Atividade Prática de Instrumentação Eletrônica

1 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Atividade Prática de Instrumentação Eletrônica Abaixo você encontra o roteiro para a realização dos experimentos práticos da disciplina que contarão com o uso de materiais e equipamentos disponíveis no kit polo e simulações Após realizar as experiências você deverá organizar os resultados em um relatório conforme o modelo de relatório disponibilizado na disciplina e entregar o relatório em pdf através do menu Trabalhos DÚVIDAS FREQUÊNTES 1 AGENDAMENTO Cada experimento é estruturado em três etapas teórica simulada e experimental As etapas teórica e simulada podem ser realizadas em casa Já a etapa experimental requer ferramentas específicas como protoboard multímetro e fontes de tensão que são fornecidas pelo polo Para acessar e utilizar este kit de ferramentas é necessário realizar um agendamento prévio através do menu Avaliações no AVA A atividade prática não precisa ser realizada obrigatoriamente no polo a exigência do MEC é que ela seja realizada de forma prática e experimental Caso você tenha acesso aos equipamentos necessários em casa no trabalho ou outro local você pode utilizar sem a necessidade de ir ao polo ATENÇÂO Não será permitida a execução da parte experimental com software de simulação como Tinkercad por exemplo é obrigatório realizar os experimentos fisicamente 1 2 KIT POLO O polo de apoio presencial possuí KITs com os equipamentos necessários para a realização da atividade como multímetro protoboard e fonte de tensão Porém é necessário adquirir os componentes eletrônicos consumíveis como circuitos integrados resistores capacitores LED e etc Para a utilização do kit Polo é necessário realizar o agendamento através do AVA Sendo assim é recomendado que você não deixe para realizar a atividade nos últimos dias visto que pode ser mais difícil encontrar data e horário disponível para o uso do kit 2 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Equipamentos disponíveis no polo 2 Fontes de Alimentação Multímetro Digital Alicate amperímetro Osciloscópio e Gerador de Sinais Pontas de Prova jacarébanana Protoboard No caso da atividade prática desta disciplina serão utilizados os seguintes equipamentos do polo 1 Fonte de Alimentação Multímetro Digital Protoboard Osciloscópio e Gerador de Sinais Além disso você precisa dos seguintes consumíveis verificar a compra caso você não os tenha CONSUMÍVEIS NÃO FORNECIDOS PELO POLO Qtd Descrição Modelo 1 Amplificador Operacional LM358 ou LM741 Diversos Resistores Valor dependerá do projeto Diversos Capacitores Cerâmicos Valor dependerá do projeto Diversos Fio para conexão na protoboard Os consumíveis podem ser comprados em lojas física ou online de sua preferência Caso prefira A UNINTER tem uma loja online com todos esses consumíveis httpswwwlojaunintercom Realize a compra dos consumíveis até as primeiras duas semanas da fase a fim de não atrasar a realização da sua atividade prática 3 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 3 Fotos dos experimentos no relatório Sempre que elaboramos um relatório é necessário apresentar o máximo de informação possível O relatório precisa ser redigido de forma que o professor responsável pela correção consiga identificar se houve aprendizado Para isso é fundamental que todas as informações necessárias estejam incluídas Isso envolve verificar se os cálculos e equações foram aplicados corretamente se os circuitos foram montados de maneira adequada e por fim se os resultados apresentados estão corretos Para isso é necessário apresentar as equações utilizadas telas de simulação e fotos dos experimentos Não é preciso detalhar todos os cálculos e nem mostrar todas as telas e fotos mas é essencial apresentar o suficiente para demonstrar o que foi realizado e como foi feito Para as fotos da parte experimental apresente um papel com o seu nome e RU escrito à mão ou um documento pessoal junto ao circuito assim comprovando que realmente montaram o circuito como no exemplo abaixo 4 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 2 4 Modelo de relatório O relatório deve ser entregue seguindo o modelo fornecido no AVA Esse relatório deve contar uma breve introdução teórica metodologia discussão de resultados e conclusão Os experimentos podem ser entregues em arquivo único ou arquivos separados Ao postar no AVA certifiquese de que anexou todos os arquivos antes de finalizar 3 5 Simuladores de circuitos Para a realização dos experimentos serão utilizados os simuladores de circuitos LogiSim e SimulIDE Para utilização e instalação destes simuladores confira a aula sobre simuladores no AVA da disciplina As simulações servem como suporte e guia para a realização dos experimentos práticos Sendo assim eu recomendo que realize primeiro as simulações e depois reproduza com os equipamentos do kit Com intuito de aprendizagem recomendo que acessem ao site httpswwwtinkercadcom e utilizem o Thinkercad para simular os circuitos utilizando uma protoboard e entender o funcionamento dela Caso já tenha familiaridade com algum simulador de circuitos ou prefira é permitido utilizar qualquer outro 5 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Experiência 1 Amplificador Inversor OBJETIVO Essa atividade tem como intuito colocar em prática os conceitos de amplificadores operacionais AmpOp abordados na disciplina de Instrumentação Eletrônica e projetar um amplificador inversor Além de aprender a realizar caracterização elétrica de circuitos utilizando instrumentos de medição MATERIAL UTILIZADO Componentes Quantidade Material Utilizado 1 Amp Op LM358 ou LM741 Variados Resistores Equipamentos Ferramentas kit Quantidade Descrição 1 Osciloscópio 1 Multímetro 2 Fontes de Alimentação ou Fonte Simétrica 1 Protoboard 1 Gerador de funções Termo de responsabilidade Disclaimer Os danos que os dispositivos e componentes possam vir a sofrer por falta de leitura dos documentos aqui indicados e cumprimento das recomendações contidas nos mesmos são de total responsabilidade do aluno 6 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Diagrama de pinos do amplificador operacional LM358 LM741 Vcc 7 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza INTRODUÇÃO O amplificador operacional Amp Op tem esse nome porque inicialmente foi projetado para realizar operações matemáticas com o sinal ou sinais de entrada computação analógica Desde sua criação passou por inúmeras melhorias ganhando assim posição de destaque executando as mais variadas funções com um único circuito integrado e poucos componentes externos Estude as Aulas Práticas no AVA e siga exatamente as dicas de montagem dos circuitos PROJETO Escolha um valor de ganho entre 2 VV e 8 VV Dado o circuito da figura 1 projeto os valores dos resistores para que o amplificador inversor tenha o valor do ganho escolhido Sendo o ganho AV dado pela equação 𝐴𝑉 𝑣𝑜 𝑣𝑖 𝑅2 𝑅1 Adote o resistor 𝑅1 entre 1kΩ e 33kΩ e calcule 𝑅2 em função dele Para os resistores calculados adotar o resistor de valor comercial mais próximo exemplo se o resistor calculado foi de 3kΩ adotar 27kΩ ou 33kΩ não tem problema em adotar um ou o outro Recalcule o ganho de tensão utilizando os valores comerciais dos resistores adotados e coloque este valor na Tabela 1 Figura 1 Amplificador inversor Neste esquema os terminais de alimentação do circuito não são mostrados 25V 8 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Segue abaixo um exemplo de como montar o circuito utilizando o LM358 Figura 2 Amplificador inversor montado na protoboard utilizando o LM358 Todos os terras ou GND do circuitos deverão estar conectados entre si fazendo com que não tendo nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles Observe na figura 2 que o ponto central da bateria terra está conectado ao terra do gerador de funções e assim neste ponto será conectado a ponta de prova do terra do osciloscópio conector do tipo jacaré LM358 9 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1 Utilize o LM358 para a montagem do circuito caso não tenha este CI substitua pelo LM741 Observe que os dois CIs possuem terminais diferentes 2 Verifique os terminais do circuito integrado CI e monte o circuito da Figura 1 Certifiquese que a ou as fonte de alimentação e o terminal terra estão nos pinos corretos 3 Conecte a fonte simétrica ao CI sendo 12 V no terminal do Vcc e 12V no terminal Vcc 4 Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 25 V de tensão de pico a pico aproximado com uma frequência aproximada de 1kHz 5 Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 1 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída a A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indicado nas figuras acima Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito b Mostre em um gráfico os sinais de entrada e saída De preferência coloque um print da tela do osciloscópio Os sinais deverão ficar parecidos com os mostrados na Figura 3 levando em conta que o ganho vai ser diferente para cada aluno c Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉 𝑣𝑜 𝑣𝑖 e preencha a Tabela 1 d Varie o formato amplitude forma de onda quadrada triangular dente de serra e frequência do sinal de entrada e verifique o sinal de saída A resposta do sistema é linear Porque Pesquise e Substitua o resistor R2 por um maior com pelo menos o dobro do valor de resistência resistência O que acontece com o sinal de saída se o sinal de entrada é grande Porque Pesquise f Compare o ganho medido com o ganho calculado e explique o resultado Pode ser ligeiramente diferente explique porque 10 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Figura 3 Sinais de entrada e saída do amplificador inversor O sinal de saída está invertido porque o amplificador é inversor e tem ganho negativo Tabela 1 Ganho do amplificador inversor AVcalculado 𝑹𝟐 𝑹𝟏 AVmedido 𝒗𝒐 𝒗𝒊 DESENVOLVIMENTO Elaborar um relatório deste experimento utilizando o modelo de relatório fornecido no AVA Este relatório deverá conter todos os itens solicitados como objetivo introdução fundamentação teórica metodologia resultados e conclusões e referenciais bibliográficos Incluir fotos dos circuitos telas de captura das formas de onda e demais resultados obtidos com o osciloscópio Apresentar todos os cálculos do projeto e demais itens solicitados neste roteiro de procedimentos 11 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza ANEXO 1 Caso o gerador de função apresente uma componente DC na saída conecte um capacitor de 1µF ou 10µF em série com a fonte O capacitor irá funcionar como um filtro DC corrigindo o sinal Experiência 01 12 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Experimento 02 Filtros Ativos OBJETIVO Essa atividade tem como intuito colocar em prática os conceitos filtros ativos Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais Amp Op abordados na disciplina de Instrumentação Eletrônica Além de aprender a realizar caracterização elétrica de circuitos utilizando instrumentos de medição MATERIAL UTILIZADO Componentes Quantidade Material Utilizado 2 Amp Op LM358 ou LM741 Variados Resistores Variados Capacitores Equipamentos Ferramentas kit Quantidade Descrição 1 Osciloscópio 1 Multímetro 2 Fontes de Alimentação ou Fonte Simétrica 1 Protoboard 1 Gerador de funções Termo de responsabilidade Disclaimer Os danos que os dispositivos e componentes possam vir a sofrer por falta de leitura dos documentos aqui indicados e cumprimento das recomendações contidas nos mesmos são de total responsabilidade do aluno 13 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Diagrama de pinos do amplificador operacional LM358 LM741 Vcc 14 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza INTRODUÇÃO Um filtro é um dispositivo projetado para rejeitar ou atenuar determinadas frequências e deixar passar outras Pode ser um dispositivo passivo composto por capacitores resistores e indutores ou ativo composto por capacitores resistores e amplificadores realimentados amplificadores operacionais De acordo com a resposta em frequência eles se classificam em Passa baixas Passa altas Passa faixa Rejeita faixa PROJETO DE UM FILTRO PASSA ALTAS Dado o circuito da figura 1 projete o filtro ativo passa altas FPA Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais Sendo o ganho AV dado por 𝐴𝑉 𝑣𝑜 𝑣𝑖 1 𝑅2 𝑅1 22 Figura 4 Filtro Passa Altas Butterworth de segunda ordem Neste esquema os terminais de alimentação do circuito não são mostrados Para determinar a frequência de corte do filtro fL neste caso pegar o último número do RU do aluno e multiplicar por 100 Se for zero escolher o penúltimo número e assim por diante Exemplo RU 45068531 𝑓𝐿 1 2𝜋𝑅𝐶 𝟏𝑥100 100 𝐻𝑧 15 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza O resistor R e o capacitor C vão determinar a frequência de corte Eles têm que ser exatamente iguais os dois R e os dois C para colocar os dois polos na mesma frequência ordem 2 Escolha o capacitor C entre 47 e 100nF e calcule o resistor em função do capacitor escolhido Para o resistor calculado adotar o resistor de valor comercial mais próximo exemplo se o resistor calculado foi de 3kΩ adotar 27kΩ ou 33kΩ não tem problema em adotar um ou o outro Recalcule a frequência de corte agora com os valores comerciais dos resistores adotados e verifique este valor na Tabela Todos os terras ou GND do circuitos deverão estar conectados entre si fazendo com que não tendo nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles O ponto central da bateria terra deverá estar conectado ao terra do gerador de funções e assim neste ponto será conectado a ponta de prova do terra do osciloscópio conector do tipo jacaré PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 6 Utilize o LM358 para a montagem do circuito caso não tenha este CI substitua pelo LM741 Observe que os dois CIs possuem terminais diferentes 7 Verifique os terminais do circuito integrado CI e monte o circuito da Figura 1 Certifiquese que a ou as fonte de alimentação e o terminal terra estão nos pinos corretos 8 Ligue as baterias 9 Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 25V de tensão de pico a pico aproximado com uma frequência variável 10 Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 1 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída a A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indica o conector amarelo e a ponta de prova do Canal 2 como indica o conector azul Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito b Para uma frequência do sinal de entrada 5 kHz mostre num gráfico os sinais de entrada e saída De preferência coloque um print da tela do osciloscópio Os sinais deverão ficar parecidos com os mostrados na Figura 2 c Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída varie a frequência e calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉 𝑣𝑜 𝑣𝑖 para cada frequência e preencha a Tabela 1 16 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza i Começe as medições numa frequência 10 vezes menor que fL calculada ii Tire 3 ou 4 medições até uma frequência ligeiramente menor que fL calculada iii Concentre as medições ao redor de fL iv A partir de uma frequência 20 superior a fL tire mais 4 ou 5 medições até uma frequência de 20kHz Figura 5 Sinais de entrada e saída do FPA na banda passante O sinal de saída está em fase com a entrada porque o amplificador é não inversor e tem ganho positivo 17 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Tabela 2 Resposta em frequência do FPA 𝒇𝑯𝒛 𝒗𝒊𝑽 𝒗𝒐𝑽 𝑨𝑽 𝒗𝒐 𝒗𝒊 11 Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude ganho é 70 da amplitude máxima 12 Monte um gráfico de AV em função da frequência e verifique a resposta do amplificador Identifique a banda passante do amplificador O eixo da frequência deverá estar em escala logarítmica O gráfico deverá ficar parecido com o mostrado na Figura 3 18 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Figura 6 Resposta em frequência de um filtro passa altas Butterworth de ordem 2 NOTA 1 O passo a passo para a construção do gráfico em Excel está disponível no AVA NOTA 2 Devido as características deste projeto a resposta de saída pode ter um comportamento do tipo subamortecido Esta resposta faz com que o sinal de saída apresente um sobressinal na região de corte podendo apresentar um ganho de até 28 ficando o gráfico como na figura abaixo fL 0 05 1 15 2 25 3 100 1000 10000 Av f Hz 19 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza PROJETO DE UM FILTRO PASSA BAIXAS Dado o circuito da figura 1 projete o filtro ativo passa baixas FPB Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais Sendo o ganho AV dado por 𝐴𝑉 𝑣𝑜 𝑣𝑖 1 𝑅2 𝑅1 22 Figura 7 Filtro Passa Baixas Butterworth de segunda ordem Neste esquema os terminais de alimentação do circuito não são mostrados Para determinar a frequência de corte do filtro fH neste caso pegar o último número do RU do aluno e multiplicar por 2000 Se for zero escolher o penúltimo número e assim por diante Exemplo RU 45068531 𝑓𝐻 1 2𝜋𝑅𝐶 𝟏𝑥2000 2 𝑘𝐻𝑧 O resistor R e o capacitor C vão determinar a frequência de corte Eles têm que ser exatamente iguais os dois R e os dois C para colocar os dois polos na mesma frequência ordem 2 Escolha o capacitor C entre 10 e 33nF e calcule o resistor em função do capacitor escolhido Para o resistor calculado adotar o resistor de valor comercial mais próximo exemplo se o resistor calculado foi de 3kΩ adotar 27kΩ ou 33kΩ não tem problema em adotar um ou o outro Recalcule a frequência de corte agora com os valores comerciais dos resistores adotados e verifique este valor na Tabela1 20 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Todos os terras ou GND do circuitos deverão estar conectados entre si fazendo com que não tendo nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles O ponto central da bateria terra deverá estar conectado ao terra do gerador de funções e assim neste ponto será conectado a ponta de prova do terra do osciloscópio conector do tipo jacaré PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1 Ajuste o Gerador de sinais para fornecer um sinal senoidal de 25 V de tensão de pico a pico aproximado com uma frequência variável 2 Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 1 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída a A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indica o conector amarelo e a ponta de prova do Canal 2 como indica o conector azul Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito b Para uma frequência do sinal de entrada igual à metade de fH mostre num gráfico os sinais de entrada e saída De preferência coloque um print da tela do osciloscópio Os sinais deverão ficar parecidos com os mostrados na Figura 2 c Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída varie a frequência e calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉 𝑣𝑜 𝑣𝑖 para cada frequência e preencha a Tabela 1 i Começe as medições em 100 Hz ii Faça umas 3 ou 4 medições até uma frequência 20 inferior a fH iii Concentre as medições ao redor de fH iv A partir de fH faça 2 ou 3 medições até uma frequência igual ao dobro de fH 21 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Figura 8 Sinais de entrada e saída do FPA na banda passante O sinal de saída está em fase com a entrada porque o amplificador é não inversor e tem ganho positivo 22 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Tabela 1 Resposta em frequência do FPB 𝒇𝑯𝒛 𝒗𝒊𝑽 𝒗𝒐𝑽 𝑨𝑽 𝒗𝒐 𝒗𝒊 3 Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude ganho é 70 da amplitude máxima 4 Monte um gráfico de AV em função da frequência e verifique a resposta do amplificador Identifique a banda passante do amplificador O eixo da frequência deverá estar em escala logarítmica O gráfico deverá ficar parecido com o mostrado na Figura 3 23 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Figura 9 Resposta em frequência de um filtro passa baixas Butterworth de ordem 2 NOTA 1 O passo a passo para a construção do gráfico em Excel está disponível no AVA NOTA 2 Assim como o filtro Passa Altas devido as características deste projeto a resposta de saída pode ter um comportamento do tipo subamortecido Esta resposta faz com que o sinal de saída apresente um sobressinal na região de corte podendo apresentar um ganho de até 28 DESENVOLVIMENTO Elaborar um relatório deste experimento utilizando o modelo de relatório fornecido no AVA Este relatório deverá conter todos os itens solicitados como objetivo introdução fundamentação teórica metodologia resultados e conclusões e referenciais bibliográficos Incluir fotos dos circuitos telas de captura das formas de onda e demais resultados obtidos com o osciloscópio Apresentar todos os cálculos do projeto e demais itens solicitados neste roteiro de procedimentos fH 0 05 1 15 2 25 3 1 10 100 Av f Hz 24 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza INFORMAÇÕES ADICIONAIS O intuito desta atividade é que você escreva com as suas palavras sobre os assuntos solicitados e aprenda a como escrever um relatório técnico ou um artigo É importante ressaltar que é considerado plágio quando se usa um texto exatamente igual a um já existente Acima de 5 palavras idênticas e na mesma sequência em uma frase essa frase é considerada que foi plagiada Em um trabalho acadêmico devese ler diversos textos de referência e reescrever com as suas palavras tudo o que foi entendido É possível fazer citação de trechos de um texto mas mesmo com citação é preciso ter o cuidado para que o seu trabalho não seja uma cópia idêntica PORTAL EDUCAÇÃO 2018 PORTAL EDUCAÇÃO O Crime de Plágio Disponível em httpswwwportaleducacaocombrconteudoartigosdireitoocrimede plagio50044 acesso em 11 de junho de 2018