperatura for de 0 C e resultar em 5V quando a temperatura for de 50 C Determinar a tensão de saída da ponte na temperatura ambiente do laboratório Determinar a tensão de saída da ponte quando a temperatura for de 36 C Ajustar o potenciômetro da ponte para obter a faixa de calibração desejada Calibre o ganho para obter uma saída de 0 a 5 (V) Repita os passos 4.9 e 4.10 para verificar a calibração. Preencha a tabela com os valores de subida e descida. 4

5 Tabela 1 - Tabela de Calibração TABELA DE CALIBRAÇÃO Valores de subida Valores de descida Estímulo ( ) Saída ( ) Estímulo ( ) Saída ( ) 5. QUESTIONÁRIO E RELATÓRIO 5.1 Descrever os circuitos montados. 5.2 Comparar todos os valores medidos com os calculados. 5.3 Explique a operação de regulação de offset e demais ajustes neste arranjo. 5.4 Estude o datasheet do amplificador de instrumentação integrado AD522 e comente sobre suas vantagens e desvantagens. 5.5 Seria possível calibrar o sistema por outro método, usando os ajustes disponíveis? 5.6 Relate as conclusões da tabela de calibração. O que se pode dizer em relação às características estáticas do sistema. 5

6 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] PERTENCE JÚNIOR, Antônio. Eletrônica analógica: amplificadores operacionais e filtros ativos: teoria, projetos, aplicações e laboratório. 6. ed. Porto Alegre: Bookman, p.: ISBN [2] BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 8. ed. São Paulo: Prentice Hall, 2004, 672 p.: ISBN [3] FRANCO, Sergio. Design with operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. 3. ed. Boston: McGraw-Hill, p. : ISBN [4] Folha de dados do amplificador de instrumentação integrado AD522. 6