UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Condicionadores de SinaisCondicionadores de SinaisCondicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
• Introdução
• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• ProteçãoProteção
• Filtros
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SinaisSinaisIntroduçãoIntroduçãoçç
SaídaAnalógica
Tratamentodo
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doSinal
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Condicionadores de SinaisCondicionadores de SinaisIntroduçãoIntroduçãoIntroduçãoIntrodução
• Objetivo: manipular o sinal do transdutor, em termos de magnitude e freqüência, de forma g qcontrolada, ou seja:– Alterar o nível do sinal;– Alterar o nível do sinal;
– Modular a freqüência;
– Linearizar;
– Filtrar.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
• Introdução
• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• ProteçãoProteção
• Filtros
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA FontesFontes de de AlimentaçãoAlimentaçãoçç
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Reguladores de TensãoReguladores de Tensãocom CIscom CIscom CIscom CIs
78XX 79XX
E – Entrada
T – Terra
+ -
E ET TS S
T – Terra
S – Saída
Ajustável
Fixo
õ á i i
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protecções automáticas contra aquecimento excessivo e curto-circuitos na saída.
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustável
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Reguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustávelReguladores de tensão ajustável
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de CorrenteFontes de Corrente
• Fonte de Corrente a JFET
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Fontes de CorrenteFontes de Corrente
• Transistor Bipolar • Transistor / diodo Zener
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
• Introdução
• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• ProteçãoProteção
• Filtros
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pontes de Pontes de MedidaMedida
• Converte variações de impedância em tensão;
• A amplificação pode ser usada para elevar aA amplificação pode ser usada para elevar a magnitude da tensão de saída.
Mé d• Métodos:– Zero: impedância igual a de referência,
a tensão de saída é zero;
– Deflexão: variações de tensãoDeflexão: variações de tensão indicam variações de impedância;
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Pontes de Pontes de MedidaMedida
Ponte de corrente contínua
Ponte de Wheatstone
RV
Vi
RX RV
Vi
RX
o te de eatsto eR2R3 R2R3
Pontes de corrente alternadaZ
Pontes de corrente alternada
Ponte de HayMaxwell
Vi
Z? ZV
MaxwellScheringWien
Z
2
Z3
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Wien 2
Z? Z2 = ZV Z3
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Método do zero A
I4 I1Aplica-se Vi (cc) e varia-se R1 até que V0 = 0
R1
ViBD
Vo
I4 I1R4
I4 = I3R2
R3
BD
I3 I2I1 = I2
211 RR
VI i
+= C
3 2
434 RR
VI i
+=
21
111 RR
RVRIV iAB +
==43
444 RR
RVRIV iAD +
==
VVVVVV ++ VRRRRV 4231 −
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ADABADBABD VVVVVV +−=+==0 ( )( ) iVRRRR
V4321
42310 ++
=
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Exemplo de Aplicação
R1Vi
R2R3
Vi
R2R3
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1,5
2
Vo [
V]
0 5
0
0,5
1
1000 6000 11000 16000 21000 26000 31000
Tens
ão
R = R e R
-2
-1,5
-1
-0,5 1000 6000 11000 16000 21000 26000 31000 RV = R2 e R3
-2,5
2
R? [Ω]
0,8
1
o Vo
[V
]
0,2
0,4
0,6
Tens
ão
RV = de R2e R
110
-0,4
-0,2
01000 6000 11000 16000 21000 26000 31000
e R3
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-0,6
,
R? [Ω]
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Não Linearidade – Fonte de Tensãoe
-η[%
]
( ) ( ) iVRR
rrV η−Δ+
−= 11 20
near
idad
e
2R
( )
Não
lin
1
2
Rr =
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Variação na resistência, ∆R/R
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Não Linearidade – Fonte de Corrente
1
2
RRr =
de [%
]lin
eari
dad
Não
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Variação na resistência, ∆R/R
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Ponte Ponte WheatstoneWheatstone AtivaAtivaR>100 ΩR>100 Ω
• Mais linear
• 2x mais sensíveliV
RRV Δ−=
21
02x mais sensível
Vi
V00
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ativa ativa alimentada a tensão constantealimentada a tensão constante
iVRRGV Δ=0
ViiR0
Ganho
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
• Introdução
• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• ProteçãoProteção
• Filtros
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA O amplificador operacionalO amplificador operacionalp pp p
• Características esperadas:– Alto ganho (~ 20.000)g ( )
– Alta resistencia de entrada (~ 2 MΩ)
Resistencia de saída ~ 75 Ω– Resistencia de saída ~ 75 Ω.
• Função:– Amplificar a diferença entre dois sinais.
• Aplicações:• Aplicações:– Sistemas de controle e regulação, instrumentação,
t ã d i i filt ti
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processamento e geração de sinais, filtros ativos, entre outras…
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l f d f l d d
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Amplificador Diferencialde Ganho Elevado
maisGanho
Seguidor de EmissorPush-Pull
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AmpAmp OPOPCaracterísticas ideaisCaracterísticas ideaisCaracterísticas ideaisCaracterísticas ideais
• Ganho de malha aberta Ad: infinitoGanho de malha aberta, Ad: infinito
• Ganho de modo comum, Ac: zero
• Impedância de entrada: infinita
• Impedância de saída: zero• Impedância de saída: zero
• Tempo de resposta: zero
• Offset: zero
• Defasagem = 180°• Defasagem = 180
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAAmplificadores OperacionaisAmplificadores Operacionais
Alimentação
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA CFiltro PassaFiltro Passa--BaixaBaixa
RF
CF
Z 1
-R1vi
vovg
1
Fo i
Zv vZ
= − ⋅1//F F
F
Z Rj Cω
=...
+
1FF
F F
RZj R Cω
=+1
FZGZ
= −
1RCω =fazendo: 1FFRZj
=+
1
1
11
FF RRRjG
R j+= − = −
+1 j
parte real: 1 1 11 1 1 2
F F
F
R RR R RGj R
⎛ ⎞= − = = ⎜ ⎟+ + ⎝ ⎠11 1 1 2j R+ + ⎝ ⎠
10RCf d1 FRG
⎛ ⎞= ⎜ ⎟ G
1 : 2
atenuação de
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10RCω =fazendo:1101
GR
= ⎜ ⎟⎝ ⎠
G
f
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C C T ãConversor Corrente-Tensão
RF
-vi vv+
vovg
AmpOp ideal: ig = 0 ⇒ vg = v+ = 0
1Fi i=
i v>>>v i R i R= =
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1 oi v>>>1o F F Fv i R i R= − = −
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAConversor Tensão CorrenteConversor Tensão-Corrente
R1
AmpOp ideal: ig = 0 ⇒ vg = vi
v +
-1
vovg
vi i1v
G = ∞ ⇒ v+ = v- = vi
21
iviR
= +R2
-
i2
ZFiF
21
iF
vi iR
= = i Fv i>>>
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAConversor Tensão-Corrente
i
Aplicações básicas
-R ZF
iF
vF
1F i L
o
i G v vR
= ⋅ −
+ vovic/ Ro a resistência vista pela carga Z
O AmpOp faz “o necessário” (isto é, regula iF) de forma a quev- = v+ = vi , ou seja: R.iF = vi
Rvi i
F =R
para fazer isto, o AmpOp regula a tensão de saída para: o i Lv v v= +
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAAmplificador de Instrumentação (InAmp)p ç ( p)
AmpOp’s particulares
Fase
Neutro
Terra
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Terra
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Amplificador de Instrumentação (InAmp)
3 A O ’com 3 AmpOp’sAmpOp’s particulares
Utilizado para amplificação de precisão, de sinais CA ou CC.Rejeitam elevados valores de ruído em modo comum.
+ R1 R2vo1v1
R v
– R5i = 0 i –
RGvo
R6 R3 Ri = 0 –
+
5 22 1
1
2( ) 1oG
R Rv v vR R
⎛ ⎞⎛ ⎞= − +⎜ ⎟⎜ ⎟
⎝ ⎠⎝ ⎠
6 R3 R4
vo2v2 +
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1GR R⎝ ⎠⎝ ⎠
(c/ R1 = R3 ; R2 = R4 ; R5 = R6)
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Amplificador de Instrumentação (InAmp)
com 2 AmpOp’sAmpOp’s particularesp p p
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Amplificador de Instrumentação (InAmp) A O ’ ti l
+V (+5V)
AmpOp’s particulares
350 Ω 350 Ω
+VCC (+5V)
0,1 μF
2,5 5 V350 Ω 350 Ω
+
–
00 V
0,1 μF
VCM = + 5 V/2
vruído 0
–VCC (–5V)CM /
5V5V/2
d ( i d C)
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5V5V/2
Modo ComumRuído
(nota imp: modo comum em DC)
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CMRR ≡ Capacidade de rejeitar o Modo Comum
entrada
CMRR (dB) = 20 log (Differential Gain/Common-Mode Gain)
[ ]dBVVGCMRRO
CM log20 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅⋅=
Saída ( f(VCM) )
5210×
⎟⎞
⎜⎛⋅=
−l 1 CMRRVGV CM
O ex: CMRR = 90 dB
VO
2090log
5,2101 ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
×=−
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−
20log 1 CMRR
VVO μ790=
⎠⎝
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O μ
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICACMVvv == 21Se:
+
R1 R2vo1v1
++
R1 R2vo1v1
⎟⎟⎞
⎜⎜⎛
−⋅+= 2412 RRRRVO
CM21Se:
v
– R5
i = 0 i
–
v
–– R5
i = 0 i
––
⎟⎟⎠
⎜⎜⎝ + 1431 RRRRVCM
⎞⎛
RGvo
R5R3 R4
i = 0
–
+RG
vo
R5R3 R4
i = 0
––
++
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ⋅⋅=O
CM
VVGCMRR log20
⎞⎛
vo2v2 + vo2v2 ++
⎟⎟⎟⎟⎞
⎜⎜⎜⎜⎛
+⋅=2412
log20 RRRRGCMRR
i e se:⎟⎠
⎜⎝
−+
⋅1
2
43
4
1
12
RRRRi.e. se:R1 = R2 = R3 = R4 denominador = 0senão:
10020 log% desigualdade entre resistências
GCMRR⎛ ⎞⋅= ⋅ ⎜ ⎟⎝ ⎠
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g⎝ ⎠
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Amplificador de Instrumentação (InAmp) A O ’ ti l
Importante analizar o CMRR de um IN-AMP em função da frequência
AmpOp’s particulares
Importante analizar o CMRR de um IN AMP em função da frequência
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 38
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
• Introdução
• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• ProteçãoProteção
• Filtros
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 39
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Condicionadores de SinaisCondicionadores de Sinais
• Introdução
• Fontes de AlimentaçãoFontes de Alimentação
• Pontes de Medida
• Amplificadores
• ProteçãoProteção
• Filtros
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 40
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA
RuídoRuído
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 41
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA RuídoRuído
Rand Kruback
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 42
Whether noise is a nuisance or a signal may depend on whom you ask
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAOnde pode existir ruído:
(1) (2) (3) (4) (3) (4)
Onde pode existir ruído:
(1) (2) (3) (4) (3) (4)
Com tanta fonte de ruído, é surpreendente conseguir medir o que quer que seja !
(1) O próprio parâmetro (a ser medido) é ruídoso (ex: medir a deformação de uma trave sujeita a vibrações)
(2) O i t d íd ( di t t i i d i tê i tá
fRTkVruído Δ= ....4
(2) O sensor introduz ruído (ex: medir uma corrente aos terminais de uma resistência que está sujeita ao
ruído térmico – – ou efeito Peltier no termopar)
(3) A transmissão de dados comporta-se como uma antena de ruído (ex: acoplamento indutivo, com linhas de energia a 50 Hz, nas proximidades, agravado pelos harmónicos)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 43
(4) O acondicionamento do sinal introduz ruído (ex: sinais em modo comum num amplificador)
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICA Soluções:
Transdutores de baixa impedância ⇒ baixo ruído ( )fRTkV Δ= 4
ç
1ª abordagem de minimização do ruído → remover equipamentos1
Transdutores de baixa impedância ⇒ baixo ruído ( )fRTkVruído Δ= ....4
1ª abordagem de minimização do ruído → remover equipamentos1
tais como:
• linhas de potência• motores• transformadores• lampadas fluorescentes• relés• relés• ...
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 44
1 ou remover instrumentação da proximidade daqueles equipamentos
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Ruído electroestático → acoplamento capacitivo( lé i iá i )(campos eléctricos variáveis)
dtdVCi ruído
ruído =C dtC
CC
2ª abordagem de minimização do ruído → blindagem
C ruídoi2 abordagem de minimização do ruído → blindagem
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 45
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Capacitância fonte ruído–blindagem
Capacitância condutor–blindagem
Necessário fornecer uma terra satisfatória, de forma a que as cargas capturadas possam escoar-se.
V ≠ 0 VSenão, acoplam-se aos condutores do sinal – .
Rcircuito terra
V = 0 V (talvez ... !)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 46
( )
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Ruído devido a aterramento incorrecto
É d “ d l ” áÉ criado um “ground loop” sempre que existam várias terras –interligadas – com diferentes potenciais
V ≠ 0 V = 0
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 47
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Ground Referenced Single Ended (GRSE) or Referenced Single Ended (RSE)Ground Referenced Single-Ended (GRSE) or Referenced Single Ended (RSE)
Diff ti l M t S tDifferential Measurement System
Non-Referenced Single-Ended (NRSE)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 48
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3394
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Corrente (de retorno) no
ΔV
condutor cria um ΔV
(o condutor tem resistência)
Corrente através da blindagem
cria acoplamentos
capacitivos (blindagem–
condutores)
Desfazendo uma das ligações à
terra da blindagem (1)
quebra-se um dos “loops” (1)
Utilizando o modo diferencial do
amplificador
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 49
quebra-se o outro “loop” (2)
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Outra solução: Filtragem (mas apenas se f ≠ f )Outra solução: Filtragem (mas apenas se fsinal ≠ fruído)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 50
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAO controle do ruído capacitivo (electroestático) é cada vez maisO controle do ruído capacitivo (electroestático) é cada vez mais crítico, à medida que se os sistemas de instrumentação tendem para combinação de circuitos que operam a:p ç q p
- Baixa potência (o que implica níveis de impedância elevados)l id d l d ( i li f ê i l d )- Velocidade elevada (o que implica frequências elevadas)
- Resolução alta (o que implica S/N reduzida)
1) Ligação da blindagem, do lado do sinal
potencialde referência
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 51
f
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Vários troços
t i lpotencialde referência
Vários sinaisVários sinais
C d i l i d d t bli d !
ddp(entre referências)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 52
Cada sinal independente, sua blindagem !Cada blindagem, seu potencial de referência !
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICAImpedir existência de potencial na blindagem
( )211
SO
VV+
=
VO
( )22 SCeqCRf ⋅⋅π
VS : tensão do sinal
potencialde referência
SCSC: capacitancia blindagem-caboRO : impedância da fonte do sinalReq: RO // RL
Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência
comporta-se como uma bobine (Z)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 53
potencialde referência
UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICASeparar (qd possível) sistemas analógicos de digitais
sistema analógico
+VCC
potencial
sistema digital
pde referência
Uma provoca um acoplamento capacitivo condutor-blindagem,criando uma corrente na ligação blidagem referênciacriando uma corrente na ligação blidagem-referência.Esta, por sua vez, cria uma ddp na blindagem, que é comum àblindagem analógica e digital.blindagem analógica e digital.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SERGIPECENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIANÚCLEO DE ENGENHARIA MECÂNICARuído electromagnético → acoplamento indutivoRuído electromagnético → acoplamento indutivo
(campos magnéticos variáveis)
Vruído
M
dtdIMV ruído
ruído =dt
Ruído electromagnético – blindagem não é soluçãoRuído electromagnético blindagem não é soluçãopara frequências baixas (50 Hz p. ex.) a blindagem teria que ser extremamente espessa
3 mm (Cu)( )
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t d t
Soluções:
entrançar os condutores
Passar os cabos de energia na perpendicular aos cabos de sinalNota: se for possível entrelaçar os cabos de energia, óptimo (já que assim autocancelam os seus campos magnéticos)
Nota: o arqueamento de condutores é, também, fonte de ruído
(já que assim autocancelam os seus campos magnéticos)
ruídos “escondidos”
(resultado da fricção entre condutores) ⇒ fixar devidamente os condutores
Δl ⇒ ΔH ⇒ femi
sensor x
lubrificante
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Acoplamento de rádio frequencia
Ondas de rádio frequência: são uma combinação de campos eléctricos e magnéticos de frequência elevada
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Soluções:Filt b iFiltro passa-baixoBlindagemAfastamento de fontes de radiaçãoAfastamento de fontes de radiação
N i i ã d i t d i t t ãNa aquisição de equipamento de instrumentação, procurar
indicação de: Imunidade a EMI (ou RFI(*)) (ElectroMagnetic Interference / Radio Frequency Interference)
11/08/2009 17:49 Prof. Douglas Bressan Riffel 58(*) inicialmente conhecido por esta sigla , já que os seus efeitos, na altura, eram sentidos nas ondas de rádio.