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, 2002. 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.
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
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 1. 3. 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- 21160 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.
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 1. 1-3 Introdução à teoria de sinais e detecção Síncrona. Introdução ao Amplificador Lock-In em DSP. 2. 4-6 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. 3. 7-9 Projeto e teste do circuito de geração do sinal de referência. 4. 10-12 Projeto e teste do circuito de medida do sinal de entrada. 5. 13-15 Projeto e teste do circuito de detecção de desvio de fase. 6. 16-18 Montagem do protótipo do Amplificador Lock-In - união das três partes. Testes de desempenho.
7. 19-21 Testes nos Laboratórios do CBPF. 8. 21-24 Documentação do projeto em HTML e relatórios técnicos internos. Etapa/Meses PRIMEIRO ANO SEGUNDO ANO 1-3 4-6 7-9 10-12 13-15 16-18 19-21 21-24 1. 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 2-225-80785-X. [2] J. G. Proakis e D. G. Manolakis; Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications ; Prentice Hall Press; (1995); ISBN: 0133737624 [3] S. K. Mitra; Digital Signal Processing - A Computer-Based Approach McGraw-Hill; (1993); ISBN: 0070429537 [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