Experimento 02 - Filtros Ativos Butterworth de 2a Ordem com Amplificadores Operacionais

Próreitoria de EaD e CCDD 1 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Atividade Prática de Instrumentação Eletrônica Experimento 02 Filtros Ativos 1 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 2 MATERIAL UTILIZADO Componentes Quantidade Material Utilizado LPI 1 Amp Op LM358 ou LM741 Boole vários Resistores Edison Equipamentos Ferramentas kit Quantidade Descrição Kit 1 Osciloscópio Analisador Lógico Boole 1 Multímetro Edison 1 Fonte simétrica Edison 1 Protoboard Edison 1 Gerador de funções Boole 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 Próreitoria de EaD e CCDD 2 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Diagrama de pinos do amplificador operacional LM358 LM741 Vcc Próreitoria de EaD e CCDD 3 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 3 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 4 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 1 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 Próreitoria de EaD e CCDD 4 Prof Viviana R Zurro 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 5 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 Ligue as baterias 4 Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 1V de tensão de pico a pico aproximado com uma frequência variável 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 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 Próreitoria de EaD e CCDD 5 Prof Viviana R Zurro 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 2 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 Próreitoria de EaD e CCDD 6 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Tabela 1 Resposta em frequência do FPA 𝒇𝑯𝒛 𝒗𝒊𝑽 𝒗𝒐𝑽 𝑨𝑽 𝒗𝒐 𝒗𝒊 6 Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude ganho é 70 da amplitude máxima 7 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 Próreitoria de EaD e CCDD 7 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Figura 3 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 Próreitoria de EaD e CCDD 8 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 6 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 4 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 Próreitoria de EaD e CCDD 9 Prof Viviana R Zurro 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 7 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1 Ajuste o Gerador de sinais para fornecer um sinal senoidal de 1V 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 Próreitoria de EaD e CCDD 10 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 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 Próreitoria de EaD e CCDD 11 Prof Viviana R Zurro 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 Próreitoria de EaD e CCDD 12 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Figura 6 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 8 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 Próreitoria de EaD e CCDD 13 Prof Viviana R Zurro Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 9 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 Próreitoria de EaD e CCDD 1 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Atividade Prática de Instrumentação Eletrônica Experiência 1 Amplificador Inversor 1 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 2 MATERIAL UTILIZADO Componentes Quantidade Material Utilizado Kit 1 Amp Op LM358 ou LM741 Boole vários Resistores Edison Equipamentos Ferramentas kit Quantidade Descrição Kit 1 Osciloscópio Analisador Lógico Boole 1 Multímetro Edison 1 Fonte simétrica Edison 1 Protoboard Edison 1 Gerador de funções Boole 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 Próreitoria de EaD e CCDD 2 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza Diagrama de pinos do amplificador operacional LM358 LM741 Vcc Próreitoria de EaD e CCDD 3 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 3 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 4 PROJETO Dado o circuito da figura 1 projeto os valores dos resistores para que o amplificador inversor tenha um ganho AV último número do RU do aluno exemplo RU 1122334 Av será igual a 4 se o último número for 0 ou 1 adotar o número 3 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 Próreitoria de EaD e CCDD 4 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 Próreitoria de EaD e CCDD 5 Disciplina de Instrumentação Eletrônica Prof Ma Viviana Raquel Zurro Prof Dr Felipe Neves Souza 5 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 500mV 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 Aumente a amplitude do sinal de entrada para 10V pico a pico 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 Próreitoria de EaD e CCDD 6 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 6 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 Próreitoria de EaD e CCDD 7 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