Laboratório Amplificador de Instrumentação

As atividades deste laboratório visam a familiarização do aluno com as principais características de um amplificador de instrumentação, seu uso e algumas de suas aplicações. Faz uso do Shield Amplificador de Instrumentação desenvolvido pela equipe do Setor de Eletrônica do Instituto de Física da UFRGS com apoio do Centro de Tecnologia Acadêmica.

Referências úteis:


Figura 1: Representação esquemática de um amplificador de instrumentação: duas entradas diferenciais de alta impedância, controle de ganho com um resistor (R_g) e uma saída de baixa impedância.


Figura 2: Indicações dos sinais de entrada e saída do shield Amplificador de Instrumentação e sua conexões aos pinos do Arduino.

Atividade 1: Entradas e saídas e largura de banda do circuito

Conecte o gerador de funções no amplificador conforme a figura abaixo, utilizando o cabo blindado fornecido.


Figura 3: Ligação do sinal do gerador de funções ao amplificador de instrumentação.

  • Configure o gerador para sinais com frequências inferiores a 100 Hz;
  • Com ganho 1 (sem resistor de ganho), configure a amplitude do gerador de função para um sinal na saída de 100 milivolts pico a pico na saída);
  • Verifique o sinal na saída retificada (V_ret);
  • Verifique a largura de banda, ou frequência de corte, do circuito. Realize uma varredura em frequência do sinal.
    • A frequência de corte é considerada aquela na qual o ganho é reduzido em -3db, o que equivale a 70,7% do ganho máximo. Nesta situação a potência do sinal cai pela metade.
      • O gerador de ondas pode não apresentar uma saída com amplitude constante com o aumento de frequência. Utilize um dos canais do osciloscópio para monitorar a amplitude do sinal de entrada.
    • Realize a mesma atividade para ganhos 10.5, 96 e 520 (para resistores de 8k2 ohms, 820 ohms e 150 ohms) e verifique a relação produto ganho * largura de banda = constante;
  • Monte um gráfico de ganho vs. frequência do sinal, indicando a frequência de corte para cada um dos ganhos indicados.
  • Observe a distorção do sinal de altas amplitudes e altas frequências devido ao slew rate.

Offset DC

Aterre as entradas utilizando o cabo blindado e verifique a tensão DC na saída do amplificador com o multímetro para diferentes ganhos. Estime qual o offset DC na entrada do amplificador.
  • Porque este offset DC não é um problema para utilização de sinais gerados por sensores na configuração ponte de Wheatstone com sistema de ajuste de zero?

Qualidade dos cabos, ruido

Aterre as entradas utilizando os cabos trançados, enrolando os cabos em fontes de ruido eletromagnético (celulares, osciloscópio), verificando os valores máximos, mínimos e RMS da tensão da saída com o osciloscópio. Utilize um ganho elevado.

Rejeição de modo comum


Figura 4: Ligação do sinal do gerador de funções ao modo comum das entradas do amplificador de instrumentação para verificação da rejeição de modo comum.

A rejeição de modo comum (Common mode rejection) é definida como a razão entre o ganho diferencial e o ganho do modo comum:

CMR = (G_dif/G_com)

A razão de rejeição de modo comum (Common Mode Rejection Ratio) é dada por

CMMR = 20 * log(CMR) = 20 * log(G_dif/G_com)

Atividade

Determine a CMR e o CMRR para o amplificador de instrumentação da sua bancada para 100 Hz, 1 kHz, 10 kHz, 100 kHz e na frequência de corte do seu amplificador.

Sensores e ponte de Wheatstone

A ponte de Wheatstone é um dos circuitos mais usuais para a geração de sinais diferenciais a partir de sensores de resistência variável. Consiste no equilíbrio entre dois divisores de tensão, sendo que ao menos um deles conectado a um elemento sensor. Para esta atividade foram desenvolvidas placas para montagem de pontes de Wheatstone para conexão ao Shield Amplificador de Instrumentação. Um dos resistores desta placa (R3) está conectado em série com dois trimpots para ajute de zero, conforme o diagrama abaixo.


Figura 5: Diagrama esquemático da placa para construção de ponte de Wheatstone.

Os Jumpers 1 e 2 permitem a escolha de acoplamento capacitivo do sinal á saída. O resistor R3 está conectado em série a dois trimpots multivoltas para ajuste do equilibro entre as pontes para um parâmetro de referência (ex: T=0oC ou Massa=0 kg).


Figura 6: Localização dos componentes da ponte de Wheatstone na placa. Os resistores R1, R3 e R4 podem se conectados pela barra de terminais da lateral.

Sensores disponíveis:

  • Strain Gauge (ou extensômetro)
    • Tipo: PA-09-125AA-350L (350 ohws)
  • NTC
    • Resistência 10 k ohwms a 25oC.

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