Instrumentação e Transdução Biomédica

O roteiro como a instituição entrega

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Atividade Prática de Instrumentação e Transdução Biomédica

Abaixo você encontra o roteiro para a realização dos experimentos práticos da disciplina, que contarão com o uso de materiais e equipamentos disponíveis no laboratório didático do 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.

ORIENTAÇÕES

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 estas ferramentas no polo, 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, é obrigatório realizar os experimentos fisicamente.

LABORATÓRIO DIDÁTICO NO POLO

O polo de apoio presencial possuí laboratórios didáticos com os equipamentos necessários para a realização da atividade, como multímetro, protoboard e fontes de tensão. Porém, é necessário adquirir os componentes eletrônicos (consumíveis)

como circuitos integrados, resistores, capacitores, LED e etc.

Para a utilização do laboratório didático do 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 laboratório.

No caso da atividade prática desta disciplina serão utilizados os seguintes equipamentos do polo:

2 Fontes de Alimentação (Caixa 7)

• Osciloscópio e Gerador de Sinais (Caixa 8)

Protoboard (Caixa 15)
Multímetro Digital (Caixa 6)
Além disso, você precisa dos seguintes consumíveis (verificar a compra, caso você não os tenha):

CONSUMÍVEIS

(NÃO FORNECIDOS PELO POLO)

Os consumíveis podem ser comprados em lojas física ou online de sua preferência.

Realize a compra dos consumíveis até as primeiras duas semanas do prazo da atividade, a fim de não atrasar a realização da sua atividade prática.

FOTOS DOS EXPERIMENTOS NO RELATÓRIO

Sempre que você elaborar 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 necessário 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 sua carteirinha de estudante da UNINTER junto ao circuito, assim, comprovando que realmente montou o circuito, como no exemplo abaixo:

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 devem ser entregues em arquivo único. Ao postar no AVA certifique-se de que anexou o arquivo antes de finalizar.

SIMULADOR DE CIRCUITOS

Para a realização dos experimentos será utilizado o simulador de circuitos TINA-TI. Para baixar gratuitamente este simulador, acesse o link https://www.ti.com/tool/TINA-TI/, basta fazer um breve cadastro. Faça a instalação em seu computador para utilizar.

As simulações servem como suporte e guia para a realização dos experimentos práticos. Sendo assim, é recomendado que realize primeiro as simulações e depois reproduza com os equipamentos do laboratório didático.

Caso já tenha familiaridade com algum outro simulador de circuitos que possua os componentes desta prática em sua biblioteca, se preferir, é permitido utilizar qualquer outro.

OBJETIVO DESTA ATIVIDADE PRÁTICA

Esta atividade prática da disciplina de Instrumentação e Transdução Biomédica tem o objetivo de proporcionar aos alunos o aprendizado prático de um circuito eletrônico de aquisição de um sinal de biopotencial, de forma a cumprir com o propósito de aprendizado desta disciplina na formação em Engenharia Biomédica.

Para a realização dos exercícios e experimentos desta atividade deve ser definido um tipo de biopotencial que irá nortear as definições dos parâmetros dos estágios dos circuitos eletrônicos a serem projetados e montados. No relatório o aluno deve indicar qual foi o biopotencial escolhido, para justificar os parâmetros utilizados.

Entre as opções de biopotenciais, deve-se escolher uma entre essas, e suas respectivas características de frequência de corte (fc) do filtro passa-baixa (PB) e do filtro passa-alta (PA), bem como do nível de amplitude em Volts (V):

• EOG (fc filtro PB entre 20Hz e 40Hz, fc filtro PA entre 0,1Hz e 0,5Hz, amplitude entre 0,5mV e 1mV)
• EEG (fc filtro PB entre 40Hz e 60Hz, fc filtro PA entre 0,1Hz e 0,5Hz, amplitude entre 0,1mV e 0,5mV)
• ECG (fc filtro PB entre 60Hz e 100Hz, fc filtro PA entre 0,1Hz e 0,5Hz, amplitude entre 1mV e 5mV)
• EMG (fc filtro PB entre 100Hz e 200Hz, fc filtro PA entre 5Hz e 20Hz, amplitude entre 1mV e 5mV)

As variações nos parâmetros se devem às escolhas dos componentes em valores comerciais a partir dos cálculos, portanto, devem-se buscar valores dos parâmetros dentro dessas faixas especificadas.

Esta atividade prática consiste em 2 experimentos, mas não desmonte o primeiro experimento para montar o segundo experimento. Reserve espaço no protoboard para montar todos os circuitos desta atividade prática, pois os experimentos devem ser analisados individualmente e depois, ao final, em conjunto.

Experiência 1: Ponte de Wheatstone e Amplificador de Instrumentação

OBJETIVO

Essa atividade tem como intuito colocar em prática os conceitos de amplificadores de instrumentação (INA) abordados na disciplina de Instrumentação e Transdução Biomédica e projetar um circuito de entrada de sinal diferencial com ponte de Wheatstone. Além de aprender a realizar caracterização elétrica de circuitos utilizando instrumentos de medição.

MATERIAL UTILIZADO

Componentes

Equipamentos / Ferramentas (lab)

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.

Diagrama de pinos do amplificador de instrumentação

INA128

INTRODUÇÃO

O amplificador de instrumentação (INA) amplifica a diferença de potencial entre as suas entradas.

A ponte de Wheatstone tem várias aplicações para sensores e sinais, entre elas permite obter dois sinais de saída a partir de um sinal de entrada, servindo como sinais diferenciais a serem aplicados nas entradas do INA.

Estude as Aulas Práticas no AVA e siga exatamente as dicas de montagem dos circuitos.

PROJETO

PONTE DE WHEATSTONE

A partir do sinal de biopotencial escolhido, primeiramente dimensione a ponte de Wheatstone. Considere aplicar na entrada da ponte de Wheatstone entre os pontos A e D um sinal senoidal do gerador de funções com amplitude de 1V de pico (1Vp) ou 2V pico-a-pico (2Vpp). Os cálculos devem ser dimensionados para que a diferença entre a tensão no ponto B e no ponto C esteja entre a faixa especificada para o biopotencial escolhido, conforme os objetivos desta atividade prática.

I1I2I1I2

Figura 1 – Ponte de Wheatstone.

Calcule os resistores da ponte utilizando as fórmulas:

𝑉𝑖𝑛𝑥𝑅4

𝑉𝑖𝑛𝑥𝑅3

𝑅1+𝑅3

𝑅2+𝑅4

Anote no relatório os valores calculados e valores comerciais utilizados para cada resistor.

AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO

A partir do sinal de biopotencial escolhido, obtenha o valor do ganho, considerando o valor da diferença de tensão entre as entradas do INA como Vi, proveniente da saída da Ponte de Wheatstone entre seus pontos B e C. Considere que a amplitude de saída do sinal do INA (Vo) deve ser em torno de 1V de pico (1Vp) ou 2V pico-a-pico (2Vpp). Sendo o ganho (G) do INA128 dado pela equação:

50𝑘

Utilize como tensão de alimentação no INA128 o valor de +5V como alimentação positiva usando uma fonte de alimentação e o valor de -5V como alimentação negativa usando outra fonte de alimentação. Para a fonte a ser usada para a tensão negativa, ligue a sua saída do terminal vermelho no GND do circuito e a sua saída do terminal preto na linha lateral do protoboard de -5V.

A partir do valor do resistor comercial mais próximo, recalcule o ganho e anote no relatório tanto o valor comercial do resistor de ganho (Rg) quanto o valor do ganho final (G).

O circuito do INA128 é ilustrado na Figura 1

Figura 2: INA128.

Todos os pontos de terra (ou GND) dos circuitos deverão estar conectados fisicamente entre si, fazendo com que não tenha nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles.

O circuito completo a ser montado no protoboard deve ser a união da ponte de Wheatstone com o INA, conforme ilustrado na Figura 3.

Figura 3 – Ponte de Wheatstone + INA128

Simule o circuito no software TINA-TI e apresente no relatório um print do circuito montado com os valores de todos os resistores e o resultado das formas de onda do sinal de entrada Vin, dos sinais VC e VB, também o sinal de saída Vo.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL EM PROTOBOARD

• Utilize o circuito integrado (CI) INA128 para a montagem do circuito no protoboard.
• Verifique os terminais do circuito integrado (CI) e monte o circuito da Figura
• Certifique-se que as fontes de alimentação e o terminal terra estão nos pinos corretos.
• Conecte a fonte simétrica ao CI, sendo +5 V no terminal do V+ e -5V no terminal V-. O terminal Ref do CI deve ser conectado ao GND do circuito.
• Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 2 V de tensão de pico a pico (aproximado), com uma frequência dentro da banda de passagem do sinal de biopotencial escolhido e informe no relatório.
• Coloque este sinal na entrada da ponte de Wheatstone entre os pontos A e D e verifique no osciloscópio os sinais de saída B e C. Canal 1 no sinal de saída

B e Canal 2 no sinal de saída C. Conecte a garra da ponteira preta de cada canal no GND (terra) do circuito por meio de um fio.

• Conecte o ponto C da ponte na entrada inversora (V-in) do INA. Conecte o ponto B da ponte na entrada não-inversora (V+in) do INA.
• Certifique de ter conectado ao INA o resistor de ganho Rg entre os terminais 1 e 8.
• Mostre em um gráfico os sinais de entrada e saída. De preferência dê um print da tela do osciloscópio. Anote a escala de amplitude utilizada para visualização no osciloscópio em V/div (ou mV/div) e a escala de tempo em s/div (ou ms/div).
• Usando os valores de pico (Vp) dos sinais de entrada (diferença entre

VB e VC) e saída (Vo) calcule o ganho de tensão prático 𝐺 = 𝑉𝑜 e

VB−VC anote no relatório.

• Compare o ganho medido com o ganho calculado e explique o resultado. Pode ser ligeiramente diferente, explique o porquê.

Experimento 02 – Filtros Ativos

OBJETIVO

Essa atividade tem como intuito colocar em prática os conceitos filtros ativos Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais (AOP), abordados na disciplina de Instrumentação e Transdução Biomédica. Além de aprender a realizar caracterização elétrica de circuitos utilizando instrumentos de medição.

MATERIAL UTILIZADO

Componentes

Equipamentos / Ferramentas (lab)

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.

Diagrama de pinos do amplificador operacional

TL081

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 4, projete o filtro ativo passa altas (PA) Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais. Sendo o ganho (AV) dado por:

Figura 1: Filtro Passa Altas Butterworth de segunda ordem. Neste esquema, os terminais de alimentação do circuito não são mostrados.

Defina a frequência de corte do filtro PA (fc) com base no sinal de biopotencial escolhido. Considere a fórmula da frequência de corte:

𝑓𝑐 = 2𝜋𝑅𝐶 [𝐻𝑧]

Os resistores R e os capacitores 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 47nF 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 2,7kΩ ou 3,3kΩ (não tem problema em adotar um ou o outro). Recalcule a frequência de corte agora com os valores comerciais dos resistores adotados e anote no relatório.

Todos os pontos de terra (ou GND) dos circuitos deverão estar conectados entre si, fazendo com que não tenha nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles.

Simule o circuito no software TINA-TI e apresente no relatório um print do circuito montado com os valores de todos os resistores e capacitores, incluindo o resultado das formas de onda do sinal de entrada Vi, do sinal de saída Vo e o gráfico de resposta em frequência de 0Hz a 20Hz.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

• Utilize o TL081 para a montagem do circuito.
• Verifique os terminais do circuito integrado (CI) e monte o circuito da Figura
• Certifique-se que as fontes de alimentação e o terminal terra estão ligados nos terminais corretos. Os terminais de offset do CI não precisam ser ligados, devem ficar em aberto, sem conectar em nada.
• Ligue as fontes.
• Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 2V de tensão de pico a pico (ou 1V de pico), com uma frequência em torno de 10Hz.
• Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 4 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída. Canal 1 sinal de entrada e Canal 2 sinal de saída.
• 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 (GND) do circuito.
• Para uma frequência do sinal de entrada 10 Hz, mostre num gráfico os sinais de entrada e saída. De preferência dê um print da tela do osciloscópio. Considere que o ganho do filtro com resposta Butterworth é de 1,58, portanto, o sinal de saída deve estar um pouco maior que o sinal de entrada.
• Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída, varie a frequência e calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉

para 10 pontos de frequência entre a menor e a maior especificada para o filtro PA do sinal de biopotencial escolhido e preencha a Tabela 1.

Tabela 1: Resposta em frequência do Filtro PA.

• Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude (ganho) é 70% da amplitude máxima.
• 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.

NOTA 1: O passo a passo para a construção do gráfico em Excel está disponível no AVA.

PROJETO DE UM FILTRO PASSA BAIXAS

Dado o circuito da figura 5, projete o filtro ativo passa baixas (FPB) Butterworth de segunda ordem com amplificadores operacionais. Sendo o ganho (AV) dado por:

Figura 5: Filtro Passa Baixas Butterworth de segunda ordem. Neste esquema, os terminais de alimentação do circuito não são mostrados.

Defina a frequência de corte do filtro PB (fc) com base no sinal de biopotencial escolhido. Considere a fórmula da frequência de corte:

𝑓𝑐 = 2𝜋𝑅𝐶 [𝐻𝑧]

Os resistores R e os capacitores 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 47nF 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 2,7kΩ ou 3,3kΩ (não tem problema em adotar um ou o outro). Recalcule a frequência de corte agora com os valores comerciais dos resistores adotados e anote no relatório.

Todos os pontos de terra (ou GND) dos circuitos deverão estar conectados entre si, fazendo com que não tenha nenhuma diferença de potencial ou corrente de fuga entre eles.

Simule o circuito no software TINA-TI e apresente no relatório um print do circuito montado com os valores de todos os resistores e capacitores, incluindo o resultado das formas de onda do sinal de entrada Vi, do sinal de saída Vo e o gráfico de resposta em frequência de 0,1Hz a 1000Hz.

PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

• Utilize o TL081 para a montagem do circuito.
• Verifique os terminais do circuito integrado (CI) e monte o circuito da Figura
• Certifique-se que as fontes de alimentação e o terminal terra estão ligados nos terminais corretos. Os terminais de offset do CI não precisam ser ligados, devem ficar em aberto, sem conectar em nada.
• Ligue as fontes.
• Ajuste o Gerador de Funções para fornecer um sinal senoidal de 2V de tensão de pico a pico (ou 1V de pico), com uma frequência em torno de 20Hz.
• Coloque este sinal na entrada do amplificador como mostra a Figura 5 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída. Canal 1 no sinal de entrada e Canal 2 no sinal de saída.
• 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 de terra das duas pontas deverão ser colocados no terra (GND) do circuito.
• Para uma frequência do sinal de entrada de 20 Hz, mostre num gráfico os sinais de entrada e saída. De preferência dê um print da tela do osciloscópio. Considere que o ganho do filtro com resposta Butterworth é de 1,58, portanto, o sinal de saída deve estar um pouco maior que o sinal de entrada.
• Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída, varie a frequência e calcule o ganho de tensão 𝐴𝑉

para 10 pontos de frequência entre a menor e a maior especificada para o filtro PB do sinal de biopotencial escolhido e preencha a Tabela 2.

Tabela 2: Resposta em frequência do Filtro PB.

• Identifique a frequência de corte considerando que nessa frequência o valor da amplitude (ganho) é 70% da amplitude máxima.
• 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.

NOTA: O passo a passo para a construção do gráfico em Excel está disponível no AVA.

CIRCUITO DE AQUISIÇÃO DE SINAL DE BIOPOTENCIAL COMPLETO FINAL

Consolidar os circuitos do experimento 1 com os circuitos do experimento 2, ligando a entrada do filtro passa alta (PA) na saída do INA, e a entrada do filtro passa baixa (PB) na saída do filtro PA, sendo a saída do filtro PB o último estágio.

Simule o circuito no software TINA-TI e apresente no relatório um print do circuito montado com os valores de todos os resistores e capacitores, incluindo o resultado das formas de onda do sinal de entrada Vi, do sinal de saída Vo e o gráfico de resposta em frequência de 0,01Hz a 1000Hz.

Interligue os circuitos da mesma forma no protoboard, aplique o sinal com o gerador de funções e faça a medida do sinal de entrada e da saída do último estágio. Aplique as frequências das tabelas 1 e 2 e comprove se os mesmos valores de ganho foram obtidos, tendo uma visão completa do desempenho do circuito projetado para o sinal de biopotencial escolhido. Apresente suas conclusões sobre o resultado final no relatório.

DESENVOLVIMENTO DO RELATÓRIO

• Elaborar um relatório destes experimentos 1 e 2, incluindo o circuito final, 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.

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, deve-se 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:

<https://www.portaleducacao.com.br/conteudo/artigos/direito/o-crime-de- plagio/50044>, acesso em 11 de junho de 2018.