Instrumentação Eletrônica

Instrumentação Eletrônica Leonardo A. B. Tôrres Novembro de 2003

Resumo Fundamentos de Compatibilidade Eletromagnética, caracterização de diferentes fontes de ruído elétrico intrínseco, relação sinal-ruído e gura de ruído em amplicadores, aterramento e blindagem, laço de terra, circuitos para melhoria da SNR, ponte de Wheatstone, amplicadores síncronos ( lock-in), amplicadores de isolação.

Instrumentação Eletrônica Fontes de perturbações em circuitos eletrônicos Tipos: 1. Externas (Exógenas) Interferência Eletromagnática (EMI): (a) Condutiva, (b) Capacitiva, (c) Indutiva, (d) Irradiada. 2. Internas (Endógenas) ruídos elétricos intrínsecos: (a) Ruído térmico, (b) Ruído balístico, (c) Ruído 1/f, etc. Como eliminar/minimizar estas perturbações?

Interferência Eletromagnética EMI Os problemas de EMI são constituídos por 3 elementos principais: 1. Fonte de ruído; 2. Canal (acoplamento); 3. Receptor. Fonte de Ruído (Circuito ruidoso) Cabos de Alimentação Monitor de computador Sinais lógicos Circuitos chaveados de alta tensão e/ou corrente. Acoplamento Impedância comum (condutivo) Campo elétrico (capacitivo) Campo magnético (indutivo) Campo eletromagnético (radiação) Receptor (Instrumentação Eletrônica) Transdutores/Sensores Cabo do sensor para o circuito de condicionamento de sinal. Circuito de condicionamento. Cabo para a etapa de visualização. Os elementos que compõem o problema de EMI são, em geral, difíceis de serem caracterizados, isolados e tratados. Normalmente existem vários problemas coexistindo no mesmo sistema de instrumentação.

Interferência Condutiva Isolação defeituosa: Falha no isolamento R 127V 60Hz Instrumento Cabo de alimentação compartilhado entre circuito de baixa e de alta potência. I total Fonte de Alimentação + R fio I m Atuador + Medidor R fio I a

Solução: Interferência Condutiva (cont.) Melhor isolação entre circuitos de potência e circuitos de sinal. Caminhos independentes de fornecimento de energia. Barramento de Potência Fonte + R fio Atuador de Alimentação R fio I m R fio R fio + Medidor I a Barramento de Sinal

Interferência Capacitiva Acoplamento via campo elétrico Uso de Blindagem Eletrostática. 127V 60Hz Capacitância parasita Instrumento 127V 60Hz Instrumento A blindagem precisa ser aterrada! C 1 C 2 C 2 C 1 Amp. Amp. C 3 C 3 C 2 C 1 Amp. Amp. C 1 C 2 É preciso conectar a blindagem ao ponto de referência da fonte de sinal para que ela seja ecaz.

Laço de Terra (Ground Loop) V s Amp. Diferença de potencial entre aterramentos. Amp. V s Diferença de potencial entre aterramentos. Atenção ao Laço de Terra: aterrar o circuito eletrônico somente em 1 ponto!

Formas de Conexão Evitando Laços de Terra Do ponto de vista do amplicador de instrumentação. Note a necessidade de resistores nos terminais do amplicador de instrumentação, nos casos DIFF e NRSE, para prover um caminho de circulação para as correntes de polarização do estágio de entrada do amplicador. Fonte: National Instruments Field Wiring and Noise Consideration for Analog Signals Syed Jaar Shah

Interferência Indutiva Malha de altas correntes R 1 R 2 127V 60Hz Instrumento Malha de Instrumentação M R 2 R 1 127V 60Hz Solução: Manter cablagens de energia e de instrumentação distantes. Diminuir áreas dos laços (os de um mesmo laço devem ser colocados no mesmo conduite). Usar par trançado. Cancelamento mútuo das correntes induzidas Campo magnético entrando na página.

Interferência Indutiva (cont.) A blindagem magnética só é prática para campos magnéticos de freqüência > 100Hz. Materiais de alta permeabilidade magnética para baixas freqüências (e.g. Numetal) costumam ser frágeis mecanicamente e perdem as boas características magnéticas com facilidade (e.g. através de choque mecânico ou aquecimento).

EMI Outras práticas importantes Usar cabos blindados contendo pares trançados: Isolante externo. Blindagem. Preferir o uso de cabos balanceados (mesmo comprimento, mesma resistividade, etc.) e medição diferencial. Assim a interferência aparecerá em Modo Comum e será eliminada pelo amplicador com alta CMRR Razão de Rejeição em Modo Comum.

EMI Outras práticas importantes (cont.) Z c1 Resist. fio V c Interf. capacitiva R 1 Sensor V L1 + Amp. R 2 Amplificador em Modo Diferencial V L2 + Z c2 V c Interf. capacitiva Interf. Indutiva Modelo elétrico de um sistema de medição com perturbações exógenas. Para V L1 = V L2, Z C1 = Z C2 e R 1 = R 2 diz-se que o circuito está balanceado o amplicador de instrumentação eliminará boa parte das interferências.

Perturbações Internas (Endógenas) 3 Uma realizacoo de Ruido Gaussiano 2 1 n(t) [mv] 0-1 -2 Ruído -3 0 50 100 150 200 250 300 São sinais aleatórios produzidos pelo próprio circuito eletrônico, devido a passagem de corrente elétrica, a agitação térmica dos portadores de carga, etc. Um sinal de ruído n(t) é caracterizado por seu valor ecaz (RMS), considerando sua presença em uma dada faixa de freqüências. Para sinais de tensão e de corrente, as unidade serão: t [s] V/ Hz e A/ Hz, respectivamnte, que elevadas ao quadrado, e multiplicadas pela faixa de passagem do circuito, indicarão a potência espectral média de ruído.

Perturbações Internas (cont.) Uma função importante na caracterização de um sinal estocástico é a função de autocorrelação: sendo τ R. R nn (τ) = E[n(t)n(t + τ)], A densidade espectral de potência de um sinal é denida como a transformada de Fourier desta função: S N (f) = F{R nn (τ)} = Conseqüentemente, tem-se que: R nn (τ) = F 1 {S N (f)} = R nn (τ)e j2πfτ dτ. S N (f)e j2πfτ df, sendo que, para τ = 0, encontra-se a potência média do ruído: P N = E[n 2 (t)] = S N(f)df, S N (f) f 1 f 2 Potência na faixa ( f 1, f 2 ) f

Perturbações Internas (cont.) O ruído é BRANCO se S N (f) é uma constante para todos os valores de f, indicando que a potência do sinal de ruído está espalhada igualmente em todo o espectro (todas as cores). Exemplos: Ruído Térmico (ou Johnson) (utuação de tensão devida à agitação térmica dos elétrons no material): Vn 2 /B = 4kT R, sendo k a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta, R a resistência elétrica do dispositivo, B a largura de faixa de freqüências em que o dispositivo irá operar. Ruído Balístico (utuação de corrente devida ao cruzamento aleatório de elétrons através da barreira de potencial de uma junção PN): I 2 n /B = 2qI dc + 4qI s, sendo q a carga do elétron, I dc a corrente DC na junção, I s a corrente reversa de saturação e B a largura de faixa em que o dispositivo irá operar. Ruído Avalanche (utuação de corrente em diodos Zener que se rompem por avalanche). Parecido com o ruído balístico, mas muito mais intenso.

Perturbações Internas (cont.) Outros tipos de ruído (e suas cores) Dependendo da variação da densidade espectral de potência com a freqüência, tem-se as seguintes cores: Cor Variação com a freq. Púpura f 2 Azul f Branco 1 Rosa 1/f Vermelho/Marron 1/f 2 Ruído Estalo (Burst ou Popcorn noise): está relacionado a defeitos na estrutura cristalina dos componentes semicondutores. A colisão com estes defeitos gera pulsos de alta freqüência discretos e de alta amplitude (bem superior a amplitude do ruído térmico). Quando amplicado e submetido a um alto-falante, se parece com pipoca estalando. O Ruído Rosa está presente em uma grande variedade de processos naturais. Considera-se um problema em aberto na Física, mostrar o porquê desta manifestação generalizada. Ruído Triboelétrico: produzido pelo atrito dos isolantes com os condutores dos cabos, quando há movimentação dos mesmos. Ruído Termoelétrico: sinais de tensão DC produzidos pelos contatos entre materiais condutores com diferentes concentrações de portadores a uma dada temperatura (Efeito Seebeck).

Perturbações Internas (cont.) Relação Sinal-Ruído (SNR) SNR db = 10 log P S P N = 20 log V s V n, sendo P S e P N as potências médias de sinal e de ruído, respectivamente; e V s e V n os valores ecazes das tensões de sinal e de ruído. Fator de Ruído (Noise Factor) ( ) P S / P N F = ( P S / P N ) in out = ( P S ) in ( P N ) out ( P S ) out ( P N ) in Figura de Ruído (Noise Figure) NF = 10 log F

Fontes de Ruído: Resumo O gráco acima mostra que será difícil extrair o sinal de medição desejado, devido a uma SNR ruim em função do (ruído térmico) + (ruído 1/f) +.... Devemos evitar, sempre que possível, as medições em C.C. ou em freqüências próximas de múltiplos de 60Hz.

Técnicas para Melhoria da SNR Cálculo de médias sucessivas SNR = -9,48dB SNR = -3,02dB

SNR = 3,2dB SNR = 8,97dB

Técnicas para Melhoria da SNR Função de Autocorrelação

R nn (τ) = E{ [x(t)x(t + τ)] } = E{ [s(t) + n(t)][s(t + τ) + n(t + τ)] }, Mas, = E[s(t)s(t + τ)] + 2E[s(t)n(t + τ)] + E[n(t)n(t + τ)], E[s(t)n(t + τ)] = 0.

O Amplicador de Instrumentação + R 2 + R G R 1 R 2 V o V sensor R 1 + R 2 R 2 R ret Amplificador de Instrumentação Medição em modo diferencial. Alta Razão de Rejeição em Modo Comum (CMRR). Baixo nível de ruído. Impedância de entrada. Ganho de tensão superior a 1000: A v = 1 + 2 R 1 R G

Amplicadores Sintonizados +15V C L Próximo Estágio V sensor C L V sensor + Para o próximo estágio Amplicam sinais somente em uma faixa estreita de freqüências.