2005/ º Ano/ 1.º Semestre. Título: Teoria da Medição Condicionamento de Sinal - LabVIEW 1. Material:

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1 Sistemas de Instrumentação Departamento de Informática esi Guia do Trabalho 3 P3 Engenharia de Sistemas e Informática Data de Entrega: 2005/ º Ano/ 1.º Semestre Título: Teoria da Medição Condicionamento de Sinal - LabVIEW 1. Material: - Fonte de Tensão tripla; - Gerador de sinal; - OpAmp µa 741/748 1 ; - Multímetro digital; - Osciloscópio; - Placa de montagem; - R = 220 Ω, R=10KΩ, R=1KΩ (2), R=100KΩ 2. Objectivo Este trabalho tem por objectivo estudar e analisar o efeito dos erros introduzidos, pelos aparelhos de medida Determinar a incerteza associada à utilização de circuitos resistivos, usados na medição de sinais obtidos à saída dos sensores/transdutores e compreender a sua utilidade como parte um sistema de instrumentação. Aprofundar o conhecimento do LabVIEW nomeadamente, na utilização das funções de processamento matemático e estatístico de sinais. 3. Erros e incerteza num sistema de instrumentação Exercício 1 a) Medir o valor das resistências utilizadas com um multímetro digital (Ohmímetro). Resistências Código de cores Ohmímetro R1 R2 b) Regule a tensão de saída (V i ), da Fonte de alimentação, para o valor 5V e confirme com o(s) aparelho(s) de medida (voltímetros e osciloscópio) c) Realize a montagem 1 em que R=R 1 =220Ω. A Vi V R Figura 1 - Montagem 1 1 Consulte, os datasheets.

2 d) i. Usando a Montagem 1, registe os valores observados no voltímetro e no amperímetro e calcule R 1. Registe todas as características que interessam para efeitos de medida dos aparelhos utilizados, nomeadamente do voltímetro e amperímetro digitais. R fornecida Corrente Tensão Montagem 1 ii. Calcule o erro sistemático cometido na montagem anterior e comente os resultados tirando conclusões. iii. Regule o gerador de funções de forma a obter uma tensão alternada sinusoidal com 10Vpp, 50Hz, utilizando para isso o osciloscópio. Registe os valores da tensão eficaz do sinal utilizando o multímetro de verdadeiro valor eficaz, e comente os resultados. iv. Comute a saída do gerador de sinal da forma sinusoidal para quadrada e triangular sucessivamente, sem alterar as restantes regulações (amplitude máxima e frequência). Registe de novo os valores eficazes do sinal utilizando o multímetro de verdadeiro valor eficaz, para ambos os casos e comente os resultados. e) Usando o circuito da figura 2, e fazendo V f = 5 V e R = 10 KΩ, registe os valores da tensão V AB medindo-a com o voltímetro digital. Registe, comente e tire conclusões. R A V f V V in - + Vo Exercício 2 B Figura 2 Figura 3 - Seguidor de tensão f) Implementar o circuito da figura 3, consultando os dados técnicos do amplificador operacional, ligando-o convenientemente. Nota: polarização Vcc=±12V [+V cc, pino7;-vcc, pino 4], entrada não inversora (+) é o pino 3 e a entrada inversora (- ) é o pino 2. A saída é no pino 6. i. Faça a medição do valor de V o com o Voltímetro digital para as seguintes situações: V in = 0 V, V in =5V e V in =12V. Registe os valores encontrados e comente. ii. Repita a operação anterior, inserindo o seguidor de tensão no ponto A, isto é ligue a entrada não inversora (+), pino 3, do OpAmp ao ponto A da figura 2 e o voltímetro digital à saída do seguidor de tensão, pino 6. Registe as leituras e comente o efeito do seguidor de tensão tendo em conta os valores encontrados na alínea e). Questões (preparação) a) Pode a resistividade dum pedaço de fio, ser calculada com uma incerteza inferior a 1%? b) Determine a incerteza do sistema de instrumentação, que utiliza um circuito divisor de tensão para medir a resistência, onde a entrada é dada pela fonte de alimentação DC, + 5V, e o valor das resistências dado pelo código de cores. Resistividade do Fio a) Corte um pedaço de fio de comprimento igual a 10cm. b) Faça medidas repetidas do comprimento e do diâmetro do fio, para determinar a incerteza em termos da precisão e configuração (erro sistemático), na medição do comprimento e no diâmetro. c) Obtenha várias medições da resistência do fio, para determinar a incerteza em termos da precisão e configuração (erro sistemático), na medição da resistência do fio. Circuito Divisor de Tensão a) Monte o circuito da figura abaixo, onde R 1 e R 2 =1000Ω. Use os +5V e a massa da fonte de alimentação DC, para alimentar o circuito. Meça e grave a tensão de saída e o valor actual da resistência das resistências utilizadas. Sistemas de Instrumentação Guia do Trabalho 3 P3 Manuel A. E. Baptista, Eng.º 2/4

3 b) Determine a incerteza em termos da precisão e configuração (erro sistemático), de V i com base nas observações dos valores medidos na aula. c) Determine a incerteza em termos da precisão e configuração (erro sistemático), para as medições de R 1 base nas observações dos valores medidos na aula. d) Determine a incerteza total das medições de V o, com base na incerteza do multímetro. Assuma, que a incerteza do multímetro é +/- 50% do dígito, menos significativo. e) Monte uma resistência de 100kΩ em paralelo com R 2 e meça e guarde a tensão de saída. Análise a) Determine a resistividade do fio e a incerteza apropriada, baseada na incerteza de cada parâmetro. Utilize a equação para a propagação da incerteza. b) Compare a sensibilidade medida (variação da tensão de saída / variação em R 2 ) do circuito divisor de tensão, baseado na expressão derivada. Trata-se dum método experimental, para determinar o termo da derivada parcial na propagação da fórmula da incerteza. c) Se R 2 for trocado por uma resistência desconhecida, a resistência pode ser determinada a partir da tensão de saída medida. Determine a incerteza R 2, com base na incerteza apropriada para cada parâmetro. Exercício 3 Repita o exercício anterior, automatizando os processos de leitura e cálculo, utilizando para o efeito o LabVIEW, para o processo de aquisição de dados (NI-DAQ) e processamento de dados (funções matemáticas e estatísticas). Guarde os resultados, no formato adequado numa folha calcula de Excel. Nota: A produção dos conteúdos da folha de cálculo de Excel, deve ser feita de forma automática 2. 2 Para o efeito, deve consultar os acetatos do curso de LabVIEW, leccionado pelo docente, nas três primeiras aulas de teórico-práticas de SI, disponíveis na página web da disciplina: Teoricas.htm Sistemas de Instrumentação Guia do Trabalho 3 P3 Manuel A. E. Baptista, Eng.º 3/4

4 ANEXOS EQUIPAMENTO 1 placas de breadboard com bus lateral 1 multímetro digital (voltímetro; amperímetro; ohmímetro) 1 fonte independente de tensão variável na gama 0-30V 1 fonte independente de tensão fixa de 5V 1 gerador de funções (onda sinusoidal, triangular, rectangular) de frequência e amplitudes variáveis 1 osciloscópio digital COMPONENTES Resistências (¼ w), Potenciómetros de vários valores e Condensadores de vários valores. Código de cores das resistências Série E12 de resistências o Tolerância: 10% o Unidades: Ohm (Ω) o Base da série: 10; 12; 15; 18; 22; 27; 33; 39; 47; 56; 68; 82 o Factor multiplicativo: de 10-2 a 10 6 DATASHEETS dos OpAmps x741 e x748 Sistemas de Instrumentação Guia do Trabalho 3 P3 Manuel A. E. Baptista, Eng.º 4/4

5 LM741 Operational Amplifier General Description The LM741 series are general purpose operational amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709. They are direct, plug-in replacements for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications. The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and output, no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations. Connection Diagrams Metal Can Package The LM741C is identical to the LM741/LM741A except that the LM741C has their performance guaranteed over a 0 C to +70 C temperature range, instead of 55 C to +125 C. Dual-In-Line or S.O. Package August 2000 LM741 Operational Amplifier Note 1: LM741H is available per JM38510/10101 DS Order Number LM741H, LM741H/883 (Note 1), LM741AH/883 or LM741CH See NS Package Number H08C DS Order Number LM741J, LM741J/883, LM741CN See NS Package Number J08A, M08A or N08E Ceramic Flatpak Typical Application Order Number LM741W/883 See NS Package Number W10A DS Offset Nulling Circuit DS National Semiconductor Corporation DS

6 LM741 Absolute Maximum Ratings (Note 2) If Military/Aerospace specified devices are required, please contact the National Semiconductor Sales Office/ Distributors for availability and specifications. (Note 7) LM741A LM741 LM741C Supply Voltage ±22V ±22V ±18V Power Dissipation (Note 3) 500 mw 500 mw 500 mw Differential Input Voltage ±30V ±30V ±30V Input Voltage (Note 4) ±15V ±15V ±15V Output Short Circuit Duration Continuous Continuous Continuous Operating Temperature Range 55 C to +125 C 55 C to +125 C 0 C to +70 C Storage Temperature Range 65 C to +150 C 65 C to +150 C 65 C to +150 C Junction Temperature 150 C 150 C 100 C Soldering Information N-Package (10 seconds) 260 C 260 C 260 C J- or H-Package (10 seconds) 300 C 300 C 300 C M-Package Vapor Phase (60 seconds) 215 C 215 C 215 C Infrared (15 seconds) 215 C 215 C 215 C See AN-450 Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability for other methods of soldering surface mount devices. ESD Tolerance (Note 8) 400V 400V 400V Electrical Characteristics (Note 5) Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max Input Offset Voltage T A = 25 C R S 10 kω mv R S 50Ω mv T AMIN T A T AMAX R S 50Ω 4.0 mv R S 10 kω mv Average Input Offset 15 µv/ C Voltage Drift Input Offset Voltage T A = 25 C, V S = ±20V ±10 ±15 ±15 mv Adjustment Range Input Offset Current T A = 25 C na T AMIN T A T AMAX na Average Input Offset 0.5 na/ C Current Drift Input Bias Current T A = 25 C na T AMIN T A T AMAX µa Input Resistance T A = 25 C, V S = ±20V MΩ T AMIN T A T AMAX, 0.5 MΩ V S = ±20V Input Voltage Range T A = 25 C ±12 ±13 V T AMIN T A T AMAX ±12 ±13 V 2

7 Electrical Characteristics (Note 5) (Continued) Parameter Conditions LM741A LM741 LM741C Units Min Typ Max Min Typ Max Min Typ Max Large Signal Voltage Gain T A = 25 C, R L 2kΩ V S =±20V, V O = ±15V 50 V/mV V S = ±15V, V O = ±10V V/mV T AMIN T A T AMAX, R L 2kΩ, V S =±20V, V O = ±15V 32 V/mV V S = ±15V, V O = ±10V V/mV V S = ±5V, V O = ±2V 10 V/mV Output Voltage Swing V S = ±20V R L 10 kω ±16 V R L 2kΩ ±15 V V S = ±15V R L 10 kω ±12 ±14 ±12 ±14 V R L 2kΩ ±10 ±13 ±10 ±13 V Output Short Circuit T A = 25 C ma Current T AMIN T A T AMAX ma Common-Mode T AMIN T A T AMAX Rejection Ratio R S 10 kω, V CM = ±12V db R S 50Ω, V CM = ±12V db Supply Voltage Rejection T AMIN T A T AMAX, Ratio V S = ±20V to V S = ±5V R S 50Ω db R S 10 kω db Transient Response T A = 25 C, Unity Gain Rise Time µs Overshoot % Bandwidth (Note 6) T A = 25 C MHz Slew Rate T A = 25 C, Unity Gain V/µs Supply Current T A = 25 C ma Power Consumption T A = 25 C V S = ±20V mw V S = ±15V mw LM741A V S = ±20V T A =T AMIN 165 mw T A =T AMAX 135 mw LM741 V S = ±15V T A =T AMIN mw T A =T AMAX mw LM741 Note 2: Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device is functional, but do not guarantee specific performance limits. 3

8 LM741 Electrical Characteristics (Note 5) (Continued) Note 3: For operation at elevated temperatures, these devices must be derated based on thermal resistance, and T j max. (listed under Absolute Maximum Ratings ). T j =T A +(θ ja P D ). Thermal Resistance Cerdip (J) DIP (N) HO8 (H) SO-8 (M) θ ja (Junction to Ambient) 100 C/W 100 C/W 170 C/W 195 C/W θ jc (Junction to Case) N/A N/A 25 C/W N/A Note 4: For supply voltages less than ±15V, the absolute maximum input voltage is equal to the supply voltage. Note 5: Unless otherwise specified, these specifications apply for V S = ±15V, 55 C T A +125 C (LM741/LM741A). For the LM741C/LM741E, these specifications are limited to 0 C T A +70 C. Note 6: Calculated value from: BW (MHz) = 0.35/Rise Time(µs). Note 7: For military specifications see RETS741X for LM741 and RETS741AX for LM741A. Note 8: Human body model, 1.5 kω in series with 100 pf. Schematic Diagram DS

9 Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted LM741 Metal Can Package (H) Order Number LM741H, LM741H/883, LM741AH/883, LM741AH-MIL or LM741CH NS Package Number H08C Ceramic Dual-In-Line Package (J) Order Number LM741J/883 NS Package Number J08A 5

10 LM741 Physical Dimensions inches (millimeters) unless otherwise noted (Continued) Dual-In-Line Package (N) Order Number LM741CN NS Package Number N08E 10-Lead Ceramic Flatpak (W) Order Number LM741W/883, LM741WG-MPR or LM741WG/883 NS Package Number W10A 6

11 Notes LM741 Operational Amplifier LIFE SUPPORT POLICY NATIONAL S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DEVICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT AND GENERAL COUNSEL OF NATIONAL SEMICONDUCTOR CORPORATION. As used herein: 1. Life support devices or systems are devices or systems which, (a) are intended for surgical implant into the body, or (b) support or sustain life, and whose failure to perform when properly used in accordance with instructions for use provided in the labeling, can be reasonably expected to result in a significant injury to the user. 2. A critical component is any component of a life support device or system whose failure to perform can be reasonably expected to cause the failure of the life support device or system, or to affect its safety or effectiveness. National Semiconductor Corporation Americas Tel: Fax: support@nsc.com National Semiconductor Europe Fax: +49 (0) europe.support@nsc.com Deutsch Tel: +49 (0) English Tel: +44 (0) Français Tel: +33 (0) National Semiconductor Asia Pacific Customer Response Group Tel: Fax: ap.support@nsc.com National Semiconductor Japan Ltd. Tel: Fax: National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.