CIRCUITOS E SISTEMAS ELECTRÓNICOS

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Isaque Palma Dias
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1 INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS DO TRABALHO E DA EMPRESA Enunciado do 1º Trabalho de Laboratório CIRCUITOS E SISTEMAS ELECTRÓNICOS MODELAÇÃO E SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS COM AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (AMPOPS) EM AMBIENTE MATLAB/SIMULINK

2 Índice Objectivos e regras de funcionamento:...3 Formulário...4 Equações do AMPOP ideal... 4 Aproximações... 4 Definições... 4 Lista de material...4 Material de laboratório... 4 Software... 4 Parâmetros e dimensionamento...5 Procedimento Experimental...5 O AMPOP usado como comparador 5 Análise de circuitos realimentados negativamente 6 Montagem seguidora... 6 Montagem de ganho inversor... 6 Montagem de ganho não inversor... 7 Integrador... 7 Diferenciador... 8 Circuito somador... 8 Circuito subtractor... 9 Notas sobre simulação...10 Simulação em Simulink Horário de apoio à realização dos trabalhos Notas importantes...10 Elaboração do Relatório...11 Elementos a incluir no relatório: Material a entregar: Demonstração experimental /11 -

3 Objectivos e regras de funcionamento: Com este trabalho pretende-se que o aluno consolide os conhecimentos adquiridos relativos ao funcionamento dos principais circuitos que utilizam amplificadores operacionais (AMPOPs). O trabalho de laboratório é composto por duas fases: simulação e demonstração experimental. A primeira fase pressupõe a leitura deste enunciado bem como a construção prévia dos ficheiros de modelos em Simulink. A simulação e a subsequente obtenção e interpretação de resultados tem lugar na aula prática. Os valores dos componentes não especificados e/ou o seu dimensionamento variam de grupo para grupo e são estabelecidos pelo docente no início da aula. Na segunda fase do trabalho é verificada a validade dos resultados de simulação. Procede-se deste modo à demonstração experimental através do teste dos circuitos simulados durante a primeira fase em placas de circuito impresso. Durante a demonstração os resultados são visualizados no osciloscópio e comentados pelo docente. MODELAÇÃO E SIMULAÇÃO DE CIRCUITOS COM AMPLIFICADORES OPERACIONAIS (AMPOPS) EM AMBIENTE MATLAB/SIMULINK o o O AMPOP usado como comparador Análise de circuitos em que o AMPOP é realimentado negativamente: Montagem seguidora Montagem de ganho inversor e não inversor Circuito diferenciador e integrador Circuito somador e circuito de subtracção - 3/11 -

Formulário Equações do AMPOP ideal V O = A ( V V ), zona linear + V O Vdd V > V + V O Vss V < V +, saturado I + I 0, zona linear ou saturação Aproximações V V +, na zona linear I + I 0 Definições A

4 Formulário Equações do AMPOP ideal V O = A ( V V ), zona linear + V O Vdd V > V + V O Vss V < V +, saturado I + I 0, zona linear ou saturação Aproximações V V +, na zona linear I + I 0 Definições A Ganho de malha aberta do AMPOP V dd Alimentação positiva do AMPOP V ss Alimentação negativa do AMPOP Lista de material Material de laboratório Módulo experimental #1 Osciloscópio Gerador de sinal Fonte de alimentação Multímetro Software MATLAB / Simulink Electronics Work Bench - 4/11 -

5 Parâmetros e dimensionamento R 1 = 1k (# Grupo + 1) R 2 = 2k (# Grupo + 1) R 3 = 1k (# Grupo + 1) R 4 = 2k (# Grupo + 1) R = 1k (# Grupo + 1) C = 1ηF A 1000 V = 5 V V dd ss v i = 5 V = v v 1 = 2 = 1V Procedimento Experimental O AMPOP usado como comparador Figura 1. Circuito comparador usando um AMPOP. Utilizando o editor de modelos e simulador do ambiente Simulink desenhe, e observe o comportamento na saída do circuito anterior. Obtenha a característica V o (V i ) da montagem. Introduza uma fonte de ruído com amplitude de aproximadamente 10% de V i em série com a fonte de sinal e comente a partir dos resultados as vantagens e desvantagens da utilização de um comparador Schmitt-trigger. - 5/11 -

6 Análise de circuitos realimentados negativamente Montagem seguidora Figura 2. Montagem seguidora. Construa um novo modelo de modo a simular o comportamento de uma montagem seguidora. Comente as diferenças observadas entre os sinais V i e V o face às não idealidades consideradas no AMPOP. Explique as características desta montagem em termos de impedância de entrada e de saída do circuito e comente a sua utilidade. Montagem de ganho inversor Figura 3. Montagem de ganho inversor. Realize um modelo capaz de modelar o comportamento do circuito anterior. Simule o seu comportamento e desenhe a curva V o (V i ). Observe o sinal na entrada V- e comente a afirmação o terminal V- é uma massa virtual". Deduza as equações desta montagem e compare-as com os resultados de simulação obtidos. Comente as diferenças com base nas não idealidades do AMPOP que considerou no seu modelo. - 6/11 -

7 Montagem de ganho não inversor Figura 4. Montagem de ganho não inversor. Altere o modelo de modo a simular o comportamento do circuito apresentado na figura. Desenhe a sua característica V o (V i ). Deduza as equações do circuito. Comente as diferenças para o modelo ideal com base no modelo que usou para modelar o AMPOP. Prove por redução ao absurdo que o AMPOP não poderia estar na saturado Integrador Figura 5. Circuito integrador. Faça um modelo de modo a simular o circuito integrador apresentado na figura. Use o gerador para gerar diversos tipos de sinal de entrada e observe para cada um deles o sinal de saída (e.g. onda quadrada, onda triangular). Deduza a função de transferência do circuito e represente-a utilizando um gráfico de Bode. Comente a afirmação o resultado observado varia com o valor inicial da carga do condensador e prove-o com uma simulação (sugestão: some ao sinal de entrada um pulso de curta duração). - 7/11 -

8 Diferenciador Figura 6. Circuito diferenciador. Construa agora o modelo do circuito diferenciador tal como é apresentado na figura anterior. Observe o sinal de saída quando usa como sinal de entrada uma onda em dente de serra ou uma onda sinusoidal. Comente face ao que esperava pela análise eléctrica do circuito. Deduza a função de transferência do circuito e represente-a utilizando um gráfico de Bode. Comente, baseado numa análise de simulação da função de transferência do circuíto os efeitos não ideais observados. Circuito somador Figura 7. Circuito somador. Construa o modelo do somador e observe e desenhe a saída para duas entradas à sua escolha. (e.g. quadrada, triangular, sinusoidal...). - 8/11 -

9 Circuito subtractor Figura 8. Circuito subtractor. Construa o modelo do circuito apresentado na figura anterior e apresente valores de resistências que permitam que o sinal de saída seja proporcional à diferença dos sinais de entrada. Observe o sinal de saída quando usa como sinais de entrada uma onda em dente de serra ou uma onda sinusoidal e confirme a validade dos valores calculados. - 9/11 -

10 Notas sobre simulação Simulação em Simulink Utilize os blocos Graph XY e/ou Scope para as análises de características de transferência e representação temporal dos sinais de entrada e de saída. Use o elemento Spectrum Analizer para a obtenção da função de transferência de um bloco (no domínio da transformada de Laplace). Horário de apoio à realização dos trabalhos Os alunos têm acesso ao laboratório de ETI fora do período reservado às aulas de laboratório. Às quartas-feiras de manhã o laboratório está aberto e tem o apoio do técnico de laboratório. As sessões especiais de preparação das demonstrações experimentais assistidas pelo docente serão em hora a combinar com os alunos. Serão esclarecidas dúvidas sobre o trabalho de laboratório no horário de dúvidas acordado com os alunos. Notas importantes As aulas de laboratório devem ser usadas para realizar as soluções idealizadas à priori. É fortemente recomendável que as opções de projecto e estratégias de implementação resultem de uma leitura atenta e antecipada do enunciado. Este projecto envolve a realização de um relatório (15 páginas no máximo) a entregar na semana seguinte à conclusão do trabalho de laboratório. O enunciado de cada trabalho será entregue anteriormente à realização da aula de laboratório. As datasheets dos componentes utilizados nas demonstrações laboratoriais estão disponíveis na página do laboratório /11 -

11 Elaboração do Relatório Elementos a incluir no relatório: Número do grupo, login e números e nomes dos alunos. Numerar e comentar as figuras apresentadas no relatório. Os valores das resistências utilizados e o dimensionamento teórico devem anteceder os resultados das simulações. Descrição pormenorizada do procedimento experimental e dos problemas ocorridos durante a simulação. Todos os gráficos referidos ao longo do enunciado correspondentes aos resultados de simulação, aos valores esperados analiticamente. Comentários sempre que os resultados de simulação não coincidam com os valores esperados analiticamente ou observados durante a demonstração experimental. Lista das escolhas/decisões tomadas no decurso do trabalho. Pagine o documento e não ultrapasse as 15 páginas. Conclusões Finais Material a entregar: Depositar o relatório no cacifo 164 (edifício central). Relatório com todos os elementos pedidos no enunciado. O não cumprimento do prazo limite para entrega implica uma penalização de um valor por dia. Demonstração experimental As demonstrações experimentais coincidem com a última sessão laboratorial do trabalho. Os grupos indicados pelo docente devem preparar as demonstrações laboratoriais. - 11/11 -

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