Atividade Prática de Instrumentação Eletrônica

 1 Disciplina de Instrumentação Eletrônica  Souza Atividade Prática de Instrumentação Eletrônica Abaixo você encontra o roteiro para a realização das atividades práticas da disciplina, que contarão com a realização de experimentos práticos utilizando o kit e simuladores. Após realizar as experiências você deverá organizar os resultados em um relatório, conforme o modelo de relatório disponibilizado na disciplina e entregar o relatório em .pdf através de Trabalhos. IMPORTANTE – LEIA COM ATENÇÃO Dúvidas frequentes 1) KIT POLO e Agendamento O polo de apoio presencial possuí KITs com os equipamentos necessários para a realização da atividade, como multímetro, protoboard, fonte de tensão e osciloscópio. Porém, é necessário adquirir os componentes eletrônicos (consumíveis) como circuitos integrados, resistores, capacitores, LED e etc. Para a utilização do kit Polo é necessário realizar o agendamento através do AVA. Sendo assim, é recomendado que você não deixe para realizar a atividade nos últimos dias, visto que pode ser mais difícil encontrar data e horário disponível para o uso do kit. 2) Fotos dos experimentos no relatório Vocês devem incluir algumas fotos dos experimentos no relatório. Não é necessário incluir todas, coloque uma do circuito montado seguido de duas ou três medições. Coloque um papel com o seu nome e RU escrito a mão na foto, assim, comprovando que realmente montaram o circuito, como no exemplo abaixo: 2 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza 3) Modelo de relatório O relatório deve ser entregue seguindo o modelo fornecido no AVA. Esse relatório deve contar uma breve introdução teórica, metodologia, discussão de resultados e conclusão. Os experimentos podem ser entregues em arquivo único ou arquivos separados. Ao postar no AVA certifique-se de que anexou todos os arquivos antes de finalizar. 4) Simuladores de circuitos Para a realização dos experimentos será utilizado o simulador online de circuitos Multisim Online, cujo acesso deverá ocorrer através do site: www.multisim.com. Com intuito de aprendizagem, recomendo que acessem ao site https://www.tinkercad.com/ e utilizem o Thinkercad para simular os circuitos utilizando uma protoboard e entender o funcionamento dela. Caso já tenha familiaridade com algum simulador de circuitos ou prefira, é permitido utilizar qualquer outro. As simulações servem como suporte e guia para a realização dos experimentos práticos. Sendo assim, eu recomendo que realize primeiro as simulações e depois reproduza com os equipamentos do kit. 3 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Experiência 1: Amplificador Inversor OBJETIVO Essa atividade tem como intuito colocar em prática os conceitos de amplificadores operacionais (Amp-Op) abordados na disciplina de Instrumentação Eletrônica e projetar um amplificador inversor. Além de aprender a realizar caracterização elétrica de circuitos utilizando instrumentos de medição. MATERIAL UTILIZADO Componentes Quantidade Material Utilizado 1 Amp Op LM358 ou LM741 Variados Resistores Equipamentos / Ferramentas (kit) Quantidade Descrição 1 Osciloscópio 1 Multímetro 2 Fontes de Alimentação ou Fonte Simétrica 1 Protoboard 1 Gerador de funções Termo de responsabilidade (Disclaimer): Os danos que os dispositivos e componentes possam vir a sofrer por falta de leitura dos documentos aqui indicados e cumprimento das recomendações contidas nos mesmos são de total responsabilidade do aluno. 4 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Diagrama de pinos do amplificador operacional LM358 LM741 - Vcc / 5 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza INTRODUÇÃO O amplificador operacional (Amp Op) tem esse nome porque inicialmente foi projetado para realizar operações matemáticas com o sinal (ou sinais) de entrada (computação analógica). Desde sua criação passou por inúmeras melhorias, ganhando assim posição de destaque executando as mais variadas funções com um único circuito integrado e poucos componentes externos. Estude as Aulas Práticas no AVA e siga exatamente as dicas de montagem dos circuitos. PROJETO Escolha um valor de ganho entre 2 V/V e 8 V/V. Dado o circuito da figura 1, projeto os valores dos resistores para que o amplificador inversor tenha o valor do ganho escolhido. Sendo o ganho (AV) dado pela equação: 𝐴𝑉 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 = − 𝑅2 𝑅1 Adote o resistor 𝑅1 (entre 1kΩ e 3,3kΩ) e calcule 𝑅2 em função dele. Para os resistores calculados adotar o resistor de valor comercial mais próximo, exemplo: se o resistor calculado foi de 3kΩ, adotar 2,7kΩ ou 3,3kΩ (não tem problema em adotar um ou o outro). Recalcule o ganho de tensão utilizando os valores comerciais dos resistores adotados e coloque este valor na Tabela 1. Figura 1: Amplificador inversor. Neste esquema, os terminais de alimentação do circuito não são mostrados. 2,5V 6 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Segue abaixo um exemplo de como montar o circuito utilizando o LM358. Figura 2: Amplificador inversor montado na protoboard utilizando o LM358. Todos os terras (ou GND) do circuitos deverão estar conectados entre si, fazendo com que não tendo nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles. Observe na figura 2 que o ponto central da bateria (terra) está conectado ao terra do gerador de funções e assim, neste ponto será conectado a ponta de prova do terra do osciloscópio (conector do tipo jacaré). LM358 7 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1. Utilize o LM358 para a montagem do circuito, caso não tenha este CI, substitua pelo LM741. Observe que os dois CIs possuem terminais diferentes. 2. Verifique os terminais do circuito integrado (CI) e monte o circuito da Figura 1. Certifique-se que a (ou as) fonte de alimentação e o terminal terra estão nos pinos corretos. 3. Conecte a fonte simétrica ao CI, sendo +12 V no terminal do +Vcc e -12V no terminal -Vcc. 4. Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 2,5 V de tensão de pico a pico (aproximado), com uma frequência aproximada de 1kHz. 5. Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 1 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída. Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída. a. A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indicado nas figuras acima. Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito. b. Mostre em um gráfico os sinais de entrada e saída. De preferência coloque um print da tela do osciloscópio. Os sinais deverão ficar parecidos com os mostrados na Figura 3, levando em conta que o ganho vai ser diferente para cada aluno. c. Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 e preencha a Tabela 1. d. Varie o formato, amplitude, forma de onda (quadrada, triangular, dente de serra) e frequência do sinal de entrada e verifique o sinal de saída. A resposta do sistema é linear? Porque? Pesquise. e. Substitua o resistor R2 por um maior, com pelo menos o dobro do valor de resistência resistência. O que acontece com o sinal de saída se o sinal de entrada é grande? Porque? Pesquise. f. Compare o ganho medido com o ganho calculado e explique o resultado. Pode ser ligeiramente diferente, explique porque. 8 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Figura 3: Sinais de entrada e saída do amplificador inversor. O sinal de saída está invertido porque o amplificador é inversor e tem ganho negativo. Tabela 1: Ganho do amplificador inversor. AVcalculado − 𝑹𝟐 𝑹𝟏 AVmedido 𝒗𝒐 𝒗𝒊 DESENVOLVIMENTO ✓ Elaborar um relatório deste experimento utilizando o modelo de relatório fornecido no AVA ✓ Este relatório deverá conter todos os itens solicitados, como objetivo, introdução, fundamentação teórica, metodologia, resultados e conclusões e referenciais bibliográficos. ✓ Incluir fotos dos circuitos, telas de captura das formas de onda e demais resultados obtidos com o osciloscópio ✓ Apresentar todos os cálculos do projeto e demais itens solicitados neste roteiro de procedimentos 9 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza ANEXO 1 Caso o gerador de função apresente uma componente DC na saída, conecte um capacitor de 1µF ou 10µF em série com a fonte. O capacitor irá funcionar como um filtro DC, corrigindo o sinal. Experiência 01: 10 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Experimento 02 – Filtros Ativos OBJETIVO Essa atividade tem como intuito colocar em prática os conceitos filtros ativos Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais (Amp Op), abordados na disciplina de Instrumentação Eletrônica. Além de aprender a realizar caracterização elétrica de circuitos utilizando instrumentos de medição. MATERIAL UTILIZADO Componentes Quantidade Material Utilizado 1 Amp Op LM358 ou LM741 Variados Resistores Variados Capacitores Equipamentos / Ferramentas (kit) Quantidade Descrição 1 Osciloscópio 1 Multímetro 2 Fontes de Alimentação ou Fonte Simétrica 1 Protoboard 1 Gerador de funções Termo de responsabilidade (Disclaimer): Os danos que os dispositivos e componentes possam vir a sofrer por falta de leitura dos documentos aqui indicados e cumprimento das recomendações contidas nos mesmos são de total responsabilidade do aluno. 11 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Diagrama de pinos do amplificador operacional LM358 LM741 - Vcc / 12 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza INTRODUÇÃO Um filtro é um dispositivo projetado para rejeitar ou atenuar determinadas frequências e deixar passar outras. Pode ser um dispositivo passivo composto por capacitores, resistores e indutores; ou ativo composto por capacitores, resistores e amplificadores realimentados (amplificadores operacionais). De acordo com a resposta em frequência eles se classificam em: • Passa baixas. • Passa altas. • Passa faixa. • Rejeita faixa. PROJETO DE UM FILTRO PASSA ALTAS Dado o circuito da figura 1, projete o filtro ativo passa altas (FPA) Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais. Sendo o ganho (AV) dado por: 𝐴𝑉 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 = 1 + 𝑅2 𝑅1 = 2,2 Figura 4: Filtro Passa Altas Butterworth de segunda ordem. Neste esquema, os terminais de alimentação do circuito não são mostrados. Para determinar a frequência de corte do filtro (fL neste caso) pegar o último número do RU do aluno e multiplicar por 100. Se for zero, escolher o penúltimo número e assim por diante. Exemplo: RU: 45068531 𝑓𝐿 = 1 2𝜋𝑅𝐶 = 𝟏𝑥100 = 100 [𝐻𝑧] 13 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza O resistor R e o capacitor C vão determinar a frequência de corte. Eles têm que ser exatamente iguais (os dois R e os dois C) para colocar os dois polos na mesma frequência (ordem 2). Escolha o capacitor C entre 47 e 100nF e calcule o resistor em função do capacitor escolhido. Para o resistor calculado adotar o resistor de valor comercial mais próximo, exemplo: se o resistor calculado foi de 3kΩ, adotar 2,7kΩ ou 3,3kΩ (não tem problema em adotar um ou o outro). Recalcule a frequência de corte agora com os valores comerciais dos resistores adotados e verifique este valor na Tabela Todos os terras (ou GND) do circuitos deverão estar conectados entre si, fazendo com que não tendo nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles. O ponto central da bateria (terra) deverá estar conectado ao terra do gerador de funções e assim, neste ponto será conectado a ponta de prova do terra do osciloscópio (conector do tipo jacaré). PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 6. Utilize o LM358 para a montagem do circuito, caso não tenha este CI, substitua pelo LM741. Observe que os dois CIs possuem terminais diferentes. 7. Verifique os terminais do circuito integrado (CI) e monte o circuito da Figura 1. Certifique-se que a (ou as) fonte de alimentação e o terminal terra estão nos pinos corretos. 8. Ligue as baterias. 9. Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 2,5V de tensão de pico a pico (aproximado), com uma frequência variável. 10. Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 1 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída. Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída. a. A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indica o conector amarelo e a ponta de prova do Canal 2 como indica o conector azul. Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito. b. Para uma frequência do sinal de entrada 5 kHz, mostre num gráfico os sinais de entrada e saída. De preferência coloque um print da tela do osciloscópio. Os sinais deverão ficar parecidos com os mostrados na Figura 2. c. Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída, varie a frequência e calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 para cada frequência e preencha a Tabela 1. 14 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza i. Começe as medições numa frequência 10 vezes menor que fL calculada. ii. Tire 3 ou 4 medições até uma frequência ligeiramente menor que fL calculada. iii. Concentre as medições ao redor de fL. iv. A partir de uma frequência 20% superior a fL tire mais 4 ou 5 medições até uma frequência de 20kHz. Figura 5: Sinais de entrada e saída do FPA na banda passante. O sinal de saída está em fase com a entrada porque o amplificador é não inversor e tem ganho positivo. 15 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Tabela 2: Resposta em frequência do FPA. 𝒇[𝑯𝒛] 𝒗𝒊 [𝑽] 𝒗𝒐 [𝑽] |𝑨𝑽 = 𝒗𝒐 𝒗𝒊 | 11. Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude (ganho) é 70% da amplitude máxima. 12. Monte um gráfico de AV em função da frequência e verifique a resposta do amplificador. Identifique a banda passante do amplificador. O eixo da frequência deverá estar em escala logarítmica. O gráfico deverá ficar parecido com o mostrado na Figura 3. 16 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Figura 6: Resposta em frequência de um filtro passa altas Butterworth de ordem 2. NOTA 1: O passo a passo para a construção do gráfico em Excel está disponível no AVA. NOTA 2: Devido as características deste projeto, a resposta de saída pode ter um comportamento do tipo subamortecido. Esta resposta faz com que o sinal de saída apresente um sobressinal na região de corte, podendo apresentar um ganho de até 2,8, ficando o gráfico como na figura abaixo. fL 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 100 1000 10000 Av f [Hz] 17 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza PROJETO DE UM FILTRO PASSA BAIXAS Dado o circuito da figura 1, projete o filtro ativo passa baixas (FPB) Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais. Sendo o ganho (AV) dado por: 𝐴𝑉 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 = 1 + 𝑅2 𝑅1 = 2,2 Figura 7: Filtro Passa Baixas Butterworth de segunda ordem. Neste esquema, os terminais de alimentação do circuito não são mostrados. Para determinar a frequência de corte do filtro (fH neste caso) pegar o último número do RU do aluno e multiplicar por 2000. Se for zero, escolher o penúltimo número e assim por diante. Exemplo: RU: 45068531 𝑓𝐻 = 1 2𝜋𝑅𝐶 = 𝟏𝑥2000 = 2 [𝑘𝐻𝑧] O resistor R e o capacitor C vão determinar a frequência de corte. Eles têm que ser exatamente iguais (os dois R e os dois C) para colocar os dois polos na mesma frequência (ordem 2). Escolha o capacitor C entre 10 e 33nF e calcule o resistor em função do capacitor escolhido. Para o resistor calculado adotar o resistor de valor comercial mais próximo, exemplo: se o resistor calculado foi de 3kΩ, adotar 2,7kΩ ou 3,3kΩ (não tem problema em adotar um ou o outro). Recalcule a frequência de corte agora com os valores comerciais dos resistores adotados e verifique este valor na Tabela1. 18 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Todos os terras (ou GND) do circuitos deverão estar conectados entre si, fazendo com que não tendo nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles. O ponto central da bateria (terra) deverá estar conectado ao terra do gerador de funções e assim, neste ponto será conectado a ponta de prova do terra do osciloscópio (conector do tipo jacaré). PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1. Ajuste o Gerador de sinais para fornecer um sinal senoidal de 2,5 V de tensão de pico a pico (aproximado), com uma frequência variável. 2. Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 1 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída. Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída. a. A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indica o conector amarelo e a ponta de prova do Canal 2 como indica o conector azul. Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito. b. Para uma frequência do sinal de entrada igual à metade de fH, mostre num gráfico os sinais de entrada e saída. De preferência coloque um print da tela do osciloscópio. Os sinais deverão ficar parecidos com os mostrados na Figura 2. c. Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída, varie a frequência e calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 para cada frequência e preencha a Tabela 1. i. Começe as medições em 100 Hz. ii. Faça umas 3 ou 4 medições até uma frequência 20% inferior a fH. iii. Concentre as medições ao redor de fH. iv. A partir de fH faça 2 ou 3 medições até uma frequência igual ao dobro de fH. 19 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Figura 8: Sinais de entrada e saída do FPA na banda passante. O sinal de saída está em fase com a entrada porque o amplificador é não inversor e tem ganho positivo. 20 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Tabela 1: Resposta em frequência do FPB. 𝒇[𝑯𝒛] 𝒗𝒊 [𝑽] 𝒗𝒐 [𝑽] |𝑨𝑽 = 𝒗𝒐 𝒗𝒊 | 3. Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude (ganho) é 70% da amplitude máxima. 4. Monte um gráfico de AV em função da frequência e verifique a resposta do amplificador. Identifique a banda passante do amplificador. O eixo da frequência deverá estar em escala logarítmica. O gráfico deverá ficar parecido com o mostrado na Figura 3. 21 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza Figura 9: Resposta em frequência de um filtro passa baixas Butterworth de ordem 2. NOTA 1: O passo a passo para a construção do gráfico em Excel está disponível no AVA. NOTA 2: Assim como o filtro Passa Altas, devido as características deste projeto, a resposta de saída pode ter um comportamento do tipo subamortecido. Esta resposta faz com que o sinal de saída apresente um sobressinal na região de corte, podendo apresentar um ganho de até 2,8. DESENVOLVIMENTO ✓ Elaborar um relatório deste experimento utilizando o modelo de relatório fornecido no AVA ✓ Este relatório deverá conter todos os itens solicitados, como objetivo, introdução, fundamentação teórica, metodologia, resultados e conclusões e referenciais bibliográficos. ✓ Incluir fotos dos circuitos, telas de captura das formas de onda e demais resultados obtidos com o osciloscópio ✓ Apresentar todos os cálculos do projeto e demais itens solicitados neste roteiro de procedimentos fH 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 1 10 100 Av f [Hz] 22 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof. Ma. Viviana Raquel Zurro Prof. Dr. Felipe Neves Souza INFORMAÇÕES ADICIONAIS O intuito desta atividade é que você escreva com as suas palavras sobre os assuntos solicitados e aprenda a como escrever um relatório técnico ou um artigo. É importante ressaltar que é considerado plágio quando se usa um texto exatamente igual a um já existente. Acima de 5 palavras idênticas e na mesma sequência em uma frase, essa frase é considerada que foi plagiada. Em um trabalho acadêmico, deve-se ler diversos textos de referência e reescrever com as suas palavras tudo o que foi entendido. É possível fazer citação de trechos de um texto, mas mesmo com citação é preciso ter o cuidado para que o seu trabalho não seja uma cópia idêntica (PORTAL EDUCAÇÃO, 2018). PORTAL EDUCAÇÃO. O Crime de Plágio. Disponível em: , acesso em 11 de junho de 2018.