INTRODUÇÃO

INTRODUÇÃO E FERRAMENTAS BÁSICAS
DISCIPLINA:
PRÉ-REQUISITO
PROFESSOR:
ELE0325 – INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA
ELE0314 – Circuitos eletrônicos II
ELE0319 – Laboratório de Circuitos Eletrônicos II
Luciano Fontes Cavalcanti
OBJETIVOS GERAIS
O curso tem por objetivo fazer o aluno entender o princípio de funcionamento dos principais
instrumentos eletrônicos utilizados em várias áreas do conhecimento. Sendo capaz de projetar
um desses instrumentos e implementá-lo com circuitos integrados ou através de um programa
simulador.
EMENTA
Sensores, transdutores e outros dispositivos eletrônicos especiais. Amplificadores para
instrumentação. Técnicas analógicas e digitais em instrumentação. Conversores A/D e D/A.
Técnica para construção de instrumentos de medidas de temperatura, pressão, posição,
velocidade, aceleração, identificação de gases, luminosidade etc.
BIBLIOGRAFIA
Livro utilizado como roteiro “TRANSDUTORES E INTERFACES”
Autor: Marcelo Martins Werneck.
Editora: Livros Técnicos e Científicos Editora.
Livro complementar “SENSORES INDUSTRIAIS – Fundamentos e Aplicações”
Autores: Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque.
Editora: Érica.
METODOLOGIA DE ENSINO
Grande parte do curso utiliza explanação desse roteiro eletrônico com explicações no quadro.
Após a explicação de cada tópico será mostrado um instrumento completo que utiliza os
princípios do tópico, esses instrumentos foram, de preferência, trabalhos desenvolvido por
alunos de períodos anteriores ou artigos retirados de revistas. Esses trabalhos ou artigo são
apresentados dos mais simples aos mais complexos, cada um mostrando soluções para
determinados problemas, com o objetivo de treinar o aluno a projetar instrumento.
COMO ESTUDAR PELO ROTEIRO
As aulas serão apresentadas na seqüência desse roteiro, podendo algumas partes serem
suprimidas ou acrescentadas conforme interesse dos alunos. As palavras que estão em azul no
texto representam objetos, dispositivos ou conceitos que o aluno deve ter um bom
conhecimento. Os artigos, ou os trabalhos utilizados no curso, têm seu nome em laranja e
estão disponíveis na pasta de ARTIGO. Os trabalhos apresentados por alunos em períodos
anteriores estão em marrom e si encontram pasta APRESENTAÇÔES no respectivo período
letivo. No roteiro há indicações do vários sites para facilitar as pesquisas por parte dos alunos.
APRESENTAÇÃO
Comentários gerais a respeito da disciplina, chamando atenção especial a estrema importância
do aluno estar presente em sala de aula uma vez que o curso tem duas estratégias de
abordagem: uma informativa, que o aluno pode adquirir na literatura especializada; e a outra é
desenvolver a capacidade criativa de projetar instrumento, o que só é conseguido através de
treino, com o aluno procurando desenvolver seu raciocínio com interação ao que está sendo
apresentado em aula. Informações sobre abrangência da disciplina, mostrando a sua
importância e as várias áreas em que ela atua, prevendo, também, novas possíveis áreas de
atuação. O curso tem por finalidade treinar o aluno a projetar instrumentos eletrônicos, para
isso é necessário o uso dos conhecimentos adquiridos em outras disciplinas; como Circuitos
Eletrônicos, Eletrônica Digital, Microcontroladores, Controle, Telecomunicações,
Processamento de Imagens etc.
Roteiro para facilitar o desenvolvimento do projeto:
O projeto deve ser apresentado em sala de aula e entregue em forma de relatório impresso e
na forma eletrônica para ser colocado na internet na pasta das apresentações. A nota será
função da apresentação e do relatório.
-Para cada avaliação deve ser apresentado um projeto que pode ser diferente ou o mesmo de
uma avaliação anterior, desde que seja acrescentado mais conteúdo ou mudança no projeto,
levando em consideração que o aluno está adquirindo mais conhecimentos.
-Para executar o projeto tenha em mente o “diagrama em bloco de um instrumento genérico”.
-Escolha um “ente físico” que você deseja medir, para a primeira avaliação não é necessário
que seja real nem de autoria do aluno, pode ser imaginário, porque estamos no início da
disciplina e os conhecimentos nessa área ainda são poucos.
-Defina as características do sensor que vai utilizar.
-Qual circuito transdutor você vai usar, discutindo possíveis variações?
-Qual o circuito conformador. Mostre mais de uma escala de operação?
-Como a escala do conformador pode ser ajustada com um microcontrolador?
-Qual ou quais “processamento do sinal” vai ter no seu instrumento?
-Caso o “processamento do sinal” seja analógico mostre como ele pode ser feito com um
microcontrolador?
-Passe o seu “sinal elétrico” para a forma digital através de um conversor A/D. Qual o
conversor mais apropriado para o seu projeto?
-Qual a interface homem-máquina vai ser usada?
-Analise as características do seu instrumento em termos das “características dos
instrumentos” estudados no primeiro capítulo.
Observações:
-Poderá utilizar partes de circuitos utilizados nos projetos apresentados em aula.
-Poderá utilizar os conhecimentos aprendidos em aulas até a data da apresentação.
-Estude pelo plano das aulas já apresentadas para responder as perguntas
Apresentação:
-Data: As datas apresentações já estão na programação
-A ordem das apresentações será definida posteriormente, e perderá ponto se houver atraso.
-Para a avaliação será levado em consideração o texto escrito, a apresentação, oral e visual, e
as respostas das perguntas feita na hora.
-Serão levados em consideração os conhecimentos sobre Instrumentação Eletrônica que o
aluno adquiriu fora da disciplina.
CAPÍTULO 1 – INTROUÇÃO Á INSTRUMENTAÇÃO
Início de uma parte contida no livro roteiro de Werneck.
Introdução a Instrumentação eletrônica:
1.1-Transdutores e Sensores.
1.2 -Sinal elétrico, sobre o ponto de vista da instrumentação é um sinal elétrico que representa
a grandeza física medida pelo instrumento.
1.3 - Instrumentos analógicos e digitais.
1.4 -Instrumento e instrumentação Nesta disciplina se estudam um conjunto de técnicas para
o desenvolvimento de projeto e construção de equipamentos eletrônicos de medidas. Os
projetos serão baseados no diagrama em blocos de um instrumento genérico, mostrado na
figura abaixo, que será aprofundado durante todo o curso.
Sinal Elétrico
Ente Físico
Sensor
e
transdutor
Conformador
Diagrama genérico de um instrumento
Processamento
do sinal
Interface
Homem
Máquina
.1.5 – A evolução dos sistemas de unidades È mostrada a importância dos sistemas de
unidades nos instrumentos eletrônicos.
1.6 – Características de instrumentação Definições de algumas Características dos
Instrumentos:
Faixa ou range: Representa todos os níveis de amplitude de entrada no qual o transdutor pode
operar. Na prática, o instrumento eletrônico só pode operar em uma faixa menor ou igual a
faixa de operação do sensor. É objetivo dessa disciplina treinar o aluno para que ele seja capaz
de escolher o sensor apropriado, tanto teoricamente como comercialmente, para a aplicação
desejada.
Resolução: É o menor incremento do sinal de entrada que é sensível ou pode ser medido pelo
instrumento. Depende principalmente da interface homem-máquina e nos instrumentos
digitais do número de bits dos conversores A/D.
Sensibilidade: É a função de transferência do transdutor, isto é, a relação entre o estímulo de
entrada no transdutor o sinal na sua saída. O projetista tem o controle da sensibilidade de seu
instrumento através do ganho dos amplificadores usados como conformador.
Linearidade: É melhor explicado em aula, através de gráficos, e mostrado durante o curso
como contornar os problemas da não linearidade. É definida através da distância máxima
observada entre uma medida feita pelo instrumento em teste e o valor real da grandeza,
dividida pela faixa do instrumento e multiplicada por 100%. Seu valor é, portanto, expresso em
porcentagem.
Histerese: É a diferença de medidas de um mesmo valor quando ele é atingido vindo de um
valor mais alto da quando ele é atingido vindo de um valor mais baixo. Durante o curso poucos
são os projetos em que a histerese será levada em consideração
Erro ou exatidão: É a diferença absoluta entre o valor real do padrão ( metrologia )e o valor
medido pelo instrumento. Será usada mais a palavra ERRO.
Repetibilidade ou precisão: É a capacidade de se obter o mesmo valor em diversas medidas.
Será usada mais a palavra REPETIBILIDADE.
Relação sinal/ruído: Tem o mesmo conceito já estudado em Telecomunicações. Não é
estudado de maneira prática nessa disciplina.
Estabilidade: É a capacidade de um circuito eletrônico voltar a uma situação de regime
permanente depois de receber um sinal transitório. Embora não seja estudado como proceder
para estabilizar circuitos, são mostrados, nas aulas apresentadas em transparência, vários
circuitos com estabilização.
Isolação: Essa característica é obtida através de testes destrutivos, não sendo, portanto, feitas
durante o curso.
Resposta de freqüência: São devidas as limitações que têm os circuitos eletrônicos quando
operam em freqüências mais elevadas. Normalmente são apresentadas em diagramas de
Bode. São estudadas em Circuitos Eletrônicos II.
Largura de faixa e espectro de potência: Este assunto está muito bem explicado no livro usado
como roteiro, através do exemplo da velocidade do sangue nas veias de um cachorro.
Deriva: É a variação de um ou mais parâmetros do circuito através do tempo ou de alguma
outra grandeza física, como, por exemplo, a temperatura. É mostrado como se pode contornar
este problema. O circuito de auto-zero tem esta finalidade.
Tabela de calibração;
1.7 – Normas Técnicas. A importância das normas técnicas nos instrumentos eletrônicos O
Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo ( www.ipt.br ) faz
testes para homologação de instrumentos eletrônicos aplicados em várias áreas,
isso é necessário em vários casos como, por exemplo, para exportação de
equipamentos
Fim da parte contida no livro roteiro de Werneck.
Apresentação do primeiro instrumento prático “TESTADOR PARA FONTES ATX” artigo
publicado na revista Elektor n. 43 (Brasil 2005) mostrando o circuito completo de um
instrumento para medir o desempenho de fontes de tensões e correntes para a placa mãe dos
computadores. O objetivo da aula é: Relacionar o instrumento com o diagrama genérico de um
instrumento, como foi feito o Conformado, o Processamento do sinal e a Interface homemmáquima; Relacionar o instrumento com as Características dos Instrumentos. Análise do
circuito, revisando assuntos de eletrônica analógica e digital, tais como: Amplificadores
inversores e não-inversores, compensação de offset, eliminação de ruído através de
capacitores, comparadores, multiplexador/demultiplexador em CI 74HC4053, LEDs, etc.
MICROCONTROLADOR EM INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA
Alguns dos recursos dos microcontroladores são muitos usados atualmente nos instrumentos
eletrônicos. É comentado, de forma breve e sucinta, esses recursos para facilitar a
compreensão do funcionamento desses instrumentos eletrônicos por parte dos alunos que
não cursaram a disciplina de microcontroladores.
Conversores A/D A quase totalidade deles são de aproximações sucessivas, sendo só um
conversor com várias entradas multiplexadas. A rede com 256 resistores pode ser polarizada
internamente ou externamente
Portas de Entrada/Saída É muito útil em instrumentação as saídas configuradas em pull-up
Timer Usado em instrumentação, principalmente, como marcador de tempo
Módulo Comparador Analógico
Apresentação do artigo “SC ANALYSER - 2005” , publicado pela revista Elektor nº. 47 (Brasil,
fevereiro de 2006). O objetivo da aula é: mostrar como se pode utilizar microcontroladores em
instrumento. O artigo apresenta um instrumento para medir transistores bipolares PNP e NPN,
JFETs, MOSFETs e diodos. Na aula são mostrados os procedimentos para a identificação da
pinagem e o tipo do dispositivo são feitos automaticamente através do microcontrolador
PIC16F873. As explicações em aula são detalhadas para os transistores bipolares, embora
sejam feitos comentários a respeito dos outros dispositivos. Inicialmente o microcontrolador
procura identificar se o dispositivo é um transistor bipolar NPN ou PNP, caso não seja
identificado, passa a tentar identificar outro dispositivo, se foi identificado, determina se o
transistor é NPN ou PNP e qual é o pino da base. Em seguida passa a calcular o ganho de
corrente em duas configurações diferente, e, através da de maior ganho passa a determinar os
terminais de coletor e de emissor. É chamada atenção no esquema completo do circuito para
os multiplexadores 74HC4052 controlados pelo PIC através das portas paralelas, aos três
conversores A/D que medem as tensões na base, coletor e emissor nas diversas configurações.
È comentada as tecnologias OLED e PLED ainda em desenvolvimento para a interface homemmáquina.
CAPITULO 2 – INTERFACES
Grande parte de INTERFACE pode ser estudada no livro de Wernek
Um dos sensores mais comuns para medir corrente elétrica utiliza o efeito Hall diretamente
em um integrado, conforme mostrado abaixo na figura retirada do site
(http://www.secon.com.br/sen_produtos.htm).
Isael Calistrato Jácome – Sensores de corrente e tensão – Apresentações 2008_2
-Sensore que têm uma fonte de tensão na saída não é necessário o uso de circuitos
transdutores. Exemplo, o termopar
-Transdutores para sensores que têm fonte de corrente como saída. Exemplo, o AD590
-Transdutores para sensores que têm uma resistência variável. Exemplo, o termistor
-Transdutores para sensores que têm uma capacitância variável. Estudados posteriormente
-Transdutores para sensores que têm uma indutância variável. Estudados posteriormente
Principio de funcionamento dos multímetros quando estão configurados para medir
resistências.
Como exercício para desenvolver a capacidade em projeto. Projetar um instrumento para
medir resistências de 12kΩ, 5kΩ e 3.3kΩ com resolução de +/- 5%, +/-10%, +/-20% ou acima e
abaixo de 20% utilizando o “TESTADOR PARA FONTES ATX”.
O circuito mostrado abaixo é uma fonte de corrente controlada pela resistência da esquerda e
da fonte de tensão. Este circuito funciona como um transdutor para sensores resistivos onde o
sensor deve ser colocado na posição do potenciômetro.
Análise da ponte de Wheatstone como um transdutor para sensores resistivos com baixa
sensibilidade. Análise com simplificações, para uma pequena faixa de atuação.
A figura acima mostra uma ponte de Wheatstone onde a tensão de saída Vo é dada por:
v
0
E

  R1  R2  R3  R4 
R2 R4





( R1  R2 )( R3  R4 )  R1
R2
R3
R4 
Apresentação do terceiro instrumento prático “PONTE DE MEDIDA L-C-R” artigo publicado na
revista Elektor setembro de1991(Portugal). Objetivo da aula: mostrar que a partir de um
circuito extremamente simples, a ponte de Wheatstone, e os pouco conhecimentos já
adquirido na disciplina é possível construir um instrumento razoavelmente complexo e prático.
O instrumento é para medir resistências, capacitâncias e indutâncias
É chamada atenção para o timer NE555 como dispositivo para gerar tempo de medidas
freqüências, a chave seletora de escalas, a interface interativa homem-máquina, a histerese do
instrumento e o erro como função da exatidão dos elementos de calibração. É analisado,
também, o instrumento em termos do diagramas em blocos genérico.
CONVERSORES A/D E D/A
Embora conversores analógico-digital e conversores digital-analógico não seja um assunto
específico de instrumentação eletrônica, eles são muito utilizados nos instrumentos
eletrônicos. Está na ementa da disciplina e todas as outras câmaras do Departamento de
Engenharia Elétrica reconhecem a sua importância.
CONVERSORES ANALÓGICO/DIGITAL E DIGITAL/ANALÓGICO. Esse assunto pode ser estudado
no Livro “Sistemas Digitais Precipícios e Aplicações” Autor: Ronald J. Tocci no CAPÍTULO 10 –
INTERFACE COM O MUNDO ANALÓGICO. OBS. Na 10 edição é no capítulo 11
Conversores D/A com resistores ponderados. Facilidade didática e dificuldades práticas desse
conversor.
Conversor D/A com escada R-2R. Análise das resistências equivalentes dessa rede de
resistores. Resolução do conversor em função do número de bits e da faixa de tensão.
Conversor com chaves de tensão e alimentado com chaves de corrente. Comentários sobre a
família lógica ECL.
Conversores A/D.
Conversores A/D controlado por contadores; circuito de amostragem e retenção, o clock nos
conversores, vantagens e desvantagens desse conversor.
Conversores A/D de aproximações sucessivas; principio de funcionamento, diagrama de bloco.
Conversor A/D Flash.
Conversor A/D de dupla rampa.
Conversor A/D delta-sigma
Erro dos conversores: erro de Quantificação,erro de Offset, erro de Ganho, erro de nãolinearidade integral, erro de não-linearidade diferencial e erro Total.
Comentários sobre o Manual Linear da National, existente no Laboratório de Eletrônica, no
que se refere aos conversores A/D e D/A. Análise do funcionamento em diagrama de blocos do
conversor integrado ADC0800, comentários sobre o ADC0808 e ADC0809.
Análise do conversor ADC0804 que é explicado no livro do Tocci e tem vários desses circuitos
integrados no Laboratório de Eletrônica. Ao longo do curso serão mostrados vários artigos
sobre instrumentos que utilizam este conversor.
Rodrigo Marques de Melo Santiago – Projeto sensor de temperatura (Apresentações 2007_2)
(74185 e ADC0804)
Gleison Parente – Instrumentos digitais (Apresentações 2008_2). Utilização do ICL7106. A
figura abaixo foi retirada do site http://membres.lycos.fr/eletrica1/termometro.htm
Apresentação em transparência do artigo “CONHEÇA O ICL7106/7107” publicado pela revista
Saber Eletrônica em 1989. Esses circuitos integrados (ICL7106) e (ICL7107) são conversores
A/D e ainda se encontram disponíveis no Laboratório de Eletrônica, foram desenvolvidos para
serem usados em instrumentos eletrônicos com mostrador de sete-seguimentos. Esse
integrado é muito bom para alunos que queiram desenvolver projetos.
Apresentação em transparência do artigo “CONVERSOR A/D PARA PC, Medições analógicas
através da porta paralela” publicado pela revista Elektor (Portugal). È mostrado o conversor
A/D MAX187.
Apresentação em transparência do artigo “TERMÔMETRO PARA PC” publicado pela revista
Elektor (Portugal), que utiliza como sensor de temperatura o LM335 (para medidas em ºC ) ou
o LM35 ( para medidas em K ).
Apresentação em multimídia do trabalho de Raphael Dantas Ciríaco “OHMÍMETRO DIGITAL”
Raphael Dantas Ciríaco – Ohmímetro Digital (Apresentações 2008_2)
O objetivo da aula é: mostrar que é possível, com os conhecimentos adquiridos já na disciplina,
projetar e montar um instrumento completo, no caso, o ohmímetro digital mostrado abaixo
Fotografia do trabalho de Raphael Dantas Ciríaco
O diagrama esquemático é mostrado na figura abaixo
-O projeto foi feito usando o conceito do diagrama em blocos de um instrumento genérico.
- Uso de fonte de corrente para transformar variação de resistência em variação de tensão.
-O conversor A/D foi o ADC0804 com 8 bits.
-O ohmímetro tem cinco faixas de trabalho controladas por um contador crescente/
decrescente MOD 16 mas no caso ajustado para MOD 5 (74ALS193) comandadas por duas
chaves externas.
-Para transformar a saída com 8 bits em binário puro do conversor A/D em código BCD foram
usados 3 CIs 74185
-Os transcodificadores de BCD para sete seguimentos foram os CIs 7447.
-É mostrado a lógica combinacional para gerar o ponto em função da faixa.
-Foi usado o multiplexador MUX4061 implementar as cinco fontes de correntes necessárias.
-Foi usado um multivibrador 74123 para gerar o clock para o instrumento.
Conclusão: A idéia do projeto é relativamente simples mas a medida que ele foi sendo
implementado foram surgindo dificuldades, todas sanadas, o que permitiu um aprendizado e
maturidade em projeto, ao final da disciplina, por parte do aluno. Os alunos devem se basear
neste, ou em outros projetos criativos, para desenvolverem outros instrumentos para
avaliação dessa disciplina.
AMPLIFICADORES PARA INSTRUMENTAÇÃO
Formas do circuito de saída dos sensores: a) Uma só saída com referencial a terra. b) Duas
saídas flutuantes desequilibradas. c) Saídas flutuantes com ponto comum a terra através de
ruído.d) Saídas equilibradas com ligação a terra. e) Saídas flutuantes equilibradas. f) Saídas
equilibradas com ponto comum a terra através de ruído. Tipos de entrada dos amplificadores.
Amplificador do tipo I Amplificadores com uma entrada. Exemplos desses
amplificadores:Amplificador inversor, seguidor de tensão, amplificador não-inversor,
amplificador com alto ganho e alta impedância de entrada
Amplificador do tipo II Amplificadores diferenciais com duas entradas. Exemplos desses
amplificadores: Amplificador com um AMP.OP, amplificador com três AMP.OP sendo dois
como buffer, amplificador com três AMP.OP com controle de ganho através de uma
resistência, amplificador com dois AMP.OP.
Para o diagrama do circuito acima temos
V



1


V
V
0
1
2 


R
R


2
1
Amplificadores do tipo III Amplificadores blindados com uma entrada. Exemplos desses
amplificadores: Através do uso do anel de guarda, através de blindagem com cabo
Amplificadores do tipo IV Amplificadores blindados com duas entradas diferenciais.
Apresentação de um circuito de Auto-zero, com possibilidade de ser montado no laboratório,
que permite a compensação da deriva de amplificadores através de outro circuito com
capacitor. Circuitos semelhantes a esse são feitos internamente em circuitos integrados,
principalmente em conversores A/D, e, através de um pino externo, se pode fazer a
compensação do amplificador antes de se fazer à leitura do dado. Isso é muito importante,
principalmente em ambientes industriais, onde as condições ambientais são bastante
adversas.
João Paulo de Oliveira e Silva – Eletrocardiógrafo (Apresentações 2008_2). Grande parte desse
trabalho é sobre amplificadores do tipo II como o da figura abaixo.
Amplificadores Isoladores: Simbologia.
+Vb
+Va
+
Terra
isolado
B
A
Vo
-Va
Símbolo do amplificador isolador
-Vb
Terra não
isolado
Amplificadores isoladores alimentados através de baterias.
Amplificadores isoladores com portadora modulada. Utiliza um transformador de altas
freqüências para eliminar as baixas. A transmissão entre o lado isolado e o lado não isolado é
feito através de uma modulação AM-DSB/SC feita no lado isolado, após a passagem da
informação através do transformador de altas freqüências é feita a demodulação AM-DSB/SC
no lado não isolado. Comentários sobre moduladores balanceados em circuito integrado (AMDSB/SC). O principio de funcionamento desses integrados (um multiplicador ). Como eles
podem ser usados como modulador ou demodulador. Exemplos comercias desses integrados:
SA602A (já possui um oscilador interno ajustável externamente), NE602
Amplificadores isoladores com acoplamento óptico. Exemplos de circuitos comerciais
fabricados pela Burr Brown: BB3652, BB722, ISO122P. Comentários sobre os ópticos
acopladores existentes no laboratório.
Leitura complementar “ACOPLADORES E CHAVES ÓPTICAS” Revista Eletrônica (nº380
setembro 2004).
Leitura complementar “NOVOS COMPONENTES DE OPTO-ELETRÔNICA” Revista Eletrônica
(nº382 novembro 2004).
”MILIMULTÍMETRO A FET”.Artigo publicado no livro “ 301 Circuitos Eletrônicos” que apresenta
um circuito completo para medis tensões e correntes, comentando os vários amplificadores
existentes no projeto e a interface homem-máquina através de galvanômetro.
INTERFACE HOMEM MÁQUINA
Carlos Roberto Júnior e Tiago C, de Araújo – Sensor de Carga de Bateria de Automóvel
Utilizando o CI LM 3914 (Apresentações 2008_2)