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- O valor em tens˜ao do bit menos significativo ´e de 5/210 _{= 4.88mV , o que}

significa que conv´em projectar os circuitos de instrumenta¸c˜ao com uma precis˜ao de 11 bits pelo menos, ou seja, que introduzam erros de menos de 2.44mV .

Tendo em mente estas considera¸c˜oes, de seguida ser˜ao descritos os procedi- mentos do projecto da electr´onica de instrumenta¸c˜ao de interface com os sensores.

8.4

Electr´onica de instrumenta¸c˜ao para os sen-

sores de radia¸c˜ao

Um dos m´etodos de tratamento de sinal descrito no cap´ıtulo 6 pode ser usado para processar os sinais provenientes dos sensores de radia¸c˜ao. O m´etodo esco- lhido foi o da estabiliza¸c˜ao por chopper mecˆanico, por raz˜oes ´obvias: com este m´etodo ´e compensada a tens˜ao de offset de entrada do amplificador de instru- menta¸c˜ao e tamb´em a tens˜ao de offset gerada pelos sensores devido a estes medi- rem tamb´em a radia¸c˜ao emitida pelas partes mecˆanicas do pr´oprio aparelho. Se o chopperaparecer mesmo `a entrada do tubo que conduz a radia¸c˜ao at´e aos senso- res, a radia¸c˜ao emitida pelo mesmo tubo vai aparecer `a sa´ıda destes sob a forma de uma tens˜ao DC, sendo facilmente eliminada, portanto. Outra das vantagens deste m´etodo consiste no facto de a radia¸c˜ao incidente nos sensores estar sem- pre a variar, evitando que estes “pasmem”, n˜ao detectando futuras varia¸c˜oes na radia¸c˜ao incidente. No m´etodo da estabiliza¸c˜ao por chopper mecˆanico, o sensor vai ligar ao amplificador de instrumenta¸c˜ao, a fim de serem eliminadas as tens˜oes de modo comum, a sa´ıda deste ´e filtrada por um passa-banda sintonizado com a frequˆencia de abertura do chopper, de modo que s´o a componente fundamental do sinal ´e que passa para a sa´ıda. Esta componente fundamental vai ser aplicada a um rectificador de onda completa de precis˜ao e o seu valor m´edio ´e calculado por um filtro passa-baixo. Este valor m´edio j´a pode ser aplicado ao conversor anal´ogico-digital para processamento posterior. Feitas estas considera¸c˜oes, a des- cri¸c˜ao de cada um dos componentes do circuito ser´a feita da sa´ıda para a entrada. Assim sendo, o primeiro a ser descrito ´e o filtro passa-baixo de sa´ıda.

8.4.1

Filtro passa-baixo de sa´ıda

Na etapa de sa´ıda deve ser usado um filtro passivo, uma vez que a introdu¸c˜ao de amplificadores neste ponto do circuito, iria degradar a sa´ıda em termos de offset. A escolha recaiu sobre um filtro de terceira ordem, j´a que `a sua sa´ıda o ripple deve ter um valor de pico a pico inferior a meio bit menos significativo. Este filtro ´e constru´ıdo com uma rede RC conforme mostra a figura 8.2.

A frequˆencia de corte do filtro ´e de cerca de 0.15Hz e este introduz uma atenua¸c˜ao de cerca de 4dB sobre o pico do sinal de entrada. Esta atenua¸c˜ao ter´a que ser levada em considera¸c˜ao aquando do projecto do amplificador de instrumenta¸c˜ao. O ripple m´aximo `a sa´ıda do filtro ´e da ordem de grandeza do

PSfrag replacements Vi Vo R R R C C C

Figura 8.2: Filtro passa-baixo de terceira ordem.

valor de metade do bit menos significativo do conversor anal´ogico-digital. Para que a frequˆencia de corte do filtro seja de cerca de 0.15Hz, o valor de R ser´a de 33kΩ e o de C de 4.7µF . Todos os valores descritos neste par´agrafo foram obtidos com a ajuda do simulador SPICECAD1_.

8.4.2

Rectificador de onda completa

O rectificador de onda completa deve ser feito com um amplificador operaci- onal com baixa tens˜ao de offset de entrada e baixo drift t´ermico, de modo que a tens˜ao de erro total n˜ao exceda o valor de meio bit menos significativo do conversor anal´ogico-digital. Um amplificador operacional com as caracter´ısticas do TL084B2 _{´e suficiente, no entanto em futuros desenvolvimentos, se se usar}

um conversor anal´ogico-digital com maior n´umero de bits, a melhor solu¸c˜ao ´e usar um amplificador operacional com estabiliza¸c˜ao chopper como por exemplo o TLC26521_.

O TL084B tem uma tens˜ao de offset de entrada t´ıpica de 2mV e um drift t´ermico de cerca de 18µV /o_{C. Se o circuito onde este amplificador for usado tiver}

ganho unit´ario, o offset de sa´ıda ser´a de menos de 2.44mV . O circuito usado como rectificador de onda completa foi o da figura 8.3 [TeIn 95]. Neste circuito, no semi- ciclo negativo, o d´ıodo conduz, ficando a montagem inversora com ganho unit´ario. No semi-ciclo positivo, o d´ıodo n˜ao conduz, logo `a sa´ıda vai estar presente uma tens˜ao igual `a de entrada. Neste circuito, tanto a entrada como a sa´ıda n˜ao s˜ao isoladas, ou seja, nem a entrada tem alta impedˆancia nem a sa´ıda tem baixa impedˆancia, portanto este circuito vai funcionar como carga para o passa-banda e o passa-baixo vai funcionar como carga deste circuito, notando-se mais o efeito no semi-ciclo positivo. Este efeito de carga n˜ao ´e grave, j´a que se traduz num erro global de ganho, que pode ser facilmente compensado aumentando um pouco o ganho do amplificador de instrumenta¸c˜ao. As duas resistˆencias s˜ao iguais e um valor aceit´avel para elas ser´a de 10kΩ. O desemparelhamento das resistˆencias tamb´em provoca um pequeno erro de ganho, que se nota mais no semi-ciclo negativo, e que pelas mesmas raz˜oes do anterior, tamb´em n˜ao ´e cr´ıtico. Em circuitos que exijam maior precis˜ao, em vez do rectificador de onda completa, dever´a ser usado um detector s´ıncrono (como o usado no circuito da figura 6.8),

1

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8.4. Electr´onica de instrumenta¸c˜ao para os sensores de radia¸c˜ao

com a finalidade de evitar que os tempos de entrada em condu¸c˜ao e de corte do d´ıodo se traduzam em erros.

− + PSfrag replacements Vi Vo R R

Figura 8.3: Rectificador de onda completa.

8.4.3

Filtro passa-banda

Este filtro ´e o respons´avel pela elimina¸c˜ao dos offsets e drifts t´ermicos que aparecem na sa´ıda do amplificador de instrumenta¸c˜ao. Como esses offsets e drifts aparecem como tens˜oes cont´ınuas ou de muito baixa frequˆencia, s˜ao f´aceis de eliminar com um filtro com caracter´ısticas de passa-banda ou passa-alto. o passa-banda ´e preferido uma vez que al´em de eliminar os erros em DC tamb´em atenua os ru´ıdos de alta frequˆencia. A sua frequˆencia de corte deve ser a mesma da de abertura e fecho do chopper mecˆanico, ou seja, de 5Hz. A largura de banda do filtro n˜ao ´e cr´ıtica, n˜ao devendo este, no entanto ser de banda muito estreita, para que n˜ao haja varia¸c˜oes no ganho se a velocidade do motor que move o chopper mecˆanico variar um pouco. A largura de banda pode ser igual a 5Hz e um dos circuitos poss´ıveis ´e o da figura 8.4 [Fran 88]. A figura 8.4 mostra ent˜ao

− + PSfrag replacements Vi Vo R1 R2 C C

Figura 8.4: Filtro passa-banda com realimenta¸c˜ao m´ultipla.

um filtro passa banda com realimenta¸c˜ao m´ultipla cuja fun¸c˜ao de transferˆencia ´e dada por: H(jf ) = −Ho (j/Q)(f /fo) 1 − (f/fo)2+ (j/Q)(f /fo) em que fo = 1 2π√R1R2C (8.1) Q = 1 2 s R1 R2 (8.2)

e

Ho = 2Q2 (8.3)

Para uma largura de banda de 5Hz, Q = fo Bw = 1 ou seja: 1 2 s R1 R2 = 1 ⇔ R 1 = 4R2

Se R2 = 71.5kΩ, R1 = 286kΩ. O valor comercial mais pr´oximo de R1, com 1%

de tolerˆancia ´e de 287kΩ. Para uma frequˆencia de corte de 5Hz, o valor dos condensadores ´e de:

C = 1

2π√R1R2fo ⇔ C = 222.2nF

O valor comercial mais pr´oximo para os condensadores ´e de 220nF e o valor do ganho na banda passante (Ho) ´e de 6dB.

Devido ao facto de este filtro ser implementado com um amplificador ope- racional, na sua sa´ıda vai existir uma tens˜ao de offset DC, tens˜ao essa que n˜ao influencia o comportamento global do circuito uma vez que vai ser compensada pelo rectificador de onda completa e pelo filtro passa-baixo de uma forma an´aloga `a da compensa¸c˜ao de offset da ponte de Wheatstone alimentada com AC (figuras 6.8 e 6.9).

8.4.4

Amplificador de instrumenta¸c˜ao

O amplificador de instrumenta¸c˜ao usado no prot´otipo ´e do tipo com trˆes amplificadores operacionais como o da figura 6.4.

Conforme foi visto no cap´ıtulo 6, o ganho do segundo andar deve ser baixo, portanto a escolha recaiu sobre a utiliza¸c˜ao de um ganho unit´ario, tamb´em com o objectivo de simplificar os c´alculos. Sendo assim, as resistˆencias do segundo andar (R4, R5, R6 e R7 da figura 6.4 podem ser todas iguais com um valor de,

por exemplo, 20kΩ).

Quanto ao ganho do primeiro andar, ter´a que ser levado em considera¸c˜ao que a montante deste existe um sensor com uma sensibilidade de 30V /W , uma lente objectiva e um semi-espelho que divide a radia¸c˜ao pelos dois sensores, ou seja, introduz uma atenua¸c˜ao de cerca de 6dB. A jusante existe um filtro passa-banda com um ganho de 6dB e um filtro passa-baixo com uma atenua¸c˜ao de 4dB. ´E pretendido tamb´em que o aparelho me¸ca temperaturas at´e cerca de 500K e a tens˜ao de referˆencia do conversor anal´ogico digital ´e de 5V . Quando um corpo negro est´a a 500K, o sensor frio (supondo que est´a a 273K) coloca `a sua sa´ıda