Instrumentação e Técnicas de Medida EEL710 03/05/2017

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1 Instrumentação e Técnicas de Medida EEL710 03/05/2017 Nome: PARA ESTA PROVA, POR FAVOR, RESPEITE ESTAS REGRAS 1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA 2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3) 3) REDESENHE O CIRCUITO E INDIQUE AS CORRENTES E TENSÕES (NOMES E SENTIDOS) 4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES 5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL* 6) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS 7) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA 1) No circuito, todos os elementos da ponte estão variando. O comparador analógico (circuito com símbolo de amplificador operacional) produz uma saída digital +1 quando o lado direito da ponte tem tensão maior que o lado esquerdo e 0 quando a tensão a esquerda é maior. Observe que as correntes de saída do DAC tem sentidos opostos. a) Explique como o circuito funciona; b) Calcule o valor de i em função dos ΔR; c) Qual a função das entradas à esquerda do DAC? d) O circuito funcionaria se apenas um resistor da ponte variasse? e) Quando existe apenas 1 elemento variando na ponte e a variação de resistência é grande a linearidade do circuito completo é maior, menor ou igual aquela que se obtém com variações pequenas de resistência? 2) O circuito é usado para linearizar de 20 a 40 vezes um PT100. O LT1078 é um op. amp. e o LT1101 um in. amp.. Analise o circuito em C.C. a) Explique como ele funciona; b) Esboce as curvas de saída linearizada e não linearizada; b) Qual o grande inconveniente deste circuito? c) Como contornar este problema? d) Que características são desejáveis para os amplificadores? e) Qual a linearidade estimada para o circuito? f) Que características tornam o RTD uma boa escolha para esta aplicação?

2 3) Para o sensor de pressão 163PC01D48, cujas informações do manual estão transcritas a seguir, responda: a) Qual a sensibilidade? b) Qual a faixa de frequência? c) Como a histerese pode ser menor do que o erro? Use um desenho para explicar como isto ocorre; d) Qual a equação da curva de calibração mais provável? e) Qual a informação de manual está errada? Que valor você acha que é correto para ela?

3 Instrumentação e Técnicas de Medida EEL710 14/06/2017 Nome: PARA ESTA PROVA, POR FAVOR, RESPEITE ESTAS REGRAS 1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA 2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3) 3) REDESENHE O CIRCUITO E INDIQUE AS CORRENTES E TENSÕES (NOMES E SENTIDOS) 4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES 5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL* 6) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS 7) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA 1) Um amigo seu, da química, pediu para você fazer um amplificador para um sensor de ph. O equivalente Thevenin do sensor é uma fonte de tensão controlada pelo ph, conforme mostrado no gráfico abaixo, em série com um resistor de cujo valor típico varia entre 100MΩ e 1GΩ. O circuito precisa responder até frequências de 5Hz. a) mostre o circuito para que a saída varie de 0 até 1,4V para ph de 0 até 14. b) aplique uma correção para temperatura, usando um PT146 de c) Tirando o RTD, diga se algum componente do seu circuito precisa de características especiais. d) A placa de circuito impresso para este seu circuito precisa de algum cuidado especial? e) Os cabos que interligam o sensor ao circuito precisam de cuidados especiais? Justifique todas as suas respostas mostrando procedimentos ou explicando características. 2) Para medida da atividade elétrica do coração (ECG) os livros costumam indicar o esquema abaixo (só a etapa de entrada). Os cabos que interligam o circuito ao paciente costumam ter 1 m ou mais de comprimento. Depois de montado, entretanto, este circuito costuma ter muitos problemas com interferência de 60 Hz. Especificamente com relação ao 60 Hz: a) mostre duas formas pelas quais essa interferência pode entrar no circuito e formas de minimizar estes efeitos; b) mostre uma interferência que não pode ser removida. Com relação ao circuito: c) O uso de capacitores de 100 nf na alimentação (usado em muitos circuitos) é recomentado para essa aplicação? Use modelos para explicar todas as suas respostas.

4 3) Vasculhando a Internet você encontrou o diagrama de blocos abaixo indicado para uso com LVDT. a) Explique como funciona. b) Diga como são feitos os blocos DA, AM e LPF (mostre os esquemáticos). c) O Bloco AM pode ser substituído por uma chave? Como? d) Como devemos projetar LPF? e) Para esta aplicação é necessário algum cuidado especial com os componentes ou layout de placa e cabos?

5 Instrumentação e Técnicas de Medida EEL710 28/06/2017 Nome: PARA ESTA PROVA, POR FAVOR, RESPEITE ESTAS REGRAS 1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA 2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3) 3) REDESENHE OS CIRCUITOS 4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES 5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL* 6) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS 7) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA 1) Supondo que o espectro de frequências de um sinal seja dado pela função abaixo, e que se aceita aliasing de frequências cujas amplitudes sejam menores do que 1% da máxima. a) qual a menor frequência de amostragem para o sistema? b) Projete um filtro (até a equação) para que a frequência de amostragem seja 70% do valor calculado sem desrespeitar o critério adotado para o aliasing na letra a H (ω) (628 2 ω 2 ) 2 +(888 ω) 2 2) Um filtro passa baixas (0dB na banda de passagem) com frequência de corte em 70 Hz (-3dB) foi utilizado para filtrar dois sinais simulados, sem ruído. O primeiro com frequências 10, 30, 50 e 70 Hz e o segundo uma onda quadrada com período de 3 s. No primeiro caso o sinal filtrado parece estar atrasado e não parece uma cópia do sinal original, no segundo caso parece que o ganho em CC não é 1. Dado que o filtro está bem calculado e não há erros de projeto diga: a) Por que o ganho parece diferente de 1? b) Por que o sinal filtrado está diferente do sinal original, mesmo estando as frequências do sinal dentro da faixa de passagem do filtro? 3) O filtro passa baixas normalizado cuja equação é dada abaixo será usado para montar um filtro passa altas com frequência de corte em 2 khz. A secção de segunda ordem será implementada com um filtro de variáveis de estado. Projete o circuito. C1=C2; K4=K3=1.

6 4) Questões discursivas: a) Algumas vezes encontramos circuitos cujo sinal analógico é amostrado sem ter sido filtrado por um passa baixas. Isso pode ser feito? Quais cuidados devemos tomar? Que riscos corremos? b) Um osciloscópio digital está sendo usado para fazer uma medida. Você aperta no botão auto set para obter um ajuste rápido. Você corre o risco ter amostra sinais com aliasing? Qual deve ser o algoritmo do auto set para minimizar este risco, caso ele exista? c) Em sistemas de baixo custo onde o sistema de aquisição conta com um MUX, um sample & hold (S&H) e o AD é possível, para evitar problemas com aliasing, adicionar um filtro passa baixas entre o MUX e o S&H? Se sim, quais vantagens e desvantagens do método?

7 Instrumentação e Técnicas de Medida EEL710 05/07/2017 Nome: PARA ESTA PROVA, POR FAVOR, RESPEITE ESTAS REGRAS 1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA 2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3) 3) REDESENHE OS CIRCUITOS 4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES 5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL* 6) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS 7) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA 1) A figura ao lado mostra a estrutura simplificada de um acelerômetro, onde o eletrodo central é móvel. Os capacitores diferenciais estão sob a mesma variação, em direções opostas, sendo que C 1 = ε A e C d +x 2 = ε A. Esboce o circuito de d x condicionamento de sinais cuja saída, em corrente contínua, seja proporcional a entrada x (indique ganhos, offset...). 2) Para o circuito abaixo: a) como o circuito funciona? b) quais elementos estão sendo usados para minimizar ruído? c) quais são os componentes mais críticos para a qualidade da medida? d) considerando que a ponte será levada a um local distante 30 metros do resto do circuito ao qual ela está interconectada, com fios AWG 30, de cobre, com R fio =10,5 25ºC e TC=0,385%/ºC, e que a variação de resistência da ponte com a temperatura é desprezível, quais serão os efeitos, na medida, de uma variação de temperatura de 50ºC? d) o que deve ser feito para que a resistência dos fios não interfira nas medidas? 3) Qual a diferença entre linearidade e exatidão? Repetibilidade e reprodutibilidade? Limiar e resolução? Circuitos analógicos têm resolução infinita? Justifique todas as respostas. Não use mais do que 4 linhas para cada resposta. 4) O circuito abaixo é o modelo de um amplificador de carga R1, C1 e ID formam o modelo do sensor. Calcule o ruído na saída do amplificador. Considere que os resistores têm 1MΩ, C1=50pF, C2=10pF. As características importantes do operacional são: GB=1MHz, VN=8nV/ Hz e IN=0,6fA/ Hz. Desenhe as curvas de densidade de ruído em função de frequência. Marque os ganhos e as frequências de corte. Monte a tabela com os níveis de ruído (RMS) gerados pelas fontes (indique claramente as faixas de integração).

8 5) Mostre que se um equipamento transmite dados para outro usando corrente e não tensão o sinal fica menos sujeito a interferências por acoplamento indutivo. Use modelos para explicar o fato. 6) A próxima figura mostra o espectro de amplitude, em db, de um sinal amostrado a 10kS/s. a) projete um filtro passa baixas para que o sinal acima de 2kHz tenha amplitude 20x menor do que o sinal até 1kHz (só os gabaritos). b) Se você tiver que escolher a aproximação mais plana, a que leva para o menor grau de filtro, ou a que modifica menos a forma de onda, quais aproximações você escolheria para cada um destes casos?

9 Instrumentação e Técnicas de Medida EEL710 10/07/2017 Nome: PARA ESTA PROVA, POR FAVOR, RESPEITE ESTAS REGRAS 1) COLOQUE SEU NOME E NUMERE AS FOLHAS DOS CADERNOS DE RESPOSTA 2) RESPONDA AS QUESTÕES EM ORDEM UTILIZANDO ATÉ 2 PÁGINAS POR QUESTÃO (NO MÁXIMO 3) 3) REDESENHE OS CIRCUITOS 4) ESCREVA AS EQUAÇÕES LITERAIS, E SÓ DEPOIS SUBSTITUA VALORES 5) O EQUACIONAMENTO DO PROBLEMA É MAIS IMPORTANTE QUE A SOLUÇÃO FINAL* 6) JUSTIFIQUE TODAS AS RESPOSTAS 7) FAÇA UMA PROVA ORGANIZADA E CAPRICHADA 1) Mostre como um amplificador isolador pode ser usado para quebrar laços de terra, minimizando a propagação de ruídos. 2) Para o aparelho medidor de distância especificado abaixo: a) Qual a precisão do aparelho? b) Qual a exatidão? c) A exatidão e a linearidade não deveriam ser iguais? 3) Para o amplificador de termopares a seguir: a) como funciona? b) quais componentes são usados para minimizar ruídos? c) qual a função do LTC1025? d) o termopar poderia ser ligado diretamente no LTC2053, sem os resistores e capacitores a ele conectados? Quais vantagens e desvantagens desta ligação?

10 4) O circuito a seguir é um amplificador para um LVDT. a) como funciona? b) o que deve fazer o LTC1967? c) como funciona o circuito com a porta lógica XOR? d) como deve ser ajustado o circuito phase lag? 6) A figura abaixo corresponde ao espectro de amplitudes de um sinal de EEG (eletroencefalograma) cuja bande de passagem vai de 0 a 50 Hz. a) Com o hardware como está, qual a menor frequência para amostrar este sinal? b) Especifique (gabaritos e aproximação) um filtro para remover os ruídos do sinal de EEG cuja amplitude estejam acima daquela em 50 Hz (0, ).