Instrumentação Electrónica

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1 Instrumentação Electrónica Mestrado em Eng. Física Tecnológica Bernardo B. Carvalho / Horácio Fernandes Aula 5 Sinais elétricos, Fontes de Ruído Sinais Sinal Qualquer quantidade física que varia no tempo (ou outra variável independente) e contém informação Contínuos Discretos (Amplitude e tempo) Representação de Sinais Analógicos - contínuos Digitais - quantizados Anatomia do Sinal analógico Definições Preshoot Rise-time/Fall-time (10%- 90%) t r =0.35/BW Leading/trailing edge Overshoot Ringing Pulse width Pulse amplitude Off-set/Baseline Duty-cycle 1

2 Pulsos Ruído em sistemas eléctricos Definição Sinal não desejado que se sobrepõe ao sinal a medir. Flutuação aleatórica do sinal electrico Quantificado por SNR, relação sinal ruído SNR = P 2 sinal A rms,sinal A rms,sinal SNR db = 10 Log 10 = 20 Log P ruido A 10 rms,ruido A rms,ruido Origem Interna / Externa aos circuitos Externa Natural: relâmpagos, aurora boreal radiação cósmica de fundo (muões), etc. Externa Artificial: (EMI) (RF, GSM, WiFi, RF, UHF, Motores, Raios-x, descargas, ignições, lâmpadas, etc.) Ruído Interno em sistemas eléctricos Todo o circuito eléctrico a T > 0K gera ruído internamente (vibrações das partículas, redes, fonões) Tipos de ruído Ruído Branco: Térmico e shot noise Espectro em freq. :S(f)=constante. Ruído Rosa (Pink): Flickers e Bursts S=S(f) ~1/f 2

3 Tipos de Ruído Intrínseco v rms = Ruído térmico Origem no movimento térmico do electrões Independente da correntes (AC/DC) Largura de banda efectiva, f f = 1 A(f) df A max 0 Potência de ruído dissipada P N 4kT f Depende da impedância de circuitos electrónicos CMOS/TTL, Ganho AmpOPs 4 k B T R f k B = W/(K Hz) f π 2 f 3dB 1.57 f 3dB Origens do Ruído Interno Shot Noise (Schottky) Flutuações na corrente DC Ruído Branco (S(f)~C te ) Flicker e Burst Ruído Rosa (S(f)~1/f ) Defeitos nos semi-condutores Alteração na velocidade dos electrões, relacionada com corrente DC Pop-Corn (Bi-estável): Instabilidades no meio (S(f)~ 1/f 2 ) Pode atingir centenas de uv i rms 2q I e DC f Ruído Externo: Electro Magnetic Interference (EMI) Campo próximo ou campo de indução (1/r 2 ) Campo longínquo onda plana (1/r) Comprimento de onda considerações RF (GSM comutação) Transitórios motores OSCILADORES (Micro-ondas, Portadoras) Potenciais termoeléctricos O ruído Entra e Sai de qualquer equipamento eléctrico/electrónico Para comercialização os aparelhos TÊM que ser certificados: USA->FCC; UE->EMC Directive (89/336/EC) 3

4 Electromagnetic compatibility (EMC) Câmara anecoica 10 Interferência Capacitiva Acoplamento eléctrico Capacidades entre dispositivos Aumenta com Impedâncias elevadas 50Hz (lâmpadas fluorescentes, cabos não terminados, etc.) Difícil analizar as fontes Capacidade entre a fonte e pick-up Frequência Tensão da fonte Impedância do circuito de entrada. vb ( RMS ) R v ( RMS ) 2 2 s R X c Interferência Magnética Acoplamento magnético ou indutivo Baixas impedâncias Transformadores Motores Cabos da rede Loops (anéis) de terra Variação com 1/r à fonte e com a frequência Soluções Espaço, níveis lógicos mais elevados, cabos curtos e trançados, 4

5 Bibliografia Measurement and Instrumentation: Theory and Application, Alan S. Morris, Reza Langari, Paperback: 640 pages Publisher: Butterworth-Heinemann; (September 2011) Principles of Electronic Instrumentation and Measurement Howard M. Berlin, Frank C. Getz, Prentice Hall College Div. (January 1988) 13 5