cap9b.ppt [Modo de Compatibilidade]
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31/05/2016
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Conversor corrente-tensão
Rin
I
I
IRV fOUT −=
baixamuitoRin →Circuito equivalente
de Norton da fonte de
sinal
Pode-se colocar uma
resistência de valor
R//Rf
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Conversor tensão-corrente
inVR
I
=
1
� Nesse circuito, a carga ZL não fica aterrada e nem ligada diretamenteà alimentação.
� A corrente pode fluir nos dois sentidos em ZL.
Proposta 1:
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
vi
vi + 0,7
iR = vi / R
Para β grande iL≈IR, logo
iL = (1/R) vi
Restrição:
vc = +V – iLRL
+V – iLRL ≥ vi + 0,7 →
RL ≤ (+V – vi - 0,7)/iL
Carga ligada à alimentação (+V)
Obs. A corrente só pode atravessar a carga em um único sentido.
Proposta 2:
Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
Rin
+
Vin
-
Iin
R1 R2
R
Vin
Vin/R1 Vin/R1
Vin(1+R2/R1)
I1=Vin(R2/R1)/R
Iin = -I1 = -Vin(R2/R1)/R Rin = Vin/Iin = -R(R1/R2)
Conversor de
impedância
negativa
Proposta 3:
Circuito auxiliar:
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Elementos condicionadores de sinais
Amplificadores
No circuito anterior, se R1 = R2, Rin = -R
-R
R
ZL
I(s)
V(s) V(s)/R R ZL
I(s)
-R
V(s)/R ZL
I(s)
I(s) = (1/R) V(s)
Conversor
tensão-corrente
NortonThevenin
Obs. A corrente pode atravessar a carga nos dois sentidos.
Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
Conversões:
Sinal DC → Sinal AC → Amplificação → Sinal AC → Sinal DC
Geralmente feito quando:
i. Sensores (R, L ou C) em pontes de deflexão AC
ii. Sensor LVDT
Nesses casos a amplitude de um sinal senoidal varia com a variável sendo
medida
I(t) → variável sendo medida
K → constante que depende do sensor e/ou ponte de deflexão
VS → alimentação AC (da ponte de deflexão, por ex.)
ωS = 2πfS da ordem de alguns KHz
)(tKIVE STh =
tsenVV SSS ω)
=
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Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
I(t) é uma função no tempo
• Se for periódico → decomposto em uma série de Fourier
• Se for não periódico → caracterizado pela transformada de Fourier
Seja I(t) representada por um série de Fourier
com fm de alguns poucos Hz.
Seja
tfsenItI i
mi
i
i π2)(1
∑=
=
=)
iSi IKVV)))
=
( ) ( )tfsentfsenVE si
mi
i
iTh ππ 221
= ∑
=
=
)
tempoocomiaETh var)
Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
I siI ´
)
( )tfsenVV SSS π2)
=
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Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
Considerando a i-ésima componente de ETh
Sinal AM
(amplitude
modulada)
Como sen(A).sen(B) = ½.cos(A-B) - ½.cos(A+B)
módulo
2/iV)
Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
Modulação AM chamada:
AM balanceada, pois com ponte balanceada
Também AM com portadora suprimida
Para ETh:
00 =⇒= ii VI))
→ Deslocou-se o espectro do sinal sendo medido de baixa para altas
frequências.
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Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
é pequeno e será amplificado por um amplificador AC, com
fL < fs-fm e fH > fs+fm
Faz-se com que fL >> 60Hz (diminui-se a interferência da rede elétrica)
iV)
Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
O sinal AM precisa ser demodulado → usa-se um detetor de envoltória
Sinal AM
DetetorRet. Onda
completa
Sinal
retificado Filtro RC Envoltória
Um
exemplo
com RC não
adequado
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Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
Demodulador sensível à fase (PSD → phase sensiHve detector)
I(t)
+I1
-I1
Se houver inversão de fase do
sinal AM em relação a Vs,
inverte-se o sinal da envoltória
na saída do PSD
Sistemas com portadora AC
Super diodo
Se Vi ≥ 0 → Vo = Vi (diodo conduz).
O A. O. fornece a corrente que atravessa R1.
Se confirma a malha fechada e o curto virtual na entrada do A.O.
Vo
Vi
Inclinação
unitária
Elementos condicionadores de sinais
Se Vi < 0 → Vo = 0 (diodo não conduz)
A. O. em malha aberta, então satura em uma tensão negativa.
Como não há corrente em R1, Vo = 0.
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Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
Retificador de meia onda de precisão
– No primeiro semiciclo D1 conduz
– No segundo semiciclo D2 conduz
Vo+
Vo-
Ve
Ve
Elementos condicionadores de sinais
Sistemas com portadora AC
Retificador de onda completa de precisão
Vo
Vi
RR
RL
Vo
Vi
Super diodo
Quando Vo = Vi > 0, a tensão na entrada inversora de AO2 vale Vi, logo satura negativamente.
AO1
AO2
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Sistemas AM → rejeitam interferências externas (com frequências abaixo de fL e acima
de fH) após a modulação (sob a ação de um filtro passa-faixa).
Para sistemas FM (frequência modulada) → frequência do sinal senoidal varia com a
variável sendo medida.
Vantagens:
• Amplitude de um sinal senoidal é mais susceptível às inteferências externas
quando comparada à frequência.
• Contando pulsos em um intervalo de tempo definido, o sinal de frequência pode
ser facilmente convertido para forma digital.
Osciladores são circuitos dinâmicos, com realimentação, que mantêm oscilação
contínua.
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Princípio do oscilador senoidal
Atendidas essas condições, mesmo que a entrada seja retirada, ao se fechar a malha (em A) o
sistema oscilará na frequência ω. Espera-se que em uma única frequência.
O MAIÚSCULO
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Condições para oscilação (critério de Barkhausen) contínua na frequência ω
O sistema terá um par de pólos sobre o eixo imaginário (em ±jω) e não haverá
amortecimento (oscilação mantida). Situação impossível do ponto de vista
prático em circuitos lineares.
Obs. Isso para o caso do diagrama anterior onde a realimentação é
negativa (ou seja, o sinal de realimentação sofre uma inversão de fase
(-180º))
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Sensor
L=Lo+∆L
parasita
Expansão (Taylor) de ωn=L-1/2C-1/2 em torno de L0
(primeira ordem). ωn0 é a freq. com ∆L=0
VO(s)=
G(s)[VI(s)-VF(s)]
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Sensor
C=Co+∆C parasita
Expansão (Taylor) de ωn=L-1/2C-1/2 em torno de C0
(primeira ordem). ωn0 é a freq. com ∆C=0
VO(s)=
G(s)[VI(s)-VF(s)]
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Variações em L (1º circuito) e C (2º circuito) causam variações em ωn.
Projeta-se o circuito para que haja oscilação em ω=ωn.
nn
j
jH
ω
ωξ
ω
ωω
21
1)(
2
2
+
−
=ω=ωn
ξω
2
1)(
jjH n =
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Ex. Sistema de medição de pressão.
para pequenas variaçõesPC ∝∆
Sinal FM
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Exercício: Determinar as condições para o circuito abaixo (oscilador com ponte de Wien) oscilar. Indicar o valor de R2/R1.
Resposta: ω0=1/(RC)e de R2/R1=2
R1 R2
RC
C R
vo
G(s)
H(s)
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Comparação de sinais
+
VI
-
VO
VO
VI
Problema nesse comparador: normalmente causa Bouncing
(Usado para gerar sinais retangulares.)
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Comparadores regenerativos (Schimitt Trigger)
vI
vB
v
-v
vA
vR
vX
-
VI
+
R1
R2
vB
O que dizer da relação entre VB e VA?Realimentação positiva
Não há curto-circuito
virtual entre entradas
inversora e não
inversora
v
-v
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Comparadores regenerativos (Schimitt Trigger)
21
2
21
1
1 Se
RR
RV
RR
RVvvVv RXXB
++
+==⇒=
21
2
21
1
2 Se
RR
RV
RR
RVvvVv RXXB
+−
+==⇒−=
21 XX vv >
Vvvvv
VvvvveVv
BIXA
BIXAB
−=⇒<⇒>
=⇒>⇒<=
0 se mas
0 Se
1
1
Vvvvv
VvvvveVv
BIXA
BIXAB
=⇒>⇒<
−=⇒<⇒>−=
0 se mas
0 Se
2
2
histerese da Largura 221
2
21→
+=−=
RR
RVvvV XXH
( )comparação de média Tensão
221
121 →+
=+
=RR
RV
vvV R
XXM
0V 0V Se MR =⇒=
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
v
-v
vA
vM
vX1vX2
vH
vB
Curva de histerese
21
1
RR
RVV RM
+=
21
22RR
RVVH
+=
Tensão média
Largura da histerese
Observa-se que é um comparador inversor
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
vI
vO
v
-vR1
R2
vA
vO
+
VI
-
E a relação entre VO e VA?
Realimentação positiva
Não há curto-circuito
virtual entre entradas
inversora e não
inversora
v
-v
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
21
1
21
2
RR
Rv
RR
Rvv OAi
++
+=
2
1
21
1
21
2
0 Se
R
RVv
RR
RV
RR
Rv
Vvv
AA
Oi
−>⇒+
−>+
=⇒>
2
1
21
1
21
2
0 Se
R
RVv
RR
RV
RR
Rv
Vvv
AA
Oi
<⇒+
<+
−=⇒<
histerese da Largura 2- 2
1
2
1
2
1 →=
−=
R
RV
R
RV
R
RVVH
O que ocorre se v- (entrada inversora) estiver com tensão VR ≠ 0 ?
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Curva de histerese
vH
vO
vA
v
-v
V(R1/R2)
-V(R1/R2)
2
12R
RVVH =
Largura da histerese
O que ocorre se a entrada inversora
não está aterrada, mas a uma
tensão VR?Observa-se que é um comparador não inversor
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
vI
vO1
vH1
vL1
vI
vO2
vH2
vL2
vA
|VH1| ≠ |VL1|
|VH2| = |VL2|
+
VI
-
R1
R2
R3
vO1
vO2
Diodos
Zener
Para polarizar os
diodos
Na prática os comparadores (ou amp. ops) podem ter
tensões de saturação negativa e positiva diferentes em
módulo. Isso pode ser corrigido com o uso de diodos
Zener
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Além dos osciladores senoidais (que na prática operam com alguma não linearidade) existem os osciladores propriamente não lineares.
Oscilador triangular – gera sinal de onda triangular
Oscilador retangular – gera sinal retangular (dois níveis distintos de tensão).
• Multivibrador astável – não possui nível estável• Multivibrador monoestável – possui um nível estável e um nível instável• Multivibrador biestável – possui dois níveis estáveis (flip-flop)
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Osciladores não lineares – oscilador triangular
va
vb
vz
-vz
Vz(R1/R2)
-Vz(R1/R2)
2Vz(R1/R2)
R1
R2
R3R
C
vb
va
≈ vzComparador
A. O.
Circuito integrador
com constante de
tempo RC
Rtvtiti aRC /)()()( ==
iR
iC
∫ +=t
t
ccC tvdiC
tv
0
)()(1)( 0λλ
∫ −−=t
t
cab tvdvRC
tv
0
)()(1)( 0λλ
+ vc -
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladoresva
vb
t
t
vz
-vz
Vz(R1/R2)
-Vz(R1/R2)
T
T
T/2
T/2
RCR
Rf
1
2
4=
Além de se gerar uma onda triangular, gera-se uma onda quadrada de mesma frequência (multivibrador astável)
tRC
V
R
RVv Z
Zb −=2
1
)2/(2
1 TtRC
V
R
RVv Z
Zb −+−=
)2/(2
1
2
1 TRC
V
R
RV
R
RV Z
ZZ −=−
2
121
2 R
R
RC
T=
RCR
RT
2
14=
RVIVv ZRZa /=⇒=
RVIVv ZRZa /−=⇒−=
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Multivibrador astávelusando porta NAND com
histerese (CMOS 4093)
A porta lógica é alimentada
com a tensão vDD
vS
ve
vT- vT
+
vDD
vDD/32vDD/3
vS
ve
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
vS
ve
vT- vT
+
vDD
vDD/3 2vDD/3
vS
ve
vDD
t
vDD/3
2vDD/3
vS
t0t1
t2
ve
T = t2 - t0
τ = RC
−=
−RC
t
DDe eVtv 1)( ( )RC
tt
DDe eVtv0
3
2)(
−−
=
( ) ( )
−+=
−−−−RC
tt
DDRC
tt
DDe eVeVtv11
13
1)(
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
vDD
t
vDD/3
2vDD/3
vS
t0t1
t2
ve
T = t2 - t0
−=
−RC
t
DDe eVtv 1)(( )
RCtt
DDe eVtv0
3
2)(
−−
=
( )RC
tt
DDe eVtv0
3
2)(
−−
=
( )
DDRC
tt
DDe VeVtv3
1
3
2)(
01
1 ==⇒−−
2ln01 RCtt =−⇒
( ) ( )
−+=
−−−−RC
tt
DDRC
tt
DDe eVeVtv11
13
1)(
( ) ( )
−+=
−−−−RC
tt
DDRC
tt
DDe eVeVtv11
13
1)(
( ) ( )
DDRC
tt
DDRC
tt
DDe VeVeVtv3
21
3
1)(
1212
2 =
−+=⇒
−−−−
2ln12 RCtt =−⇒
Entre t0 e t1:
Entre t1 e t2:
2ln2011202 RCttttttT =−+−=−=
RCRCTf
721,0
2ln2
11≅==
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Exercício: Analisar os circuitos e determinar suas frequências de oscilação.
R1
R2
RC
vS
R1
R2
C
vS
I.sign(vs)
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Os comparadores regenerativos vistos anteriormente são multivibradores biestáveis
acionados por níveis.
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Multivibrador monoestável
Multivibrador monoestável
u y
Estímulos (podem ser por nível ou transição)
t
u
t
y
t0 t1 t0 t1t0+∆ t1+∆
Nível alto (estado instável)
Nível baixo(estado estável)
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Classificação:
• “Redisparáveis” – largura do pulso pode ser estendida se aplicada nova
excitação em menos de ∆ segundos após a primeira excitação
• Não “redisparáveis” – desabilita-se nova excitação enquando um pulso de
saída estiver ativo
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Multivibrador monoastável
usando porta NAND com histerese (CMOS 4093)
vDD vDD
vSve
v1 v2
C
R
(*)(*) o diodo limita a tensão negativa na entrada da segunda porta
(internamente o CI já deve conter um diodo)
Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
T = RC ln(3)
vS
vev1 v2
( )
DDRC
tt
DD VeVtv3
1)(
02
22 ==−−
3
1=
−RC
T
e
3=RCT
e
20 Para ttt ≤≤
( )RC
tt
DDeVtv0
)(2
−−
=
t
T=t2-t0
vDD
ve(t)
vDD
vs(t)
t
t0 t1
t0 t2
vDD
t
vDD/3
2vDD/3
-2vDD/3t0
v1
v2
t2
v1(t),v2(t)
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Elementos condicionadores de sinais
Osciladores
Temporizador ....555: contém os elementos que permitem a implementação de todos os tipos de multivibradores. Basta fazer as ligações externas que ajustam a funcionalidade e o comportamento desejados. Consulte Datasheet.
Diagrama funcional
Elementos condicionadores de sinais
Operação de multiplicação
yxw .=
x
y
wln(w)
+
+
ln(.)
ln(.)
e(.)
( )yxw
yxw
lnlnln
.lnln
+=
=yxew
w.
ln ==
TnV
S
DD
S
DTD
Ii
v
Ii
nVv
=
=
ln
lnDiodo:
+ -vD
iDT
DnV
v
SD eIi =
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Elementos condicionadores de sinais
Operação de multiplicação
Rvi
R
vi
Amplificador logarítmico
Amplificador exponencial
TnV
S
i
i
io RI
v
v
vv
−= ln
T
i
nVv
S
i
io eRI
v
vv −=
Obs. Forte dependência com a
temperatura (devido a IS)
Elementos condicionadores de sinais
Operação de multiplicação
v1
v2
ton
R
C
v
a
0
1
0
v1
T
T
ton
onda triangular
bit de controle
CH1
CH2
Chaves analógicas:a = 0 → CH1 aberta e CH2 fechadaa = 1 → CH1 fechada e CH2 aberta
v
at
t
T
T 2T
2T
v2
ton
TA
vton
2=
T
tvv on
o 1≅
A( )21.
1vv
Avo =
RCT π2
11>>
Filtro passa-
baixa
(1ª ordem)
( )Av << 20