EletronicaIITrabalhoParte1

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Lista de ilustrações
Figura 1 Esquema do interior de um amplificador de instrumentação. Fonte
(KITCHIN; COUNTS, 2004) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Figura 2 Mostra o gráfico obtido na prática. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Figura 3 Pinagem do AD8221. datasheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Figura 4 Ganho pela frequência do amplificador de instrumentação AD8221. . . 7
Figura 5 Multiplo feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Figura 6 Modulação FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Figura 7 Saída do Circuito Amplificador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figura 8 Frequência de Transmissão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 9 Circuito de todas as conexões. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Figura 10 Circuito do Transmissor FM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Sumário
1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.0.1 Amplificador de instrumentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.0.2 Filtro Multiple Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.0.3 Transmissor FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1 Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.1 Rádio transmissor FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.2 Amplificador de Instrumentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.3 Filtro passa baixas Multiple-Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.4 Interconexão dos três circuitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4 Resultados Analíticos e Discussão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 Conclusão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4
1 Introdução
1.1 Introdução
O circuito implementado no trabalho é composto por três módulos separados
consistindo de um módulo de, opcionalmente, amplificação e também aumento da relação
sinal ruido feita pelo amplificador de instrumentação, seguida de um módulo de puramente
filtragem sendo essa a função do filtro multiple feedback e o terceiro módulo um gerador
de ondas de rádio por meio da modulação em frequência do sinal de entrada.
Um amplificador de instrumentação é um amplificador de entrada diferencial de
loop fechado, com uma saída de extremidade única em relação a um terminal de referência.
Possui resistências de entrada próximas, com um valor muito alto, geralmente superior a
109 ohms. Como um amplificador operacional, um amplificador de instrumentação deve ter
correntes de polarização de entrada muito baixas (correntes fluindo para dentro ou para
fora dos terminais de entrada, normalmente da ordem de alguns nA), e uma impedância
de saída muito baixa (nominalmente alguns miliohms a baixa frequências).
Figura 1 – Esquema do interior de um amplificador de instrumentação. Fonte (KITCHIN; COUNTS,
2004)
Os filtros são circuitos eletrônicos compostos por resistências e capacitores capazes
de deixar passar ou atenuar determinadas frequências. Como por exemplo o filtro passa
baixas mostrado na Figura 2. Os filtros ativos são um tipo específico de filtros, chamados
assim porque em seus circuitos são compostos por amplificadores operacionais realimenta-
dos. Esse tipo tem sido muito utilizado devido a sua facilidade de projeto, possibilidade de
amplificar um sinal baixo e grande flexibilidade de realizar-se mudanças no projeto sendo
muito aplicado no ramo de telecomunicações.
O transmissor de FM é um transmissor de baixa potência e utiliza ondas de FM
para transmitir o som. Este transmite os sinais de áudio através da onda portadora pela
Capítulo 1. Introdução 5
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
Frequência [Hz]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
m
p
lit
u
d
e
 [
V
]
Amplitude x Frequência Multilple-Feedback
Figura 2 – Mostra o gráfico obtido na prática.
diferença de frequência. A frequência da onda portadora é equivalente ao sinal de áudio
da amplitude e o transmissor FM produz uma faixa de 88 a 108MHZ que são captados
pelo aparelhos convencionais.
Algumas vantagens do circuito FM são que os transmissores de FM são fáceis de
usar e o preço é baixo. A eficiência do transmissor é muito alta. Possui uma ampla faixa
de operação. E por fim o transmissor rejeitará o sinal de ruído de uma certa variação de
amplitude.
6
2 Desenvolvimento
2.0.1 Amplificador de instrumentação
O amplificador de instrumentação pode ser usado como amplificador para o sinal do
circuito FM montado pelo grupo em práticas anteriores. Como será parte do trabalho da
disciplina montado ao longo do semestres aqui será implementado o circuito do amplificador
de instrumentação logo em seguida do circuito transmissor FM.
O circuito transmissor FM funcionando será colocado a funcionar tocando uma
música à escolha do grupo e seu sinal de saída deve ser amplificado pelo amplificador de
instrumentação. Como descrito na introdução, um amplificador de instrumentação pode
ser feito usando alguns amp ops em configurações de buffer e subtrator por exemplo com
algumas resistências. Ou de outra forma podemos usar um CI que possui dentro de seu
encapsulamento tal circuito. Nessa prática é usado o CI AD8221 que é um amplificador
operacional com algumas características interessantes
A principal característica de um amplificador operacional é a sua capacidade de
amplificação. Esse CI disponibiliza dois pontos para conectar uma resistência Rg, sendo
essa a resistência de ganho do amplificador. Ela possibilita que o usuário configure um
ganho desejado no circuito, fazendo os cálculos como descrito pelo datasheet.
Logo abaixo segue a equação descrita pelo datasheet para o cálculo da resistência
que define o ganho do circuito.
G = 1 + 49.4kΩ
RG
Na Figura 3 é possível ver a pinagem que o amplificador de instrumentação possui.
E entre elas a pinagem do resistor de ganho. O amplificador de instrumentação irá então
Figura 3 – Pinagem do AD8221. datasheet
amplificar o sinal do circuito que é colocado antes em seus pinos -IN e +IN. Com o seu
Capítulo 2. Desenvolvimento 7
processo interno de realimentação ele é capaz de fazer a rejeição de determinados ruídos,
mas isso tem um preço que é o trabalho em uma menor faixa de frequências. Portanto
para ter uma boa rejeição de ruído ou seja aumento da relação sinal ruído, o ganho deve
ser o mais alto possível. Isso pode ser observado na Figura 4. Logo é preferível colocar no
Figura 4 – Ganho pela frequência do amplificador de instrumentação AD8221.
circuito do rádio uma música que tenha baixar frequências, para que o sinal possa passar
sem grandes problemas, e ter uma boa rejeição do ruído. No caso dessa prática o ganho
esta em torno de 50 logo as componentes de frequência que vão ter o ganho total estão de
0 a 10Hz. As musica tem frequências da ordem de 5k, logo deve-se saber que ela perderá
qualidade mesmo usando o ganho unitário.
2.0.2 Filtro Multiple Feedback
O filtro Butterworth é o melhor compromisso entre atenuação e resposta de fase.
Ele não tem ondulações na banda de passagem ou na banda de parada e, por isso, às vezes
é chamado de filtro maximamente plano. O filtro Butterworth atinge seu nivelamento às
custas de um região de transição relativamente ampla da faixa de passagem para a banda
de corte.
Para a configuração multiple-feedback montou-se o circuito usando dois Amp.Op’s
KF 351 como mostra a figura 5. Na entrada do circuito foi colocado um sinal de excitação
de amplitude 0.1V e paraa alimentação dos amplificadores usou-se uma fonte simétrica
de +15V e -15V com limitação de 200mA. Conectou-se o sinal de excitação na entrada
Capítulo 2. Desenvolvimento 8
Figura 5 – Multiplo feedback
variando-o de 1 a 5kHz, fazendo-se a medição da saída e entrada com o osciloscópio pode-se
analisar o comportamento da Amplitude X Frequência.
2.0.3 Transmissor FM
Para gerar as ondas portadoras de radiofrequência, o circuito do transmissor de
FM requer um oscilador. O circuito do tanque é derivado do circuito LC para armazenar a
energia para oscilações. O sinal de áudio de entrada do microfone ou de algum dispositivo
que toque música como tablet, smartphones ou computadores entram na base do transistor,
que modula a frequência da portadora do circuito do tanque LC no formato FM. O
capacitor variável é usado para alterar a frequência ressonante para modificação fina na
banda de frequência FM sendo assim possível ajustar uma frequência que se encaixe melhor
na zona de transmissão na qual o transmissor está inserido. O sinal modulado da antena é
irradiado como ondas de rádio na faixa de frequência FM e a antena nada mais é do que
um fio de cobre de alguns centímetros de comprimento e calibre variado. Nesse circuito
tipo de circuito, o comprimento da antena deve ser significativo e aqui você pode usar o
fio de cobre de 25 a 27 cm de comprimento da antena.
A modulação FM como o nome indica realiza a modulação em frequência do sinal,
onde a variação da frequência fi ao longo do tempo é capaz de transportar a informação
do sinal por meio de ondas eletromagnéticas sem carregar tanto ruído, pois na maioria dos
canais os ruídos são aditivos e a frequência não é afetada.
Capítulo 2. Desenvolvimento 9
Figura 6 – Modulação FM
10
3 Ensaios
3.1 Materiais
Os itens usados nas práticas para implementação dos filtros são os componentes
comerciais dos filtro e equipamentos de medição descritos a seguir
• cap var 5 - 30pF;
• 1 resistor de 10k;
• 1 resistor de 27k;
• 1 resistor de 470;
• BC337;
• 1 capacitor de 100nF;
• 2 capacitores de 10nF;
• 1 capacitor de 10pF;
• 1 bobina;
• 4 x Amp. Op. KF351;
• 4 x 33KOhms, 20%, Resistor;
• 4 x 47KOhms, 20%, Resistor;
• 4 x 10nF, 20%, Capacitor;
• 4 x 1,5nF, 20%, Capacitor;
• 4 x 2,2KOhms,20%, Resistor;
• 4 x 22KOhms, 20%, Resistor.
• Amplificador de instrumentação AD8221;
• Fonte simétrica;
• Osciloscópio;
Capítulo 3. Ensaios 11
• Pontas de prova e cabos de conexão;
• Multímetro;
• Gerador de sinais;
• Duas fontes DC de pelo menos 15V;
• 1 bateria 9V;
3.2 Métodos
3.2.1 Rádio transmissor FM
O circuito foi alimentado com uma tensão DC de 9V e na entrada do mesmo foi
inserido um sinal senoidal de frequência 1kHz e amplitude de 1Vpp. Com auxílio de um
osciloscópio analisou-se o sinal de saída transmitido pelo circuito coletando-o na antena
do mesmo. Com essa análise foi possível observar a frequência de transmissão do circuito.
Realizou-se também um teste inserindo uma música como sinal de entrada do transmissor
e sincronizando um radio na mesma frequência de transmissão, com isso pôde-se comprovar
que o circuito de fato estava funcionando, já que a música foi captada pelo radio.
3.2.2 Amplificador de Instrumentação
Para a implementação do amplificador de instrumentação fez-se uso de três ampli-
ficadores operacionais e, com o auxílio de uma fonte de tensão configurada como fonte
simétrica oferecendo -15V e +15V realizou-se a alimentação do circuito. O circuito tambem
foi montado em uma PCI (placa de circuito impresso) que recebia como sinal de entrada
a saída do filtro Multiple-Feedback, que tambem atenoava o ruido e entrega um maior
destaque ao sinal a ser transmitido.
3.2.3 Filtro passa baixas Multiple-Feedback
Para a configuração multiple-feedback montou-se o circuito usando dois Amp.Op’s
como simulado em práticas anteriores. Fez-se a alimentação do circuito por meio da fonte
simétrica de -15V e +15V e realizou-se uma checagem das conecções do mesmo. Na entrada
do Filtro foi conectada o cabo P2 para que fosse transmitido o sinal sinal de som desejado,
tambem concetou-se um microfone para que pudessem ser reproduzido ruidos, para que
pudessemos ver melhor a parte de filtragem do circuito. Na saída do circuito foi conectado
o Amplificador de instrumentacao.
Capítulo 3. Ensaios 12
3.2.4 Interconexão dos três circuitos
Após a verificação das conexões, testes e coleta da frequência, realizou-se então a
interconexão dos três circuitos.Alimentou-se os circuitos do filtro passa baixas e amplificador
de instrumentação com a fonte simétrica de +15V e -15V. Inseriu-se na entrada do
amplificador um sinal sonoro. A saída do circuito de amplificação foi acoplada à entrada
do filtro passa baixas. Após a amplificação e filtragem, o sinal resultante na saída do filtro
foi conectado na entrada do transmissor que, alimentado por uma fonte DC de 9V realizou
a transmissão do sinal.Foi feito o aterramento de todos os circuitos conectando o todos o
terras em um mesmo ponto, para que não ocorressem interferências ou possíveis distorções
dos sinais.
13
4 Resultados Analíticos e Discussão
Todo o trabalho foi feito em módulos, simulando-os e testando-os em práticas
anteriores. O ciruito do amplificador de instrumentação e o transmissor já haviam sido
simulados e montados em placas de circuito impresso. Porém, o filtro Butterworth topologia
Multiple Feedback havia sido simulado e montado somente em protoboard portanto, com
a simulação em mãos pode-se realizar a confecção da placa de circuito impresso.
Fazendo-se as conexões com explicado anteriormente conectando-se o amplificador,
filtro e transmissor nesta ordem. Alimentando-se com duas fontes uma simétrica em +15V
e -15 V e outra normal em 9V para alimentação do circuito do transmissor. Inicialmente
teve-se problemas com o aterramento de todos equipamentos e circuitos pois estes estavam
contribuindo com o ruído.
Primeiramente testou-se o circuito de amplificação e como explicado em relatórios
anteriores este estava em perfeitas condições. A figura 7 mostra a saída do circuito.
Figura 7 – Saída do Circuito Amplificador.
Em seguida testou-se o filtro Butterworth topologia Multiple FeedbacK que tem
como função filtar o sinal retirando os eventuais ruídos. A figura 8 mostra a saída do MFB
observou-se que houve a inversão de fase, característica da topologia. Por fim montando-se
os três módulos obteve-se a transmissão FM realizada com sucesso na frequência de
89.5MHz.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 14
Figura 8 – Frequência de Transmissão.
Figura 9 – Circuito de todas as conexões.
Capítulo 4. Resultados Analíticos e Discussão 15
Figura 10 – Circuito do Transmissor FM.
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5 Conclusão
A utilizacao do do filtro Multiple-Feedback e do amplificador de instrumentacao
se fez extremamente necessaria. O filtro multiple-feedback faz com que o sinal do ruido
seja atenuado e o sinal de entrada (sinal desejado) seja mais expressivo na saída do filtro,
alem de proporcinar um ganho ao sistema. Uma das dificuldades encontradas durante o
procedimento foi sintonizar o ganho total dos circuitos de amplificar, filtro e transmissor,
uma vez que um ganho muito alto satura o sinal de saída do transmissor.
Foram notados tambem a nessecidade da utilizacao dos circuitos em placas de
circuito impresso (PCI) separadas, uma vez que o filtro de topologia Multiple feedback
e o amplificador de instrumentacao sao circuitos relativamentes grandes e com varias
conecçoes, facilitando assim a análise de errro e a saída de cada componente. Foi observado
tambem a necessidade de uma montagem organizada e extremamente bem soldada, uma
vez que varios sinais de interferencia (ruídos) fora identificados ao decorrer da montagem
do circuito, assim como a simplicacao e o ajuste dos terras tambem houve uma necessidade
de uma simplificacao maior e mais limpa nas conecçoes entre os circuitos, ja que o uso do
protoboard implica tambem em ruídos.
Portanto com os resultados obtidos, foi possivel observar a eficienciado filtro no
sistema e tambem a necessidade do amplificador instrumentacial, ja que ambos combinados,
proporcionaram um bom ganho, e a qualidade do sinal transmitido.
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Referências
KITCHIN, C.; COUNTS, L. A designer’s guide to instrumentation amplifiers. [S.l.]:
Analog Devices, 2004. 2, 4
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