Pratica4Eletronica2

Prévia do material em texto

Lista de ilustrações
Figura 1 Esquema do interior de um amplificador de instrumentação. Fonte
(KITCHIN; COUNTS, 2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Figura 2 Pinagem do AD8221. datasheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figura 3 Ganho pela frequência do amplificador de instrumentação AD8221. . . 7
Figura 4 Pinagem do AI AD622AN. Fonte: Adaptado de www.datasheetdir.com 9
Figura 5 Circuito Amplificador + Transmissor simulado no Altium. Fonte: Autor 9
Figura 6 Sinal de entrada do Amplificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figura 7 Sinal de saída do Amplificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Figura 8 Transformada Rápida de Fourier do Sinal de Áudio. . . . . . . . . . . . 11
Figura 9 Transformada Rápida de Fourier do Sinal de saída do amplificador de
instrumentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura 10 Componente da faixa de transmissão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura 11 Circuito Amplificador + Transmissor montado da protoboard. . . . . . 13
Sumário
1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2 Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2.1 Simulação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.2.2 Implementação prática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4 Resultados Analíticos e Discussão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4
1 Introdução
1.1 Introdução
Um amplificador de instrumentação é um amplificador de entrada diferencial de
loop fechado, com uma saída de extremidade única em relação a um terminal de referência.
Possui resistências de entrada próximas, com um valor muito alto, geralmente superior a
109 ohms. Como um amplificador operacional, um amplificador de instrumentação deve ter
correntes de polarização de entrada muito baixas (correntes fluindo para dentro ou para
fora dos terminais de entrada, normalmente da ordem de alguns nA), e uma impedância
de saída muito baixa (nominalmente alguns miliohms a baixa frequências).
A principal diferença entre um amplificador de instrumentação e um amplificador
operacional é o fato de um amplificador operacional ser um dispositivo sem realimentação,
ou seja, em malha aberta enquanto um amplificador vem com uma rede de resistores de
realimentação interna predefinida, isolada de seus terminais de entrada.
Por ser um dispositivo de malha aberta, a função e o ganho de um amplificador
operacional são definidos fornecendo a ele componentes externos que geralmente constituem
um circuito de realimentação entre sua saída e sua entrada inversora. Por outro lado,
o ganho de um amplificador de instrumentação, que é usado principalmente como um
amplificador de sinais de baixo nível em ambientes ruidosos, é dado pelo fabricante não
podendo ser alterado ou pode ser montado pelo utilizador através de um resistor externo
de ganho. Ainda pode sera alterado por manipulação interna de resistores através de
alguns dos pinos do amplificador caso esses existam.
Um amplificador operacional pode ser utilizado como um amplificador de instru-
mentação. Isso é feito configurando-o como um amplificador ou subtrator diferencial ,
conforme mostrado na Figura 1 e descrito por (KITCHIN; COUNTS, 2004).
Figura 1 – Esquema do interior de um amplificador de instrumentação. Fonte (KITCHIN; COUNTS,
2004)
Capítulo 1. Introdução 5
Sua principal função é diminuir a relação sinal ruído. Conhecida como RRMC, caso
exista um ruído em modo comum junto ao sinal na entrada do circuito esse será capaz
de aumentar a relação sinal ruído, atenuando o ruído e deixando passar apenas o sinal
que é o que se deseja. Dessa forma em uma analogia seria possível ouvir uma voz apenas
dentre vários outros ruídos de carteiras se arrastando em uma sala, pois o sinal (a voz)
seria amplificada ou pelo menos não seria atenuada enquanto o ruído sim seria atenuado.
6
2 Desenvolvimento
O amplificador de instrumentação pode ser usado como amplificador para o sinal do
circuito FM montado pelo grupo em práticas anteriores. Como será parte do trabalho da
disciplina montado ao longo do semestres aqui será implementado o circuito do amplificador
de instrumentação logo em seguida do circuito transmissor FM.
O circuito transmissor FM funcionando será colocado a funcionar tocando uma
música à escolha do grupo e seu sinal de saída deve ser amplificado pelo amplificador de
instrumentação. Como descrito na introdução, um amplificador de instrumentação pode
ser feito usando alguns amp ops em configurações de buffer e subtrator por exemplo com
algumas resistências. Ou de outra forma podemos usar um CI que possui dentro de seu
encapsulamento tal circuito. Nessa prática é usado o CI AD8221 que é um amplificador
operacional com algumas características interessantes
A principal característica de um amplificador operacional é a sua capacidade de
amplificação. Esse CI disponibiliza dois pontos para conectar uma resistência Rg, sendo
essa a resistência de ganho do amplificador. Ela possibilita que o usuário configure um
ganho desejado no circuito, fazendo os cálculos como descrito pelo datasheet.
Logo abaixo segue a equação descrita pelo datasheet para o cálculo da resistência
que define o ganho do circuito.
G = 1 + 49.4kΩ
RG
Na Figura 2 é possível ver a pinagem que o amplificador de instrumentação possui.
E entre elas a pinagem do resistor de ganho. O amplificador de instrumentação irá então
Figura 2 – Pinagem do AD8221. datasheet
amplificar o sinal do circuito que é colocado antes em seus pinos -IN e +IN. Com o seu
processo interno de realimentação ele é capaz de fazer a rejeição de determinados ruídos,
Capítulo 2. Desenvolvimento 7
mas isso tem um preço que é o trabalho em uma menor faixa de frequências. Portanto
para ter uma boa rejeição de ruído ou seja aumento da relação sinal ruído, o ganho deve
ser o mais alto possível. Isso pode ser observado na Figura 3. Logo é preferível colocar no
Figura 3 – Ganho pela frequência do amplificador de instrumentação AD8221.
circuito do rádio uma música que tenha baixar frequências, para que o sinal possa passar
sem grandes problemas, e ter uma boa rejeição do ruído. No caso dessa prática o ganho
esta em torno de 50 logo as componentes de frequência que vão ter o ganho total estão de
0 a 10Hz. As musica tem frequências da ordem de 5k, logo deve-se saber que ela perderá
qualidade mesmo usando o ganho unitário.
8
3 Ensaios
3.1 Materiais
Os itens usados nas práticas para implementação dos filtros são os componentes
comerciais dos filtro e equipamentos de medição descritos a seguir
• Circuito transmissor montado em práticas anteriores
• 3 Amplificadores Operacionais KE517
• Fonte simétrica
• 7 resistores de 1k ohms
• Capacitores cerâmicos
• Capacitores eletrolíticos
• Cabos de conexão
• Ferro de Solda
• Estanho
3.2 Métodos
3.2.1 Simulação
Antes de realizar-se os ensaios foi preciso simular o circuito para saber o que é espe-
rado e averiguar o perfeito funcionamento de ambos os circuitos tanto do Amplificador de
Instrumentação quanto o Transmissor por isso utlizou-se o software Altium.O amplificador
utilizado na simulação foi o AD622AN, que é bem similar com o utilizado na prática o
motivo para a mudança foi que a biblioteca no Altium não havia o amplificador AD8221.
A figura 4 mostra a pinagem deste amplificador.
Após feita a escolha do amplificador concetou-seo mesmo ao circuito do transmissor
FM, montado em práticas anteriores. E mediu-se pontos específicos para analisar o
funcionamento adequado. A figura 5 mostra o circuito AI+Tranmissor simulado no Alitum,
onde colocou-se os valores de V1 = 10mV e f1 = 100Hz e V2 = 100mV e f2 = 60Hz, para
simular a interferência da rede elétrica.
Capítulo 3. Ensaios 9
Figura 4 – Pinagem do AI AD622AN. Fonte: Adaptado de www.datasheetdir.com
As figuras 7 e 6 mostram os resultados obtidos na entrada do amplificador sinalizada
pela forma de onda marcada de azul (Netlabel22) e a saída sinalizada de roxo (Netlabel26).
Para melhor visualização dos efeitos na entrada e saída estes gráficos foram gerados usando
os sinais de entrada com mesma amplitude e frequências diferentes, porém no caso real
trataremos com os sinais de baixa amplitude. Observa-se a que na entrada o sinal está
distorcido devido ao sinal de V2 e a saída está sem esta distorção cumprindo com a teoria
explicada.
Figura 5 – Circuito Amplificador + Transmissor simulado no Altium. Fonte: Autor
Figura 6 – Sinal de entrada do Amplificador.
Capítulo 3. Ensaios 10
Figura 7 – Sinal de saída do Amplificador.
3.2.2 Implementação prática
Inicialmente foi proposto ao grupo que acoplasse o circuito do transmissor FM a
um amplificador de instrumentação fornecido pelo professor. Entretanto, devido a quebra
do amplificador, o grupo realizou a montagem de um amplificador de instrumentação
através de um circuito contendo três amplificadores operacionais.
Na primeira análise inseriu-se um sinal de música na entrada do filtro e Com o
auxílio do osciloscópio observou-se o sinal de emissão do transmissor coletando-o na antena
do mesmo.
Sob posse do amplificador de instrumentação implementado, alimentou-o com uma
fonte simétrica de +15V e -15V, inseriu-se na entrada do mesmo um sinal de música
e sua saída foi acoplada à entrada do circuito do transmissor FM. Com o osciloscópio
observou-se o sinal de emissão do transmissor.
Em seguida, inseriu-se um microfone em paralelo com o sinal de música conectado
à entrada do amplificador de instrumentação para que este sinal se comportasse como um
ruído. Novamente, com o auxílio de um analisador de espectro, coletou-se o sinal de saída
no final do processo e comparou-se com os sinais obtidos anteriormente.
11
4 Resultados Analíticos e Discussão
Primeiramente montou-se o circuito usando o amplificador de instrumentação
montado com três amplificadores operacionais, como dito anteriormente. Em seguida
testou-se o sinal de áudio no osciloscópio usando a função MATH com janela retangular e
pode observar-se que este possui diversas frequências como mostra a figura 8.
Após isto, conectou-se o sinal de áudio na entrada do amplificador juntamente com
o microfone de ruído e mediu-se novamente com a função MATH do osciloscópio. Pode-se
observar da figura 9 que o sinal de entrada possui menos ruído, provando que o circuito
de amplificação cumpriu com seu papel ao aumentando a relação sinal-ruído e atenuando
as faixas de frequências.Por último,conectou-se a saída do circuito de amplificação na
entrada do circuito transmissor FM ao medir-se a saída final pode-se observar (Figura
10) a componente de frequência 85MHz correspondente ao valor aproximado a faixa de
transmissão.
Figura 8 – Transformada Rápida de Fourier do Sinal de Áudio.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 12
Figura 9 – Transformada Rápida de Fourier do Sinal de saída do amplificador de instrumentação.
Figura 10 – Componente da faixa de transmissão.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 13
Figura 11 – Circuito Amplificador + Transmissor montado da protoboard.
14
5 Conclusão
De acordo com o estudado em sala de aula e com o que diz a literatura (JR, 2015)
podemos concluir que os amplificadores de instrumentação são capazes de atenuar sinais
de frequência, aumentando a relação sinal ruído ao ajustarmos uma resistência de ganho.
Porém, no circuito integrado não temos acesso ao valor desta resistência somente aos
valores fornecido no datasheet já no circuito montado podemos ajustá-la para por exemplo,
1 K ohms.
15
Referências
JR, A. P. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos-8. [S.l.]: Bookman Editora, 2015.
14
KITCHIN, C.; COUNTS, L. A designer’s guide to instrumentation amplifiers. [S.l.]:
Analog Devices, 2004. 2, 4
	Folha de rosto
	Lista de ilustrações
	Sumário
	Introdução
	Introdução
	Desenvolvimento
	Ensaios
	Materiais
	Métodos
	Simulação
	Implementação prática
	Resultados Analíticos e Discussão
	Conclusão
	Referências