Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de ... - MESONPI

Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de Medidas

Prof.: Geraldo Cernicchiaro geraldo@cbpf.br

O curso pretende apresentar fundamentos físicos para se entender a eletrônica, e as bases de tecnologia moderna, a partir de elementos funcionais como amplificação, modulação, transmissão, demodulação e processamento de sinais elétricos, sem focar tecnicismos, nem sua implementação.

• • Eletricidade bá Eletricidade b ásica. sica.

• • Codificaç Codifica ção, transmissão, processamento e decodifica ão, transmissão, processamento e decodificaç ção de ão de informa

informaç ção e sinais el ão e sinais elé étricos. tricos.

• • Transdutores e sensores. Transdutores e sensores.

• • O mundo anal O mundo anal ó ó gico e as v gico e as v á á lvulas. lvulas.

• • Amplificaç Amplifica ção, retifica ão, retificaç ç ão, modula ão, modula ç ç ão e ão e demodula demodula ç ç ão ão . .

• • O mundo digital e noç O mundo digital e no ç ões de á ões de álgebra de lgebra de Boole Boole. .

• • Medidas el Medidas el é é tricas e ru tricas e ru í í do. do.

• • Dispositivos de medida: Dispositivos de medida: ADCs ADCs , , DACs DACs , oscilosc , oscilosc ó ó pios, etc. pios, etc.

• • Té T écnicas experimentais: cnicas experimentais: magnetometria magnetometria , resistividade, etc. , resistividade, etc.

• • Aquisi Aquisi ç ç ão de dados e interfaces. ão de dados e interfaces.

EMENTA

EMENTA

Sum Sum á á rio rio

• • Aula 4 Aula 4

– – Amplificadores Operacionais Amplificadores Operacionais – – Operaç Opera ções anal ões analó ógicas gicas

– – Amplificador Lock Amplificador Lock in in – – Controle PID Controle PID

– – Digital Digital

– – Álgebra de Á lgebra de Boole Boole

Amplificadores Operacionais Amplificadores Operacionais

• Alta impedância de entrada (R_i ~10 MΩ)

• Baixa impedância de saída (R_th ~75 Ω)

• Alto ganho de Tensão a ( 741 ~ 100000)

• Possibilidade de operar como amplificador diferencial

• Alimentação simétrica

V₁ Entrada não inversora V₂ Entrada inversora

V_o Tensão saida

Alimentação simétrica V_th = a (V1 - V2)

R_o = R_th

Regras de ouro Regras de ouro

• Alta impedância de entrada

• Quando conectado em uma configuração de realimentação negativa, o OpAmp irá tentar mudar a tensão de Vout de modo a deixar as tensões de entrada iguais.

1. Nenhuma corrente irá fluir nas entradas.

2. As tensões, ou seja os potenciais em relação ao terra, nas duas entradas serão iguais.

(v_i − v₂) / R₁ = (v₂ − v_o) / R₂ R₂ (v_i − v₂) = R₁ (v₂ − v_o).

v_o = a (v₁ −v₂) = −a v₂ , pois v₁=0.

R₂v_i + R₂v_o/a = −R₁v_o/a − R₁v_o. v_o = R₂ R₁

v_i

−

Opera

Opera ç ç ões anal ões anal ógicas ó gicas

Circuito somador

v_a/R_a + v_b/R_b + v_c/R_c = −v_o/R₂

Circuito diferenciador

v_o = − R₁ C dv_i dt

v_o = - R₂ (v_a/R_a + v_b/R_b + v_c/R_c)

Circuito Integrador

v_o = − v_i RC

dt

0 t

∫ −

Comparador Comparador

• Se abaixo de um determinado valor saída em nível alto alto

• Converte uma informação analógica em uma informação digital

Amplificador

Amplificador Lock Lock in in

V = A cos (ωωωωt) . B cos (ωωωωt + θθθθ)

= AB cos ωωωωt (cos ωωωωt cos θ θ θ θ - sin ωωωωt sin θθθθ)

= AB(cos2 ωωωωt cos θ θ θ θ - cos ωωωωt sin ωωωωt sin θθθθ)

= AB((½ + ½cos 2ωωωωt)cos θ θ θ θ - ½sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½AB((1+ cos 2ωωωωt)cos θ θ θ θ - sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½AB(cos θ θ θ θ + cos 2ωωωωt cos θ θ θ θ - sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½ABcos θ θ θ θ + ½AB(cos 2ωωωωt cos θ θ θ θ - sin 2ωωωωt sin θθθθ)

= ½AB cos θ θ θ θ + ½ABcos(2ωωωωt + θθθθ) Vin = A cos (ωt)

ω = 2 πf

Vref = B cos (ωt + θ)

Filtro Passa Baixa Multiplicador

Filtro Passa Banda

• Amplifica o sinal que estiver com a mesma fase e freqüência do sinal de referência

• Medida de sinal AC

• Funciona como um Filtro altamente seletivo

• Detecção síncrona

Sinal medido Set

Point

+

-

-

Controle Proporcional Integral Diferencial Controle Proporcional Integral Diferencial

Proporcional + Integral + Diferencial = Sinal de correção

Proporcional Integral Diferencial

Crit Crit é é rios de sintonia rios de sintonia

Parâmetros

de Entrada Cálculo

Fim Medida

do sinal

Conversor Digital/Analógico

Controle PID Digital Controle PID Digital

Conversor Analógico/Digital

Á Á lgebra de lgebra de Boole Boole

“NOT”

A F F = A

1 1 1

0 0 1

0 1 0

0 0 0

F B A

“OR”

A F F = A+B

B

0 1

1 0

F A

1 1 1

1 0 1

1 1 0

0 0 0

F B A

“AND”

A F F = A•B

B

Nome Símbolo Notação

Tabela Verdade

C C ó ó digo bin digo bin á á rio rio

1 0 0 0 0

0 1

0 código

1 2 4 8 16 32

64 128

valor

•Operações Aritméticas (Adição; Subtracção; Multiplicação; Divisão;)

A B S 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1

A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

A S 0 1 1 0

A B S 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0

A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0

A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0

J K Q 0 0 Qa 0 1 0 1 0 1 1 1 Qa

D Q 0 0 1 1

T Q 0 Qa 1 Qa -

- -

S = (A + B) S = (A . B)

S = A S = A + B

S = A . B Notação

Símbolo

Flip- Flop T Flip-

Flop D Flip-

Flop JK NÃO

OU (NOR) NÃO E

(NAND) OU

exclusivo (XOR) NÃO

(NOT) OU

(OR) E

(AND) Nome

S = A B

Blocos l

Blocos l ógicos elementares ó gicos elementares

X Y S C 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1

Bloco somador

S = X Y

E a saída de "vai um" é a função E:

C = X . Y

Contador Contador

Divisão de freqüência Contador assíncrono básico

0 0

1 1

12

1 1

0 1

11

0 1

0 1

10

1 0

0 1

9

0 0

0 1

8

1 1

1 0

7

0 1

1 0

6

1 0

1 0

5

0 0

1 0

4

1 1

0 0

3

0 1

0 0

2

1 0

0 0

1

0 0

0 0

nada

S0 S1

S2 S3

E

S0 S1 S2 S3

clock

S0 S1 S2 S3

C C ó ó digo ASCII digo ASCII

A  (Va) B (Vb) C (Vc) D (Vd) |Vs| (V)

0 0 0 0 0

0 0 0 1 0,625

0 0 1 0 1,25

0 0 1 1 1,875

0 1 0 0 2,5

0 1 0 1 3,125

0 1 1 0 3,75

0 1 1 1 4,375

1 0 0 0 5

1 0 0 1 5,625

1 0 1 0 6,25

1 0 1 1 6,875

1 1 0 0 7,5

1 1 0 1 8,125

1 1 1 0 8,75

1 1 1 1 9,375

Vs = -Rr [ (Va/R) + (Vb/2R) + (Vc/4R) + (Vd/8R) ]

| Vs | = 0/1 + 0/2 + 0/4 + 5/8 = 0,625 V.

Conversor Digital

Conversor Digital -Anal - Analó ógico tipo R gico tipo R - - 2nR 2nR

| Vs | = 0/1 + 0/2 + 5/4 + 0/8 = 1,250.

Conversor Anal

Conversor Anal ó ó gico Digital gico Digital - - ADC ADC

Conversor tipo rampa digital Conversor tipo paralelo

• Byte; Bit; Palavra

• Código (Binário; BCD; ASCII)

• Hardware; Software;

• Linguagem de Alto Nível; Linguagem Assembly; Linguagem Máquina

• Compilador; Interpretador; Assembler

• CPU - “Central Processing Unit”

• Barramento (Endereço; Dados; Control2)

• ALU - Unidade Aritmética e Lógica

• Vírgula fixa; Vírgula flutuante (Mantissa; Base; Expoente)

• Instrução; Programa

• Ciclo de instrução (Busca; Decodificação; Execução)

• Conjunto de instruções

Terminologia

Terminologia Digital Digital

Bibliografia Bibliografia

• Experimental Principles and Methods Below 1K.

Lounasmaa, O.V. (Academic Press: London and New York)

• The Art of Electronics.

P. Horowitz, W. Hill. (Cambridge University Press.)

• Basic Electronics for Scientists.

J. J. Brophy. (McGraw-Hill Kogakusha Ltda.)

• Numerical Recipes on C.

W.P.Press, S.A.Teukolky., W.T.Vetterling, B.P. Flannery.

(Cambridge University Press)

• Experimental Pulse NMR A Nuts and Bolts Approach

E. Fukushima, S. B.W. Roeder. (Addison-Wesley Publishing Company)