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.

Esta atividade também visa reforçar a fluência no uso do osciloscópio: calibração, opções de medidas, escalas, e gatilhos (trigger).

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

Nesta etapa você irá se familiarizar com o funcionamento básico do Amplificador de Instrumentação utilizando um gerador de sinais e um osciloscópio. Fará isso utilizando um gerador de funções/sinais, um osciloscópio e um Arduino com o Shield Amplificador de Instrumentação. A fonte de alimentação do circuito será a porta USB do próprio osciloscópio.

É importante padronizar as medidas a fim de efetuar medidas que possam ser reproduzidas. Atenção para os limites de tensão e frequência dos instrumentos utilizados.

Calibração do Osciloscópio

  • Aferir se o osciloscópio está calibrado testando cada ponteira no sinal de 1 KHz gerado pelo próprio equipamento:
    • Verificar se a tensão e o período do sinal indicado no painel do osciloscópio corresponde ao medido. Não utilize escala automática: se familiarize com os botões de escala do equipamento!
    • Caso os valores medidos não correspondam aos indicados, cada ponteira deverá ser calibrada. Para isso conecte cada ponta de prova/canal individualmente no pino de sinal gerado pelo osciloscópio e pressione Check Probe. Isto irá realizar a autocalibração do dispositivo. Certifique-se de informar corretamente o valor de atenuação da ponteira.

Configuração do Gerador de Funções

  • Conecte o gerador de funções ao amplificador conforme a figura abaixo, utilizando o cabo blindado fornecido.


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

  • Conecte uma ponteira do osciloscópio ao sinal do gerador de sinais
  • Configure o gerador para sinais para iniciar a varredura em frequências em 100 Hz;
  • Manter a amplitude do sinal do gerador de sinais (entrada do AI) com valores baixos para evitar efeitos do Slew Rate. (Utilize 100 mV)
Responda:
  • Como o ganho diferencial do amplificador de instrumentação depende da frequência, qual é a forma de onda mais adequada para verificar a largura de banda deste instrumento? Porquê?

Configuração do Osciloscópio

  • Conecte a ponteira do canal sobressalente do osciloscópio àa saída V_out do Shield AI (ver figura 2).
  • Configurar o mostrador de medidas de modo a facilitar a leitura das tensões:
    • Entre no menu de medidas (measure) e selecione tensão pico a pico para cada um dos canais. Para complementar você pode selecionar a medida de frequência para um dos espaços livres do campo de medidas.
  • Ajuste as escalas das medidas com o osciloscópio para a visualização dos sinais de entrada e da saída. (inicie desconectando o resistor de ganho do Amplificador de Instrumentação, para partir de ganho unitário).
  • Ajuste o Trigger do osciloscópio de forma a obter um sinal estável na tela. (utilize o Trigger Menu para ajustar o canal fonte do gatilho e as condições)

Varredura em frequência: Verificação da Largura de Banda do Amplificador em Função do Ganho.

  • 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.
      • Atenção para circuitos que utilizam amplificadores de alta frequência, pois estes podem exceder a largura de banda do osciloscópio.
    • 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 e verifique a tensão DC na saída do amplificador com o multímetro para diferentes ganhos. Estime qual o offset DC na entrada do amplificador.

Responda:
  • 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?

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.