ESCOLA SUPERIOR NÁUTICA INFANTE D. HENRIQUE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MARÍTIMA INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO TRABALHO LABORATORIAL Nº 1 CONVERSORES DE SINAIS Por: Prof. Luis Filipe Baptista E.N.I.D.H. 2012/2013
ÍNDICE 1. INTRODUÇÃO... 2 1.1. OBJECTIVOS DO TRABALHO... 2 1.2. MATERIAL A UTILIZAR... 2 2. TRABALHO A REALIZAR... 2 CONVERSOR TENSÃO / CORRENTE (V/I)... 2 ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR TENSÃO / CORRENTE (V/I)... 3 CONVERSOR CORRENTE / TENSÃO (I/V)... 4 ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR CORRENTE / TENSÃO (I/V)... 5 CONVERSOR DE TENSÃO / FREQUÊNCIA (V/F)... 6 ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR DE TENSÃO / FREQUÊNCIA... 6 CONVERSOR DE FREQUÊNCIA / TENSÃO (F/V)... 8 ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR DE FREQUÊNCIA / TENSÃO... 9 4. REFERÊNCIAS... 10 Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 1
CONVERSORES DE SINAIS 1. INTRODUÇÃO 1.1. OBJECTIVOS DO TRABALHO Com a realização deste trabalho prático, pretende-se que os alunos adquiram conhecimentos acerca dos seguintes dispositivos: a) Conversor tensão/corrente; b) Conversor corrente/tensão; c) Conversor tensão/frequência; d) Conversor frequência/tensão; e) Rectificador de onda completa. 1.2. MATERIAL A UTILIZAR O equipamento a utilizar para a realização dos ensaios, é o seguinte: - Equipamento de treino de transdutores de instrumentação DIGIAC 1750 - Cabos de ligação com conectores de 4 mm de diâmetro - Multímetro digital - Osciloscópio - Pontas de prova BNC para osciloscópio 2. TRABALHO A REALIZAR CONVERSOR TENSÃO / CORRENTE (V/I) Este conversor, tal como o nome indica, converte a tensão de entrada numa corrente à saída. Este dispositivo opera como uma fonte de corrente constante para a gama de tensões de entrada. A título de exemplo, se fornecermos uma corrente de 20 ma a uma resistência (carga) de 50 Ω, a queda de tensão na resistência é dada por V=R*I, ou seja: 3 20 10 50 = 1.0 V Se a tensão de alimentação for V=+12 V, não irá haver problema pois a tensão de saída do conversor está dentro da gama de tensões de saída. No entanto, se aumentarmos a resistência para 1000 Ω, a queda de tensão na resistência para uma corrente de 20 ma, será igual a: 20 10 3 1000 = 20 V Neste caso, o dispositivo é incapaz de fornecer a tensão especificada, visto esta sair fora da gama de tensões admissível (+12 V). Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 2
O símbolo do conversor V/I no painel do DIGIAC está representado na Fig.1 sendo idêntico ao símbolo normalizado de uma fonte de corrente. Fig.1. Símbolo do conversor V/I (fonte de corrente). As características principais do conversor V/I fornecido pelo DIGIAC são: Tabela I ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR TENSÃO / CORRENTE (V/I) Para realizar este ensaio prático, analise o circuito representado na Fig.2: Fig.2. Montagem do conversor V/I Deve notar-se que é montado um amperímetro entre a saída do conversor V/I e a carga (resistência de aquecimento do painel de transdutores de temperatura HEATER ELEMENT), bem como um voltímetro para medir a tensão de entrada no conversor. Realize os seguintes procedimentos: a) Efectue as ligações do circuito representado na Fig.2 e ajuste a resistência variável de 10 kω (SLIDE) para tensão de saída nula (ajuste encostado à esquerda); b) Ligue o DIGIAC. Ajuste a tensão de entrada do conversor V/I em 0.5 V; Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 3
c) Leia os pares de valores tensão-corrente na gama de tensões [0.5 1.5] V. Registe os valores na Tabela II; d) Ligue a entrada do conversor V/I à massa. Leia o valor da corrente à saída do conversor. Registe o valor obtido na Tabela II-a; e) Retire a ligação da saída do conversor à carga e volte a ligar a entrada no terminal B do potenciómetro linear. Seguidamente, ligue a saída do conversor V/I à lâmpada de filamento (FILAMENT LAMP) do painel dos transdutores optoelectrónicos. Meça os valores de corrente e tensão do conversor V/I. Registe os valores na Tabela II-b; f) Será que a tensão à saída do conversor se mantém constante? Comente. g) Construa no Matlab um gráfico X-Y tendo a tensão de entrada (V) em abcissas e a corrente de saída (ma) em ordenadas para ambas as situações. Comente as evoluções obtidas; h) Determine o ganho do circuito em ma/v; Tabela II-a) Resistência de aquecimento Tabela II-b) Lâmpada de filamento CONVERSOR CORRENTE / TENSÃO (I/V) O conversor corrente/tensão (I/V) converte uma corrente de entrada numa tensão de saída. Corresponde à operação inversa da conversão V/I. Os conversores V/I e I/V fornecidos pelo DIGIAC estão dimensionados de tal forma que os parâmetros sejam recíprocos entre si. Isto significa que pode utilizar-se um par de dispositivos (V/I e I/V) para enviar um sinal de tensão através de um fio bastante comprido sem atenuação, uma vez que a corrente é enviada pela linha de transmissão numa extremidade sendo recebida na outra extremidade sem perdas (excepto no caso de existirem perdas as quais podem ser minimizadas através de um bom isolamento). Esta forma de transmissão de sinais eléctricos é muito utilizada em instalações industriais e marítimas, nas quais se pretende enviar sinais de transdutores a grandes distâncias sem perdas, bem como receber sinais provenientes das estações de controlo (ver Fig.3). Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 4
Fig.3 As principais características do conversor I/V fornecido no DIGIAC são: Tabela III ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR CORRENTE / TENSÃO (I/V) Para realizar este exercício prático, analise o circuito representado na Fig.4: Fig.4 Realize os seguintes procedimentos: a) Construa o circuito da Fig.4. Coloque o ajuste da resistência variável de 10 kω (SLIDE) de modo a obter uma tensão de saída nula; b) Introduza um amperímetro entre a saída do conversor V/I e a entrada do conversor I/V (não representado na Fig.4); c) Ligue o DIGIAC. Ajuste a tensão de entrada do conversor V/I em 0.5 V. Meça os valores da corrente à saída do conversor V/I e a tensão à saída do conversor I/V. Registe os valores na Tabela IV; d) Repita os procedimentos para valores de tensão de entrada de 1.0 V e 1.5 V. Registe os valores obtidos na Tabela V. Que pode concluir? e) Ligue a entrada do conversor V/I à massa. Meça o valor da tensão de saída do conversor I/V e registe o valor obtido na Tabela IV. Comente o valor obtido. Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 5
Tabela IV Tensão de entrada - V/I (V) 0 0.5 1.0 1.5 Corrente de saída - V/I (ma) Tensão de saída - I/V (V) CONVERSOR DE TENSÃO / FREQUÊNCIA (V/F) Este dispositivo converte uma tensão de entrada num sinal de saída com uma frequência que é proporcional à tensão de entrada. O dispositivo baseia-se no circuito integrado LM331. A onda à saída é do tipo pulsos negativos com uma duração aproximada de 60 μs, em que a taxa de repetição pode ser controlada numa largura de banda bastante extensa. A duração da excursão negativa mantém-se constante à medida que a frequência vai aumentando. Este facto limita o período da onda de saída a 85 μs que corresponde a uma frequência de 12 khz. A forma do pulso degrada-se para frequências superiores a 10.5 khz. O contador/temporizador tem uma gama limitada, possuindo apenas um display de 3 dígitos. No entanto, é adequado para contagem de pulsos a frequências bastante baixas. O osciloscópio permite visualizar com bastante rigor a forma de onda dos sinais e pode igualmente ser utilizado para medir sinais com frequências elevadas. As principais características do dispositivo fornecido pelo DIGIAC são: Tabela V ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR DE TENSÃO / FREQUÊNCIA Para realizar este ensaio prático, analise o circuito representado na Fig.5. O contador/temporizador é utilizado como um medidor de frequências especialmente no caso de baixas frequências. O circuito derivador e comparador são utilizados para obter pulsos bem definidos a partir do sinal de saída do conversor V/F de modo a activar ou disparar (trigger) o contador/temporizador. Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 6
Fig.5 O osciloscópio é utilizado para visualizar a forma de onda de saída e para medir as frequências dos sinais superiores às que podem ser medidas através do contador/temporizador. Realize os seguintes procedimentos: a) Construa o circuito representado na Fig.5. Ajuste a constante de tempo (TIME CONSTANT) do circuito derivador (DIFFERENTIATOR) em 1 s, o controlo do contador/temporizador (COUNTER/ TIMER) para contagem (COUNT) e 1 s, o comparador (COMPARATOR) para HYSTERESIS OFF e o potenciómetro multi-volta de 10 kω a zero; b) Ligue o DIGIAC e ajuste a tensão de entrada em 0.2 V. Pressione o botão de RESET do contador e tome nota do valor representado no display, que representa a frequência de saída do conversor V/F. Registe o valor na Tabela VI; Tabela VI c) Repita os procedimentos para as tensões de entrada de 0.4, 0.6, 0.8 e 1.0 V. Registe os valores obtidos na Tabela VI; d) Continue a aumentar os valores de tensão de entrada enquanto o contador/temporizador fornecer valores correctos de frequência. A unidade deverá operar normalmente até 1 khz, o que corresponde a um valor de contagem de 999. Quando a frequência for demasiada elevada para o contador o display irá apenas mostrar um valor baixo o qual não deverá ultrapassar o valor 999; e) Ajuste a frequência para 1 khz (tensão de entrada de 1.0 V) e ligue o canal CH.1 do osciloscópio à saída do conversor V/F. Desligue a ligação do conversor V/F ao circuito derivador, visto o efeito da carga degradar a forma de onda de saída do conversor V/F; f) Ajuste a base de tempo do osciloscópio em 0.2 ms/div. Ajuste o canal 1 (CH.1) em 2 V/div. Deverá visualizar um traço estável de 2/3 pulsos negativos com uma amplitude de 5 V (2.5 div.); Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 7
g) Meça o tempo necessário para obter um ciclo ao longo dos eixos dos X (por exemplo, um ciclo de 2.8 divisões deverá corresponder a 2.8*0.2 ms = 0.56 ms). Registe o valor na Tabela VII. Inverta o valor do período de modo a obter a respectiva frequência (por exemplo 1/0.56*10-3 = 1786 Hz ou seja 1.79 khz). Confira os valores de frequência obtidos através do multímetro digital (ajustado para leitura de frequência); h) Meça o período do sinal e calcule a correspondente frequência para cada um dos valores de tensão de entrada indicados na Tabela VII (1 a 10 V). Faça reajustes no osciloscópio, caso seja necessário; i) Verifique se existe uma relação de proporcionalidade entre a tensão de entrada e a frequência de saída. Construa no Matlab um gráfico X-Y em que: abcissas (Tensão de entrada - V) ; ordenadas (frequência de saída khz). Que pode concluir? j) Calcule a relação de transferência (transfer ratio) em khz/v. Tabela VII CONVERSOR DE FREQUÊNCIA / TENSÃO (F/V) Este dispositivo converte uma tensão de entrada numa tensão de saída. Cada pulso de entrada faz disparar (trigger) um multivibrador monoestável de modo a gerar um pulso de período constante que vai carregar um condensador. A tensão gerada aos terminais do condensador é deste modo função do número de pulsos recebidos por segundo. No caso da unidade fornecida pelo DIGIAC, o dispositivo F/V é ajustado de modo a que seja os recíproco do conversor V/F. Deste modo, é igualmente possível estabelecer um canal de comunicação utilizando estes dois dispositivos (V/F e F/V). As principais características deste dispositivo são: Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 8
Tabela VIII ENSAIO PRÁTICO DO CONVERSOR DE FREQUÊNCIA / TENSÃO Para realizar este ensaio prático, analise o circuito representado na Fig.6: Fig.6 Realize os seguintes procedimentos: a) Construa o circuito representado na Fig.6. Ligue o DIGIAC e ajuste a tensão de entrada do conversor V/F em 1.0 V. Leia o valor da tensão de saída do conversor F/V e registe o valor na Tabela IX. Leia os correspondentes valores de frequência (Hz) através de um multímetro digital (não representado na Fig.6); b) Repita os mesmos procedimentos para as tensões de entrada de 2, 3, 4 e 5 V; Tabela IX Input voltage - (V/F) (V) 1 2 3 4 5 Output frequency (V/F) (khz) Output voltage (F/V) (V) c) Construa no Matlab um gráfico X-Y relativo às tensões de entrada/saída (abcissas: tensão de entrada (V) ; ordenadas: tensão de saída (V)). Comente a evolução obtida; Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 9
d) Da tabela de especificações do conversor (Tabela VIII) podemos observar que a impedância de saída do conversor F/V é de 100 kω. Se medirmos a tensão de saída usando o voltímetro analógico (M.C. METER) as medições irão ser afectadas pela baixa impedância de carga do aparelho de medida. Efectue uma nova medição utilizando o amplificador buffer #1 e ajustando a tensão de entrada em 5 V. Comente os valores obtidos. e) Calcule a relação de transferência (transfer ratio) em V/kHz. Tabela X 4. REFERÊNCIAS An introduction to transducers and instrumentation, DIGIAC 1750, Curriculum manual IT02, LJ Technical Systems Luis Filipe Baptista ENIDH/MEMM 10