Plano de trabalho. 1. Introdução:

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Marco Antônio Vilalobos Garrido
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1 Plano de trabalho Aluno: Rafael Astuto Arouche Nunes Orientador: Márcio Portes de Albuquerque Título do Projeto: Construção de um Amplificador Lock-In utilizando DSPs Palavras-Chave: Amplificadores Lock-In, Detecção Síncrona, Processamento de Sinais; Processadores de Sinais Digitais. 1. Introdução: A instrumentação eletrônica é fundamental para a física experimental sendo a teoria de sinais a base para esta instrumentação. Conhecer e dominar a teoria de sinais é importante para extrair da medida a informação relevante. A teoria de sinais representa um atrativo importante em um ambiente científico, pois ela permite a realização de medidas de alta precisão com elevadas taxas de eventos. Uma grandeza física ou mesmo o comportamento de um sistema físico podem estar contidos em um sinal. Embora os sinais possam ser representados de muitas maneiras, em todos os casos a informação é registrada através de alguma variação. Um sinal é formalmente definido como uma função de uma ou mais variáveis, a qual veicula informações sobre a natureza de um fenômeno físico. S. Haykin, Sinais e Sistemas, O processamento de sinais é a área do conhecimento que estuda o modelo matemático dos sinais e suas diferentes representações. Como podemos observar na Figura 1, a teoria do processamento de sinais baseia-se em diversas áreas da matemática e da física. A partir desta base, são formulados métodos ou técnicas para construir instrumentos. As técnicas e aparatos utilizam-se das ferramentas de eletrônica e computação para gerar: instrumentação digital, métodos funcionais e instrumentação analógica. As aplicações produzidas por estas três técnicas são utilizadas em diversas áreas do conhecimento como, por exemplo, astronomia, música, biologia, telecomunicações, etc. Para a aplicação dos métodos de processamento de sinais em aparatos eletrônicos ou computacionais, é importante dominar suas teorias fundamentais.

2 Figura 1: Diagrama de blocos dos processos e técnicas envolvidos no processamento de sinais. Podemos observar, na Figura 1, que a instrumentação científica representa uma das aplicações possíveis do processamento de sinais. Da mesma forma, constatamos que ela está diretamente relacionada com a instrumentação eletrônica. O desenvolvimento da instrumentação eletrônica pode ser concretizado por meio de um hardware ou por um software. Ambas as implementações seguirão os mesmos ciclos de desenvolvimento. A escolha entre elas é específica para cada aplicação. No entanto, o processamento de sinais estará sempre presente. Este projeto prevê a construção de um instrumento científico muito utilizado nos laboratórios de física experimental do CBPF, o Amplificador Lock-In. Um Lock-In utiliza-se de técnicas de processamento de sinais, sendo definido, nesta área, como um sistema de detecção síncrona. A teoria de sinais define

3 precisamente todo o processo de transformação e detecção do sinal realizado por um Lock-In. A detecção síncrona consiste no procedimento utilizado para detectar um sinal de baixa amplitude corrompido por ruído (aleatório, periódico ou 1/f). O princípio da detecção síncrona é a demodulação síncrona, muito utilizada em transmissão de dados. A construção de um Lock-In pode ser realizada por meio da eletrônica clássica (seja ela analógica e/ou digital), DSPs (Digital Signal Processors - Processadores Digitais de Sinais) e softwares, como o LabView controlando CAD/CDA (Conversores Analógico Digital Digital Analógico). 2. Objetivo: Construir um Amplificador Lock-In utilizando técnicas de processamento de sinais e DSP. Disponibilizar um instrumento eletrônico desenvolvido no CBPF para outros centros de pesquisas dentro de um programa institucional de transferência tecnológica e parceria com empresa Metodologia: O desenvolvimento do Amplificador Lock-In está baseado na construção de um protótipo usando kits de DSPs das empresas comerciais. O Lock-In será composto por três partes principais: i) sistema de geração do sinal de referência, ii) sistema de medida do sinal de entrada e iii) sistema de detecção de desvio de fase (Figura 2). Figura 2: O Lock-In utiliza o principio da detecção síncrona para medir desvio de fase entre um sinal de referência e um sinal de entrada. A geração do sinal de referência pode ser realizada por meio dos conversores Digital Analógicos dos kits comerciais. Testes iniciais no kit ADSP da Analog Devices nos permitiram chegar a sinais de referências com freqüências de 48 KHz. Para a medida do sinal de entrada utilizaremos o 1 Este tipo de iniciativa está sendo estimulada pelo MCT e pelo governo federal através da nova Lei de Inovação Tecnológica. Esta iniciativa pode contribuir para que novas tecnologias se tornem pedidos de patentes em nome do CBPF.

4 Conversor Analógico Digital de 16 bits dos mesmos kits de DSPs. Na parte de detecção de desvio de fase entre o sinal de referência e o sinal medido, utilizaremos um DSP de alto desempenho a fim de calcular a correlação cruzada entre estes dois sinais. O resultado da correlação pode ser transferido para um computador PC ou transformado em sinal analógico a fim de ser re-inserido no experimento físico (Figura 3). Figura 3: Diagrama de blocos simplificado de um Amplificador Lock-In. Este projeto será realizado em no ambiente de desenvolvimento do DSP em linguagem C ou Matlab. O aluno irá desenvolver e testar o desempenho das três etapas necessárias para construção do Lock-In. Ao final está previsto também um teste do protótipo em um experimento nos laboratórios do CBPF. Por fim, o aluno deverá documentar todo o processo desenvolvido através da publicação de, pelo menos, uma nota técnica do CBPF e em uma página HTML. 4. Cronograma: Item Mês Atividade Introdução à teoria de sinais e detecção Síncrona. Introdução ao Amplificador Lock-In em DSP Estudo e compreensão das arquiteturas de kits de DSPs dos fabricantes: Analog Devices e Texas Instruments. Estudo dos ambientes de programação dos DSPs Implementação de programas simples. Ex. Filtragem Digital; Geração de sinais senoidais Projeto e teste do circuito de geração do sinal de referência Projeto e teste do circuito de medida do sinal de entrada Projeto e teste do circuito de detecção de desvio de fase Montagem do protótipo do Amplificador Lock-In - união das três partes. Testes de desempenho.

5 Testes nos Laboratórios do CBPF Documentação do projeto em HTML e relatórios técnicos internos. Etapa/Meses PRIMEIRO ANO SEGUNDO ANO X 2. X 3. X 4. X 5. X 6. X 7. X 8. X 5. Bibliografia [1] MAX J. et al, Méthodes et Techniques du Traitement du Signal et Applications aux Mesures Physiquse. v2, 4 Edição, Paris, Masson (1987), ISBN X. [2] J. G. Proakis e D. G. Manolakis; Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications ; Prentice Hall Press; (1995); ISBN: [3] S. K. Mitra; Digital Signal Processing - A Computer-Based Approach McGraw-Hill; (1993); ISBN: [4] S. Haykin e B Veen; Sinais e Sistemas ; Bookman; (2001). Rafael Astuto Arouche Nunes Bolsista ITI Dr. Márcio Portes Albuquerque Professor Responsável pelo Projeto

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