Instrumentação
Eletrônica (INE)
Amplificador Operacional:
Práticas de Laboratório
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo. Campus Catanduva.
Introdução:
Este material visa auxiliar o aluno no desenvolvimento das aulas experimentais da disciplina Instrumentação Eletrônica - INE, com base no equipamento “Kit de Eletrônica Analógica” da empresa EXSTO, disponível em nosso laboratório.
Experimento 01:
- Amplificador Operacional Inversor e Não Inversor.
Objetivos:
Fixar os conceitos aprendidos na teoria;
Analisar o funcionamento dos amplificadores operacionais Inversor e Não inversor. Material Necessário:
Módulo XA100M01.01; Fios e cabos para conexões. Introdução:
O amplificador operacional Inversor e o Não Inversor são os dois mais básicos, pois todas as aplicações derivam dessas duas configurações. O amp. op. inversor utiliza a entrada inversora (-) para amplificação de um sinal de entrada, enquanto que o amp. op não inversor utiliza a entrada não inversora (+).
1. No amplificador não-inversor de sua placa (módulo), fazer o que se pede:
(a) Mostrar as equações usadas para o cálculo do ganho e da tensão de saída para esse amplificador operacional.
(b) Conecte na entrada (IN+) a fonte DC ajustável do kit e aplique um sinal de aproximadamente 1,5V. Ajuste seu trimpot com o valor pedido na tabela abaixo e anote os valores observados na saída do AOP.
2. Para o amplificador inversor de sua placa (módulo), repetir o processo anterior:
Obs.: Nos campos "Teóricos" deve-se preencher através dos cálculos estudados.
3. Aplicar na entrada do amplificador pedido um sinal senoidal da ordem de 1,5V (RMS). Com um osciloscópio nas saídas verificar as formas de onda e desenha-las.
(a) Amplificador Não Inversor:
(b) Amplificador Não Inversor:
Exercícios Propostos:
1. Aplique 5V (DC) nas entradas dos amplificadores (Inversor e Não inversor) e varie os respectivos trimpot da mínima para a máxima resistência. Justifique os valores encontrados na saída.
(RMS). Justifique, com o auxílio de um osciloscópio, o que ocorre com a forma de onda nas respectivas saídas. Desenhe-as.
3. Para ambos os circuitos, aplique uma tensão de 2V (DC) na entradas e vá variando o trimpot. Anote qual a faixa de variação da tensão do sinal de saída para os dois amplificadores em questão.
4. Consulte o manual do LM324 e anote as descrições de cada um dos pinos do CI.
Experimento 02:
- Amplificadores Somador e Diferencial.
Objetivos:
Fixar os conceitos aprendidos na teoria;
Analisar o funcionamento dos amplificadores operacionais Somador e Diferencial. Material Necessário:
Módulo XA100M01.01; Fios e cabos para conexões; Gerador de Sinais.
Introdução:
Amplificador somador inversor é um amplificador operacional inversor com várias entradas e cuja tensão de saída é a soma das tensões de entrada sofrendo amplificação pelo ganho da tensão do circuito.
Amplificador diferencial tem como resultado para a tensão de saída, a diferença das tensões de entrada, multiplicada pelo ganho do amplificador. Em cada uma das entradas, porém, poderemos ter uma soma de sinais, conforme o somador. Neste caso, a tensão de saída será a diferença das somas dos sinais em cada entrada, multiplicada pelo ganho do amplificador.
1. Utilizando agora o amplificador somador de sua placa (módulo) e as fontes DC do kit, faça o que se pede:
(a) Mostrar as equações usadas para se determinar o ganho e a tensão de saída deste amplificador operacional.
(b) Faça os experimentos necessários no módulo para que se possa completar a tabela a seguir: (Utilize um fio para fazer o "jumper" pedido).
2. Com base nos valores obtidos no exercício anterior, porque ao mudarmos o "jumper" de posição, mantendo as condições de entrada iguais, obtemos valores diferentes na saída? Justifique de preferência através de cálculos.
3. Ainda usando o somador, aplique em qualquer uma de suas três entradas um sinal senoidal de 2,5V (RMS). E em outra entrada, a fonte ajustável DC. Aterre a entrada que não esta sendo usada. Feito isso, responda:
(a) Observando o sinal de saída através de um osciloscópio e variando o valor da fonte ajustável, o que pode ser observado?
(b) Desenhe o sinal de saída para o momento em que o nível DC é de 1V. Coloque no seu esboço os valores pertinentes para análise.
4. No amplificador diferencial, conecte na entrada "In1" a fonte ajustável do kit e na entrada "In2" a fonte de +5V. Variando a fonte ajustável meça e marque na tabela o valor obtido na saída para cada valor de "In1".
5. Com o amplificador somador, injete na entrada "In1" um sinal senoidal de 100Hz com 3V (RMS) e na entrada "In2" aplique, através do "Frequency Generator" um sinal de 1kHz. O que foi obtido na saída do somador? Faça o desenho do sinal.
Experimento 03:
Comparadores Schimitt Trigger e de Janela
Objetivos:
Fixar os conceitos aprendidos na teoria;
Analisar o funcionamento dos comparadores Schimitt Trigger e de Janela. Material Necessário:
Módulo XA100M01.02; Fios e cabos para conexões; Gerador de sinais e osciloscópio. Introdução:
O comparador Schimitt Trigger, difere de um comparador normal pelo fato de a sua função de transferência Vo(vin) incluir uma zona na vizinhança da tensão de comutação, popularmente referida como zona de histerese. Já o comparador de janela, fornece uma saída quando a tensão de entrada se situa entre dois valores de referência.
1. Aplique um sinal senoidal de 2,5V (RMS) na entrada "In" do comparador Schimitt Trigger e coloque um dos canais de seu osciloscópio na entrada do comparador e outro canal na saída. Ajuste o trimpot até que o se observe um sinal quadrado na saída.
(a) Desenhe em um mesmo gráfico as formas de onda do sinal de entrada e de saída. Use uma cor diferente para cada sinal.
(b) Explique o porquê do sinal quadrado na saída.
(c) Varie o trimpot levemente, até o instante que o sinal de saída desaparecer. Em seguida aumente o nível do sinal de entrada até que o sinal de saída volte a aparecer. Explique o que ocorreu durante este procedimento. E qual a função do trimpot para o circuito?
(d) Colocando o trimpot no mínimo, podemos dizer que o comparador Schimitt Trigger se comporta como um comparador normal? Justifique.
2. Coloque a fonte ajustável do kit na entrada (IN) do comparador de janela do módulo. Os dois trimpot's que estão no módulo determinam quando a tensão da entrada será entendida como nível baixo "low" (trimpot inferior) e quando será entendida como nível alto "high" (trimpot superior). Ajuste então os trimpot e anote os níveis indicados pelos led's, para cada tensão aplicada na entrada "In". Complete a tabela com os valores.
Exercício Proposto:
1. Experimente aplicar na entrada do comparador de janela um sinal senoidal de baixa frequência, aproximadamente 0,5 Hz, e verifique que dependendo do ajuste dos trimpot`s os três níveis na saída se acenderão em momentos diferentes, seguindo a variação do sinal aplicado na entrada.
Experimento 04:
Filtros (Passa-altas e Passa-baixas)
Objetivos:
Fixar os conceitos aprendidos na teoria;
Analisar o funcionamento dos amplificadores operacionais como filtros. Material Necessário:
Módulo XA100M01.03; Fios e cabos para conexões; Gerador de sinais e Osciloscópio.
Introdução:
Um filtro pode ser construído utilizando-se, apenas, componentes passivos em seu circuito: resistores, indutores e capacitores. Neste caso temos um filtro passivo, o qual não requer alimentação para produzir o resultado desejado.
Enquanto que um filtro ativo, além de componentes passivos, possui também um ou mais componentes ativos para produzir amplificação de tensão e buferização ou isolamento do sinal.
Estes componentes ativos podem ser um transistor ou um amplificador operacional. Os filtros ativos usam a propriedade da realimentação para acentuar as características da filtragem.
O filtro passa-alta atenua as frequências abaixo da frequência de corte do filtro.
O filtro passa-baixa atenua as frequências acima da frequência de corte do filtro.
1. Para os filtros passa-baixa e passa-alta do módulo XA100M01.03, preencher a tabela correspondente. Conecte o gerador de sinais na entrada "In" do filtro analisado e, em seguida, ajuste um sinal senoidal para o valor pedido e com o auxílio de um osciloscópio observe o sinal na saída "Out".
Experimento 05:
Filtros (Passa Faixa e Rejeita Faixa)
Objetivos:
Fixar os conceitos aprendidos na teoria;
Analisar o funcionamento dos ampli_cadores operacionais como _ltros. Material Necessário:
Módulo XA100M01.03; Fios e cabos para conexões; Gerador de sinais e Osciloscópio. Introdução:
O filtro passa-faixa atenua todas as frequências fora da faixa de passagem do filtro. O filtro rejeita-faixa atenua todas as frequências dentro da faixa de rejeição do filtro.
1. Para os filtros passa-faixa e rejeita-faixa do módulo XA100M01.03, preencher a tabela correspondente. Conecte o gerador de sinais na entrada "In" do filtro analisado e, em seguida, ajuste um sinal senoidal para o valor pedido e com o auxílio de um osciloscópio observe o sinal na saída "Out".
Obs.: Antes de fazer as medidas para o filtro "Band Pass", aplique um sinal de 1,5 kHz e 1V (RMS). Ajuste o trimpot até que o nível do sinal na saída "Out" seja o mais próximo possível do nível aplicado na entrada "In" (1V). Com o trimpot ajustado, você já pode realizar as outras medidas pedidas.
2. No filtro "Band Pass" deste módulo, o que estamos fazendo ao alterarmos o valor do "trimpot" do referido circuito?
Experimento 06:
Integrador e Diferenciador
Objetivos:
Fixar os conceitos aprendidos na teoria;
Analisar o funcionamento do Integrador e do Diferenciador. Material Necessário:
Módulo XA100M01.04; Fios e cabos para conexões; Gerador de sinais e Osciloscópio. Introdução:
O integrador realiza a operação matemática chamada de integração, ou seja, sua saída é proporcional à integral da tensão de entrada. Ele pode ser usado na geração de rampas ou na integração de sinais experimentais. Já na saída do diferenciador temos um sinal igual à derivada da tensão de entrada, portanto ele realiza a operação inversa do integrador.
1. Na entrada "In" do diferenciador, aplique o sinal quadrado obtido na saída do oscilador de onda quadrada, conforme mostrado abaixo:
Com auxílio de um osciloscópio na saída "Out" do diferenciador, verifique o sinal obtido. Em seguida, faça abaixo um esboço do sinal de entrada (IN) e de saída (OUT) do diferenciador.
2. Para o integrador proceda da mesma maneira feita anteriormente. Porém, para este experimento, é necessário que se coloque um potenciômetro entre a saída "Out" do oscilador de onda quadrada e a entrada "In" do integrador, de modo a evitar que ocorra saturação do sinal na saída do integrador.
Ajuste o potenciômetro para se ter, aproximadamente, 1 Vpp na entrada "In" do Integrador. Com um osciloscópio na saída do Integrador, verifique o sinal obtido. E, a seguir, desenhe abaixo as formas de onda da entrada (IN) e da saída (OUT) do integrador.
