Fundamentos para Eletrônica e Sistemas de Medidas

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.

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• Eletricidade bEletricidade báásica. sica.

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• CodificaCodificaçção, transmissão, processamento e decodificaão, transmissão, processamento e decodificaçção de ão de informa

informaçção e sinais elão e sinais eléétricos. tricos.

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• Transdutores e sensores. Transdutores e sensores.

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• O mundo analO mundo analóógico e as vgico e as váálvulas. lvulas.

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• AmplificaAmplificaçção, retificaão, retificaçção, modulaão, modulaçção e ão e demodulademodulaççãoão. .

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• O mundo digital e noO mundo digital e noçções de ões de áálgebra de lgebra de BooleBoole. .

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• Medidas elMedidas eléétricas e rutricas e ruíído. do.

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• Dispositivos de medida: Dispositivos de medida: ADCsADCs, , DACsDACs, oscilosc, osciloscóópios, etc. pios, etc.

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• TTéécnicas experimentais: cnicas experimentais: magnetometriamagnetometria, resistividade, etc. , resistividade, etc.

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• AquisiAquisiçção de dados e interfaces.ão de dados e interfaces.

EMENTA

Sum

Sum

á

á

rio

rio

•

• Aula 3Aula 3

–

– Experimento de Velocidade da LuzExperimento de Velocidade da Luz

–

– ModulaModulaçção e ão e DemodulaDemodulaççâoâo

– – CapacitoresCapacitores – – InutoresInutores – – FiltrosFiltros –

– Banda passanteBanda passante

–

– FourierFourier

–

Velocidade da Luz

Velocidade da Luz

• Modulação de amplitude

Capacitores

Capacitores

• Capacitores são elementos elétricos capazes de armazenar carga elétrica e energia potencial elétrica. • Unidade Faraday

+ _{+ + +}

I = dV dt Q = C*V

C Capacitância medida em Farad F

ε ε ε

ε Constante de proporcionalidade F/m

A área das armaduras m²

d distância entre as armaduras m

C = εεεε A d

Indutores

Indutores

• Um indutor é fundamentalmente um armazenador de energia sob a forma de um campo magnético.

•Unidade Henry. _{V = L dI}

Filtro Passa Baixa:

Filtro Passa Baixa:

1 2 10 log 20 A A dB = 1 2 10 log 10 P P dB = 6dB então 3010 . 0 2 log como . 2 Se A₂ = A_{1 10} = ⇒ + 20dB então 10 1 log como . 10 Se A₂ = A_{1 10} = ⇒ +

(

1

)

f 1/2 RC 1 2 / 1 2 2 2 π ω = + = _in out V C R V Decibel : C j Z_C =− /ω ZL = j Lω

Filtro Passa Alta

Filtro Passa Alta

(

)

(

1 (2 )

)

2 ) /( 1 2 1/2 2 1/2 2 in in out V fRC fRC V C R R V π π ω + = + =

Atenuação = -20dB / dec ou - 6dB/octave fase @ -3dB = 45 °°°°

Função do Tempo: Numero Complexo

cos( ) j

o o

0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m pl it u de Tempo 0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m pl it u de Tempo Sinal Modulante: ( )t E ( t) e_m = _mcos ω_m Sinal Modulado: • Alterar uma característica da onda portadora, proporcionalmente ao sinal modulante

Modula

Modula

ç

ç

ão AM

ão AM

0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m p lit u d e Tempo Sinal da Portadora: ( )t E ( t) e_o = _ocos ω_o + • Amplitude Modulada

Modula

Modula

ç

ç

ão em Amplitude

ão em Amplitude

Sinal da Portadora: eo

( )

t = Eo cos

(

ωot

)

Sinal Modulante: e_m

( )

t = E_mcos

(

ω_mt

)

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

( )

(

)

( )

( )

( )

(

) ( )

( )

( )

(

)

cos[

(

)

] 2 ] cos[ 2 cos então ) cos( 2 1 ) cos( 2 1 cos cos : que lembrando cos cos cos cos ] cos 1 [ como cos cos 1 cos ] cos [ cos ] [ t E m t E m t E t e B A B A B A t t mE t E t e t t m E t e m E E t t E E E t e t t E E t e t t e E t e o m o o m o o o o m o o o o m o m o o m m o o o m m o o m o ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω − + + + = − + + = + = + = =       + = + = + = Sinal Modulado:

0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m pl it u de Tempo Sinal Modulado: Espectro de Amplitude: (Wo-Wm) Wo (Wo+Wm) Eo mEo/2 mEo/2 W

m = Em/Eo = índice de modulação

Modula

0

Detector de Envolt

Detector de Envolt

ó

ó

ria:

ria:

0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m pl it u de Tempo 0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m pl it u de Tempo ( )t E ( t) e_m = _mcos ω_m Sinal Modulado 0 2 4 6 8 10 12 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 A m pl it u de Tempo Ação do Filtro R D C Vin Vout Sinal Demodulado Circuito Retificador Sinal Retificado

S

S

é

é

rie de Fourier

rie de Fourier

( ) 1 ( ) .cos( ) .sen( ) 2 : ( ) é a função; é o valor médio de ( ); 2

e são os coeficientes da série de Foourier é a velo o n o n o n o n n o a f t a n t b n t onde f t a f t a b ω ω ω ∞ = = ∑ +

cida angular da função ( )f t

∫ ∫ ∫ = = ⇒ = T o n T o n T o dt t n t f T b dt t n t f T a t f dt t f T a 0 0 0 ) sen( ) ( 2 ) cos( ) ( 2 ) ( de médio valor ) ( 2 ω ω

Enunciado da Série Trigonométrica de Fourier:

• Uma função periódica f(t) pode ser decomposta em um somatória

de senos e cossenos equivalentes à função dada

An

An

á

á

lise Espectrogr

lise Espectrogr

á

á

fica

fica

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 ωo =Fundamental 0 1 2 3 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 3 ωo = 3°°°° Harmônico 5 ωo = 5°°°° Harmônico 0 = DC

Espectro de Ru

Espectro de Ru

í

í

do e Interferência

do e Interferência

10-2 ₁₀-1 ₁₀ 0 ₁₀ 1 ₁₀ 2 ₁₀ 3 ₁₀ 4 ₁₀ 5 ₁₀ 6 ₁₀ 7 ₁₀ 8 0 200 400 600 800 1000 1200 Interferências eletromagnéticas Vibrações Microfonia Variações Térmicas 60 Hz Ruido Branco 1/f D ens ida d e E sp ec tr al (u.. a) Freqüência(Hz)

Ruído Johnson (Branco): fenômeno de flutuação-dissipação Vn(rms)= (4kTRB) 1/2

Ruído Shot: discretização da corrente In(rms)=(2qI_DCB) 1/2

f(Hz)

Ruído 1/f: amplitude varia com o inverso da freqüência

Interferências: podemos atenuar, blindar e isolar