Aula 03 - Condicionamento de Sinais e Ruídos

Prévia do material em texto

Carmela Maria Polito Braga, DELT/EE-UFMG
Anísio Rogério Braga, COLTEC-SE/UFMG
Hugo César Coelho Michel, DELT/EE-UFMG
Aula 03
Condicionamento de sinais: amplificadores operacionais, 
ponte de Wheatstone, mecanismos de acoplamento de ruído, 
transmissão em tensão e corrente.
CONDICIONAMENTO DE SINAIS
TRANSMISSÃO EM TENSÃO E CORRENTE
RUÍDOS E FORMAS DE ACOPLAMENTO
ABSTRAÇÕES DE UM SISTEMA DE 
CONTROLE
2
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
u
Controlador
De Vazão
FC
Set point ou Referência
y
Nível 0
AtuadorSensor
C
o
n
tr
o
la
d
o
r
Malha de controle de Vazão
FC
FE
FT
Reator de Jaqueta
(tipo banho Maria)
Vapor
TC TE
TT
Set point ou Referência
Saída de 
Vapor
Entrada 
de água
Entrada de 
Ar e 
Combustível
Camara de 
Combustão
Tubos de 
água
Fumos
A) Representação esquemática do proceso de geração de vapor. B) Fluxograma de Engenharia
FCV
FCV
Sensor de 
Vazão
FE/FT
Sensor de 
Temperatura
C(s)
 z
w +
-
y
G(s)
e u
+
Ruído de 
medição
• Diagrama em blocos de uma malha de 
controle realimentado. 
• A função de transferência G(s) 
representa dinâmicas de sensores e 
atuadores além do processo.
DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE UM SISTEMA 
DE CONTROLE
3
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Processo
P
Controlador
C
Atuador
A

Sensor
S
SP MV
CO
PV
e
y
–
+
e = SP – PV
ADC
DAC
Mundo Digital Mundo Analógico
Software
Firmware
Hardware
Atuador
Processo
Sensor
Caldeira de Vapor
Placa de Orifício 
+ Transmissor de 
Pressão Diferencial
CD/CLP/SDCD Válvula 
Globo
01000111
01001110
01001011
CONDICIONADOR DE SINAL
• Um condicionador de sinal é um elemento capaz de 
converter a saída de um transdutor em um sinal 
elétrico apropriado para um dispositivo transmissor 
e/ou indicador ou registrador.
• Amplifica a potência do sinal do transdutor: transmissão do sinal 
(informação).
• Pode realizar outras funções: integração, totalização, extração 
de raiz quadrada, etc.
• Pode conter unidade de processamento local.
• Processamento digital de sinais.
• Armazenamento de informação local.
4
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
CONDICIONADOR DE SINAL
• Um circuito eletrônico condicionador de sinal pode “tratar” um 
sinal e transmiti-lo de duas maneiras analógicas diferentes: 
• Amplificação do valor da tensão do sinal deste a uma fonte de tensão 
controlada por tensão (FTCT).
• Transmissão analógica em tensão.
• Amplificação do valor da tensão do sinal e adequação deste a uma 
fonte de corrente controlada por tensão (FCCT).
• Transmissão analógica em corrente.
• Existindo uma unidade de processamento local, um circuito 
condicionador de sinal pode fazer, também, uma conversão 
Analógico/Digital com adequação a um dado protocolo de 
comunicação para transmissão digital, via barramento de 
campo.
• Comunicação de alto nível no chão de fábrica.
5
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
INDICADORES
6
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Painel de sincronismo manual
da Usina de Gafanhoto (Divinópolis-MG)
Indicador/totalizador de vazão
Sensor de umidade com registrador
(em arquivo) e com indicação local
Medidor de vibração
Transmissor de vazão
Com indicação local
Indicador Digital Universal
(Euro Term)
INDICADOR E REGISTRADOR
• O dispositivo indicador é o elemento do sistema de 
medição que apresenta uma indicação do valor de 
uma medida.
• Torna o sinal perceptível ao usuário.
• Conhecido como mostrador ou visualizador.
• O dispositivo registrador é o elemento do sistema de 
medição que fornece o registro gráfico de uma 
indicação.
• Apesar de ser quase sempre associado a um elemento de 
memória digital, o registro pode ocorrer de diversas maneiras.
7
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
REGISTRADORES
8
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Painel de controle da usina de Gafanhoto
Registradores de kV e Temperatura
Registradores sem papel
Registradores com papel
PROJETO INTUITIVO DE CONTROLE DE NÍVEL:
RELÓGIO DE ÁGUA DE KTESIBIOS*
9
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
O nível deste reservatório
é regulado (mantido
constante)
Gotejamento de água
com vazão constante
O nível do reservatório principal 
aumenta linearmente com o tempo
Conversão de escala de nível para
tempo (variação proporcional)
* Matemático e engenheiro grego, que viveu
em Alexandria cerca de 285 – 222 a.C.
Considerado o fundador da escola de 
matemática e engenharia de Alexandria, onde
era, provavelmente, também o primeiro
diretor do Museu de Alexandria.
SISTEMA DE MEDIÇÃO
10
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
PW A
F
N
B
14,5 N
ID
N -> Núcleo de material ferroso
B -> Bobina
PW -> Circuito detector de variação de indutância (Ponte)
A -> Circuito amplificador
ID -> Indicador Digital
SISTEMA DE MEDIÇÃO
11
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
transdutor
unidade de 
tratamento do sinal
dispositivo mostrador
força
deslocamento
indutância
tensão
TENSÃO
indicação
mola
N/B
PW
A
ID
sinal de 
medição
sensor
SENSOR COM TRANSMISSÃO ANALÓGICA
EM CORRENTE
12
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Elemento sensor e transmissor em corrente
Fonte de Alimentação
- +
Computador 
+
_
+
_
250W ii
io
Sensor Primário
Fonte de sinal Vs
[1V£ Vs £ 5 V]
BC327
Cabo tipo
Par-Trançado
com blindagem
Laço de corrente
4 a 20mA
250W Vo
Ro
24V
Resistor 
250 Ohms 
Sensor de Temperatura
+
-
Laço de Corrente
 4 a 20mA
ADC
Rede 
Elétrica 
127V/220V
Fonte de Alimentação
24V
Sensor imerso em 
vasilha com água
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
USO EM CONDICIONAMENTO DE SINAIS
• Amplificador Operacional
• São condicionadores ativos capazes de aumentar a potência 
de um sinal através do aumento da amplitude da sua tensão 
ou corrente.
• Princípios básicos de operação:
• Amplificação: a amplitude do sinal de saída é aumentada em 
relação ao sinal de entrada do circuito.
• Realimentação: um sistema realimentado é aquele que utiliza 
informações da saída para controlar os estados do sistema.
13
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
VoVi
A
Am pl i ficador
VoVi
B
Ganho da 
rea l im entação
A
Am pl i ficador
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
USO EM CONDICIONAMENTO DE SINAIS
• Ganho do amplificador ideal em malha aberta:
• Vo representa a tensão de saída
• A representa o ganho diferencial
• V1 representa a tensão da entrada não inversora
• V2 representa a tensão da entrada inversora
14
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
+
– A
V1
V2
Amplificador
Operacional
VoErro
)( 21o VVAV 
i
o
V
V
A 
(1)
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
USO EM CONDICIONAMENTO DE SINAIS
• Circuito Integrado Amplificador Operacional
• Símbolo de Circuito
15
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
	
U1
3
2
7
4
6
1
5
+
-
V
+
V
-
OUT
N1
N2
Identificação dos Pinos:
Pino 2: Entrada Inversora
Pino 3: Entrada Não-Inversora
Pino 6: Saída
Pino 4: Alimentação Negativa (-Vcc)
Pino 7: Alimentação Positiva (+Vcc)
Composição interna: Transistores, resistores e capacitores implementamblocos básicos 
(amplificador diferencial, estágio de alto ganho, seguidor de tensão).
Ex.: LM741,Tl071 e LM324 (com 4 AmpOPs) 
AMPLIFICADOR OP EM MALHA FECHADA
• Amplificador Operacional
• É um Controlador Proporcional com ganho muito alto (>100k) e, 
portanto, quando devidamente realimentado produz um sinal
de erro (E) muito pequeno entre as entradas.
• O Amplificador Operacional manipula a saída Vo para que o 
sinal V2 acompanhe o sinal V1 (referência).
16
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Suposições teóricas:
- O bloco de diferença na entrada não drena energia dos sinais V1 e V2.
- O ganho A do amplificador é muito alto (> 100.000).
+
– A
V1
V2
Amplificador
Operacional
VoErro
AMPLIFICADOR OP EM MALHA FECHADA
• Ganho do amplificador realimentado:
17
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
21 VVE 
)( 21o VVAV 
o2 VKV 
1o )1( VAAKV 
(2)
(3)
(4)
(6)
(7)
Fazendo A>>1, tem-se:
 
K
K
V
V 11
1
o 

(8)
)( o1o KVVAV 
AK
A
V
V


11
o
Esta foi a grande contribuição do engenheiro 
eletricista H. S. Black em 1927, Bell Laboratories. 
A sua meta era reduzir as não-linearidades 
construtivas de circuitos amplificadores.
Harold S. Black
(1898-1983)
V
1
Ganho da 
realimentação
A
Amplificador
V
2
E Vo
K
(5)
AMPLIFICADOR OP EM MALHA FECHADA
• Invertendo uma função matemática com a 
realimentação:
18
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
21 VVE 
)( 21o VVAV 
)( o2 VfV 
1
o
o
o
)(
1 VA
V
Vf
AV 








(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Fazendo A>>1, tem-se:
(9)
)( o
1o
o
Vf
VV
V


)()( 1
1
oo1 VfVVfV

(8)
))(( o1o VfVAV 
o
o
1
o )(
1
V
Vf
A
AV
V


V
1
Ganho da 
realimentação
A
Amplificador
V
2
E Vo
f(Vo)
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
TOPOLOGIAS BÁSICAS
• Amplificador Inversor: • Amplificador Não-Inversor:
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG 19
i1
if
Vi
Vo
v2
ie
i
f
o V
R
R
V
1

v1
v2  v1  0 
f
o
f
i
1f1
R
VV
i
R
V
iii

 1
1
Alta impedância de entrada
Curto-Circuito Virtual 
Vo=A(V1-V2) -> A >>1 i1
ii
Vi
Vo
if
Vx
ixf1
f
xo
f
x
1
VVii
R
vV
i
R
V
i



1
Alta impedância de entrada
iifo
f
ioi VRVRVR
R
VV
R
V
11
1



i
f
o
V
R
R
V









1
1f
oi
R
VV
R
V 
 1
1
Revisão
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
TOPOLOGIAS BÁSICAS
• Amplificador Seguidor de Tensão:
• Conhecido também por Buffer.
• Se na configuração não-inversora 
Rf -> 0 e R1 ->
• Amplificador Somador de Tensão:
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG 20
io
VV 
Vi 
Vo
i
f
o
V
R
R
V









1
1
R1
+
_
Rf
Op-amp
R2
R3
Vo
321 iiii f 
i1
i2
i3
V2
V1
V3
if
3
3
3
2
2
2
1
1
1
R
V
i
R
V
i
R
V
i 
Alta impedância 
de entrada
V2
V1
f
o
f
oe
R
V
R
Vv
i 

 2f
3
3
2
2
1
10
R
V
R
V
R
V
R
V
f

Para R1= R2= R3=Rf
3210 VVVV 
Revisão
AMPLIFICADORES OPERACIONAIS
TOPOLOGIAS BÁSICAS
• Amplificador Diferencial:
21
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
1
43
4
21
2
V
RR
R
v
R
VV
R
vV
ii
x
oxx
21






Alta impedância 
de entrada
2
1
43
4
1
1
43
4
2
R
VV
RR
R
R
V
RR
R
V o















2
1
2
1
43
21
1
4 V
R
R
V
RR
RR
R
R
V
o











 
21
1
2 VV
R
R
V
o

i1
V2
Vx
V1
i2
Vo
Ve2
Ve1
Para R1=R3 e R2=R4
Revisão
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
• Todos os tipos de amplificadores são usados em instrumentação, 
mas uma configuração particular recebe o nome de amplificador 
de instrumentação para distingui-la de circuitos com 
amplificadores operacionais simples. Principais características: 
• Alta razão de rejeição em modo comum, alta impedância de 
entrada, deriva e ruído baixo, largura de faixa moderada, e uma faixa 
de ganho limitada.
22
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
i1=0
V1
VxV2
Vo
i2=0
i5
iG
i6
VA
VB
 12
1
2 21 VV
R
R
R
R
V
G
o 








Para R1=R3 ; R2=R4 e R5=R6=R
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
• Amplificador de instrumentação com ajuste de offset: 
23
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Como VR aparece na expressão do ganho como uma soma, pode-se obter 
várias funções de transferência simplesmente manipulando-se o valor de VR
(inclusive controladores PI, PD e PID analógicos). 
  R
G
o VVV
R
R
V 







 12
2
1
+
_
Op-amp
Vo
+
_
R5
Op-amp
R6
+
_
RG
Op-amp
R1
+
_
R2
R3 R4
Op-amp
V1
V2
Vo
-VCC
+VCC
VR
AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO
VANTAGENS
• A simetria dos dois amplificadores não-inversores na 
entrada garante uma altíssima impedância para 
ambas as entradas, inversora e não-inversora.
• Com um projeto adequado, o ganho do circuito é controlado 
apenas por um resistor (RG), que se for variável permite uma 
faixa de ganho variável.
• A rejeição de ruído de modo comum na entrada é 
praticamente perfeita, uma vez que um sinal igual nas duas 
entradas significa uma corrente nula no resistor RG.
• Devido a sua grande aplicabilidade, os fabricantes deste 
amplificador disponibilizam modelos com baixíssimo ruído, offset 
de saída e drift devido a aquecimento e tempo de 
funcionamento. 
• Ex.: INA111 da TI INA 333 da TI
24
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
O CONCEITO DE CIRCULAÇÃO
• O que acontece ao
cidadão corajoso que se 
conecta aos dois circuitos
ideais ao lado?
• (a) Subitamente eletrocutado.
• (b) Absolutamente nada, pois
não há circulação de cargas
elétricas por ele.
• (c) Só sei que não seria
voluntário para a verificação
experimental.
25
1000Vac10Vcc 10 W 1000 W
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
A CORRENTE CIRCULA EM CIRCUITOS 
FECHADOS
• Se o circuito for ideal, nada acontecerá ao 
voluntário, pois não há caminho fechado para a 
corrente circular por ele.
• Se o circuito for real, é bom lembrar que todos 
nós estamos eletricamente conectados, como 
afirmou J. C. Maxwell.
• A corrente de deslocamento circula por 
capacitores (literalmente um circuito aberto para 
corrente contínua, mas fechadíssimo para corrente 
alternada, embora seja um caminho de alta 
impedância).
• Sabendo que o fio Terra é conectado ao 
terminal de neutro no padrão de entrada de 
energia elétrica, qual é a diferença entre o fio 
Terra e o fio de Neutro numa instalação elétrica?
• (a) Nenhuma, pois estão curto-circuitados de fato.
• (b) O fio neutro transporta corrente de retorno e o 
fio Terra somente correntes de fuga acidentais.
• (c) O fio Terra é completamente desnecessário, pois 
na minha casa não tem e ninguém morreu por 
causa disto.
26
1000Vac10Vcc 10 W 1000 W
Cparasita
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
DIFERENÇA ENTRE O CIRCUITO DE RETORNO DO 
NEUTRO E O CIRCUITO DE PROTEÇÃO COM FIO
TERRA
• Na instalação de um chuveiro, a 
corrente de carga retorna pelo neutro.
• Qualquer corrente de fuga que atinja
a carcaça do chuveiro, que está
aterrado, encontra um caminho de 
menor impedância pelo circuito de 
Terra para retornar.
• Sem circuito de aterramento da 
carcaça do chuveiro, um dos 
caminhos para qualquer corrente de 
fuga passa pelo cidadão que estáse 
banhando!
• Limiares de circulação de corrente
elétrica pelo corpo humano
• 1mA: limiar de sensibilidade
• 6mA a 23mA: limiar de “não-largar” 
• 38,5mA: limiar de efeitos danosos ao
corpo humano
• O corpo humano é mais sensível à
corrente alternada (que causa
sensação de formigamento acima de 
1mA) que a corrente contínua (que
causa sensação de aquecimento
acima de 5mA).
27
Caixa 
D’água
Pessoa 2
Caixa 
D’água
Pessoa 2
Neutro
Fase
Rchuveiro
Esta corrente de fuga que circularia através do cidadão é 
minimizada se houver um bom circuito de aterramento.
RCorpo
FA
FB FC
RAterramento
<10W
Fio Terra
Corrente de 
carga que 
circula pelo 
neutro
Rede Elétrica
127VCA, 60Hz
Rcorpo
1k-3k
RAterramento
RChuveiro
RCarcaça
RFio terra
FASE
NEUTRO Rfio terra << Rcorpo
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
TRANSMISSOR EM CORRENTE - 4 A 20MA
• Circuito básico de conversor de tensão em corrente
• O Amp. Op. manipula a tensão na base do transistor BJT de forma a igualar as 
tensões em suas entradas positiva e negativa. Assim a corrente que circula pelo 
resistor de 250Ω, internamente no sensor será I=Vi/250.
• Embora o operacional (i.e. controlador proporcional) compense as variações 
na tensão de alimentação deve-se minimizar tais perturbações, e.g. usando 
cabo com par-trançado e blindagem para transmitir o sinal em corrente.
28
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
 
A
0 
- 
+ 
CLP 
 
 
250W 
250W 
 
+ 
vi 
 
- 
+24V 
Transmissor 
I 
 
R
V
I i e neste caso 
W 250R . 
Para Vi variando entre 1V e 5V 
tem-se I variando entre 4mA e 
20mA. Note que a corrente 
independe de variações na fonte de 
tensão de +24V e da impedância 
das conexões e cabos. 
 
𝑰
XTR105: 4-20MA CURRENT TRANSMITTER WITH 
SENSOR EXCITATION AND LINEARIZATION
29
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
XTR105
 low unadjusted error
 two precision current sources 800 mA each
 RTD or bridge excitation
 linearization
 two or three-wire RTD operation
 low offset drift: 0.4 V/°c
 low output current noise: 30 nAp-p
 high psr: 110 dB min
 high CMR: 86 dB min
 wide supply range: 7.5V to 36V
CIRCUITOS EM PONTE
• Muitos sensores “informam” a alteração de alguma variável física como uma 
mudança de resistência, capacitância ou indutância.
• Uma ponte de medição tem como objetivo converter variações de impedância 
em tensão. 
• Dois métodos de detecção podem ser utilizados na construção de pontes de 
medição: 
• Detecção de Zero: impedância igual a de referência, a tensão de saída é zero; 
• Deflexão: variações de tensão indicam variações de impedância. 
30
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Z2
Z1
Vi A B
Z4
Z3
V
Z2
Z1
Vi A B
Z4
Z3
V
No método de detecção de zero, um dos braços da 
ponte é ajustado até se alcançar a condição de equilíbrio. 
Portanto, este método é imune às variações da ponte.
No método de deflexão, o desequilíbrio da ponte é 
medido diretamente.
V0
V0
CIRCUITOS EM PONTE
• Para sensores com principio de medição baseado em 
impedância puramente resistiva, o circuito em ponte recebe 
excitação em tensão/corrente contínua (VCC e ICC).
• Para sensores com principio de medição baseado em 
impedância capacitiva, ou indutiva, o circuito em ponte recebe 
excitação em tensão/corrente alternada (VCA e ICA).
• Circuitos em pontes para transdução de sensores indutivos necessitam que a 
frequência da fonte de excitação seja consideralvemente maior que para 
sensores capacitivos, devido à natureza de suas reatâncias. Caso contrário, a 
sensibilidade do transdutor é reduzida.
31
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Sensor Capacitivo Sensor Indutivo
Sensor LVDT
Linear Variable 
Diferential Transformer 
1 2
CIRCUITO EM PONTE CC
• Extrair a informação de um circuito em ponte com excitação CC é 
simples, e as etapas de condicionamento posteriores consistem em
amplificação diferencial e transmissão em corrente.
32
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Fonte de corrente
para 4 a 20 mA
Impedância simulada de um 
Cartão Analógico 4 a 20 mA
Circuito em Ponte DC 
Sensor de Pressão
Piezoresistivo
Ponte de strain gages
Conversão de 24VDC em +12 e -12VDC
Pode-se utilizar da própria fonte de 
24VDC do loop transmissão para 
alimentar o condicionador de sinais.
Condicionador + Transmissor 4@20 mA para um Sensor de Pressão (0 a 50 kPa – 4 a 20 mA)
PONTE DE WHEATSTONE
• Os circuitos em ponte, principalmente a Ponte de Wheatstone, são 
muito usados para medir resistência, capacitância e indutância por 
meio do balanceamento de tensões. 
• Configuração de ponte mais utilizada. 
• Equação geral: 
• Quando a tensão eAC for igual a zero, em relação a um dos polos da 
fonte VEX, tem-se o balanceamento (condição de equilíbrio):
• Isto torna a medição de R4 dependente 
apenas das resistências R1, R2 e R3.
33
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
EX
41
4
32
3
cA V
RR
R
RR
R
VVeAC 











3142 RRRR 
4
1
3
2
R
R
R
R

R2
R1
Vi A B
Rx
Ra
V c
B
D
R2
R3
R1
R4
VEX
eAC
PONTE DE WHEATSTONE
• Valores de resistores típicos para PW se encontram entre 1 e 10k 
• Pontes de Alta Impedância são consideradas para valores de resistores acima 
de 10kΩ.
• Circuitos que utilizam essas pontes estão sujeitos a efeitos de carga e, com isso, resposta 
não linearidade com a excitação. 
• Pontes de Baixa Impedância são consideradas para valores de resistores 
menores que 1kΩ.
• Circuitos que utilizam essas pontes exigem excitação de maior potência (acima de 
25mW) e, com isso, o uso de uma fonte auxiliar, o que acarreta em transmissão do sinal, 
em correte, a 3 ou 4 fios. 
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Como realizar ajuste
de zero em uma
ponte com todos os
resistores variáveis?
Circuito em ponte onde um amplificador de instrumentação (e.g. INA114) é usado para medir 
a tensão de desequilíbrio, eAC. Trata-se de uma ponte de strain gauges de baixa impedância, 
no qual os quatro resistores são variáveis e menores que 1kΩ.
34
PONTE DE WHEATSTONE
• Tendo como exemplo de pontes com strain gages (para células de carga ) 
na condição de equilíbrio tem-se R1=R2=R3=R4=R. Além disso, os strain gages
são montados de forma que as variações das resistências sejam tais que:
• +R1 = – R2 = R3 = – R4
• Assim a equação geral de eAC é dada por:
• E o resultado final é a saída eAC linearizada:
• Mesmo quando a simetria acima não existe, a resposta da ponte é quase 
linear na medida em que os R’s são pequenas porcentagens dos R’s. Nos 
strain-gages, por exemplo, os R’s raramente excedem 1% dos R’s.
35
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
EXAC V
RRRR
RR
RRRR
RR
e 











)()()()( 4411
11
3322
22
EX
R
AC V
R
e 1


VEX
VEX R1
R2
R3
R4
Sensor de Pressão 26PCA FA6D
Honeywell
PONTE DE WHEATSTONE
• Sempre busca-se a linearização de eAC utilizando
quatro extensômetros.
36
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
R1 e R2
CIRCUITOS EM PONTE CA
• Já um circuito em ponte com excitação AC exige mais etapas
para transdução e posterior condicionamento até a transmissão
em corrente. Pode-se listar:
1. Osciladores: Pensando em uma alimentação de 24 VDC (do próprio loop de 4a 
20 mA), é necessário que o projeto de circuitos osciladores para a excitação. 
• Em muitos casos de excitação AC o principio de medição exige que a forma 
de onde seja senoidal, e.g., LVDTs.
2. Filtros: presença de ripple residual de osciladores, a pré-amplificação
aumentará o nível de ruídos de alta frequência.
3. Deslocadores de fase: necessários para correção de fase de sinais devido à 
filtragem, ou mesmo ao principio de medição, e.g., LVDT.
4. Retificadores: o sinal proveniente do transdutor é alternado, logo, a informação
pode ser extraída a partir do sinal retificado. 
5. Demoduladores: o sinal proveniente do transdutor é alternado, e a variação de 
impedâncias (capacitiva/indutiva) gera uma modulação em amplitude e/ou
frequência (AM / FM). Logo a informação será extraída pela demodulação
(AM / FM), do sinal.
• Após as etapas descritas, tem-se um sinal contínuo entregue à 
fonte de corrente para a transmissão em 4 a 20 mA. 
37
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
CIRCUITOS EM PONTE CA
• No circuito abaixo, cada seta indica o “encapsulamento” de um 
circuito responsável por uma etapa do condicionamento.
• Observe a complexidade do circuito de ponte CA comparado a um circuito de 
de Ponte CC (slide 15).
38
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Condicionador + Transmissor 4@20 mA para um Sensor de Deslocamento Linear Capacitivo
de Área Variável (0 a 25mm – 4 a 20 mA)
Fonte 24VDC
+12 e -12VDC
Circuito em Ponte AC
Demodulador Lock-in
Ajuste de Zero
Transmissor 4 a 20mA
Filtro Passa Baixa
Amplificador de 
Instrumentação
Oscilador
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
MODULAÇÃO EM AMPLITUDE - AM
• Sinal modulante
• Portadora
39
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
tAv sss sin
   
    
      osposppsAM
spsp
ps
AM
ppssAM
tt
AA
v
tt
AA
v
tAtAv
90sin90sin
2
coscos
2
sinsin






tAv ppp sin
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
DEMODULAÇÃO EM AMPLITUDE - AM
40
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Modulação em Amplitude (AM)
Tipos de Demodulação
em Amplitude
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
DEMODULAÇÃO EM AMPLITUDE - AM
• Amplificador Síncrono: Lock-in
• Um detector Lock-In é um detector sensível a fase 
seguido de um filtro passa-baixas RC.
• Um Lock-In age como se fosse um filtro extremamente sensível 
e seletivo alimentando um detector sensível a fase.
• É utilizado na detecção de sinais imersos em ruído.
• Princípio de funcionamento do amplificador síncrono:
41
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Switch
Sinal modultante
Sinal
demodulado
Sign
Portadora
PSD1
1
Ti.s+1
Filter1
K
Amplificador -1
-1
+1
+1
Sinal de Ref erencia
de f reqüência f r
Sinal
modulado
Vo
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
DEMODULAÇÃO EM AMPLITUDE - AM
• Exemplo de recuperação de informação com um 
detector (demodulador) Lock-in:
42
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
DEMODULAÇÃO EM AMPLITUDE - AM
• Exemplo de recuperação de informação com um 
detector (demodulador) Lock-in com sinais imersos em 
ruído:
43
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
MODULAÇÃO EM FREQUÊNCIA - FM
44
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Sinal modulante=0 (passa baixa frequência)
Sinal modulante=1 (passa alta frequência)
MODULAÇÃO E DEMODULAÇÃO DE SINAIS
DEMODULAÇÃO EM FREQUÊNCIA - FM
• Circuito de Condicionamento com PLL (Phase Locked Loop) 
• O que o Amplificador Operacional tem em comum com um PLL? 
• Ambos usam realimentação!
• O AmpOp usa realimentação para amarrar Amplitude e
• O PLL amarra a fase (ou frequência).
• Exemplos de aplicações do PLL: Multiplicador/Divisor de frequência (Celulares) e Demodulador de sinais 
de FM (aparelhos de som com autosintonia).
45
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
   
   



 

tωωtωω
AA
v
tωAωtAv
ff
f
f
AM
fAM
coscos
2
sinsin
Phase 
detector
KP
volts/radians
VCO
KV
volts/volts
KVCO
radians/second volts
+n
Kw
radians/second volts
fcomp
|φcomp|
fin
|φin|
fout
|φout|
Δφ
f
Multiplicador de Frequências
 
Multiplicador
Sinal de 
entrada
Vssint
qf
Cos( )
C
R
Filtro
 – f)t Vo[rms]
o
PLL: Malha Amarrada por Fase
Somador
VCO
 1 1 
s 
fft
PSD
+
ft +qf
0 ≈ 
Voltage Controller 
Oscillator
Phase 
Frequency 
Detector
Phase 
detector
Filter
VCO
fin
(FM)
Vout
fin
f
Discriminador FM
+
-
A
Sinal de 
entrada
Vs
ALL: Malha Amarrada por Amplitude
Amplificador Operacional
R1
R2
Divisor
+
RUÍDOS EM INSTRUMENTAÇÃO
• "Ruído é um dos tópicos de eletrônica que todos devem estar 
familiarizados e estar atentos para seus possíveis efeitos" (George 
Kennedy, autor do livro Sistemas de Comunicação).
• Tipos de Ruído:
• Externo 
• Ruído atmosférico
• Ruído extraterrestre (solar, cósmico)
• Ruído industrial
• Interno
• Ruído térmico (Johnson): associado a agitação térmica em resistores.
• Ruído de Rajada de Bala (shot noise): associado a agitação térmica de 
portadores de carga em semicondutores.
• Ruído de tempo de trânsito: associado à variação do tempo de 
deslocamento de cargas elétricas em uma válvula termoiônica.
• Ruído de cintilação (flicker)
• Ruído termoelétrico: associado às junções de metais ou semicondutores 
diferentes susceptíveis à variações de temperatura.
• Ruído triboelétrico: gerado pelo atrito entre isolante e condutor.
46
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
RUÍDO TÉRMICO
• Potência gerada pelo ruído térmico em 
um resistor (Johnson mediu!)
• A Potência gerada pelo ruído térmico é 
proporcional à temperatura.
• A Potência gerada pelo ruído térmico é 
proporcional a Largura de faixa, Bw.
• Note que o resistor não precisa estar 
conectado a nenhum circuito para gerar 
esta tensão de ruído em seus terminais.
• Introduzindo a Constante de Boltzman, 
tem-se (Nyquist modelou): 
• Aplicando-se o Teorema da Máxima 
Transferência de Potência, i.e. RL = R, 
tem-se:
47
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
TP
wBP
wkTBP 
 
Carga







L
n
L
w
R
v
P
kTBP
4
2
.4
,
4
2
2
wLn
L
n
w
kTBRv
R
v
kTB


vn
R
RL
Modelo de Resitor como 
gerador de ruido







L
n
L
w
R
v
P
kTBP
4
2
wLn
wLn
L
n
w
kTBRv
kTBRv
R
v
kTB
4
4
4
2
2



MECANISMOS DE ACOPLAMENTO DE RUÍDO
ELÉTRICO
• Condutivo: resulta do compartilhamento de corrente de circuitos 
diferentes em uma impedância comum;
• A representação física do ruído condutivo. Parte do circuito de 
retorno da corrente é compartilhado pelo sensor e pela carga 
(aquecedor).
48
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Vs
VCC OUT
GND
_
+ VCC OUT
GND
Rw1Aquecedor
Rw2
Sensor de 
Temperatura
IsIF
IA=10A
Vm = Vsensor + V1 + V2
O ruído condutivo é:
Vruído = V1 + V2
Note que V2 >> V1V2
V1
Rw é a resistência do fio
MECANISMOS DE ACOPLAMENTO DE RUÍDO
ELÉTRICO
• Capacitivo: resulta de campos elétricos variáveis na 
vizinhança do caminho do sinal
49
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
I
VN ZN
RLVVs
RATRLVs
VN
CNS
RAT
Circuito 
Equivalente
Campo Elétrico
VN é proporcional à frequência da fonte 
interferente (geradora de 𝐸), a RAT e a CNS.
𝐸
𝑉𝑁 ≈ 𝑗𝜔 ∙ 𝑅𝐴𝑇 ∙ 𝐶𝑁𝑆 ∙ 𝑉𝑖
𝑉𝑖
MECANISMOS DE ACOPLAMENTO DE RUÍDO
ELÉTRICO
• Capacitivo
• Para reduzir este acoplamento, pode-se tentar reduzir a 
resistência de aterramento (RAT) da fonte interferente (Vi), ou 
capacitância parasita (CNS) entre a fonte de ruído (VN) e a 
fonte de sinal (Vs).
• Porque não é possível reduzir o ruído atuando na frequência de 
Vi ou na magnitude deste sinal?
• Por meio de blindagem eletrostática (Gaiola de Faraday) que, 
se bem feita, pode-se reduzir CNS, sendo eficaz tanto em baixas 
quanto em altas frequências;
• O valor do capacitor CNS pode atingir a ordem de algumas 
centenas de pF (sem blindagem) e a tensão parasita da ordem 
de alguns volts;
• A blindagem reduz a capacitância para décimos de pF.
• A resistência RAT pode ser reduzida, melhorando-se o sistema de 
aterramento do local onde se encontra Vi;
50
Profs. Hugo C. C. Michel e Eliziane Arreguy IP/UNA
MECANISMOS DE ACOPLAMENTO DE RUÍDO
ELÉTRICO
• Indutivo ou acoplado magneticamente: resulta de campos magnéticos 
variáveis na área circundada pelo circuito do sinal.
• A redução do cos(φ) pode ser feita por meio da orientação adequada da fonte de alimentação 
e dos condutores dos circuitos receptores.
• Radiativo: se a fonte de campo eletromagnético está distante do circuito do 
sinal, o ruído acoplado elétrica ou magneticamente são considerados 
acoplamentos eletromagnético ou radiativo combinados.
51
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
VN ZN
RLVVs
I
Acoplamento 
de fluxo 
magnético
Circuito 
Equivalente
VN é proporcional à frequência da fonte Vi, ao 
campo magnético B, a área de enlace A e ao 
cosseno do ângulo entre B e A
𝑉𝑁 ≈ 𝑗𝜔 ∙ 𝐵 ∙ 𝐴 ∙ cos(𝜑) ≈ 𝑗𝜔 ∙ 𝑀 ∙ 𝐼
RLVs
VN
I
M
𝐵
𝑉𝑖
MECANISMOS DE ACOPLAMENTO DE RUÍDO
ELÉTRICO
• Indutivo
• Para reduzir este acoplamento, pode-se tentar reduzir a magnitude do 
campo magnético (B), ou a área (A) de enlace entre os dois circuitos, 
ou o cos(φ) entre B e A (φ é ângulo formado entre o campo 𝐵 e 
superfície de área A).
• Porque não é possível reduzir o ruído atuando na frequência de Vi ou 
na magnitude deste sinal?
• Neste caso, a blindagem eletrostática (usada para eliminação do 
acoplamento capacitivo) não é eficaz para sinais de baixas 
frequências (< 1kHz);
• Para ser eficaz é necessário utilizar uma blindagem com materiais de 
alta permeabilidade magnética, como o μ-metal (uma liga de Ni
(78%), Fe (17%) e Cu(5%)).
• Esta blindagem especial atenua o campo B mesmo em frequências 
muitíssimo baixas. Na prática, justapõe-se várias destas blindagens 
para se obter uma boa blindagem.
52
Profs. Hugo C. C. Michel e Eliziane Arreguy IP/UNA
MECANISMOS DE ACOPLAMENTO DE RUÍDO
ELÉTRICO
• Para reduzir ao máximo a influência do campo magnético B, 
deve-se manter o condutor do sinal a uma distância mínima 
possível do, condutor proveniente da fonte interferente (Vi), 
(e.g., fio de terra ou de retorno do sinal).
• Em qualquer caso os fios de sinal e de retorno não devem 
passar próximos a transformadores de alimentação ou outros 
fios transportando correntes alternadas;
• Devem também ser mantidos longe de vibrações.
• Para reduzir a área de enlace, os fios de sinal e terra devem ser 
entrelaçados, mesmo que os fios sejam blindados 
individualmente. Desta forma a “área do laço” disponível para 
a indução das tensões de erro é reduzida e as indutâncias 
mútuas entre a fonte de ruído e cada fio são balanceadas 
para proporcionar um efeito de cancelamento.
• A entrelaçamento também reduz a capacitância entre os 
condutores, e com isso sinais ruidosos da ordem de mV.
• Elimina-se a área que forma a capacitância entre cabos. 
53
Profs. Hugo C. C. Michel e Eliziane Arreguy IP/UNA
TÉCNICAS PARA REDUÇÃO DE 
INTERFERÊNCIA DE RUÍDO
• Evita-se esse acoplamento, separando-se o circuito de 
alimentação e retorno da carga do circuito sensor 
para se evitar o ruído condutivo.
• A representação física do ruído condutivo. Parte do circuito de 
retorno da corrente é compartilhado pelo sensor e pela carga 
(aquecedor).
54
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Vs
VCC OUT
GND
_
+
VCC OUT
GND
Aquecedor
Sensor de 
Temperatura
Is
IA=10A
Vm = Vsensor
V2
V1
Rw é a resistência do fio
Rw1
Rw2
Is
Vsensor
+
_
Vs
VN
I
M
TÉCNICAS PARA REDUÇÃO DE 
INTERFERÊNCIA DE RUÍDO
• Blindagem eletrostática (gaiola de Faraday) reduz o acoplamento capacitivo, 
tanto em baixas quanto em altas frequências. 
• A blindagem funciona capturando cargas que de outra forma alcançariam os condutores. As cargas 
devem ser drenadas para um terra satisfatório, senão podem ser acopladas para os condutores do sinal 
por meio da capacitância da blindagem para o cabo.
• Para acoplamento indutivo esta blindagem não é eficaz em baixas frequências. 
Neste caso é preciso uma blindagem com materiais de alta permeabilidade 
magnética com μ-metal (liga de Ni, Fe e Cu).
• O trançamento dos cabos reduz a área de enlace dos circuitos. 
55
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Aquisição de Dados
Receptor
Fonte de Sinal
Transmissor
Blindagem trançada e 
de Alta 
permeabilidade 
magnética
Cabeamento
Trançado
BIBLIOGRAFIA
• BALBINOT, A.; BUSSAMARELO, V. J. Instrumentação e 
Fundamentos de Medidas. Vol 1, 2ª. Edição. Editora LTC. Rio 
de Janeiro, RJ, 2010
• SEDRA, A. S.; SMITH, K., C. Microeletrônica. Pearson Mackron
Books, 2000.
• DOEBELIN, E. O. Measurement Systems – Application and
Design, 4ª. Edição. Editora McGraw-Hill, USA, 1990.
• ALBERTAZZI JR., A. G.; SOUZA, A. R. Fundamentos de Metrologia 
Científica e Industrial. 1ª Edição. Barueri, SP: Manole, 2008. 
Slides disponíveis na internet.
56
Profs. Anísio Rogério Braga COLTEC/UFMG, Carmela Maria Polito Braga e Hugo César Coelho Michel - DELT/EE-UFMG
Cap. 3 – até 3.8.2
Cap. 4 – até 4.7
Cap. 2 – todo