ads:
1
TESE
apresentada por
Maurício Bochner
para obter o título de
MESTRE
Pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas - CBPF
(Portaria Ministerial n
o
2264, de 19 de dezembro de 1997)
(Especialidade: Instrumentação Científica)
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE
MEDIÇÃO DE RESISTIVIDADE AC E
MAGNETORESISTÊNCIA COM LOCK-IN
UTILIZANDO LÓGICA E DSP
PROGRAMÁVEL
Orientador: Marcelo Portes de Albuquerque
Co-orientador: Jorge Luis González Alfonso
TESE
DO MESTRADO PROFISSIONAL EM FÍSICA
ads:
Livros Grátis
http://www.livrosgratis.com.br
Milhares de livros grátis para download.
2
DESENVOLVIMENTO DE SISTEMA DE
MEDIÇÃO DE RESISTIVIDADE AC E
MAGNETORESISTÊNCIA COM LOCK-IN
UTILIZANDO LÓGICA E DSP
PROGRAMÁVEL
MAURÍCIO BOCHNER
MESTRADO EM INSTRUMENTAÇÃO CIENTÍFICA
CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FÍSICAS
RIO DE JANEIRO - RJ
JULHO DE 2010
ads:
3
Agradecimentos
Esta parte de agradecimentos é uma tarefa difícil, pois não por falta de
reconhecimento, mas por esquecimento, podemos deixar de mencionar alguém
ou fato que direta ou indiretamente tenha contribuído para este trabalho.
Agradeço aos meus familiares pela paciência e compreensão.
Agradeço aos Prof. Marcelo P. de Albuquerque e Prof. Jorge Luiz G.
Alfonso, orientadores desta dissertação, pela participação principalmente nas
fases mais difíceis.
Agradeço a todos os professores das cadeiras de instrumentação: Prof.
Marcio (Eletrônica Digital), Prof. Herman (Linguagem de Descrição de
Hardware), Prof. Marcelo (Processamento digital de Sinais), Prof. Laudo
(Eletrônica Analógica), Prof. Sampaio (Mecância Quântica Aplicada), Prof.
Geraldo (Métodos Experimentais e Sistemas de Medidas), cujos ensinamentos
foram imprescindíveis, para o desenvolvimento e concretização deste trabalho.
Agradeço aos colegas Leonardo e Rafael com os quais iniciamos o
trabalho que aqui foi dada continuidade.
Agradeço ao CBPF pela oportunidade e fornecimento das amostras de
filme fino (Magnetron Sputtering) utilizados neste trabalho e ao Willian A.
Rodriguez pelos esclarecimentos; ao CAT, pelo apoio e disponibilização das
ferramentas de desenvolvimento (Kit ALTERA) e do espaço onde este foi
realizado; a Oficina Mecânica pela participação na montagem dos protótipos.
À nova representante da ALTERA, ARROW BRASIL S/A meu
agradecimento pelo apoio e rápida resposta nas consultas que se fizeram
necessárias.
Agradeço ao Gabriel que me incentivou a dar os primeiros passos em
direção ao mestrado, Ismar pelos conselhos técnicos, Denise e Eliene pelo
incentivo e colaboração, e a todos pela confiança, apoio e compreensão para
chegar até aqui.
4
Resumo
Esta tese apresenta o desenvolvimento, em hardware reconfigurável, de
um sistema de medidas utilizando técnicas de Processamento de Sinais
Digitais (DSP) e de Detecção Sensível à Fase (PSD) em altas freqüências (520
kHz a 2.0 MHz). Sistemas em hardware reconfiguráveis são bastante úteis
devido a sua facilidade de adaptação ao problema experimental, amenizando a
necessidade de complexas montagens e confecções de circuitos eletrônicos.
De acordo com a demanda é possível instanciar por software, um ou mais,
sistemas de controle e carregá-los em uma FPGA (Conjunto de Portas
Programáveis em Campo) para serem utilizados imediatamente. O sistema
proposto implementou em hardware reconfigurável desde a técnica de
detecção síncrona utilizada por um Amplificador Lock-in até um sistema
completo de medida de magneto-resistência CA automatizado. A tese aborda
os fundamentos matemáticos do Lock-in e uma análise das características
técnicas deste instrumento. Um circuito eletrônico para o acoplamento do
experimento ao circuito de conversão análogico-digital também foi
desenvolvido permitindo a realização de medidas de quatro pontos comumente
encontradas em experimentos de física. O sistema foi validado através da
comparação de suas medidas com instrumentos comerciais. Por fim, foi
implementado, no hardware reconfigurável, um sistema de medidas de
magneto-resistência CA com experimentos realizados no estudo do
comportamento de amostras de multicamadas de filmes finos. Multicamadas de
NiFe/Co/Cu foram estudadas por magneto-resistividade CA, identificando-se
pela primeira vez a dependência com a freqüência da magneto-resistência
elétrica de algumas amostras.
5
Abstract
This thesis presents the development, in reconfigurable hardware, of a
measurement system using techniques of Digital Signal Processing (DSP) and
Phase Sensitive Detection (PSD) in high frequencies (520 kHz to 2.0 MHz).
Systems of reconfigurable hardware are very useful due to its ease of
adaptation to the experimental problem, mitigating the need for complex
assembly and manufacture of electronic circuits. According to the demand one
can instantiate, one or more, control systems and load them into a FPGA (Field
Programmable Gate Array) for immediate use. The proposed system
implemented in reconfigurable hardware since a synchronous detection
technique used by a Lock-in amplifier to a complete system for measuring
magneto-resistance CA. The thesis discusses the mathematical foundations of
a Lock-in and an analysis of the technical characteristics of this instrument. An
electronic circuit for the coupling of the experiment and the analog to digital
conversion circuit was also developed allowing the realization of measures in
“four points” commonly used in physics experiments. The system was validated
by comparing their measurements with commercial instruments. Finally, it was
implemented in the reconfigurable hardware, a measurement system of
magneto-resistance AC with experiments on the behavior of samples of
multilayer thin films. Multilayer NiFe/Co/Cu were studied by magneto-resistivity
AC, identifying for the first time the frequency dependence of magneto-electrical
resistance of some samples.
6
Sumário
Agradecimentos.................................................................................................... 3
Resumo ............................................................................................................... 4
Abstract ............................................................................................................... 5
Sumário ...............................................................................................................6
Lista de Figuras .................................................................................................... 8
Lista de Tabelas.................................................................................................. 12
1 Introdução...................................................................................................13
1.1 Pesquisas Científicas e Desenvolvimento ..................................................................... 13
1.2 Amplificador Lock-in ....................................................................................................... 15
1.3 Objetivos e Motivação da Tese...................................................................................... 17
2
Fundamentos do Amplificador Lock-in............................................................ 18
2.1 Funcionalidades ............................................................................................................. 18
2.2 Fundamentos Matemáticos............................................................................................ 18
2.3 Amplificador Lock-in Digital Típico ................................................................................. 21
2.3.1 Considerações ....................................................................................................... 22
2.4 Considerações sobre Fontes de Ruído.......................................................................... 24
2.4.1 Fontes de Ruído Intrínseco (randômico) ............................................................... 25
2.4.1.1 Ruído Johnson.............................................................................................. 25
2.4.1.2 Ruído de Corrente (Shot noise).................................................................... 25
2.4.1.3 Ruído 1/f........................................................................................................ 26
2.4.1.4 Ruído Total.................................................................................................... 26
2.4.2 Fontes Externas de Ruído ..................................................................................... 26
2.4.2.1 Acoplamento Capacitivo ............................................................................... 26
2.4.2.2 Acoplamento Indutivo ................................................................................... 27
2.4.2.3 Acoplamento Resistivo ou Malha de Terra (ground loop) ............................ 28
3
Circuito de Desacoplamento .......................................................................... 29
3.1.1 Circuito Eletrônico .................................................................................................. 29
3.1.2 Análise do Circuito de Entrada do Conversor A/D................................................. 32
3.1.3 Análise do Ganho no Domínio da Frequência....................................................... 33
3.1.4 Análises de Distorção do Sinal .............................................................................. 35
3.1.5 Análises do Atraso em Função da Frequência...................................................... 35
3.1.6 Análises de Ruído do Sistema............................................................................... 36
3.1.6.1 Medições com o Sinal de Entrada: ............................................................... 37
3.1.6.2 Medições com o Sinal de Saída: .................................................................. 38
3.1.7 Considerações Gerais............................................................................................ 40
4
Implementação do Sistema de Medidas em Alta Frequência com Hardware
Reconfigurável
.................................................................................................... 41
4.1 Simulação do Lock-in em MATLAB ............................................................................... 41
4.2 Estrutura do Protótipo .................................................................................................... 44
4.3 Diagrama Esquemático em Módulos ............................................................................. 46
4.3.1 Descrição dos Módulos.......................................................................................... 46
4.3.1.1 Módulo Lock-in.............................................................................................. 46
4.3.1.2 Módulo de Seleção do Canal........................................................................ 47
7
4.3.1.3 Módulo Temporizador da Constante de Tempo ........................................... 48
4.3.1.4 Módulo Gerador do Sinal de Referência e Excitação Externa ..................... 48
4.3.1.5 Módulo de Conversão e Resolução do Display............................................ 48
5
Validação do Sistema de Medidas de Resistência AC........................................ 50
5.1 Proposta de Sistema de Medição de Resistência CA ................................................... 50
5.2 Experimento de Validação Adotado............................................................................... 51
5.3 Resultados das Medidas de Validação .......................................................................... 53
5.4 Análise dos Resultados.................................................................................................. 55
5.4.1 Considerações Teóricas sobre a Resistência em CA............................................ 55
5.4.2 Análise das Medidas com o Sistema Desenvolvido .............................................. 56
5.4.3 Análise das Medidas com o Osciloscópio.............................................................. 57
5.5 Medida com Nova Montagem ........................................................................................ 58
5.5.1 Medidas com o Sistema Desenvolvido .................................................................. 58
5.5.2 Medidas com o Osciloscópio ................................................................................. 60
5.6 Análise do Sinal Medido................................................................................................. 60
5.7 Conclusões..................................................................................................................... 62
6
Experimento de Magnetoresistência CA com Filme Fino.................................... 64
6.1 Motivação ....................................................................................................................... 64
6.2 Descrição do Experimento ............................................................................................. 65
6.3 Aplicação do Sistema Desenvolvido para o Experimento ............................................. 66
6.4 Medidas com as Amostras............................................................................................. 67
6.4.1 Considerações sobre a Preparação ...................................................................... 68
6.4.2 Resultados esperados ........................................................................................... 68
6.4.3 Medidas com Amostra [Py/Ru]
20
(Ref:1845) .......................................................... 69
6.4.4 Medidas com Amostra Tântalo .............................................................................. 69
6.4.5 Medidas com Amostra [PyCo/Cu]
20
(Ref: 1347)..................................................... 70
6.4.6 Medidas Normalizadas com Amostra [P
y
Co/Cu]
20
(Ref: 1347) em Frequência e
Campo Variáveis ................................................................................................................ 70
6.4.7 Repetição das medidas com fragmento da amostra e campo invertido................ 71
6.5 Conclusões..................................................................................................................... 73
7
Conclusão ................................................................................................... 77
8 Anexo1........................................................................................................ 80
9 Bibliografia .................................................................................................. 85
10 Anexo2........................................................................................................ 89
8
Lista de Figuras
Figura 1-1 – Protótipo de cabo supercondutor desenvolvido em laboratório. ............................ 13
Figura 1-2 - Gráfico da resistência em função da temperatura. Pode-se observar que em torno
de 80 K ocorre uma queda muito acentuada da resistência, onde a mesma tende a zero........ 14
Figura 1-3 - Sistema experimental comum para determinação de resistividade AC em uma
amostra padrão de teste. ............................................................................................................ 15
Figura 2-1 - Diagrama de blocos de um típico Lock-in Digital comercial.................................... 21
Figura 2-2 – Gráfico mostrando um exemplo da reserva dinâmica em dB (eixo vertical) de um
amplificador lock-in em função da frequência do ruído (eixo horizontal). Não há reserva
dinâmica caso o ruído esteja na mesma frequência do sinal de referência. .............................. 23
Figura 2-3 – Configuração básica de um amplificador Lock-in................................................... 23
Figura 2-4 – Diagrama mostrando o acoplamento do ruído ao experimento via capacitância
parasita, introduzindo tensões no experimento que podem afetar a medida............................. 27
Figura 2-5 – Diagrama mostrando o circuito magnético entre a fonte de ruído e o experimento
via acoplamento indutivo, induzindo tensão no experimento que pode afetar a medida. .......... 28
Figura 2-6 – Diagrama mostrando o circuito de retorno da fonte de ruído por um caminho de
resistência finita podendo gerar tensões de interferência no experimento. ............................... 28
Figura 3-1 – Ligação a quatro fios............................................................................................... 29
Figura 3-2 - (a) Mostra a medição direta da amostra e o terra comum no sistema de medição a
quatro fios. (b) Mostra o amplificador desacoplando o terra da fonte........................................ 30
Figura 3-3 - Arquitetura do Amplificador de Instrumentação INA217 retirada da folha de dados
do fabricante................................................................................................................................ 30
Figura 3-4 – Ilustração de cabo coaxial transmitindo o sinal da fonte à carga. O sistema deve
estar casado para evitar reflexões. ............................................................................................. 31
Figura 3-5 - Diagrama esquemático das reatâncias equivalentes do cabo coaxial cuja
impedância na faixa de frequências de operação é a impedância característica (Z
0
). .............. 31
Figura 3-6 -- Circuitos de desacoplamento com entradas diferenciais e saídas casadas.......... 31
Figura 3-7 - Ilustração do Módulo onde foi instalado o amplificador. ......................................... 31
Figura 3-8 - Esquemático do circuito de entrada do conversor A/D do Kit de desenvolvimento.
..................................................................................................................................................... 32
Figura 3-9 - Levantamento da atenuação do sinal de entrada imposta pelo circuito de
acoplamento do conversor A/D (Figura 3-8)............................................................................... 33
Figura 3-10 – Ganho (dB) x Frequência. .................................................................................... 33
Figura 3-11 – Simulação com amplificador similar, INA163, utilizando o simulador TINA-TI da
Texas Instruments....................................................................................................................... 34
9
Figura 3-12 – Variação do ganho em função da tensão de entrada para as frequências de 100
kHz, 500 kHz, 1.5 MHz e 2.0 MHz. ............................................................................................. 34
Figura 3-13 – Análise do atraso do amplificador em função da frequência................................ 36
Figura 3-14 – Montagem para análise de ruído.......................................................................... 36
Figura 3-15 – Circuito utilizado para análise de ruídos. Tp
1
e Tp
2
são os pontos de medição. . 36
Figura 3-16 - Entrada do amplificador com ruído........................................................................ 37
Figura 3-17 - Entrada do amplificador filtrada pelo osciloscópio (referência)............................. 37
Figura 3-18 - Cálculo do ruído no sinal de entrada..................................................................... 38
Figura 3-19 - Saída do Amplificador (TP2) em função do tempo. .............................................. 38
Figura 3-20 - Saída Filtrada pelo osciloscópio (referência) em função do tempo. ..................... 39
Figura 3-21 - Cálculo do ruído do sinal de saída em função do tempo. ..................................... 39
Figura 4-1 – Simulação no MATLAB/SIMULINK do processamento do PSD do Lock-in e
cálculos de magnitude e fase (tangente). ................................................................................... 43
Figura 4-2 – Diagrama da estrutura do protótipo implementado com a placa de
desenvolvimento, mostrando os botões, “leds”, “displays” e conversores AD/DA utilizados para
controle e entrada/saída.............................................................................................................. 45
Figura 4-3 – Estrutura em linguagem VHDL do hardware inicialmente projetado para o sistema
de medições. ............................................................................................................................... 46
Figura 4-4 – Diagrama do sistema desenvolvido, apresentando em módulos o hardware
configurado na FPGA (STATIX II) da placa de desenvolvimento............................................... 46
Figura 4-5 – Diagrama dos blocos do módulo de Lock-in mostrando o processamento em fase
e quadratura e a geração dos componentes Real (U
1
) e Imaginário (U
2
). ................................. 47
Figura 4-6 – Diagrama dos blocos para seleção do canal de entrada, controlados pela chave
SW7............................................................................................................................................. 47
Figura 4-7 – Diagrama dos blocos para o Módulo gerador da constante de tempo de 10 ciclos
para a frequência de 781.25 kHz. ............................................................................................... 48
Figura 4-8 - Diagrama dos blocos do módulo gerador de referência interna e excitação externa.
..................................................................................................................................................... 48
Figura 4-9 – Diagrama dos blocos do módulo conversor para volts e controle de resolução do
display, controlado pela chave SW6. .......................................................................................... 49
Figura 5-1 – Circuito básico para medição da impedância Z1.................................................... 50
Figura 5-2 – Experimento de validação consiste de um circuito com resistores em série,
excitados por gerador com frequência e amplitude variáveis. O sistema de medidas de
resistência CA foi utilizado para medir o valor de R2 em função da frequência e do nível de
excitação. .................................................................................................................................... 51
Figura 5-3 – Diagrama do sistema programado no Kit EP2S60 da ALTERA para o teste de
validação. .................................................................................................................................... 53
10
Figura 5-4 – Esquema mostrando a resistência efetiva devida à indutância e capacitância
introduzidas pelo resistor real. Estas reatâncias influenciam o valor da resistência em CA...... 56
Figura 5-5 – Gráfico das medidas de resistência CA de R2, com F e V variáveis, mostrando o
desvio das medidas nos diversos níveis de excitação. .............................................................. 57
Figura 5-6 – Gráfico das medidas com osciloscópio da resistência CA de R2 com F e V
variáveis, mostrando o desvio das medidas nos diversos níveis de excitação. ......................... 58
Figura 5-7 – PCI para novas medidas. ....................................................................................... 58
Figura 5-8 - Medidas utilizando a nova montagem, com CT = 40us e nível de sinal 7. A equação
mostra a inclinação da linha de tendência e a previsão para CC............................................... 59
Figura 5-9 – Medidas utilizando a nova montagem, com CT = 40us e nível de sinal 1. A
equação mostra a inclinação da linha de tendência e a previsão para CC................................ 59
Figura 5-10 – Medida com o osciloscópio, filtro em 128 médias e nível de sinal 7. A equação
mostra a inclinação da linha de tendência e a previsão para CC............................................... 60
Figura 5-11 – Gráfico dos valores do conversor AD1 e do valor calculado pelo sistema,
adquiridos em “tempo real” para a frequência de 1.9 MHz......................................................... 61
Figura 5-12 – Gráfico dos valores do conversor AD2 e do valor calculado pelo sistema,
adquirdos em “tempo real” para a frequência de 1.9 MHz. ........................................................ 61
Figura 6-1 – Diagrama do experimento mostrando o gerador de CA excitando a amostra imersa
no campo B e a tensão na amostra sendo aplicada a um amplificador de instrumentação....... 65
Figura 6-2 – Diagrama do suporte onde foi introduzida a amostra de filme fino. Vemos
indicados o gerador (G) que produz a corrente i na amostra, e a tensão V no centro da mesma.
..................................................................................................................................................... 66
Figura 6-3 - Diagrama do sistema desenvolvido no Kit EP2S60 da ALTERA para a medição de
magnetoresistência CA. .............................................................................................................. 66
Figura 6-4 - Gráfico com as medidas na amostra 1845, na frequência de 520 kHz, em função
do campo magnético................................................................................................................... 69
Figura 6-5 – Gráfico com as medidas na amostra tântalo, na frequência de 520 kHz, em função
do campo magnético................................................................................................................... 69
Figura 6-6 – Gráfico com as medidas na amostra 1347, na frequência de 520 kHz, em função
do campo magnético................................................................................................................... 70
Figura 6-7 - Gráfico com as medidas de magnetoresistência da amostra 1347 (valores
normalizados) para as frequências de 520 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz e 1,9 MHz, em função do
campo magnético. ....................................................................................................................... 71
Figura 6-8 - Gráfico com as medidas em fragmento da amostra 1347, na frequência de 1.9
MHz, em função do campo magnético........................................................................................ 72
Figura 6-9 - Gráfico com as medidas em fragmento da amostra 1347, na frequência de 520
kHz, em função do campo magnético......................................................................................... 72
Figura 6-10 – Gráfico da Magnetoresistência (%) versus Campo aplicado na amostra Ref.
1350............................................................................................................................................. 73
Figura 6-11 – Diagrama da configuração em ponte da interface entre a saída do sinal e a
entrada do sinal........................................................................................................................... 74
11
Figura 6-12 - Gráfico mostrando a dessensibilização da rejeição de modo comum (CMRR) ao
desbalanceamento da linha de transmissão do sinal proporcionada por uma maior impedância
de entrada no receptor. ............................................................................................................... 75
Figura 6-13 - Diagrama esquemático de um sistema balanceado para a transmissão do sinal.75
Figura 6-14 – Diagrama esquemático do método bootstrap, que através da redução da corrente
através de R1 + R2 proporcionalmente à frequência de corte do filtro passa-altas R5C mantém
alta CMRR para sinais de modo comum não rejeitados pelo filtro............................................. 76
Figura 7-1 – Ilustração da placa de desenvolvimento do Kit Stratix II EP2S60 DSP. ................ 80
Figura 7-2 – Diagrama dos blocos que compõem o dispositivo Stratix II................................... 83
12
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 - Resumo dos resultados encontrados para a análise de distorção do sinal. .......... 35
Tabela 3.2 – Comparação do ruído da saída com a entrada. .................................................... 39
Tabela 4.1 – Valores simulados para determinação de módulo e fase de um sinal auto-gerado.
..................................................................................................................................................... 44
Tabela 5.1 – Estado dos botões para configurar a operação do sistema projetado, sinalizados
por “leds” na placa de desenvolvimento. .................................................................................... 52
Tabela 5.2 – Significado do código apresentado nos displays, representando a frequência e o
nível do sinal de excitação gerado pelo sistema com quantização de 14 bits. O código é
visualizado nos displays de 7 segmentos da placa de desenvolvimento (KIT EP2S60)............ 52
Tabela 5.3 – A Tabela apresenta as médias e desvios padrão das medidas de R2 em 20
aquisições com constante de tempo 40µs. O valor médio total é de 54,7Ω............................... 54
Tabela 5.4 – A Tabela apresenta as médias e desvios padrão das medidas de R2 em 20
aquisições com constante de tempo 10ms. O valor médio total é de 54,7Ω.............................. 54
Tabela 5.5 – A Tabela apresenta as médias e desvios padrão em 20 aquisições das medidas
de R2 com o osciloscópio, com filtro em 128 médias. O valor médio total é de 53,3Ω............. 55
Tabela 5.6 – Resistência média total (
2
R (Ω) ±
2
R
σ
(Ω) ) para CA........................................... 55
Tabela 5.7 – Média (Ω) e desvio padrão (Ω) das medidas entre os níveis de tensão, para limites
extremos das frequências (kHz) utilizadas no experimento. ...................................................... 56
Tabela 5.8 – Média (Ω) e desvio padrão (Ω) das medidas entre os níveis de tensão, para os
limites extremos das frequências utilizadas no experimento...................................................... 57
Tabela 5.9 – São mostrados os valores de pico dos sinais digitalizados e quantizados pelos
conversores AD1 e AD2, os valores medidos pelo sistema e o erro percentual de cada medida.
..................................................................................................................................................... 61
13
1 Introdução
1.1 Pesquisas Científicas e Desenvolvimento
As pesquisas científicas fazem parte do desenvolvimento tecnológico e
cientifico de qualquer país. Estudos e pesquisas representam o pontapé inicial
para a elaboração de projetos tecnológicos de escala macroscópica os quais
são elementos fundamentais das macro-políticas de desenvolvimento. Todo o
processo de pesquisa cientifica representa a espinha dorsal do
desenvolvimento tecnológico, industrial e social de qualquer país. Como
exemplo do anterior podemos citar os projetos científicos e tecnológicos
relacionados ao aumento da eficiência energética dos sistemas de geração,
transmissão e distribuição de energia elétrica a nível nacional. Outro exemplo
diz respeito às pesquisas que estão sendo realizadas atualmente na área de
nanotecnologia. Ambos os exemplos anteriores demandam materiais novos
com propriedades físicas avançadas os quais muitas vezes vêem o seu
nascimento em laboratórios de pesquisas cientificas.
Para se ter uma idéia da importância do anterior, no Brasil para cada
ponto porcentual de crescimento (redução) da economia brasileira há um
aumento (diminuição) de 1,4 ponto percentual na demanda por energia elétrica
conforme estudos da MCM Consultores Associados [1]. Resulta evidente
então, que a eficiência do sistema elétrico geral como um todo é essencial para
o desenvolvimento sustentável do país e neste sentido as pesquisas científicas
feitas em laboratório sobre a introdução de materiais avançados nos
componentes do mesmo é de extrema importância. Um exemplo de um
protótipo desenvolvido em laboratório de pesquisa para ser usado no sistema
elétrico nacional aparece mostrado na (Figura 1-1).
Figura 1-1 – Protótipo de cabo supercondutor desenvolvido em laboratório.
14
A caracterização experimental das propriedades físicas das amostras
pertencentes aos compostos estudados em laboratórios científicos é uma parte
essencial da pesquisa e é realizada através de medidas experimentais de
diferentes grandezas, como por exemplo, a suscetibilidade magnética, a
resistividade elétrica, condutividade térmica e as propriedades mecânicas,
dentre outras. Em essência, as grandezas físicas são estudadas em função de
parâmetros como temperatura, campo magnético, pressão, etc. Todos estes
experimentos visam à comparação de dados experimentais com modelos
teóricos com o objetivo de identificar os mecanismos atuantes nos sistemas
estudados. O objetivo final é a obtenção de materiais com propriedades físicas
otimizadas. Um exemplo pode ser observado na Figura 1-2 que mostra uma
medida da resistência de filme cerâmico supercondutor de alta temperatura
crítica.
As pesquisas científicas têm levado ao surgimento de vários grupos de
trabalho os quais atuam em áreas diferentes do conhecimento humano. No
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), por exemplo, existem
diferentes laboratórios de pesquisa relacionados ao estudo de materiais
avançados com potencialidades tecnológicas, como filmes finos magnéticos,
supercondutores de alta temperatura crítica, outros materiais como as
manganitas
1
, etc. Conforme destacado, o objetivo em longo prazo destes
grupos de pesquisas está dirigido à introdução das potencialidades
tecnológicas dos mesmos na indústria e na sociedade.
Figura 1-2 - Gráfico da resistência em função da temperatura. Pode-se observar que
em torno de 80 K ocorre uma queda muito acentuada da resistência, onde a mesma
tende a zero.
Um tipo específico de caracterização de sistemas físicos estuda a
resposta dinâmica de amostras a sinais de excitação AC. Nestes experimentos
não só é essencial estabelecer a correlação entre as diferentes grandezas
1
Algumas manganitas, material formado por átomos de oxigênio, manganês e terras raras, e.g.
La0.7Ca0.3MnO3, apresentam o fenômeno da Magnetoresistência Colossal com temperaturas abaixo de
150 K e campos magnéticos de vários Teslas.
15
físicas envolvidas, assim como também a correlação temporal entre os sinais
detectados e os sinais de excitação usados nas medidas. As medidas de
suscetibilidade magnética AC, por exemplo, visam estudar a resposta
magnética de amostras de diferentes compostos a diferentes estímulos
magnéticos que dependem do tempo. Em essência, estas medidas estudam a
reposta dos momentos magnéticos quando os mesmos são perturbados
temporalmente [2]. As medidas de resistividade elétrica AC permitem estudar
os mecanismos de condução elétrica que atuam sobre os portadores de cargas
no material quando uma corrente AC percorre a amostra [3].
As técnicas experimentais anteriores, além de muitas outras não
discutidas nesta introdução, usam um Amplificador Lock-In como parte
essencial do sistema experimental. A Figura 1-3 mostra um sistema
experimental comumente usado para a caracterização da resistividade AC de
uma amostra de um determinado composto e na mesma pode ser observada a
utilização de um Lock-In. Os motivos pelos quais este instrumento resulta
extremamente importante serão discutidos a seguir.
Figura 1-3 - Sistema experimental comum para determinação de resistividade AC em
uma amostra padrão de teste.
1.2 Amplificador Lock-in
Conforme sinalizado, o Lock-In é parte essencial de muitos sistemas
experimentais. Só para citar alguns exemplos destacamos seu uso como um
método de contagem de pulsos em espectroscopia de massa modulada [4], em
16
medidas óticas como um redutor do ruído [5], em experimentos de
espectroscopia Raman [6], medidas de efeito termo-elétrico (Termofem) [7],
além de outras aplicações comumente usadas para medir propriedades
magnéticas de sistemas sólidos [8-10]. Deve ser sinalizado que os exemplos
anteriores representam só uma parcela das várias aplicações deste
instrumento nas atividades de pesquisa.
Diferentes aplicações conferem ao Amplificador Lock-In um lugar
especial dentro da caracterização de sistemas físicos avançados. Começamos
sinalizando que em geral a resposta do sistema físico em estudo pode estar
defasada com relação ao sinal de excitação. A defasagem contém informação
física relevante sobre a dinâmica do sistema estudado, o que torna importante
a sua determinação experimental. Conseqüentemente, medir esta propriedade
se torna essencial no estudo experimental de muitos sistemas físicos e o
Amplificador Lock-In é o instrumento ideal para detectar a defasagem entre
resposta e excitação numa medida AC [11].
Outra aplicação está associada com o fato de que muitos sistemas
experimentais (como o mostrado na Figura 1-3) detectam voltagens
experimentais bem pequenas, muitas vezes da ordem de nanovolts as quais
não podem ser medidas com multímetros convencionais. O Amplificador Lock-
In permite a detecção destes sinais AC funcionando como um voltímetro capaz
de medir a amplitude e a fase relativa de um sinal AC com relação a um sinal
de referência [12]. O instrumento atua como um filtro de banda centrado na
frequência do sinal de referência. Se um sinal de entrada V
in
= V
0
sen(2π f
0
t ) +
r(t), onde r é um ruído branco inerente ao processo de medida, é fornecido ao
Lock-In, o mesmo consegue determinar o valor de V
0
, para valores da E[r]
2
>>
0, além de permitir a medida do atraso de fase do sinal em relação à frequência
de referência f
0
. Para isto o sinal passa por um detector sensível à fase (PSD)
que realiza a retificação e a conversão AC/DC e o qual é tido como o coração
do Lock-In.
Uma outra aplicação que merece ser destacada é que a resposta física
de diferentes sistemas depende em geral da frequência de excitação usada. De
novo, esta dependência fornece informação física importante sobre os
mecanismos físicos ativos no sistema em particular que esta sendo estudado.
Um campo magnético, por exemplo, quando aplicado sobre um supercondutor
de alta temperatura crítica forma uma rede de vórtices no seu interior (rede de
Abrikosov). O movimento destes vórtices se dá por ativação térmica e provoca
dissipação (voltagem) [13]. Nestes sistemas, a resposta depende da escala de
tempo usada no experimento e medidas com diferentes frequências permitem
obter esta dependência, além da obtenção de importantes parâmetros físicos
[14]. Estudos que abordam esta problemática incluem o Amplificador Lock-In
como elemento essencial para obter a dependência com a frequência de
determinadas grandezas físicas. Neste sentido, é de se destacar que
frequências cada vez mais elevadas têm sido usadas em experiências
similares às descritas anteriormente [15-17].
Todos os fatores mencionados nos parágrafos acima sugerem que este
instrumento é extremamente importante e muito usado em diferentes áreas das
pesquisas científicas. Resumindo, o Amplificador Lock-In é um instrumento de
múltiplas potencialidades, com o qual é possível detectar sinais em diversas
17
ordens de magnitude e frequência, na presença de ruídos de diferente
natureza, além de desempenhar outras funções tais como: instrumento
medidor de fase, uma unidade medidora de ruído, um analisador de espectro,
etc. As aplicações deste instrumento abrangem os mais diversos ramos do
conhecimento e na física em particular, as suas aplicações vão desde a física
moderna de partículas, passando pelo estudo de propriedades ópticas em
materiais, até as técnicas comuns de caracterização de materiais magnéticos,
supercondutores, além de muitos outros. Finalizamos salientado que o trabalho
científico desenvolvido em laboratórios de pesquisa demanda cada vez mais o
desenvolvimento do setor de instrumentação científica e em particular o
desenvolvimento de instrumentos de alto nível como os Amplificadores Lock-
Ins.
1.3 Objetivos e Motivação da Tese.
Conforme destacado anteriormente o uso de amplificadores Lock-Ins em
diferentes experimentos permite a realização de diferentes medidas as quais
fornecem informações importantes sobre os diferentes sistemas físicos que
estão sendo estudados. Recentemente foi desenhado e testado no Laboratório
de Instrumentação Cientifica e Eletrônica do CBPF um protótipo de
Amplificador Lock-In operando a alta frequência [18]. O trabalho anterior esteve
motivado pela demanda de equipamentos desta natureza visando acompanhar
o desenvolvimento das pesquisas científicas realizadas no instituto, conforme
sinalizado anteriormente. Deve ser apontado que o desenvolvimento de um
Amplificador Lock-In operando a altas frequências demanda um esforço
integrado onde diferentes questões eletrônicas (e outras) necessitam ser
levadas em consideração [19,20].
O objetivo central desta tese consiste na implementação de um
Amplificador Lock-In operando em altas frequências e a sua validação através
da realização de medidas físicas em sistemas físicos chamados de avançados.
Para isto, objetivamos a caracterização por resistividade AC de multicamadas
magnéticas obtidas através de técnicas avançadas de deposição (sputtering)
de filmes finos. Multicamadas de NiFe/Co/Cu foram estudadas por resistividade
AC identificando-se pela primeira vez a dependência com a frequência da
magneto-resistência elétrica.
18
2 Fundamentos do Amplificador Lock-in
Este capítulo apresenta inicialmente uma visão da funcionalidade do
amplificador Lock-in e os fundamentos matemáticos que embasam o
processamento que o caracteriza. Nas seções seguintes é feita a análise de
um amplificador Lock-in digital típico, finalizando com considerações sobre
fontes de ruído e meios de interferência.
2.1 Funcionalidades
Conforme destacado no capítulo inicial, um número grande de pesquisas
científicas realizadas a escala de laboratório têm amplificadores Lock-In como
parte essencial dos diferentes sistemas experimentais. O amplificador Lock-In
fornece um sinal CC de saída proporcional ao sinal CA de entrada. A detecção
ou amplificação do sinal de entrada é realizada em relação a um sinal de
referência. O anterior permite discriminar o sinal de interesse, enquanto atenua
os efeitos de ruídos e outros sinais interferentes. O sistema pode fornecer
também as componentes “real” e “imaginária” do sinal de entrada como
conseqüência do processamento em quadratura. Isto é muito relevante já que
estas componentes fornecem informações importantes sobre parâmetros
físicos dos sistemas estudados. Como mostrado anteriormente, além de outras
propriedades não destacadas aqui, fazem do Lock-In um instrumento muito
versátil capaz de realizar diferentes funções num laboratório de pesquisas
cientificas. Dentre estas funções podemos destacar:
• Instrumento recuperador de sinais CA em meio ruidoso;
• Medidor de amplitude e fase com relação a um sinal de referência;
• Medidor de ruído;
• Simples voltímetro;
• Analisador de espectro.
2.2 Fundamentos Matemáticos
19
O núcleo de um Lock-in é o retificador sensível à fase (PSD) o qual
realiza o processo de correlação [20], i.é., o sinal de entrada é comparado com
um sinal de referência e a similaridade entre estes sinais é determinada. Há
dois tipos de correlação:
A correlação cruzada:
∫
+
−
∞→
+=
T
T
T
xy
dttxty
T
K )()(
2
1
lim)(
ττ
(2-1)
determina a similaridade entre duas funções contínuas no tempo y(t) e x(t). Se
não houver similaridade entre estas funções, então a função de correlação K
xy
será nula para todo
τ
.
A auto-correlação:
∫
+
−
∞→
+=
T
T
T
xx
dttxtx
T
K )()(
2
1
lim)(
ττ
(2-2)
descreve a independência da função x(t) com respeito ao deslocamento no
tempo, e portanto determina a similaridade do sinal com ele próprio.
Vale observar as seguintes propriedades características da função de
auto-correlação:
1 – Para 0=
τ
, a função atinge seu valor máximo, que é igual ao
quadrado do valor RMS de x(t):
2
)0( xK
xx
==
τ
;
2 -- A função de auto-correlação é uma função par com respeito ao
deslocamento no tempo
τ
: )()(
τ
τ
−
=
xxxx
KK ;
3 -- Para ∞→
τ
, a função é igual ao quadrado do seu valor médio:
2
)( xK
xx
=∞→
τ
.
Como demonstrado a seguir [21] o PSD que é o núcleo de
processamento do amplificador Lock-in, executa a função de correlação entre o
sinal aplicado g(t) e a referência f(t):
20
∫
+=
∞→
T
T
xy
dttxty
T
K
0
)()(
1
lim)(
ττ
(2-3)
∫
+=Τ
T
xy
dttxty
T
K
0
)()(
1
),(
ττ
(2-4)
()
(
)
tsenaty
ω
⋅=
(
)
(
)
∆
+
⋅
=
tsenbtx
ω
∫
∆+⋅
Τ⋅
⋅
=∆
T
dttsentsen
n
ba
K
0
1
)()()(
ωω
(2-5)
()
(
)
(
)
tsentsentsen
ω
ω
ω
coscos
∆
+
∆
⋅
=∆+
() ( ) () ()
dtsentwtsendttsentsentsen ∆⋅⋅+∆⋅=∆+⋅
∫∫∫
ΤΤΤ
00
2
0
coscos
ωωωω
Resolvendo-se a integral obtém-se:
() ()
1111
cos
2
∆⋅
⋅
==∆
ba
UK
(2-6)
∫
∆+⋅
Τ⋅
⋅
=∆
nT
dttsentsen
n
ba
K
0
222
)()()(
ωω
(2-7)
∫
±∆+⋅
Τ⋅
⋅
=∆
nT
dttsentsen
n
ba
K
0
122
)2()()(
πωω
() ()
1212
2
∆⋅
⋅
±==∆ sen
ba
UK
(2-8)
(
)
(
)()
[
]
∆+∆⋅⋅=+=
22
22
2
2
1
cos2 senbaUUU
out
(2-9)
(
)
(
)
rmsrms
baba ⋅=⋅= 22
()
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=∆∴=
∆
∆
=∆
−
1
2
1
1
2
tan
cos
tan
U
U
U
U
sen
(2-10)
No desenvolvimento acima destacamos as saídas U
1
(equação 2-6) e U
2
(equação 2-8) em CC (depois de filtrado o ruído CA gerado) que são
proporcionais às componentes Real e Imaginária, respectivamente, de um sinal
complexo, i.é., um sinal defasado com relação à referência permitindo
caracterizar a influência das reatâncias inerentes a um experimento. Estas
21
saídas permitem determinar a defasagem (equação 2-10) bem como o módulo
(equação 2-9) cujo valor é independente desta defasagem.
2.3 Amplificador Lock-in Digital Típico
Amplificadores Lock-in são usualmente chamados de instrumentos
“digitais” se o detector sensível à fase (phase-sensitive detector – PSD) for
implementado em circuitos digitais. Na Figura 2-1 é mostrado um diagrama em
blocos de um típico Lock-in digital.
Figura 2-1 - Diagrama de blocos de um típico Lock-in Digital comercial.
O lock-in digital geralmente apresenta vantagens sobre os sistemas
analógicos, incluindo:
• Melhor estabilidade de saída – Diferente dos sistemas analógicos,
não há estágios de saída com acoplamento CC o que os torna
menos sensíveis a deslocamentos (“drifts”) com o tempo e a
temperatura.
• Melhores osciladores internos – Os osciladores internos
estabilizados a cristal são mais estáveis a variações com respeito
ao tempo e à temperatura, dando melhores resultados em
experimentos que podem ser afetados por estes parâmetros. A
operação com referência interna, nas unidades de processamento
de sinal também oferece um tempo quase nulo na aquisição do
sinal de referência.
• Perfeita ortogonalidade no demodulador – Melhora a precisão na
medida de pequenos sinais em fase na presença de grandes
sinais em quadratura.
• Melhor custo/beneficio – A redução dos custos de fabricação e
teste de sistemas digitais oferece melhor custo/beneficio do que
outras tecnologias.
22
2.3.1 Considerações
Esta seção trata da descrição das principais funcionalidades e
considerações com respeito a um amplificador Lock-In digital.
Para uma adequação mais imediata à fonte de sinal, são
disponibilizadas entradas aterradas e flutuantes em alta impedância e em modo
de corrente em baixa impedância.
O canal de sinal contém filtros analógicos e amplificadores com ganho
configurável. Para cada seleção do ganho, há um correspondente nível no
qual a entrada satura.
É uma propriedade básica do amplificador Lock-In que a melhor
performance do demodulador é obtida ao ser fornecido o maior sinal possível
para o conversor A/D. Portanto, o ganho CA deve ser feito o maior possível
que não cause saturação no amplificador nem no conversor A/D.
Naturalmente, caso haja ganho digital no demodulador (fase e quadratura) este
ganho deve ser simultaneamente ajustado para manter a sensibilidade de
fundo de escala selecionada. Mudanças no ganho CA afetam outras
características como banda passante e precisão, mas mudanças no ganho
digital não têm este efeito. Portanto, mudanças na sensibilidade de fundo de
escala baseadas somente no ganho digital estão livres de introduzir erros.
A mudança do ganho CA afeta a reserva dinâmica do instrumento.
Reserva dinâmica (Figura 2-2) é a medida da habilidade do instrumento em
efetuar medições precisas na presença de sinais de interferência. A reserva
dinâmica de um amplificador Lock-In para um sinal de entrada a um
determinado fundo de escala, é a relação (em dB) entre o maior sinal de
interferência e a tensão de fundo de escala. O maior sinal de interferência é
definido como a amplitude do sinal em qualquer frequência que pode ser
aplicado para a entrada antes do Lock-In não poder medir um sinal com sua
precisão especificada. Por exemplo, sendo o fundo de escala de 1µV, então
uma reserva dinâmica de 60 dB significa que ruídos até 1mV podem ser
aplicados na entrada sem saturá-la. Se o ganho CA é baixo, então o sinal real
irá ocupar apenas alguns bits da faixa dinâmica do conversor A/D, permitindo
assim que possam ser medidos sinais na presença de forte interferência sem
saturação, porém será necessária uma constante de tempo maior para atingir
um determinado nível de precisão. Inversamente, altos ganhos CA permitem
usarmos menores constantes de tempo para um determinado nível de
precisão, mas resultam em menor reserva dinâmica.
23
Figura 2-2 – Gráfico mostrando um exemplo da reserva dinâmica em dB (eixo vertical)
de um amplificador Lock-In em função da frequência do ruído (eixo horizontal). Não há
reserva dinâmica caso o ruído esteja na mesma frequência do sinal de referência.
Após o amplificador CA, o sinal passa por um filtro “anti-aliasing”, que
restringe a banda passante para remover frequências não desejadas que
possam causar falsas saídas do conversor A/D devido ao processo de
amostragem. Caso seja aceitável o nível de ruído no sinal medido, é
conveniente não utilizar este filtro, evitando as distorções que o mesmo possa
introduzir no sinal. Geralmente uma saída direta é introduzida para monitorar
os efeitos da filtragem no sinal de entrada.
Após o filtro “anti-aliasing” o sinal chega ao conversor A/D que digitaliza
o sinal de entrada na frequência de amostragem que estiver configurado,
respeitando-se a banda de passagem do filtro (Teorema da amostragem de
Nyquist). A saída deste conversor, que é uma série de valores digitais (valores
quantizados) representando a amplitude do sinal de entrada, alimenta o DSP
2
principal dedicado ao PSD (phase-sensitive detector), que apresenta a saída
em dois canais: em fase e em quadratura, que passam por filtros digitais que
implementam a função convencional de filtro passa-baixas de saída (Figura
2-3).
Figura 2-3 – Configuração básica de um amplificador Lock-In.
2
DSPs (do inglês Digital Signal Processor) são microprocessadores especializados em processamento
digital de sinal usados para processar sinais de áudio, vídeo, etc., quer em tempo real quer em “off-line”.
24
Consideremos por exemplo uma frequência de referência de 1 kHz,
gerada internamente ou externa. Sendo a frequência de amostragem de 180
kHz, o DSP dedicado de referência gera 180 amostragens em um período do
sinal, que estarão dispostas entre os ângulos de fase de 0 a 360° em
incrementos de 2º. Estas amostragens multiplicadas por seno e co-seno
unitários armazenados em uma memória (look-up table), geram os
multiplicadores de fase e quadratura do PSD. Sendo o sinal de referência
externo, outro DSP dedicado configurado como um PLL (phase-locked loop) é
usado para medir a frequência do sinal aplicado.
No modo de referência interna, a situação ideal seria que o processador
do sinal de referência gere também um sinal de saída na frequência
selecionada. Neste caso, o canal de referência fica independente de um PLL,
não requerendo o tempo utilizado para que o PLL estabilize na frequência. Por
limitações técnicas, especialmente para as frequência mais altas, tem sido
utilizado um sintetizador digital de frequências independente com elevada taxa
de amostragem, para esta finalidade.
Para certas aplicações, respeitando-se a máxima frequência de
referência permitida pelo sistema, encontra-se disponível a função de efetuar
medidas a certo múltiplo “n”, ou harmônica, da frequência de referência.
O DSP de referência geralmente implementa também um defasador
digital, com resolução na faixa de 10 miligraus, para possibilitar obter fase de
zero graus com o sinal de entrada. Ou também os passos podem ser de 90°
quando o ajuste é feito primeiramente pelo valor nulo, adicionando-se depois
90° ou 270° para maximizá-lo.
As saídas filtradas dos canais do PSD são encaminhadas para um
processador que implementa filtragem e processamento adicionais como
módulo e fase, podendo inclusive efetuar medidas de ruído.
Geralmente, amplificadores Lock-In digitais usam Filtros passa-baixas
FIR (Finite Impulse Response), com atenuação de 6, 12, 18 e 24 dB/oitava
conforme maior a frequência. Estes filtros oferecem substancial vantagem no
tempo de resposta se comparados com filtros analógicos ou digitais IIR (Infinite
Impulse Response). A eficiência destes filtros (constante de tempo) está
diretamente ligada à razão de crescimento da reserva dinâmica a partir da
frequência de referência. Ao aumentarmos a constante de tempo, aumentamos
também a relação sinal-ruído. Como podemos ver nas simulações em [18], a
flutuação do ruído cai pela raiz quadrada do número de medidas realizadas.
2.4 Considerações sobre Fontes de Ruído
Há dois tipos de ruído (“noise”) que podem interferir em um experimento
no laboratório: ruídos intrínsecos e ruídos externos. Ruídos intrínsecos como
Johnson e Shot (ruído de corrente), são inerentes a todos os processos físicos.
Embora não seja possível ficarmos totalmente livres dos ruídos intrínsecos,
podemos minimizar os seus efeitos. Fontes de ruído externo são encontradas
no ambiente, como as linhas de força e estações transmissoras. O efeito
destas fontes de ruído pode ser minimizado com cuidadosos procedimentos na
montagem do experimento como aterramento, blindagem, e outros aspectos
25
inerentes a cada experimento em particular. Nas secções seguintes vamos
expor as principais fontes de ruído intrínseco e externo.
2.4.1 Fontes de Ruído Intrínseco (randômico)
Ruídos randômicos interferem nos experimentos em uma variedade de
maneiras. Há diversas fontes de ruídos intrínsecos que estão presentes em
todos os sinais eletrônicos. Vamos ver alguns deles:
2.4.1.1 Ruído Johnson
Todo resistor gera uma tensão de ruído em seus terminais devido às
flutuações térmicas na densidade dos elétrons no interior do resistor. Estas
flutuações geram uma tensão de ruído:
(
)
(
)
fruído
RrmsV
∆
⋅
⋅
Τ
⋅
⋅
=
κ
4 (2-11)
onde k=constante de Boltzmann (1.38x10-23 J/°K), T é a temperatura em
°Kelvin (tipicamente 300°K), R é a resistência em Ohms e ∆
f
é a banda em Hz.
Este ruído é de banda larga e se a impedância da fonte do sinal é grande, pode
determinar a quantidade de reserva dinâmica requerida.
A quantidade de ruído medida pelo Lock-In é determinada pela banda da
medição. O Lock-In não irá estreitar a banda detectada antes de chegar ao
PSD. Em um Lock-In, a banda equivalente de ruído do filtro passa baixa
(constante de tempo) configura a banda de detecção. Neste caso, o ruído
medido sobre um resistor na entrada de um Lock-In, tipicamente a impedância
de entrada do sinal, é simplesmente:
()
BWRrmsV
ruído
13.0= n
V
(2-12)
A banda (BW) do amplificador de sinal determina a faixa do ruído de
banda-larga que será amplificada.
Isto afeta a reserva dinâmica. A constante de tempo configura a
quantidade de ruído que será medida na frequência de referência.
2.4.1.2 Ruído de Corrente (Shot noise)
A corrente elétrica tem ruído devido à natureza finita dos portadores de
carga. Há uma espécie de não uniformidade no fluxo do elétron que gera ruído
na corrente. Este ruído é chamado “shot noise”. Pode aparecer como uma
tensão de ruído quando a corrente passa através de um resistor ou como ruído
em uma medida de corrente. O shot noise ou ruído de corrente é dado por:
(
)
(
)
21
2
fruído
IqrmsI ∆⋅⋅⋅=
(2-13)
26
Onde q é a carga do elétron (1.6x10
-19
Coulomb), I é a corrente CA rms ou
corrente CC que depende do circuito e ∆
f
é a banda.
2.4.1.3 Ruído 1/f
Todo resistor, independente do que seja feito, tem o mesmo ruído
Johnson. Entretanto, há um ruído adicional que provém de flutuações na
resistência devido ao fluxo de corrente através do resistor. Para os resistores
de carbono, este valor é tipicamente 0.1 µV-3 µV rms por Volt aplicado
através do resistor. Resistores de filme metálico têm aproximadamente 10
vezes menos ruído. Este ruído tem um espectro inversamente proporcional à
frequência (1/f) e dificulta as medidas em baixa frequência.
Outras fontes deste ruído são encontradas em válvulas a vácuo e
semicondutores.
2.4.1.4 Ruído Total
Todas estas fontes de ruído são incoerentes. O ruído randômico total é
a raiz quadrada dos quadrados de todas as fontes incoerentes de ruído.
2.4.2 Fontes Externas de Ruído
Adicionalmente às fontes de ruído intrínsecas discutidas anteriormente,
há uma variedade de ruídos externos dentro do laboratório. As maiorias destes
ruídos são assíncronos, i.e., eles não são relacionados à referência e não
ocorrem na frequência de referencia ou suas harmônicas. Exemplos incluem
iluminação, motores, aparelhos de ar condicionado, rádios, computadores,
monitores, etc. Estas fontes de ruído afetam a medida aumentando o
requerimento da reserva dinâmica e da constante de tempo.
Algumas fontes de ruído, porém, estão relacionadas à referencia e se
interferem no sinal serão adicionadas ou subtraídas do sinal real causando
erros na medida.
Fontes típicas de ruído síncrono são os “loops” de terra entre o
experimento, o sensor e o Lock-In e induções do oscilador de referência ou da
montagem do experimento.
Muitas destas fontes podem ser minimizadas com cuidados na
montagem do experimento e na técnica de efetuar as medidas.
Há diversos meios pelos quais as fontes de ruído são acopladas ao
circuito do sinal:
2.4.2.1 Acoplamento Capacitivo
Uma tensão CA proveniente de uma fonte próxima pode ser acoplada ao
elemento sensor via capacitância parasita (“stray”) (Figura 2-4). Mesmo que a
capacitância parasita seja pequena, o ruído acoplado pode atingir valores
significativos. Isto é especialmente prejudicial se o ruído acoplado for síncrono
(na frequência da referência).
27
Figura 2-4 – Diagrama mostrando o acoplamento do ruído ao experimento via
capacitância parasita, introduzindo tensões no experimento que podem afetar a
medida.
Podemos estimar a corrente de ruído causada por uma capacitância
parasita por:
ruídoparasitaparasita
VC
dt
dV
Ci ⋅⋅==
ω
(2-14)
Onde W é 2π vezes a frequência do ruído, V
ruído
é a amplitude do ruído e
C
parasita
é a capacitância parasita.
Por exemplo, se a fonte de ruído for um circuito de potência, então f=60
Hz e V
ruído
= 120 V. C
parasita
pode ser estimado usando um capacitor equivalente.
Se a capacitância é aproximadamente uma área de 1cm
2
separada por 10 cm,
então C
parasita
é 0,009 pF. A corrente de ruído resultante será de 400 pA (a 60
Hz). Esta pequena corrente de ruído pode ser milhares de vezes maior do que
a corrente do sinal. Se a fonte de ruído estiver em uma frequência maior, o
ruído acoplado será ainda maior.
Se a fonte do ruído estiver na frequência da referência, o problema é
muito pior. O Lock-In rejeita ruído em outras frequências, mas induções ou
acoplamentos na frequência de referencia são interpretados como sinal!
2.4.2.2 Acoplamento Indutivo
Uma corrente CA de uma fonte próxima pode ser acoplada ao
experimento via campo magnético (Figura 2-5). Uma alteração na corrente em
um circuito próximo emite campo magnético variável que pode induzir uma
tensão (dØB/dt) no circuito do experimento. É comparável a um transformador
onde o experimento com o sensor seja o enrolamento secundário.
28
Figura 2-5 – Diagrama mostrando o circuito magnético entre a fonte de ruído e o
experimento via acoplamento indutivo, induzindo tensão no experimento que pode
afetar a medida.
2.4.2.3 Acoplamento Resistivo ou Malha de Terra (ground
loop)
Correntes fluindo através das conexões de terra podem produzir altas
tensões de ruído (Figura 2-6). Isto é especialmente problemático com
correntes na frequência de referência.
Figura 2-6 – Diagrama mostrando o circuito de retorno da fonte de ruído por um
caminho de resistência finita podendo gerar tensões de interferência no experimento.
Na ilustração, o sensor (detector) está medindo o sinal relativo a um
terra afastado do restante do experimento. O sensor no experimento é
influenciado pela tensão desenvolvida no experimento e também pela tensão
desenvolvida pela corrente de retorno da fonte de ruído que passa através da
resistência finita entre os terras do experimento e do sensor. O experimento e o
sensor são aterrados em pontos diferentes que, neste caso, estão em
potenciais diferentes.
29
3 Circuito de Desacoplamento
Este capítulo apresenta o circuito de desacoplamento para o
amplificador Lock-In, projetado para que o instrumento realize medidas usando
o método de quatro pontos, muito utilizado em laboratórios de física
experimental. A entrada diferencial de alta impedância dos amplificadores e a
saída referenciada à terra promovem a interface. Nas seções seguintes
apresentamos uma descrição do circuito eletrônico e a análise de dados
experimentais para o comportamento do circuito no domínio da frequência e o
atraso que esse circuito introduz no sinal bem como o ruído e a distorção.
3.1.1 Circuito Eletrônico
Na ligação a quatro fios, mostrada na Figura 3-1, a fonte de corrente S
fornece uma corrente estabilizada e conhecida através da amostra e a tensão
gerada é medida em alta impedância.
Figura 3-1 – Ligação a quatro fios
Desta forma, a resistência dos condutores exerce um efeito desprezível
sobre a medição. Nosso circuito consiste na aplicação de uma fonte de sinal e
uma resistência de referência conhecida em série com a amostra a ser medida.
O problema encontrado para a medição utilizando esse método com o kit Altera
EP2S60 (Anexo 1) é curto-circuitar o terceiro e quarto pontos pelo aterramento
da entrada do conversor A/D e do gerador, conforme apresentado na Figura
3-2 (a). Para resolver este problema projetamos o amplificador de
30
desacoplamento como interface entre o circuito da medida e a entrada do
conversor A/D do kit EP2S60 (c.f. Figura 3-2 b).
Figura 3-2 - (a) Mostra a medição direta da amostra e o terra comum no sistema de
medição a quatro fios. (b) Mostra o amplificador desacoplando o terra da fonte.
Dois circuitos foram construídos. Um para o sinal da amostra e o outro
para o sinal de referência do gerador ou um segundo sinal. A Figura 3-6 mostra
o circuito de desacoplamento projetado com o INA217(Figura 3-3), montado em
uma caixa de alumínio (Figura 3-7), com fonte de alimentação CA. O
acoplamento das entradas e saídas são através de conectores BNC, ligados
internamente com cabo coaxial blindado. Para minimização dos erros de
medição é importante que a impedância de entrada do instrumento (50 Ω)
esteja casada com o sistema a ser medido evitando reflexões (Figura 3-4).
Idealmente Z
0Transmissor =
Z
0 Linha =
Z
0 Receptor
onde
Z
0
é a impedância característica.
A impedância característica do cabo coaxial (Figura 3-5) na faixa de frequência
que estamos trabalhando pode ser considerada puramente resistiva (Z
0
= √L/C
= 50 Ω).
Figura 3-3 - Arquitetura do Amplificador de Instrumentação INA217 retirada da folha de
dados do fabricante.
31
Figura 3-4 – Ilustração de cabo coaxial transmitindo o sinal da fonte à carga. O
sistema deve estar casado para evitar reflexões.
Figura 3-5 - Diagrama esquemático das reatâncias equivalentes do cabo coaxial cuja
impedância na faixa de frequências de operação é a impedância característica (Z
0
).
Figura 3-6 -- Circuitos de desacoplamento com entradas diferenciais e saídas
casadas.
Figura 3-7 - Ilustração do Módulo onde foi instalado o amplificador.
32
3.1.2 Análise do Circuito de Entrada do Conversor A/D
Na Figura 3-8 vemos o esquemático da entrada do conversor A/D do KIT
de Desenvolvimento:
Figura 3-8 - Esquemático do circuito de entrada do conversor A/D do Kit de
desenvolvimento.
As impedâncias de entrada do conversor A/D devem estar casadas para
evitar distorção. O melhor desempenho do conversor é obtido com entrada
diferencial. A entrada com referência à terra é convertida para diferencial pelo
transformador, cuja baixa impedância também promove significativa redução
da tensão de “offset” na entrada.
O fabricante do conversor A/D 9433 também recomenda que se utilizem,
para aplicações em alta frequência, dois transformadores em série, para
minimizar a distorção de harmônicas pares. O primeiro transformador isola e
converte o sinal para diferencial. O acoplamento capacitivo entre os
enrolamentos causa desbalanceamento no secundário. O segundo
transformador melhora o balanceamento de amplitude, melhorando assim a
distorção harmônica.
Aplicando uma entrada fixa de 300mV e excursionando a frequência,
verificamos, utilizando o recurso de captura SignaltapII
3
, uma faixa “plana” com
atenuação de -2,42dB entre 400 kHz e 1 MHz (Figura 3-9).
3
Analisador lógico incluído no software QuartusII que auxilia a depuração de um projeto na FPGA
capturando internamente o estado dos sinais, sem necessidade de utilizar equipamentos externos.
33
Figura 3-9 - Levantamento da atenuação do sinal de entrada imposta pelo circuito de
acoplamento do conversor A/D (Figura 3-8).
3.1.3 Análise do Ganho no Domínio da Frequência
O amplificador INA217 havia sido selecionado visando trabalharmos na
faixa de centenas de kHz. O circuito de entrada do KIT está otimizado para
frequências mais altas. Na folha de dados do transformador de entrada, consta
frequência de corte em 400 kHz. Procuramos viabilizar nosso projeto para que
opere dentro da banda imposta pelo acoplamento a transformador.
A análise no domínio da frequência tem por objetivo a caracterização do
circuito de desacoplamento. Para este levantamento fixamos ganho unitário em
150 kHz e verificamos a amplificação na saída em função da frequência. A
Figura 3-10 mostra o levantamento com o INA217 e a Figura 3-11 uma
simulação utilizando o amplificador INA163 que é similar.
600KHz
-0,63
50KHz
-0,56
2.0MHz
-3,10
15KHz
-3,52
-15,0
-10,0
-5,0
0,0
5,0
10,0
15,0
10 100 1000 10000
Frequência (KHz)
Ganho (dB)
Figura 3-10 – Ganho (dB) x Frequência.
34
Figura 3-11 – Simulação com amplificador similar, INA163, utilizando o simulador
TINA-TI da Texas Instruments.
Observando a Figura 3-10 e Figura 3-11, vemos que a resposta do filtro
de saída do amplificador de 6 dB/oitava conjugada com as limitações de alta
frequência do CI reduz a banda passante a uma banda “linear” de 550 kHz.
Fixada a frequência, em função do nível do sinal de entrada (entre 10mv
pp e 1Vpp), observamos variação do ganho em torno do valor médio (VM) e
desvio padrão (DP) conforme ilustrado na Figura 3-12: 100 kHz (VM=1,03V;
DP=0,01V), 500 kHz (VM=0,92V; DP=0,01V), 1.5 MHz (VM=0,75V; DP=0,01V)
e 2.0 MHz (VM=0,70V; DP=0,01).
100 kHz
500 kHz
1.5 MHz
2.0 MHz
0
0,5
1
0 400 800 1200
Ve = Entrada (mV)
Ganho (Vs/Ve)
Figura 3-12 – Variação do ganho em função da tensão de entrada para as frequências
de 100 kHz, 500 kHz, 1.5 MHz e 2.0 MHz.
35
3.1.4 Análises de Distorção do Sinal
Esta seção apresenta uma análise da distorção do sinal causada pelo
circuito de desacoplamento em função da frequência. Quando trabalhamos
com frequências elevadas é muito comum que os circuitos amplificadores
distorçam os sinais. Como o circuito de desacoplamento irá trabalhar com
frequências na faixa de 0.5 a 2 MHz esse estudo se fez necessário.
Para esse estudo realizamos o seguinte procedimento: variamos o valor
de f
o
(frequência de referência do gerador) na faixa de 0.5 a 2 MHz em passos
de 0.5 MHz e calculamos a distorção do sinal Dist por meio da equação:
(
)
100∗
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
∗−
=
−
−−
ppin
ppinppout
V
VGV
Dist
(3-1)
Onde Vout-pp é o sinal de pico na saída do circuito de desacoplamento,
G (VM) é o ganho médio do circuito de amplificação na frequência f
o
e com o
V
in-pp
mínimo. V
in-pp
é o sinal de pico a pico na entrada do circuito de
desacoplamento. Os resultados são apresentados nos gráficos e tabela abaixo
(Tabela 3.1).
FREQUÊNCIA
MÉDIA
GANHO
DESVIO
PADRÃO
GANHO
DISTORÇÃO
(%)
MÉDIA
100 KHz 1,03 0,01 0,85
500 KHz 0,92 0,01 0,86
1.5 MHz 0,75 0,01 1,04
2,0 MHz 0,70 0,01 1,06
Tabela 3.1 - Resumo dos resultados encontrados para a análise de distorção do sinal.
A distorção aumenta com a frequência devido às limitações de
velocidade do amplificador. O “Slew Rate”, principal componente do “Settling
Time” [39] do amplificador e a capacidade de corrente, respondem pelo desvio
de fase e nível máximo de sinal na saída. Na faixa de até 1% de distorção,
podemos utilizar o circuito de desacoplamento para sinais até 1Vpp na faixa de
100kHz a 1MHz.
3.1.5 Análises do Atraso em Função da Frequência.
Esta seção apresenta um estudo do atraso do sinal introduzido pelo
circuito de desacoplamento em função da frequência. Esse estudo é muito
importante, pois uma das principais funções do Amplificador Lock-In é a
medida da defasagem do sinal da amostra em relação ao sinal de referência.
Para esse estudo introduzimos um sinal senoidal na entrada do circuito de
desacoplamento e medimos a diferença de fase em relação à saída, em função
da frequência. O gráfico da Figura 3-13 mostra os resultados obtidos.
36
Figura 3-13 – Análise do atraso do amplificador em função da frequência.
A defasagem apresenta um crescimento exponencial com a frequência.
O “avanço” do sinal (defasagem negativa) inicia-se quando a frequência
começa a sair da faixa média do amplificador, delimitada pelo filtro RC passa
altas.
3.1.6 Análises de Ruído do Sistema
Esta seção apresenta o estudo do ruído no Laboratório de Eletrônica do
CBPF e seu efeito no circuito de desacoplamento. Montamos o amplificador
(Figura 3-14) com entrada a transformador (Figura 3-15) para esta análise em
modo diferencial, servindo também para calibração de ganho.
Figura 3-14 – Montagem para análise de ruído
Figura 3-15 – Circuito utilizado para análise de ruídos. Tp
1
e Tp
2
são os pontos de
medição.
37
Para a caracterização da redução de ruídos pelo circuito de
desacoplamento, efetuamos as seguintes medições, com um osciloscópio
digital Tektronix TDS1012, capturando 2500 amostras do sinal:
3.1.6.1 Medições com o Sinal de Entrada:
Para quantificar o ruído de entrada, injetamos um sinal de 500 kHz com
aproximadamente 40mVpp no circuito de teste e capturamos as amostras do
sinal na entrada (TP1) imersas no ruído ambiente (Figura 3-16) e amostras do
mesmo sinal com o filtro digital do osciloscópio acionado(Figura 3-17), que
consideramos como referência. Com estes sinais, extraímos o ruído presente
na entrada (Figura 3-18).
Figura 3-16 - Entrada do amplificador com ruído.
Figura 3-17 - Entrada do amplificador filtrada pelo osciloscópio (referência).
38
Figura 3-18 - Cálculo do ruído no sinal de entrada.
3.1.6.2 Medições com o Sinal de Saída:
Capturamos (TP2) as amostras do sinal na saída (Figura 3-19) e
amostras do mesmo sinal filtrado pelo osciloscópio (Figura 3-20), que
consideramos como referência. Com estes sinais, extraímos o ruído presente
na saída (Figura 3-21).
Figura 3-19 - Saída do Amplificador (TP2) em função do tempo.
39
Figura 3-20 - Saída Filtrada pelo osciloscópio (referência) em função do tempo.
Figura 3-21 - Cálculo do ruído do sinal de saída em função do tempo.
Comparando o ruído encontrado na entrada e na saída (Tabela 2),
observamos que há uma redução de 6dB no desvio padrão da saída do
amplificador , com ganho 2 de tensão.
RUIDO
Valor
Médio
Desvio
Padrão
Entrada 0,000 0,004
Saída 0,000 0,002
Saída/Entrada (dB) -6,27
Tabela 3.2 – Comparação do ruído da saída com a entrada.
40
3.1.7 Considerações Gerais
Este capítulo apresentou o projeto de um circuito de desacoplamento do
Amplificador Lock-In que permite a realização de medidas usando o método de
quatro pontos e o casamento com a impedância de entrada do conversor A/D.
As características técnicas do circuito são:
• Amplificador de Instrumentação INA217 – TEXAS Instruments
(1.3nV/√Hz a 1Khz; CMR 50dB em 100KHz)
• Banda passante (-3 dB) G=1: 15Khz ≤ f0 ≤ 2.0 MHz
• Ganho ajustável até 50 dB na faixa linear de 50 KHz a 600 kHz
• A defasagem introduzida pelo amplificador e filtro deve ser
considerada ao se medir defasagens. Pode ser compensada por
um circuito de defasagem passivo ou ativo externo ou interno
digitalmente.
• Distorção ≤1% até 1Vpp na banda passante. Saída casada com
cabo coaxial 50 OHMS.
41
4 Implementação do Sistema de Medidas em
Alta Frequência com Hardware Reconfigurável
Na primeira secção deste capítulo é apresentada a simulação do
processamento do Lock-In que precedeu a implementação do primeiro
protótipo do Sistema de Medidas a ser configurado em hardware na FPGA
4
. As
secções que se seguem, apresentam a estrutura e a função dos principais
módulos da arquitetura interna que compõem o sistema, também fazendo
menção ao programa gerado em linguagem VHDL
5
.
O sistema foi implementado em tecnologia DSP/FPGA utilizando o Kit
ALTERA EP2S60 com o processador StratixII e bibliotecas associadas (Anexo
1). O Signal Tap em conjunto com a função MEX-Function [18] foi utilizado
tanto para depuração como para avaliação de dados. Mesmo não
correspondendo às nossas necessidades, cientes das características do
amplificador de desacoplamento, o utilizamos para permitir medidas
diferenciais e casamento com a entrada de 50 Ω do conversor A/D do Kit de
desenvolvimento através de cabo coaxial.
4.1 Simulação do Lock-In em MATLAB
Utilizando os recursos de simulação do MATLAB/SIMULINK, foram
efetuados testes iniciais para a implementação de um sistema com funções
programáveis em hardware, obtendo diretamente os resultados em quadratura
(U1 e U2) e os cálculos de módulo e fase (tangente).
O sistema de PSD (detecção sensível à fase) e outras funções foram
implementados com módulos multiplicadores acumuladores
6
. Estes módulos
são muito apropriados para implementação de sistemas de processamento
digital de sinais.
O bloco de LUT (“look up table”) que é uma memória endereçável foi
utilizado para implementar internamente sinais digitais com a finalidade de
servir como referência ao Lock-In, e também para servir sincronizadamente de
4
Hardware reconfigurável: Field Programmable Gate Array (Arranjo de portas programável em campo).
5
VHSIC Hardware Description Language (Linguagem de descrição de Hardware VHSIC (Very High
Speed Integrated Circuit).
6
A capacidade que os DSPs têm de repetir em extrema velocidade uma instrução complexa (como por
exemplo a "MPYA": "Multiply and Accumulate Previous Product") faz com que sejam rapidamente
resolvidas.
42
excitação interna, ou externa depois de aplicados a um conversor Digital
Analógico.
Na Figura 4.1 mostramos uma implementação da simulação, para a
frequência de 781.25 KHz, onde usamos uma constante de tempo de 10 ciclos,
sinal de entrada com valor de pico, quantizado em 12 bits, de 2047 (1 V), e ao
sinal de entrada foi introduzido um atraso de 39º. Os valores de modulo e fase
(tangente), ainda restrita até 45 graus, estão apresentados na simulação em
display, uma funcionalidade do SIMULINK. Para serem enviados ao exterior
devem ter seu número de bits reduzidos à quantidade adequada e associados
a pinos da FPGA disponíveis.
43
Figura 4-1 – Simulação no MATLAB/SIMULINK do processamento do PSD do Lock-In
e cálculos de magnitude e fase (tangente).
44
Valor de
pico do
sinal de
entrada
Valor
medido
Percentual
de erro
do valor
medido
(%)
Defasagem
introduzida
no sinal de
entrada
(graus)
Defasagem
medida
após cálculo
com as
tangentes
Erro
do valor
medido
|graus|
1047 1034 1,24 5,6 6,3 0,7
1047 1034 1,24 22,5 21,8 0,7
1047 1030 1,62 39,0 38,6 0,4
Tabela 4.1 – Valores simulados para determinação de módulo e fase de um sinal auto-
gerado.
Nos cálculos efetuados por hardware, foram utilizados números inteiros
e desprezados os restos das divisões. Os percentuais de erro nas medidas de
módulo são menores do que 2% para defasagens até 39 graus. Nas medidas
de fase, observamos um erro médio de 0,6 graus. Na frequência de 781 kHz, a
defasagem possui resolução mínima de 2,8 graus. Portanto, consideramos este
um erro sistemático. A precisão das medidas de módulo e fase pode ser
melhorada, mas consideramos estes resultados razoáveis para a
implementação de um protótipo (§4.2) de medidas de módulos relacionais para
obter resultados de resistência CA e Magnetoresistência.
4.2 Estrutura do Protótipo
Na Figura 4-2, vemos uma estrutura do sistema de medidas baseado no
Lock-In, configurada na FPGA onde são utilizados alguns dos periféricos e
acessórios constantes na placa de desenvolvimento como: botões, “leds”,
display-7segmentos e conversores A/D & D/A. O Lock-In foi implementado com
referência gerada internamente e fornece este sinal, com seleção de nível
através de chave (SW5), para o exterior através do conversor D/A. A chave
SW7 seleciona o sinal do conversor A/D1 ou A/D2 para que seja medido o
módulo cujo valor (tensão de pico em mV/µV) é visto nos displays com
resolução selecionável pela chave SW6. SW4 reinicia o processamento e os
“leds” indicam a chave (função) selecionada. O valor medido é apresentado
nos displays de 7 segmentos disponíveis na resolução selecionada. O
resultado também pode ser disponibilizado em pinos do CI e capturado para
processamento externo, e.g., visualizando os dados no software da ALTERA
QUARTUSII, para depuração e/ou análise dos resultados.
45
Figura 4-2 – Diagrama da estrutura do protótipo implementado com a placa de
desenvolvimento, mostrando os botões, “leds”, “displays” e conversores AD/DA
utilizados para controle e entrada/saída.
O sistema foi projetado utilizando blocos DSP. Apresentamos na Figura
4-3 a estrutura em VHDL correspondente à implementação apresentada na
Figura 4-2. A arquitetura, não mostrada porque são 18 páginas de código
VHDL (Anexo 2), pode ser otimizada, se necessário.
46
Figura 4-3 – Estrutura em linguagem VHDL do hardware inicialmente projetado para o
sistema de medições.
4.3 Diagrama Esquemático em Módulos
Para proceder à descrição apresentamos na Figura 4-4 um diagrama
esquemático modular, sucinto, cujas funções em conjunto implementam o
sistema ora descrito. Nas próximas secções vamos dar uma breve descrição
de cada um.
Figura 4-4 – Diagrama do sistema desenvolvido, apresentando em módulos o
hardware configurado na FPGA (STATIX II) da placa de desenvolvimento.
4.3.1 Descrição dos Módulos
Para melhor visualização, e compreensão, estamos nos atendo aos
blocos SIMULINK/ALTERA sem referência ao código da arquitetura em VHDL
gerados.
Podemos aplicar ao sistema, simultaneamente, dois sinais distintos na
frequência programada de 781.25 kHz.
4.3.1.1 Módulo Lock-In
Este é o núcleo do sistema (Figura 4-5). O sinal de referência é gerado
internamente (Figura 4-8) e os sinais a serem medidos são provenientes da
entrada de sinal (CH
1
)
ou entrada de sinal (CH
2
), selecionáveis belo botão SW7
(Figura 4-6). Vemos a implementação em hardware do sistema de detecção
sensível à fase (PSD) onde efetuamos a multiplicação do sinal em fase e
47
quadratura com o sinal de referência, com uma constante de tempo (Figura
4-7) CT = 10, ou seja, efetuamos as multiplicações e acumulações e
integramos (acumulamos) durante 10 ciclos, correspondentes à frequência do
sinal de referência que nesta aplicação é de 781.250 KHz .[
Figura 4-5 – Diagrama dos blocos do módulo de Lock-In mostrando o processamento
em fase e quadratura e a geração dos componentes Real (U
1
) e Imaginário (U
2
).
4.3.1.2 Módulo de Seleção do Canal
Este módulo, cujos blocos estão representados na Figura 4-6, é
comandado pela chave SW7 (1 bit), selecionando através de um “mux” o canal
a ser transmitido para a entrada do Lock-In.
Figura 4-6 – Diagrama dos blocos para seleção do canal de entrada, controlados pela
chave SW7.
48
4.3.1.3 Módulo Temporizador da Constante de Tempo
Este é um módulo de controle digital. Fornece a constante de tempo do
Lock-In, que nesta aplicação está definida em 10 ciclos da frequência de
referência.
Figura 4-7 – Diagrama dos blocos para o Módulo gerador da constante de tempo de
10 ciclos para a frequência de 781.25 kHz.
4.3.1.4 Módulo Gerador do Sinal de Referência e Excitação
Externa
Este módulo gera de forma síncrona, o sinal de referência em fase e
quadratura e o sinal de excitação externa, que possui o nível de saída
selecionado por uma palavra de 4 bits, configurada pelo botão SW5. Os sinais
a serem gerados ficam armazenados nas LUTs (“Look Up Tables”), sendo a
frequência dada pela extensão da varredura dos dados da LUT no tempo e
pela frequência de operação do “clock”.
Figura 4-8 - Diagrama dos blocos do módulo gerador de referência interna e excitação
externa.
4.3.1.5 Módulo de Conversão e Resolução do Display
Este módulo converte o valor lido pelo Lock-In para mV ou µV, com
duas resoluções selecionáveis pela chave SW6 para que sejam lidos pelos dois
displays de 7 segmentos inerentes ao Kit. A unidade, neste caso Volts,
depende do algoritmo utilizado na conversão. Melhores resoluções podem ser
49
obtidas conectando-se um número maior de displays nos pinos de saída ou
enviando dados a um processador ou PC.
Figura 4-9 – Diagrama dos blocos do módulo conversor para volts e controle de
resolução do display, controlado pela chave SW6.
Para processamentos e interações de configuração e controle com o
sistema “interfaceados” por processadores externos, salientamos o Nios II que
é um dispositivo reconfigurável, “soft-core”, sendo implementado inteiramente
pela lógica programável e blocos de memória das FPGAs ALTERA [21]
permitindo ser repetidamente instanciado.
50
5 Validação do Sistema de Medidas de
Resistência CA
Para avaliar a confiabilidade do sistema de medidas desenvolvido, foi
realizado um processo de validação do instrumento. Um processo deste tipo
consiste em se obter evidências a favor dos dados por ele obtidos em medidas
padronizadas. Optamos por uma validação comparativa, efetuando medidas
semelhantes com um Osciloscópio Digital Tektronix na expectativa de que os
dados obtidos por ambos sejam equivalentes.
Este capítulo descreve o processo de validação adotado. Na primeira
secção é apresentada uma proposta básica de medição de resistência CA
complexa, a segunda secção apresenta o experimento de validação adotado,
mostrando o circuito utilizado e o sistema de medidas desenvolvido,
apresentando a configuração implementada na FPGA. Nas secções seguintes,
são apresentados os resultados das medidas de validação, e análises destes
resultados com base em considerações teóricas e, por fim, uma secção de
conclusões sobre o experimento.
5.1 Proposta de Sistema de Medição de Resistência CA
É mostrada na Figura 5-1 uma proposta básica, fazendo uso das
funcionalidades do amplificador Lock-In para a medição de uma resistência CA
complexa (Z1).
Figura 5-1 – Circuito básico para medição da impedância Z1.
A saída do circuito é Vs = iz*R1. A corrente iz é determinada pela
tensão conhecida Vz e pela admitância desconhecida Y1 = 1/Z1:
(
)
zzzzz
VjBGVYi
∗
+
=
∗
=
1
(5-1)
51
Medindo Vs com o Lock-In, os valores de U1 e U2 correspondem à parte
real e imaginária desta tensão. Para obter a admitância, considerando-se o
valor de referência unitário:
(
)
zz
VRUG
∗
∗
=
11
2
(5-2)
(
)
zz
VRUB
∗
∗
=
12
2 (5-3)
Este circuito está admitindo um amplificador ideal, ao menos na faixa de
frequências de trabalho. R1 também deve ser um resistor puramente resistivo
à passagem da corrente iz. Estas características sugerem de imediato
componentes de montagem de superfície (smd), sendo críticos R1 e uma
amostra Z1 com impedância conhecida em nossa faixa de interesse de
frequências. Para evitar aumentar desnecessariamente a complexidade e
conseqüentemente o tempo para a execução do experimento foi adotada outra
montagem para o experimento.
5.2 Experimento de Validação Adotado
Pela dificuldade de encontrar resistor padrão (sem reatância) nesta faixa
de frequências, estamos comparando as medidas com instrumento de
referência ao invés do valor esperado. Foi montado um circuito com dois
resistores de filme em série (R
1
=100Ω e R
2
=52,6Ω) com um gerador de
frequência e amplitude variáveis. A experiência para validação do instrumento
foi a medida do valor da resistência de R
2
em função da frequência e do nível
de excitação, conforme apresentado na Figura 5-2.
Figura 5-2 – Experimento de validação consiste de um circuito com resistores em
série, excitados por gerador com frequência e amplitude variáveis. O sistema de
medidas de resistência CA foi utilizado para medir o valor de R2 em função da
frequência e do nível de excitação.
Na escolha dos valores de R
1
e R
2
buscamos utilizar valores não tão
altos para que o ruído gerado dificultasse as medidas nem tão pequenos que
não fosse suportado pela capacidade de corrente do conversor D/A, desprovido
de buffer no experimento.
Gerador de
F
re
q
uência
R
1=100
Ω
R
2=52.6
Ω
52
Para isso, foi programado o KIT EP2S60 para uma varredura automática
do gerador que foi configurado em frequência (F) e amplitude (V) por meio de
três botões SW5, SW6 e SW7, conforme apresentado nas Tabela 5.1 e Tabela
5.2.
BOTÕES
SW5 SW6 SW7
CONFIGURAÇÃO
0 0 0 F e V fixos
0 0 1 V automático e F fixo
0 1 0 F automático e V fixo
0 1 1 F e V automáticos
1 X X Reset para F1 e V0
Tabela 5.1 – Estado dos botões para configurar a operação do sistema projetado,
sinalizados por “leds” na placa de desenvolvimento.
Display 1 Frequência(kHz) Display 2 Quantizado Volts(pico)
Freq. 1 1923,1 Nível 0 Desligado 0,0
Freq. 2 1562,5 Nível 1 910 0,1
Freq. 3 1250,0 Nível 2 1820 0,2
Freq. 4 1041,7 Nível 3 2730 0,3
Freq. 5 892,9 Nível 4 3640 0,4
Freq. 6 781,2 Nível 5 4550 0,6
Freq. 7 694,4 Nível 6 5460 0,7
Freq. 8 625,0 Nível 7 6370 0,8
Freq. 9 568,2 Nível 8 7280 0,9
Freq. A 520,8 Nível 9 8190 1,0
Tabela 5.2 – Significado do código apresentado nos displays, representando a
frequência e o nível do sinal de excitação gerado pelo sistema com quantização de 14
bits. O código é visualizado nos displays de 7 segmentos da placa de desenvolvimento
(KIT EP2S60).
O sistema de medidas foi programado para medir a tensão de excitação
e a tensão em R
2
com dois Lock-Ins e referência gerada internamente,
conforme Figura 5-3. Os resistores utilizados (R
1
e R
2
) são resistores de filme e
o valor de R
2
= 52,6Ω foi obtido com um multímetro digital de precisão de
Corrente Contínua (CC). Por simplicidade, utilizamos sinais com nível suficiente
para podermos efetuar as medições com razoável relação sinal/ruído sem
usamos neste experimento um amplificador com alto ganho após o circuito de
desacoplamento (acoplamento) bem como prescindir maiores cuidados com a
montagem.
Os resultados obtidos foram comparados às medidas equivalentes feitas
manualmente por meio de um osciloscópio digital Tektronix 100 MHz, modelo
TDS1012, sendo efetuadas as mesmas medidas diretamente sobre os
resistores R
1
e R
2
. O osciloscópio foi configurado com banda de passagem
reduzida para 20Mhz, em alta impedância de entrada, com ponteiras calibradas
e filtro ativado em 128 médias.
53
Figura 5-3 – Diagrama do sistema programado no Kit EP2S60 da ALTERA para o
teste de validação.
Para obter o valor da resistência R
AC
, i.e. R
2
em função da frequência de
excitação, utilizamos a expressão:
()
1
1
21
1
−
=
VV
RR
AC
(5-4)
As medidas para a validação do instrumento foram feitas para dois
valores de constante de tempo inerentes ao sistema: CT
1
= 40µs e CT
2
= 10ms.
5.3 Resultados das Medidas de Validação
As Tabela 5.3 e Tabela 5.4 apresentam os resultados das medidas
realizadas pelo sistema projetado em função da frequência, amplitude e
constante de tempo. Foram calculados os valores médios (
2
R ) e desvio padrão
( σR
2
) para 20 aquisições, utilizando no MATLAB o comando stprun
7
da
biblioteca do Kit da ALTERA e o recurso SignaltapII do software QuartusII
(ALTERA) para a captura dos sinais.
O desvio padrão, quando apresentado por um (-) implica que as
variações nas medidas realizadas não foram discriminadas pela resolução do
7
Este comando acessa os dados capturados em tempo de processamento pelo SignaltapII permitindo
que sejam manipulados pelo Matlab em forma de matriz.
54
conversor A/D do sistema, que neste caso é de 12 bits (0,5mV), com
frequência de amostragem fa =100Mhz.
1 3 5 7 9
Amplitude/
Frequência
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
520.83
53.9 0.3 54.2 0.2 54.4 0.1 54.4 0.1 54.4 0.1
568.18
53.1 0.7 54.2 0.1 54.5 0.1 54.5 0.1 54.5 0.1
625.00
54.1 - 54.3 - 54.4 0.1 54.4 - 54.5 -
694.44
54.2 - 54.6 - 54.4 0.1 54.5 0.1 54.5 -
781.25
54.3 - 54.6 0.2 54.4 0.1 54.6 0.1 54.6 0.1
892.86
54.4 - 54.4 0.1 54.7 0.1 54.6 0.1 54.6 0.1
1041.67
53.5 0.6 54.4 0.1 54.7 0.1 54.7 0.1 54.7 0.1
1250.00
54.1 - 54.7 0.1 54.7 0.1 54.6 - 54.7 0.1
1562.50
54.9 - 54.9 - 54.9 0.1 54.8 - 54.8 -
1923.08
55.0 0.4 55.7 0.3 55.9 0.2 55.9 0.1 55.9 0.1
Tabela 5.3 – A Tabela apresenta as médias e desvios padrão das medidas de R2 em
20 aquisições com constante de tempo 40µs. O valor médio total é de 54,7
Ω
.
1 3 5 7 9
Amplitude/
Frequência
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
520.83
54.0 - 54.4 0.1 54.1 - 54.4 - 54.4 -
568.18
54.5 0.6 54.3 0.3 54.4 0.1 54.3 0.1 54.5 -
625.00
54.1 - 54.6 0.2 54.5 - 54.5 - 54.5 -
694.44
54.2 - 54.4 - 54.6 - 54.4 0.1 54.5 -
781.25
54.3 - 54.5 - 54.6 - 54.7 - 54.6 -
892.86
54.4 - 54.9 - 54.6 - 54.7 - 54.6 0.1
1041.67
53.3 - 54.4 - 54.6 - 54.6 - 54.5 -
1250.00
54.1 - 54.5 - 54.9 - 54.7 - 54.7 -
1562.50
54.9 - 54.6 0.3 54.8 0.1 54.8 0.1 54.7 -
1923.08
55.2 - 55.7 - 56.0 0.1 55.8 - 55.9 -
Tabela 5.4 – A Tabela apresenta as médias e desvios padrão das medidas de R2 em
20 aquisições com constante de tempo 10ms. O valor médio total é de 54,7
Ω
.
A Tabela 5.5 apresenta os resultados obtidos manualmente com o
osciloscópio. Nesta Tabela os valores médios (
2
R ) e desvios padrão (
2
R
σ
) para
20 aquisições foram obtidos por meio do software Wavestar 2.8.1 da Tektronix.
1 3 5 7 9
Amplitude/
Frequência
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
2
R
2
R
σ
520.83
54.9 - 54.1 - 53.9 - 52.7 - 53.5 -
568.18
54.9 - 54.0 - 53.9 - 52.7 - 53.6 -
625.00
54.6 - 54.4 - 53.9 - 52.7 - 53.5 -
694.44
55.4 - 54.1 - 53.8 - 52.7 - 53.2 -
781.25
55.3 - 54.0 - 53.7 - 52.7 - 53.6 -
892.86
54.8 - 54.2 - 53.8 - 52.7 - 53.1 -
1041.67
55.1 - 54.2 - 53.9 - 52.8 - 53.6 -
1250.00
55.0 - 54.8 - 53.9 - 52.7 - 53.8 -
1562.50
55.2 - 54.6 - 53.5 - 52.7 - 52.1 -
1923.08
55.3 - 53.7 - 53.5 - 51.4 - 53.3 -
55
Tabela 5.5 – A Tabela apresenta as médias e desvios padrão em 20 aquisições das
medidas de R2 com o osciloscópio, com filtro em 128 médias. O valor médio total é de
53,3
Ω
.
O desvio padrão, quando apresentado por um (-) implica que as
variações nas medidas realizadas não foram discriminadas pela resolução do
conversor A/D, que neste caso é de 8 bits e frequência de Amostragem fa =
1GHz.
Para cada valor da CT (40µs e 10ms) e para a medida com o
osciloscópio calculamos a média total de R
2
, envolvendo todas as amplitudes e
frequências (Tabela 5.6).
Sistema Utilizado Resistência média
CT = 40us
54,7
Ω
± 0,2
Ω
CT = 10ms
54,7
Ω
± 0,2
Ω
Osciloscópio
53,3
Ω
± 0,9
Ω
Tabela 5.6 – Resistência média total (
2
R (Ω) ±
2
R
σ
(Ω) ) para CA.
Podemos observar que todas as medidas mostram um aumento da
resistência em relação ao valor CC e que as medidas com o sistema
desenvolvido apresentam desvios padrão, relativos aos níveis, menores que os
encontrados com o osciloscópio.
5.4 Análise dos Resultados
5.4.1 Considerações Teóricas sobre a Resistência em CA.
Qualquer objeto físico, de qualquer material é um tipo de resistor [23]
[24]. A relação entre tensão, corrente e resistência, através de um objeto é
dada pela expressão:
I
V
R =
(5-5)
Onde V é a diferença de potencial em volts, I é a corrente que circula
através de um objeto em ampéres e R é a resistência em ohms. Se V e I
tiverem uma relação linear, i.e., R é constante ao longo de uma gama de
valores, o material do objeto físico é chamado de ôhmico. Um resistor ideal
tem uma resistência constante em função da frequência e da amplitude de
excitação.
A resistência de um componente pode ser calculada pelas suas
características físicas. A resistência é proporcional ao comprimento do resistor
e à resistividade do material (uma propriedade do material), e inversamente
proporcional à área da secção transversal. A equação para determinar a
resistência de uma seção do material é dada por:
56
A
L
R
ρ
=
(5-6)
Onde
ρ
é a resistividade do material, L é o comprimento e A é a área da
secção transversal. Isso pode ser estendido a uma integral para áreas mais
complexas, mas essa fórmula simples é aplicável a fios cilíndricos e a maioria
dos condutores comuns. Esse valor está sujeito a mudanças em altas
frequências devido ao Efeito Skin, que diminui a superfície disponível da área A
[25] [26]. Conclui-se, segundo o anterior e equação (5-6), que a resistência CA
de um condutor aumenta na medida em que aumenta a frequência da corrente
que percorre este condutor. Além disso, todos os resistores reais também
introduzem alguma indutância e capacitância, que mudam o comportamento
dinâmico do resistor da equação ideal. Estes efeitos podem ser observados na
Figura 5-4.
Figura 5-4 – Equação mostrando o efeito pelicular e diagrama mostrando a resistência
efetiva devida à indutância e capacitância introduzidas pelo resistor real.
5.4.2 Análise das Medidas com o Sistema Desenvolvido
Na Tabela 5.7 apresentamos os dados referentes às frequências
extremas do experimento, 520 kHz e 1,9 MHz, em 5 níveis crescentes de
excitação (1 a 9):
Níveis/
Frequência
1 3 5 7 9
2
R
2
R
σ
520.83
54.0 54.4 54.1 54.4 54.4 54.3 0.2
1923.08
55.2 55.7 55.9 55.8 55.9 55.7 0.3
Tabela 5.7 – Média (
Ω
) e desvio padrão (
Ω
) das medidas entre os níveis de tensão,
para limites extremos das frequências (kHz) utilizadas no experimento.
Podemos observar na Tabela 5.7 o desvio padrão na mesma frequência,
para diferentes níveis de tensão. Este efeito é ilustrado na Figura 5-5 onde são
apresentadas as medidas com CT=10ms, em 5 níveis distintos.
Onde e é a profundidade de
Skin, ρ é a resistividade, f a
frequência e K
m
a
permeabilidade relativa(µ/µ
0
)
57
0
10
20
30
40
50
60
450 650 850 1050 1250 1450 1650 1850
Frequência (kHz)
Resistência CA (Ohms)
Nivel 1
Nivel 3
Nivel 5
Nivel 7
Nivel 9
Figura 5-5 – Gráfico das medidas de resistência CA de R2, com F e V variáveis,
mostrando o desvio das medidas nos diversos níveis de excitação.
5.4.3 Análise das Medidas com o Osciloscópio
Na Tabela 5.8 são apresentados os dados referentes as frequências
extremas do experimento, 520 kHz e 1,9 MHz, em 5 níveis crescentes de
excitação (1 a 9):
Níveis/
Frequência
1 3 5 7 9
2
R
2
R
σ
520.83 54.9 54.1 53.9 52.7 53.5 53.8 0.8
1923.08 55.3 53.7 53.5 51.4 53.3 53.4 1.4
Tabela 5.8 – Média (Ω) e desvio padrão (Ω) das medidas entre os níveis de tensão,
para os limites extremos das frequências utilizadas no experimento.
Observamos na Tabela 5.8 que os desvios padrão para a mesma
frequência de excitação são menores quando medimos com o sistema de
medidas de resistência CA (Tabela 5.7). Este efeito pode ser visualizado
comparando-se a Figura 5-6, onde são apresentadas as medidas em 5 níveis
distintos com o osciloscópio configurado para filtro em 128 médias, com a
Figura 5-5, que corresponde às medidas com o sistema desenvolvido.
58
0
10
20
30
40
50
60
450 650 850 1050 1250 1450 1650 1850
Frequência (kHz)
Resistência CA (Ohms)
Nível 1
Nível 3
Nível 5
Nível 7
Nível 9
Figura 5-6 – Gráfico das medidas com osciloscópio da resistência CA de R2 com F e V
variáveis, mostrando o desvio das medidas nos diversos níveis de excitação.
5.5 Medida com Nova Montagem
Com o objetivo de verificar se é mantida a coerência com o instrumento
de referência, optamos por refazer as medidas utilizando uma montagem em
Placa de Circuito Impresso (PCI) de fibra de vidro, cujo “layout” vemos na
Figura 5-7 . As medidas serão igualmente feitas com o sistema desenvolvido
e com o osciloscópio, que estamos utilizando como referência.
Figura 5-7 – PCI para novas medidas.
5.5.1 Medidas com o Sistema Desenvolvido
As medidas foram feitas com constante de tempo (CT) de 40us. As
Figura 5-8 e Figura 5-9 mostram os resultados das medidas com esta nova
montagem.
59
y = -0.0018x + 52.429
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500
Frequência (kHz)
Resistência CA (Ohms)
Figura 5-8 - Medidas utilizando a nova montagem, com CT = 40us e nível de sinal 7. A
equação mostra a inclinação da linha de tendência e a previsão para CC.
y = -0.0016x + 52.027
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500
Frequência (kHz)
Resistência CA (Ohms)
Figura 5-9 – Medidas utilizando a nova montagem, com CT = 40us e nível de sinal 1. A
equação mostra a inclinação da linha de tendência e a previsão para CC.
60
5.5.2 Medidas com o Osciloscópio
y = -0.0021x + 52.403
0
10
20
30
40
50
60
0 500 1000 1500 2000 2500
Frequêcia (kHz)
Resistência CA (Ohms)
Figura 5-10 – Medida com o osciloscópio, filtro em 128 médias e nível de sinal 7. A
equação mostra a inclinação da linha de tendência e a previsão para CC.
Os resultados apontam para um efeito capacitivo introduzido pela
montagem, levando o valor médio das três medidas para 50.3Ω ± 0,2 Ω.
Observamos que as medidas feitas com o osciloscópio que é a nossa
referência, permanecem coerentes com os resultados obtidos pelo sistema
desenvolvido.
5.6 Análise do Sinal Medido
Como mencionamos na secção 5.3.1 (Figura 5-4), há reatâncias
parasitas inerentes ao componente. Estas reatâncias podem ser influenciadas
também pelo sistema de medidas através de cabos, ponteiras e montagem,
sendo estes cuidados críticos em uma medida efetiva. Para uma avaliação do
processamento do sistema sem a influência destes parâmetros, utilizamos o
recurso signaltapII, fornecido pela ALTERA no programa QuartusII. Este
recurso nos permitiu inserir ‘nodes ’
8
de 12 bits na saída dos dois conversores
A/D e também um ‘node’ de 12 bits na saída do registro onde armazenamos o
resultado convertido do processamento do sinal a cada CT (constante de
tempo). Os primeiros dois ‘nodes’ capturam em “tempo real” os sinais
digitalizados por cada conversor A/D que serão medidos pelos Lock-Ins e o
terceiro captura o valor calculado disponibilizado no registro de memória, que
armazena a informação até que outra CT seja processada. Foi utilizado o
sistema com CT=40µs e processamento de 10 ciclos do sinal de entrada nos
dois canais. São mostradas na Tabela 5.9 as aquisições para as frequências
de 520 kHz, 781.3 kHz e 1.9 MHz. Os valores apresentados para os
conversores A/D são os valores de pico, uma vez que o valor medido é o valor
de pico do sinal de entrada. A Figura 5-11 e Figura 5.12 mostram graficamente
os dados correspondentes à frequência de 1.9 MHz.
8
Nodes são os “nós” de captura configurados com a quantidade de bits do sinal capturado.
61
Frequência AD
1
Registro de
saída
%
erro
AD
2
Registro de
saída
%
erro
520.83 953 941 1,3 332 330 0,6
781.25 866 857 1,0 302 300 0,7
1923.08 726 721 0,7 252 252 0,0
Tabela 5.9 – São mostrados os valores de pico dos sinais digitalizados e quantizados
pelos conversores AD1 e AD2, os valores medidos pelo sistema e o erro percentual de
cada medida.
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1 10192837465564738291100
Amostragem
Valor quantizado (12 bits)
Sinal em AD1
Leitura quantizada
Figura 5-11 – Gráfico dos valores do conversor AD1 e do valor calculado pelo sistema,
adquiridos em “tempo real” para a frequência de 1.9 MHz.
-300
-200
-100
0
100
200
300
1 10192837465564738291100
Amostragem
Valor quantizado (12 bits)
Sinal em AD2
Leitura quantizada
Figura 5-12 – Gráfico dos valores do conversor AD2 e do valor calculado pelo sistema,
adquirdos em “tempo real” para a frequência de 1.9 MHz.
62
5.7 Conclusões
Foram feitas medidas de resistência com o sistema de medidas de
resistência CA projetado e com um Osciloscópio na faixa de frequências e
tensões fornecidas pelo próprio sistema implementado, a ser viabilizado.
Os valores Real (U
1
) e Imaginário (U
2
) do sinal medido no sistema
projetado são processados de forma a disponibilizar o módulo correspondente
ao valor do de pico deste sinal em µV. Estes valores (U
1
e U
2
) também podem
ser disponibilizados nos pinos de saída da FPGA para processamento externo.
Os valores médios obtidos foram de 54,7Ω ± 0,2Ω com o sistema
desenvolvido e de 53,3Ω ± 0,9Ω, com o osciloscópio, apontando para um
aumento da resistência ao utilizarmos corrente alternada (CA). Podemos
observar nas Tabela 5.7 e Tabela 5.8 , que os dados obtidos pelo Sistema de
Medidas e Osciloscópio estão em acordo, ou seja, na frequência mínima (520
kHz) o osciloscópio apresentou R
2
= 53.8Ω ± 0.8Ω estando as medidas do
sistema projetado inseridas neste intervalo: R
2
= 54.3Ω ± 0.2Ω. Na frequência
máxima (1923 kHz) o osciloscópio apresentou R
2
= 53.4Ω ± 1.4Ω estando as
medidas do sistema desenvolvido também inseridas neste intervalo: R
2
= 55.7Ω
± 0.3Ω (intervalo de 3*desvio padrão).
Nas medidas com a nova montagem(Figura 5-7), o osciloscópio, que é
nosso instrumento de referência, manteve-se coerente com as medições
efetuadas com o sistema de medidas.
Desvios padrão referentes a variações de baixa frequência em relação a
nossa banda de interesse, não foram detectados com as médias das 20
aquisições que utilizamos para compor a constante de tempo total do sistema.
Desejável a implementação de maiores constantes de tempo. O desvio nulo,
apresentado em algumas medidas, ocorreu no “ponto cego” do instrumento,
onde as variações não puderam ser discriminadas por ter sido atingido o limite
de resolução do conversor A/D. O sistema de medidas operou com fundo de
escala constante em 2Vpp, mesmo nas medidas de nível mais baixo, por não
haver neste protótipo recurso para alterar convenientemente estes limites,
sendo então as medidas efetuadas com mínima sensibilidade e maior reserva
dinâmica para valores menores que podemos inferir pela maior precisão
apresentada por AD
2
na Tabela 5.9. A reserva dinâmica mínima e máxima do
sistema é um parâmetro, expresso em dB, que deve ser medido
experimentalmente, para avaliar futuras melhorias.
Outro ponto crítico que pode ser melhorado é a inserção de um
amplificador de acoplamento com opção de entrada aterrada ou flutuante e
opção para entrada de corrente para fontes de sinal de alta impedância;
aumento da impedância de entrada e da rejeição de modo comum dos
amplificadores de instrumentação (CMRR
9
) na entrada flutuante. Desejável
também maior linearidade na banda de frequências mais alta, controle digital
9
CMRR - Taxa de Rejeição de Modo-Comum (Common-Mode Rejection Ratio) – A CMRR descreve a
habilidade de um amplificador diferencial de rejeitar sinais de interferência comuns para ambas as
entradas, e amplificar somente a diferença entre as entradas. O CMRR é a comparação entre o ganho de
modo-normal e o ganho de modo-comum, e é normalmente expresso em dB. Quanto maior o CMRR,
melhor o amplificador elimina o ruído presente em ambas as entradas.
63
de ganho e filtragem centrada na banda de frequências de interesse da medida
que estiver sendo efetuada para aumentar a reserva dinâmica.
Também desejável uma otimização na montagem, efetuando-a bem
próxima, se possível na mesma blindagem do circuito de acoplamento,
cuidando para que as duas conexões para a entrada diferencial sejam
praticamente idênticas (CMRR), percorrendo o mesmo caminho entre o
experimento e o Lock-In. Evitar grandes áreas fechadas delimitadas pelos
cabos (indução magnética) bem como malhas (“loops”) de terra que podem
gerar interferência de modo comum na frequência de referência do Lock-In.
Recomendável entrelaçar os cabos que conduzem o sinal diferencial para
reduzir ainda mais as interferências por indução, especialmente aquelas na
frequência do sinal de referência.
64
6 Experimento de Magnetoresistência CA com
Filme Fino
6.1 Motivação
Nos últimos anos o desenvolvimento de novas técnicas de produção de
materiais tem levado ao surgimento de novas linhas de pesquisa avançada em
materiais, resultando na determinação de propriedades físicas relevantes e
novas [27]. A descrição destas propriedades físicas tem levado ao
desenvolvimento de modelos teóricos os quais muitas vezes questionam
paradigmas da física da matéria condensada [28].
Dentre estas técnicas merecem destaque as relacionadas à produção de
filmes finos ou espessos. Em geral estas técnicas usam um objeto “target” a
partir do qual são obtidas, mediante diversas técnicas, diferentes espécies
atômicas que são depositadas sobre um substrato. Este processo é realizado
dentro de uma câmara especial mantida em condições controladas de diversos
parâmetros como pressão, temperatura, etc. O próprio controle destes
parâmetros abre toda uma gama de possibilidades de obtenção de materiais
com diferentes propriedades físicas e representa um campo de pesquisa atual
não só no centro brasileiro de pesquisas físicas, como em outros institutos de
pesquisa no país e ao redor do mundo. Finalmente cabe destacar que a
tecnologia associada a filmes finos representa uma nova abordagem quanto às
oportunidades tecnológicas para a eletrônica moderna. De fato, o nível de
compactação, onde milhões de transistores são incorporados em chips cada
vez menores é conseqüência direta da tecnologia de filmes finos.
Conforme apontado anteriormente as propriedades de um material na
forma de filme diferem substancialmente das propriedades do mesmo material
na sua forma maciça ou policristalina. Exemplos do anterior são a dependência
da temperatura crítica com a espessura encontrada em alguns filmes
supercondutores [29], fenômenos ou efeitos magnéticos encontrados em
multicamadas magnéticas como o efeito de magnetoresistência gigante [30]
(explorado atualmente em sistemas para armazenamento de dados) e
exchange bias [31], entre outros. Deve se notar que a relação superfície
volume em filmes finos é totalmente diferente da encontrada em materiais poli
cristalinos maciços, sendo este fato, por si só, um elemento essencial o qual
modifica o comportamento destes filmes levando a uma dependência das
propriedades físicas com relação a sua espessura.
65
Motivado por todo o anterior escolhemos um sistema físico em forma de
filme fino para testar o nosso sistema experimental. Especificamente foram
feitas medidas de magneto resistência CA em multicamadas magnéticas do
sistema: [P
y
Co/Cu]
20
(Ref: 1347)
10
e [PY/Ru]
20
(Ref:1845)
11
onde P
y
(Permaloy)
=
Ni
81
Fe
19
e filme de Tântalo
12
.
O sistema desenvolvido utiliza Lock-Ins cujo processo de detecção
síncrona permite detectar sinais de baixa relação Sinal/Ruído e integra as
funcionalidades de voltímetro CA de alta frequência, gerador de sinais e
sistema de controle, configurados de acordo com o experimento no qual
buscamos verificar se conseguimos detectar o efeito de magnetoresistência em
filmes finos [32] [33].
6.2 Descrição do Experimento
O experimento é uma medida em quatro pontas que consiste na
excitação de uma amostra de filme fino com frequência e amplitude fixa e uma
varredura de campo magnético (i.e. corrente em uma bobina) a fim de medir a
tensão sobre a amostra para diferentes valores do campo (Figura 6-1). Para
gerar o campo magnético variável utilizamos uma bobina a qual foi construída
no laboratório. Um fio de cobre de 0.4 mm foi enrolado num cilindro oco de
Alumínio. A bobina foi desenhada de forma a diminuir os efeitos de borda na
mesma. A característica campo magnético-corrente da bobina foi linear
conforme esperado, e os perfis horizontal e vertical do campo magnético
gerado foram também determinados. As medidas em campo magnético foram
realizadas ao longo de um platô de campo no centro da bobina muito bem
caracterizado.
Figura 6-1 – Diagrama do experimento mostrando o gerador de CA excitando a
amostra imersa no campo B e a tensão na amostra sendo aplicada a um amplificador
de instrumentação.
A amostra foi introduzida em um suporte (Figura 6-2) com contatos nos
extremos e no centro configurando o método de quatro pontas.
10
Si(100)/Ni
81
Fe
19
(5,4nm)/Cu(0,9nm)/[Co(0,5nm)/Ni
81
Fe
19
(1,6nm)/Co(0,5nm)/Cu(0,9nm)]
20
/Co(0,5nm)/Ni
81
Fe
19
(1,6nm)
11
Si(100)/Ru(5nm)/[NiFe(5nm)/Ru(1,3nm)]20/Ta(5nm)
12
Ta(30nm)
66
Figura 6-2 – Diagrama do suporte onde foi introduzida a amostra de filme fino. Vemos
indicados o gerador (G) que produz a corrente i na amostra, e a tensão V no centro da
mesma.
6.3 Aplicação do Sistema Desenvolvido para o Experimento
Na Figura 6-3 é mostrado o diagrama do sistema desenvolvido para esta
medida. A tensão flutuante V e a tensão de excitação (Figura 6-1 e Figura 6-2)
são aplicadas aos conversores AD da placa de desenvolvimento através dos
amplificadores de instrumentação do circuito de acoplamento, servindo a
segunda de referência para o Lock-In. A fonte DC, variável, fornece corrente à
bobina L1 para gerar o campo magnético em seu interior, onde está imersa a
amostra.
Figura 6-3 - Diagrama do sistema desenvolvido no Kit EP2S60 da ALTERA para a
medição de magnetoresistência CA.
67
A utilização de referência externa foi preferencial com o objetivo de
simular as condições mais reais nas quais são efetuadas medidas deste tipo
nos laboratórios. O segundo Lock-In mede o módulo do sinal de referência
externo que é utilizado pelo primeiro Lock-In (equação 6-1) para medir o
módulo da tensão desenvolvida sobre a amostra.
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
×=
×
2
2
ref
Mod
amostra
Mod
Amostra
qV
(6-1)
Onde q é a constante de quantização (2Volts/2
12
) para o conversor A/D
de 12 bits com fundo de escala em 2Volts. Mod
amostra
e Mod
ref
são os resultados
do processamento digital do sinal da amostra e do sinal de referência,
respectivamente.
O valor final é apresentado pelo sistema em µV e/ou em valor
quantizado, isto é, V
Amostra
antes da multiplicação por q.
O valor processado fica armazenado em um registro, sendo atualizado a
cada constante de tempo.
6.4 Medidas com as Amostras
Uma vez que multicamadas de alta qualidade puderam ser fabricadas,
recomeçou o interesse nesta área. No ano 1986 Grünberg e colaboradores
demonstraram um acoplamento antiferromagnético entre as magnetizações de
duas camadas de Fe separadas por Cr [34]. Salamon e colaboradores
observaram um alinhamento antiparalelo das magnetizações das camadas
ferromagnéticas (FM) em multicamadas Dy/Y [35] e Majkrzak e colaboradores
observaram o mesmo efeito em multicamadas Gd/Y [36]. Posteriormente, em
1988, M. Baibich e colaboradores descobriram a magnetoresistência gigante
(GMR) em multicamadas Fe/Cr, e a relacionaram com um alinhamento
antiparalelo entre as magnetizações das camadas de Fe. A GMR se refere a
uma dependência da resistividade da amostra com um campo magnético
aplicado. A dependência com o campo pode ser indireta, por exemplo, como
acontece em multicamadas com GMR, onde a resistência depende da
orientação relativa das magnetizações. Se as magnetizações das camadas FM
são antiparalelas para campo aplicado igual a zero devido a um acoplamento
antiferromagnético, um campo aplicado pode superar o acoplamento e alinhar
as magnetizações em forma paralela. Esta mudança em alinhamento conduz a
uma mudança na resistência (GMR).
As oscilações do acoplamento de troca, em função do separador não
magnético, foram reportadas por Parkin em 1990. Oscilações do acoplamento
de troca foram observadas através do comportamento oscilatório da GMR e da
magnetização de saturação em função da espessura das camadas não
magnéticas. Estas oscilações não foram devido às variações nas propriedades
de transporte, mas sim devido às variações no acoplamento entre as camadas
FM. Para algumas espessuras o acoplamento foi ferromagnético, favorecendo
68
um alinhamento paralelo das direções da magnetização das camadas. Para
essas espessuras não houve mudanças no alinhamento relativo das
magnetizações quando um campo magnético foi aplicado e assim, a
magnetoresistência foi nula. Nosso objetivo não é aprofundar nestes tópicos.
Informações adicionais podem ser encontradas em [33].
6.4.1 Considerações sobre a Preparação
A técnica empregada para preparar as amostras multicamadas foi a
pulverização catódica por magnetron e o equipamento usado para o
crescimento desses filmes foi o sistema Magnetron Sputtering do CBPF.
Configuração típica adotada consiste no crescimento sobre substratos de
Si(100) monocristalino com polimento nas duas faces marca-KDB-75, dopagem
tipo p, resistividade de 7,5 Ω.cm, espessura de 460 µm e diâmetro de 10 cm.
Antes da preparação dos filmes, estes substratos foram cortados em pedaços
de 10 mm X 10 mm. O procedimento e condições para a preparação e limpeza
dos substratos seguem uma rotina desenvolvida no próprio laboratório. No
caso dos substratos de Si, primeiro se faz uma limpeza com água de-ionizada
e sabão líquido neutro (denominado extran) usando uma máquina de ultrasom
durante aproximadamente dez minutos (eliminando possíveis sujeiras e
gorduras da superfície). Logo após se faz o enxágüe dos substratos com água
de-ionizada, para depois repetir o procedimento anterior com acetona,
reduzindo as gorduras residuais. Os substratos limpos são submersos em
álcool isopropílico (98±) e são mantidos assim até o momento da colocação
dentro da antecâmara do sistema magnetron sputtering. Maiores detalhes,
quanto ao procedimento de limpeza dos substratos, podem ser encontrados na
nas referências [37] [38].
6.4.2 Resultados esperados
De acordo com o anterior, uma vez que a magnetização das camadas
FM da amostra de ref:1347 é antiparalela, foi esperada variação da resistência
com o campo aplicado, ao contrário da amostra multicamada de ref:1845 cujo
acoplamento ferromagnético entre as camadas favoreceu um alinhamento
paralelo nas direções de magnetização das mesmas.
69
6.4.3 Medidas com Amostra [Py/Ru]
20
(Ref:1845)
275
280
285
290
295
300
0 50 100 150
B (G)
Vamostra (mV)
Figura 6-4 - Gráfico com as medidas na amostra 1845, na frequência de 520 kHz, em
função do campo magnético.
As medidas com esta amostra não apresentaram variação significativa
da tensão em função do campo aplicado, como podemos verificar com o auxílio
da linha guia tracejada. Pode se notar que as variações na voltagem da
amostra estão dentro da barra de erro da experiência. A barra de erro foi
determinada (sobre 50 amostragens). As medidas foram realizadas a
temperatura ambiente.
6.4.4 Medidas com Amostra Tântalo
275
280
285
290
295
300
0 50 100 150
B (G)
Vamostra (mV)
Figura 6-5 – Gráfico com as medidas na amostra tântalo, na frequência de 520 kHz,
em função do campo magnético.
Neste caso também foi constatada a não dependência do sinal medido
com o campo magnético aplicado sobre a amostra, como podemos verificar
com o auxílio da linha guia tracejada. As barras de erro foram determinadas
(sobre 50 amostragens). As medidas foram realizadas a temperatura ambiente.
70
6.4.5 Medidas com Amostra [PyCo/Cu]
20
(Ref: 1347)
275
280
285
290
295
300
0 50 100 150
B (G)
Vamostra (mV)
Figura 6-6 – Gráfico com as medidas na amostra 1347, na frequência de 520 kHz, em
função do campo magnético.
Nesta amostra o campo magnético diminui o valor da
magnetoresistência (queda de tensão) conforme mostrado na Figura 6.6. Pode
se constatar também que esta dependência é linear, ao menos na faixa de
campos usados neste estudo. A linha tracejada representa um ajuste linear da
voltagem da amostra em função do campo magnético. As medidas foram
realizadas a temperatura ambiente.
6.4.6 Medidas Normalizadas com Amostra [P
y
Co/Cu]
20
(Ref:
1347) em Frequência e Campo Variáveis
Uma questão que pode ser abordada em nosso trabalho diz a respeito
da dependência da magnetoresistência elétrica com a frequência do sinal de
excitação. Para este fim, e levando em consideração que a amostra
[PyCo/Cu]
20
apresentou um efeito marcado do campo magnético na resistência
elétrica da amostra, efetuamos medidas em frequências diferentes da
magnetoresistência desta amostra multicamada. Os resultados experimentais
são apresentamos na Figura 6-7onde os valores foram normalizados pelo valor
máximo (valor máximo/valor) para facilitar a comparação.
71
Figura 6-7- Gráfico com as medidas de magnetoresistência da amostra 1347 (valores
normalizados) para as frequências de 520 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz e 1,9 MHz, em função
do campo magnético.
Da figura anterior pode se observar que a dependência linear da
magnetoresistência é mantida, porém a intensidade do efeito diminui conforme
a frequência aumenta. Destacamos que não é nosso interesse identificar as
causas físicas que levam a este comportamento, e sim destacar as
possibilidades experimentais da instrumentação desenvolvida para identificar
fenômenos físicos relevantes a estes materiais. Todas as medidas foram
realizadas a temperatura ambiente.
6.4.7 Repetição das medidas com fragmento da amostra e
campo invertido
A Figura 6.8 e Figura 6.9 mostram os resultados de novas medidas
realizadas em um fragmento desta amostra. Para estas medidas a amostra foi
fixada em uma placa de fenolite com um resistor de filme em série e
submetidas à excitação nos extremos da faixa de frequências de interesse. O
campo magnético aplicado foi invertido em relação ao sentido adotado nos
experimentos anteriores.
72
y = -0,003x + 52,421
51,6
51,8
52,0
52,2
52,4
52,6
52,8
0 50 100 150
B (G)
Vamostra (mV)
Figura 6-8 - Gráfico com as medidas em fragmento da amostra 1347, na frequência de
1.9 MHz, em função do campo magnético.
y = -0,005x + 66,244
65,2
65,4
65,6
65,8
66,0
66,2
66,4
0 50 100 150
B (G)
Vamostra (mV)
Figura 6-9 - Gráfico com as medidas em fragmento da amostra 1347, na frequência de
520 kHz, em função do campo magnético.
Das figuras anteriores, realizadas a temperatura ambiente, continuamos
a observar a dependência linear da magnetoresistência com o campo
magnético invertido, como era esperado pelas considerações teóricas e
práticas, ao observar-se na Figura 6.10 o resultado da medida de
magnetoresistência para uma amostra multicamada similar obtida no
laboratório de sputtering do CBPF em 2007. A dependência com a frequência
também se manteve, como podemos verificar pela inclinação das equações y
que representam o ajuste linear nas Figuras 6.8 e 6.9.
73
-10 -5 0 5 10
0
10
20
30
40
MR (%)
Campo Aplicado (kOe)
NiFe/Co/Cu
Figura 6-10 – Gráfico da Magnetoresistência (MR(%))
13
versus Campo aplicado na
amostra
14
Ref. 1350.
6.5 Conclusões
Foram feitas medidas de magnetoresistência CA com o sistema de
medidas projetado. A frequência do gerador foi fixada em 520 kHZ e foi
utilizada uma fonte CC para gerar a corrente na bobina em cujo campo a
amostra foi inserida, fixada por um suporte. Posteriormente, as medidas para a
amostra [yCo/Cu]
20
(Ref: 1347) foram repetidas para as frequências de 520
kHz, 1 MHz, 1,5 MHz e 1,9 MHz.
Verificamos que os filmes de [Py/Ru]
20
(Ref: 1845) e tântalo não
apresentam variação significativa da resistência elétrica com a variação do
campo. Já a amostra [PyCo/Cu]
20
(Ref: 1347), com magnetização antiparalela
das camadas, apresentou uma queda de tensão proporcional ao aumento do
campo magnético aplicado, sendo este efeito mais intensamente observado
nas frequências mais baixas. Contudo, sugerimos que convém rever este
último resultado com um amplificador que apresente resposta linear nesta faixa
de frequências, pois o efeito pode ser decorrente da atenuação às frequências
mais altas imposta pelo circuito de desacoplamento, como visto no capitulo 3.
Neste ponto fazemos algumas sugestões com vistas a melhorar o
sistema experimental projetado. Um amplificador (“buffer”) deve servir de
interface após o conversor D/A, para excitar a amostra. O suporte utilizado
para fixar a amostra deve ser melhorado para não apresentar folgas nem
tampouco capacitâncias nos pontos de contato. Cabos mais curtos e bom
aterramento, se possível com a montagem próxima e na mesma blindagem do
amplificador são desejáveis para medidas com menos ruídos e interferências.
Também seria desejável uma estrutura que permitisse otimizar a eficiência da
13
MR(%) = ((R
H
-R
0
)/R
0
) x 100. Onde R
H
e R
0
são as resistências com campo e sem campo
respectivamente.
14
Si(100)/Ni
81
Fe
19
(5,4nm)/Cu(0,9nm)/[Co(0,5nm)/Ni
81
Fe
19
(1,6nm)/Co(0,5nm)/Cu(0,9nm)]
20
/Co(0,5nm)/Ni
81
Fe
19
(1,6nm).
74
rejeição de modo comum (CMRR), minimizando sua degradação com a
frequência e com o desbalanceamento.
Para ilustrar o conceito, mostramos na Figura 6-11 o diagrama de uma
interface balanceada representada como uma “ponte”. O desequilíbrio desta
ponte, formada pela impedância em modo comum (R
CM+
e R
CM-
) de saída
(driver) e impedância em modo comum (R
CM+
e R
CM-
) de entrada (receiver),
permite que o ruído de modo comum (V
CM
) seja convertido para um sinal
diferencial na linha.
Figura 6-11 – Diagrama da configuração em ponte da interface entre a saída do sinal e
a entrada do sinal.
Vale lembrar que para menor sensibilidade ao desequilíbrio, a
impedância de modo comum de entrada da etapa receptora (Z
CM
) deve ser a
maior possível em relação à impedância de modo comum de saída (Figura
6-12).
75
Figura 6-12 - Gráfico mostrando a dessensibilização da rejeição de modo comum
(CMRR) ao desbalanceamento da linha de transmissão do sinal proporcionada por
uma maior impedância de entrada no receptor.
Um exemplo de um sistema balanceado é visto na Figura 6-13. O
sistema é ajustado para que os sinais de modo comum cheguem iguais aos
canais A e B, permitindo que sejam eliminados com maior eficiência pelo
CMRR (desejável acima de 100 dB) do amplificador diferencial
(instrumentação). R
0
são as resistências de contato inerentes ao sistema que
buscamos desprezar ao utilizar o sistema de medidas de quatro pontos. Z
1
(variável) é usado com Z
2
para o balanceamento. Fechando a chave de curto,
as duas entradas do amplificador ficam no mesmo potencial e a saída obtida é
o ganho de modo comum, que pode como mencionado anteriormente ser
filtrado pelo Lock-In, desde que se disponha de constantes de tempo
suficientemente altas.
Figura 6-13 - Diagrama esquemático de um sistema balanceado para a transmissão
do sinal.
Outro exemplo é a dessensibilização da CMRR pelo método de
bootstrap (Figura 6-14) que tende a aumentar a impedância de modo comum
do receptor (R
1
+ R
2
) para o ruído de modo comum. Este processo tem maior
eficiência a partir da terceira harmônica, o que em principio não traz vantagem
para um amplificador Lock-In que apresenta intrinsecamente alta reserva
dinâmica.
76
Figura 6-14 – Diagrama esquemático do método bootstrap, que através da redução da
corrente através de R1 + R2 proporcionalmente à frequência de corte do filtro passa-
altas R5C mantém alta CMRR para sinais de modo comum não rejeitados pelo filtro.
77
7 Conclusão
Diversas atividades foram realizadas nesta tese relacionadas ao
desenvolvimento de instrumentação científica na área de eletrônica aplicada à
física; montagens de circuitos e equipamentos eletrônicos, concepção de
projetos de circuitos com auxílio de computador, programação e
desenvolvimento de técnicas de medidas.
Mais precisamente o trabalho de tese foi o desenvolvimento de um
sistema de medida de magnetoresistência AC usando técnicas de detecção
síncrona com amplificadores Lock-In em DSP. Este novo aparelho permitiu
medir propriedades magnéticas de sistemas sólidos (filmes finos com estrutura
composta por camadas alternadas de metal ferromagnético e substâncias não
magnéticas).
Como características inovadoras deste trabalho, podem ser destacadas:
i) desenvolvimento de um instrumento científico baseado na técnica de
detecção síncrona utilizando DSP que permite medir pequenos sinais imersos
em grande quantidade de ruído; ii) Sistema de medida de resistividade AC e
magnetoresistência para a faixa de frequência de 0.5 MHz a 2.0 MHz que
permite o estudo de novas propriedades físicas de materiais avançados e iii)
possibilidade de aplicação tecnológica na medida da espessura de materiais
[40].
Inicialmente foram apresentados os fundamentos matemáticos que
servem de base para o desenvolvimento do processamento digital, sendo feita
uma análise das características principais de um amplificador digital comercial.
Em vista da constante presença de ruídos que podem interferir em um
experimento foram apresentadas as principais fontes de ruído e formas de
acoplamento destes ruídos ao experimento, sendo enfatizadas as
interferências na frequência de referência do Lock-In pelo fato de estes serem
interpretados como sinal.
Uma das questões principais tratadas nesta tese foi a necessidade de
efetuarmos medidas em sinais “flutuantes” que deveriam ser introduzidos em
um sistema com referência à terra. A fim de minimizar interferências causadas
por reflexões provenientes de casamento de impedâncias, bem como introduzir
uma limitação na banda de frequências, foi desenvolvido uma circuito
eletrônico de desacoplamento com características cujas funcionalidades e
limitações foram analisadas.
78
Foram implementadas simulações para validar o funcionamento do
núcleo do Lock-In (PSD - Phase Sensitivity Detector), bem como a sua
estrutura que carregados na FPGA formaram o protótipo inicial desenvolvido.
Para a programação do Lock-In no DSP foram utilizados módulos de
Multiplicação e Acumulação. Foi feita também uma descrição dos principais
módulos e apresentado o sistema em linguagem de descrição de hardware
(VHDL). Foi desenvolvido um programa automatizado para realizar medidas de
validação dos resultados obtidos.
Uma vez validado o Lock-In, foi desenvolvido um programa para
executar um experimento de medida de Magnetoresistência CA em amostras
de filme fino onde foram instanciados dois Lock-Ins em paralelo. Nestes
experimentos foi comprovada a magnetoresistência da amostra com
multicamadas NiFe/Co/Cu [Ref: 1347], bem como detectada uma possível
dependência com a frequência.
O Lock-In desenvolvido apresentou flexibilidade ao ser adaptado para
diferentes experimentos e objetivos, permitindo inclusive que um outro Lock-In
completo fosse instanciado por meio do comando de “copiar-e-colar” no Matlab
e trabalhasse em paralelo ao primeiro. Esta facilidade de reprogramação do
hardware permite várias implementações de mais instâncias de Lock-Ins
adicionando outras funções de processamento a instrumentos científicos.
Uma funcionalidade adicional deste tipo de desenvolvimento é a
configuração de vários instrumentos para a mesma FPGA. Como a FPGA
encontra-se vazia ao ser ligada, i.e. sem função pré-definida, é possível termos
diversas configurações de hardware previamente armazenadas em memória
não volátil e carregadas na memória do dispositivo (boot) de acordo com a
conveniência.
O trabalho com um Kit de desenvolvimento traz muitas facilidades,
permitindo aproveitar mais suas funcionalidades durante o projeto, entretanto
também impõe limitações que nem sempre são desejáveis, como, por exemplo,
a banda de passagem da entrada para os conversores A/D. No caso do Kit da
Altera EP2S60, esta entrada é composta de componentes resistivos e reativos
do tipo SMD, que introduzem limitantes aos trabalhos em uma faixa mais larga
de frequências. Uma adequação foi cogitada, mas a demanda de tempo e
riscos impediu que estas limitações fossem contornadas.
Diversas melhorias podem ser realizadas a fim de ampliar o espectro de
utilização do instrumento desenvolvido, são elas:
• Aumentar a impedância de entrada e Rejeição de Modo Comum
(CMRR) da entrada do amplificador operacional do circuito de
desacoplamento a fim de melhorar a linearidade da banda passante
suficiente para que sejam introduzidos ganhos sem distorções.
• Montagem do experimento com conexões mais curtas e eqüidistantes
com melhoria na blindagem do circuito de desacoplamento.
• Reduzir e entrelaçar os cabos coaxiais colocados como montagens
externas diferenciais.
79
• Introduzir um amplificador de potência (“Buffer”) na saída autônoma de
excitação do sistema, com linearidade na faixa de frequências de
interesse.
• Adequar a entrada do conversor A/D da placa de desenvolvimento para
a banda de frequências de interesse.
• Efetuar levantamento através de um sistema de medidas adequado para
a determinação da reserva dinâmica do sistema.
Por fim, cabe sinalizar que esta aplicação representa só uma parcela
ínfima das várias aplicações deste instrumento nas atividades de pesquisa
científicas, sendo que atualmente diferentes sistemas experimentais são
aprimorados mediante o uso de Lock-Ins.
80
8 Anexo1
PLACA DE DESENVOLVIMENTO ALTERA STRATIX II EP2S60
O Stratix® II EP2S60 DSP é um kit de desenvolvimento que inclui o
dispositivo Stratix II EP2S60 da ALTERA (Figura 8-1). Essa plataforma foi
projetada para o desenvolvimento de aplicações de hardware que necessitam
de alto desempenho, sendo apropriado para o desenvolvimento de sistemas
baseados em DSPs e dispositivos da família Stratix II da Altera.
O kit inclui também um compilador, o DSP Builder, com a biblioteca para
o Stratix II EP2S60 DSP e as funções de propriedade intelectual (IP) que
permitem o desenvolvimento de algoritmos, simulação, e verificação do código,
por meio do MATLAB e do Simulink.
Figura 8-1 – Ilustração da placa de desenvolvimento do Kit Stratix II EP2S60 DSP.
81
A placa de desenvolvimento do kit Stratix ® II EP2S60 DSP oferece as
seguintes funcionalidades embarcadas:
COMPONENTES
■ Conversores Analógicos de ESO
● Dois conversores A/D 12 bits 125 MHz;
● Dois conversores D/A 14 bits 165 MHz;
● Três conversores D/A de 8 bits para saída VGA (180 megapixels/s);
● Um codificador/decodificador de 96 KHz stéreo para saída de áudio;
■ Sistema de memória
● 1 MByte de SRAM (10-ns) assíncrona com barramento de 32 bits;
● 16 MBytes de memória flash com barramento de 8 bits;
● 32 MBytes de memória SDRAM com barramento de a 64 bits;
● Conector CompactFlash suportando modos de acesso ATA e IDE
■ Opções de Configuração
● Configuração on-board usando 16 MBytes de memória flash (dispositivo
Altera® EPM7256 MAX®);
● Configuração por download dos dados usando USB
■ Entrada e saída aterrada ou diferencial acessada via um Mictor connector;
■ Display duplo de sete segmentos;
■ Quatro chaves tipo push-button que podem ter suas funções definidas pelo
usuário;
■ Uma entrada RS-232 (conector fêmea de 9-pin);
■ Interface Ethernet 10/100 Mbps;
■ Oito LEDs que podem ser definidos pelo usuário;
■ Oscilador 100 MHz (em soquete);
■ Fonte única de 16V CC
■ Sistema de ventilação ativo
INTERFACES DE DEPURAÇÃO
■ Um conector tipo Mictor para analisadores lógicos Agilent e Tektronix
82
INTERFACES DE EXPANSÃO
■ Dois conectores para placa externa de Conversores A/D
■ Conector para placa externa de avaliação da Texas Instruments (TI-EVM)
■ Dois conectores de expansão para “prototipagem”.
DISPOSITIVO STRATIX II
O Dispositivo Stratix II do kit EP2S60 tem 24.176 módulos de lógicas
adaptáveis (Adaptive Logic Modules – ALMs) em uma grade de 1020 pinos
(FineLine BGA). Esse dispositivo tem 2.544.192 bits de RAM. A Figura 8-2
mostra uma visão geral destes recursos.
Os dispositivos Stratix II contêm uma arquitetura bidimencional baseada
em linha e coluna para implementar lógica personalizada. Uma série de
interconexões de linhas e colunas de comprimento e velocidade variáveis
promovem a interconexão de sinais entre blocos de matrizes lógicas (LABs),
estruturas de blocos de memória (M512 RAM, M4K RAM e M-RAM) e blocos
de processamento digital de sinais (DSP).
Cada LAB consiste em oito módulos lógicos adaptativos (ALMs). Uma
ALM é o bloco básico de modelagem do dispositivo Stratix II, oferecendo
eficiente implementação das funções lógicas do usuário. LABs são agrupadas
em linhas e colunas através do dispositivo.
Os blocos M512 RAM são simples memórias de dupla entrada com 512
bits mais paridade (576 bits). Estes blocos provêm memória dedicada de duas
ou uma entrada até 18 bits de largura até o limite de 500 MHz. Os blocos
M512 são agrupados em colunas através do dispositivo entre certas LABs.
Blocos DSP podem implementar até oito multiplicadores 9 x 9 bits,
quatro multiplicadores 18 x 18 bits ou um multiplicador de 36 x 36 bits com
características de soma ou subtração. Os blocos DSP suportam formatação de
arredondamento e saturação nos estágios de multiplicação e acumulação.
Estes blocos também contêm registros para aplicações de processamento
digital de sinais, incluindo filtros FIR e IIR. Os blocos DSP são agrupados entre
colunas através do dispositivo e operam até o limite de 450 MHz.
Cada pino de Entrada/Saída do dispositivo Stratix II é alimentada por um
elemento de Entrada/Saída (IOE) localizado no final das linhas e colunas de
LABs em torno da periferia do dispositivo. Pinos de entrada e saída (I/O)
suportam números padrões aterrados e diferenciais. Cada IOE contem um
buffer bidirecional e seis registros para salvar entrada, saída e sinais de
controle. Quando usado com clocks dedicados estes registros provêm
excepcional performance e suporte de interfaceamento com dispositivos de
memória externa como DDR e DDR2 SDRAM. Canais seriais de alta
velocidade com alinhamento dinâmico de fase (DPA) suportam transferência de
dados até 1 Gbps usando LVDS ou padrões da tecnologia de I/O
HyperTransport.
83
Figura 8-2 – Diagrama dos blocos que compõem o dispositivo Stratix II.
DSP BUILDER
O sistema de processamento digital de sinais (DSP) em dispositivos
lógicos programáveis (PLDs) exigem ferramentas de desenvolvimento de
algoritmos e linguagem de descrição de hardware (HDL) de alto nível que
encontram-se integradas no DSP Builder da ALTERA.
O DSP Builder integra as ferramentas mencionadas no anterior pela
combinação das funcionalidades das ferramentas do MATLAB/SIMULINK no
desenvolvimento de algoritmo, simulação e capacidade de depuração com o
fluxo de projeto em VHDL e Verilog HDL ao incluir o software Altera Quartus II.
O DSP Builder agiliza os ciclos de desenvolvimento de projetos em DSP
através de um ambiente amigável de desenvolvimento.
É possível combinar funções do MATLAB e blocos do Simulink com
blocos do DSP Builder da ALTERA e funções Mega Core que são núcleos de
propriedade intelectual da ALTERA (IP) em uma plataforma multifuncional de
desenvolvimento.
Podemos usar os blocos do DSP Builder para implementar um sistema
em hardware modelado em uma simulação no Simulink. O DSP Builder
contém blocos Simulink que cobrem operações básicas como funções
aritméticas e de armazenamento além da vantagem de contar com os
principais recursos do dispositivo como: PLLs embarcadas, blocos DSP e
memória embarcada.
O bloco Signal Compiler do DSP Builder lê os arquivos do simulink (.mdl)
que contêm outros blocos do DSP Builder e funções MegaCore e gera os
84
arquivos VHDL em scripts Tcl para síntese, implementação de hardware e
simulação.
A lógica programável oferece vantagens competitivas sobre
processadores digitais de sinal dedicados (DSPs dedicados). Podemos pensar
na lógica programável como uma matriz de elementos, cada um dos quais
podem ser configurados como uma complexa rotina de processamento.
Podemos “linkar” estas rotinas serialmente (da mesma forma que um
processador digital as executaria), ou conecta-las em paralelo. Quando
conectadas em paralelo, apresentam performance muito melhor do que os
processadores digitais de sinal padrão ao efetuar centenas de instruções ao
mesmo tempo.
Maiores detalhes a respeito do Stratix II e da Placa de desenvolvimento
podem ser apreciados no DSP User Guide, entre outras literaturas disponíveis
no site da ALTERA: http://www.altera.com/literature/lit-stx2.jsp e no manual do
Kit http://www.altera.com/literature/manual/mnl_SII_DSP_RM_11Aug06.pdf
85
9 Bibliografia
[1] MCM Consultores e Associados LTDA. “MCMNet - Site sobre economia
aplicada e análise política”. Disponível em:
< http://www.mcmconsultores.com.br/>.
[2] M. Nikolo, American Journal of Physics 63 p. 57, (1995).
[3] D M Jacobson, B Z Kaplan and M E Ertl. Continuous monitoring of ac
resistivity in low resistance samples. Journal of Physics E: Scientific
Instruments (1971) Volume 4. Pages 244-245.
[4] J. M. Calo and A. D. Bailey. Phase-Sensitive Pulse Counting in modulate
Bean Mass-Spectrometry. Review of Scientific Instruments (1974) Volume: 45
Pages: 1325-1330.
[5] I. Riess. Simple Differential Lock-In Amplifier for optical measurements.
Review of Scientific Instruments (1982) Volume: 53 Pages: 1388-1391
[6] M. Vanexter and A. Lagendijk. Converting an AM Radio into a high
frequency Lock-In in a stimulated Raman experiment. Review of Scientific
Instruments (1986) Volume: 57 Pages: 390-392.
[7] W. H. Kettler, et al. Differential AC method of Thermopower measurements.
Review of Scientific Instruments (1986) Volume: 57 Pages: 3057-3058.
[8] M. Qvarford, K. Heeck, J. G. Lensink, et al. Microtorquemeter for
Magnetization measurements on small superconducting samples. Review of
Scientific Instruments (1992) Volume: 63 Pages: 5726-5732.
[9] An automated susceptometer for the measurement of linear and nonlinear
magnetic ac susceptibility A. Bajpai, e A. Banerjee. Review of Scientific
Instruments (1997) Volume: 68 Pages: 4075-4079.
[10] Magnetic property mapping system for analyzing three-dimensional
magnetic components. K. Tsukada e T. Kiwa, Review of Scientific Instruments
(2006) Volume: 77 No 063703.
86
[11] L. E. Flores, C. Noda, C. Abascal e J. L. González . Automatic system for
the direct and continuous measurement of the irreversibility line of high Tc
superconductors. Review of Scientific. Instrument 69 (1998) págs. 3634-3636
[12] About Lock-In Amplifiers. Disponível em:
<http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNotes/AboutLIAs.pdf>.
[13] G. Blatter, M. V. Feigel’man, V. B. Geshkenbein, A. I. Larkin, and V. M.
Vinokur. Review of Modern Physics, 66 (1994) p. 1125. Vortices in high-
temperature superconductors.
[14] M. Nikolo, W. Kiehl, H. M. Duan and A. M. Hermman. Flux-Creep
activations energies in Tl
2
Ba
2
CaCu
2
O
x
single crystals. Physical Review B 45
(1992) p. 5641 – 5644.
[15] J. P. Cleuziou, W. Wernsdorfer, et al. Gate-tuned high frequency response
of carbon nanotube josephson junctions. Physical Review Letters (2007)
Volume: 99 Article Number: 117001.
[16] U. Kemiktarak, T. Ndukum, K. C. Schwab et al. Radio-frequency scanning
tunnelling microscopy. Nature (2007) Volume: 450 Page 85.
[17] O. J. Lipscombe, S. M. Hayden, B. Vignolle et al. Persistence of high-
frequency spin fluctuations in overdoped superconducting La2-xSrxCuO4
(x=0.22). Physical Review Letters (2007) Volume: 99 Article Number: 067002.
[18] Leonardo Rezende. Tese de Mestrado. “Desenvolvimento de um
Amplificador Lock-In com DSP operando em altas frequencias” CBPF. 2009.
[19] S. Maeda and Y. Shindo. Modification of Ithaco Model 391A Lock-In
Amplifier for use in the High-Dynamic-Range mode at the frequency-range from
60 to 120 kHz. Review of Scientific Instruments (1989) Volume: 60 Issue: 10
Pages: 3338-3339.
[20] J. G. Proakis and D. G. Manolakis. “Digital Signal Processing: Principles,
Algorithms, and Applications”. 3a Edição; Prentice-Hall, ISBN 0133737624;
1996;
[21] Nios II Processor Reference Handbook, ver 9.1, nov 2009. Disponível em:
<http://www.altera.com/literature/lit-nio2.jsp>.
[22] Rafael A. A. Nunes, Marcelo P. de Albuquerque, Mauricio Bochner,
Leonardo C. Resende, Jorge L. Gonzalez ; Nota Técnica: "O Amplificador
Lock-In"; CBPF-NT-001/2008
[23] E. M. Girotto, I. A. Santos; “Medidas de resistividade elétrica DC em
Sólidos: Como efetuá-las corretamente”; Publicado em Quím. Nova vol.25, no.4
;São Paulo; (2002); Disponível em :
87
<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010040422002000400
019>.
[24] Wikipedia, “Electrical Resistance”, (2009). Disponível em:
<http://en.wikipedia.org/wiki/ Electrical_resistance>.
[25] LPM–Montagens Industriais LTDA; “Utilização de fita de cobre em
sistemas de aterramento e pára-raios”. Trabalho apresentado no Seminário
Internacional de Proteção contra Descargas Atmosféricas (IV SIPDA), São
Paulo; (1997). Disponível em: <http://www.lpmmil.com.br/> ÆIVSIPDA.
[26] Wikipedia ,“Skin Effect”, (2009). Disponívell em:
<http://en.wikipedia.org/wiki/Skin_effect>.
[27] Strongly Correlated Electronic Materials: Present and Future, MRS
BULLETIN 33 (2008) pág 1037
[28] Complexity in strongly correlated electronic systems, E Daggoto, Science
309 pag 257
[29] Thickness dependence of superconductivity for In/Mo thin films, K.Makise e
colaboradores, Physica C, 469 (2009) p 1005
[30] Mixed-valence manganites, J. M. D. Coey, M. Viret e S. von Molnar,
ADVANCES IN PHYSICS 48 (1999) pág. 167
[31] Exchange bias, J. Nogues e I. K. Schuller, JOURNAL OF MAGNETISM
AND MAGNETIC MATERIALS 192 (1999) pag. 203
[32] Alexandre da Cas Viegas, Antonio Marcos Helgueira de Andrade,
Frederico Westphalen-RS, Marcio Assolin Corrêa, Ricardo Barreto da Silva,
Rubem Luis Sommer, Magnetization dynamics measurements in thin films at
frequencies up to 24GHz, [12/05/09 - P065]. Disponível em:
<http://cbpfindex.cbpf.br/publication_pdfs/xxxii_enfmc_abstractsP067,P070,P07
1.2009_08_10_13_20_48.pdf >.
[33] Willian Edgardo Alayo Rodriguez, Anisotropia Magnética e Acoplamento de
Troca em Multicamadas de Metais de Transição, Centro Brasileiro de
Pesquisas Físicas, (2007).
[34] P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986).
[35] M. B. Salamon, S. Sinha, J. J. Rhyne, J. E. Cunningam, R. W. Erwin, J. F.
C. P.Borchers, Phys. Rev. Lett. 56, 259 (1986).
[36] C. F. Majkrzak, J. W. Cable, J. Kwo, M. Hong, D. B. McWhan, Y. Yafet, J.
V.Waszczak, C. Vettier, Phys. Rev. Lett 56, 2700 (1986).
88
[37] A. Mello de Paula Silva, Tese de Mestrado: Instrumentação para Produção
e Caracterização de Filmes Finos Nanoestruturados, Biblioteca do CBPF
(2002).
[38] A. Biondo, Tese de Doutorado: Propriedades Estruturais Magnéticas e de
Transporte das Multicamadas Co/Cu, e Py/X (X = Cu, WTi e Zr) Produzidas por
Magnetron Sputtering, Biblioteca do CBPF (2001).
[39] Cezmi Kayabasi, John A. McNeill, Tese de Mestrado: Settling Time
Measurement Techniques Achieving High Precision at High Speeds, (2005).
[40] Rafael Astuto Arouche Nunes. Aplicação e desenvolvimento de um
Amplificador Lock-In baseado em DSP. 2009. Trabalho de Conclusão de Curso
(Graduação em Engenharia Eletrica) - Universidade Federal do Rio de Janeiro.
89
10 Anexo2
APRESENTAÇÃO (ENTIDADE E ARQUITETURA) EM LINGUAGEM VHDL
DO PRIMEIRO PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE MEDIDAS - CAPITULO 4
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 1 of 18 Revision: lockinsingleocss
----------------------------------------------------------------------
-----
-----------------
--
-- DSP Builder (Version 6.0, Build 202)
-- Quartus II development tool and MATLAB/Simulink Interface
--
-- Legal Notice: © 2001 Altera Corporation. All rights reserved. Your
use
of Altera
-- Corporation's design tools, logic functions and other software and
tools
, and its
-- AMPP partner logic functions, and any output files any of the
foregoing
-- (including device programming or simulation files), and any
associated
-- documentation or information are expressly subject to the terms and
cond
itions
-- of the Altera Program License Subscription Agreement, Altera
MegaCore Fu
nction
-- License Agreement, or other applicable license agreement,
including, wit
hout
-- limitation, that your use is for the sole purpose of programming
logic d
evices
-- manufactured by Altera and sold by Altera or its authorized
distributors
.
-- Please refer to the applicable agreement for further details.
--
--
-- Time Stamp: Wed Feb 04 16:52:04 2009
----------------------------------------------------------------------
-----
-----------------
90
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_signed.all;
library dspbuilder;
use dspbuilder.dspbuilderblock.all;
library lpm;
use lpm.lpm_components.all;
Entity lockinsingleocss is
Port(
clock : in std_logic;
A2D_112BitSigned : in std_logic_vector(11 downto 0);
A2D_212BitSigned : in std_logic_vector(11 downto 0);
SW4 : in std_logic;
SW5 : in std_logic;
SW6 : in std_logic;
SW7 : in std_logic;
clk_out : out std_logic;
clk_out1 : out std_logic;
clk_out2 : out std_logic;
clk_out3 : out std_logic;
clk_out4 : out std_logic;
clk_out5 : out std_logic;
D2A_114BitUnsigned : out std_logic_vector(13 downto 0);
LED0 : out std_logic;
LED1 : out std_logic;
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 2 of 18 Revision: lockinsingleocss
LED2 : out std_logic;
LED3 : out std_logic;
LED4 : out std_logic;
LED5 : out std_logic;
LED6 : out std_logic;
SevenSegmentDisplay0 : out std_logic_vector(7
downto 0);
SevenSegmentDisplay1 : out std_logic_vector(7 downto 0)
);
end lockinsingleocss;
architecture aDspBuilder of lockinsingleocss is
signal sclr : std_logic:='0';-- global reset signal
--Using PLL to drive output clock (50 % duty cycle, 0 degre phase
shift)
component dspboard2S60_pll PORT(
inclk0 : IN STD_LOGIC ;
c0 : OUT STD_LOGIC);
end component ;
signal board_clk_out_int : std_logic;
--Using PLL to drive output clock (50 % duty cycle, 180 degre phase
shift)
component dspboard2S60_pll_inv PORT(
inclk0 : IN STD_LOGIC ;
c0 : OUT STD_LOGIC);
end component ;
signal board_clk_out_int_inv : std_logic;
signal A0W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A1W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A2W : std_logic;
signal A3W : std_logic_vector(15 downto 0);
signal A4W : std_logic;
signal A5W : std_logic_vector(4 downto 0);
signal A6W : std_logic_vector(4 downto 0);
signal A7W : std_logic_vector(4 downto 0);
signal A8W : std_logic_vector(4 downto 0);
91
signal A9W : std_logic;
signal A10W : std_logic;
signal A11W : std_logic;
signal A12W : std_logic;
signal A13W : std_logic_vector(30 downto 0);
signal A14W : std_logic_vector(41 downto 0);
signal A15W : std_logic_vector(4 downto 0);
signal A16W : std_logic_vector(12 downto 0);
signal A17W : std_logic_vector(12 downto 0);
signal A18W : std_logic_vector(12 downto 0);
signal A19W : std_logic_vector(12 downto 0);
signal A20W : std_logic;
signal A21W : std_logic;
signal A22W : std_logic;
signal A23W : std_logic;
signal A24W : std_logic_vector(1 downto 0);
signal A25W : std_logic_vector(4 downto 0);
signal A26W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A27W : std_logic_vector(29 downto 0);
signal A28W : std_logic_vector(29 downto 0);
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 3 of 18 Revision: lockinsingleocss
signal A29W : std_logic_vector(40 downto 0);
signal A30W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A31W : std_logic_vector(12 downto 0);
signal A32W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A33W : std_logic_vector(13 downto 0);
signal A34W : std_logic;
signal A35W : std_logic;
signal A36W : std_logic;
signal A37W : std_logic;
signal A38W : std_logic;
signal A39W : std_logic;
signal A40W : std_logic;
signal
A41W : std_logic;
signal A42W : std_logic_vector(7 downto 0);
signal A43W : std_logic_vector(7 downto 0);
signal A44W : std_logic_vector(16 downto 0);
signal A45W : std_logic_vector(24 downto 0);
signal A46W : std_logic;
signal A47W : std_logic;
signal A48W : std_logic;
signal A49W : std_logic;
signal A50W : std_logic;
signal A51W : std_logic;
signal A52W : std_logic;
signal A53W : std_logic;
signal A54W : std_logic;
signal A55W : std_logic;
signal A56W : std_logic;
signal A57W : std_logic;
signal A58W : std_logic_vector(7 downto 0);
signal A59W : std_logic_vector(13 downto 0);
signal A60W : std_logic_vector(13 downto 0);
signal A61W : std_logic_vector(21 downto 0);
signal A62W : std_logic_vector(19 downto 0);
signal A63W : std_logic_vector(19 downto 0);
signal A64W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A65W : std_logic_vector(3 downto 0);
signal A66W : std_logic_vector(3 downto 0);
signal A67W : std_logic_vector(11 downto 0);
92
signal A68W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A69W : std_logic_vector(7 downto 0);
signal A70W : std_logic_vector(7 downto 0);
signal A71W : std_logic_vector(13 downto 0);
signal A72W : std_logic;
signal A73W : std_logic;
signal A74W : std_logic;
signal A75W : std_logic;
signal A76W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A77W : std_logic_vector(40 downto 0);
signal A78W : std_logic_vector(25 downto 0);
signal A79W : std_logic_vector(29 downto 0);
signal A80W : std_logic_vector(29 downto 0);
signal A81W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A82W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A83W : std_logic_vector(11 downto 0);
signal A84W : std_logic_vector(13 downto 0);
signal datasub35_0Mux : std_logic_vector(4 downto 0);
signal datasub35_1Mux : std_logic_vector(4 downto 0);
signal datasub35_2Mux : std_logic_vector(4 downto 0);
signal datasub35_3Mux : std_logic_vector(4 downto 0);
signal data_35_muxin : std_logic_vector(19 downto 0);
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 4 of 18 Revision: lockinsingleocss
signal Sel_35_Mux : std_logic_vector(1 downto 0);
signal datasub36_0Mux : std_logic_vector(11 downto 0);
signal datasub36_1Mux : std_logic_vector(11 downto 0);
signal data_36_muxin : std_logic_vector(23 downto 0);
signal Sel_36_Mux : std_logic_vector(0 downto
0);
signal A1W51EXT : std_logic_vector(4 downto 0);
signal A2W51EXT : std_logic_vector(4 downto 0);
signal sclr_u54 : std_logic;
signal AMemoryDelayi_unconnected : std_logic_vector(11 downto 0);
signal AMemoryDelay1i_unconnected : std_logic_vector(11 downto 0);
signal AMemoryDelay2i_unconnected : std_logic_vector(7 downto 0);
signal AMemoryDelay3i_unconnected : std_logic_vector(7 downto 0);
signal AMemoryDelay4i_unconnected : std_logic_vector(13 downto 0);
signal AMemoryDelay5i_unconnected : std_logic;
signal AMemoryDelay6i_unconnected : std_logic;
signal AMemoryDelay7i_unconnected : std_logic;
signal AMemoryDelay8i_unconnected : std_logic;
signal AMemoryDelay9i_unconnected : std_logic_vector(11 downto 0);
signal sclr_u89 : std_logic;
signal sclr_u90 : std_logic;
Begin
assert (1<0) report altversion severity Note;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "D2A_114BitUnsigned"
D2A_114BitUnsigned <= A71W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED0"
LED0 <= A34W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED1"
LED1 <= A73W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED2"
LED2 <= A34W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED3"
LED3 <= A49W;
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 5 of 18 Revision: lockinsingleocss
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED4"
LED4 <= A50W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED5"
93
LED5 <= A51W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "LED6"
LED6 <= A41W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "SevenSegmentDisplay0"
SevenSegmentDisplay0 <= A69W;
-- Output - I/O assignment from Simulink Block "SevenSegmentDisplay1"
SevenSegmentDisplay1 <= A70W;
sclr <= '0';
-- Input - I/O assignment from Simulink Block "A2D_112BitSigned"
A0W <= A2D_112BitSigned;
-- Input - I/O assignment from Simulink Block "A2D_212BitSigned"
A1W <= A2D_212BitSigned;
-- Input - I/O assignment from Simulink Block "SW4"
A20W <= SW4;
-- Input - I/O assignment from Simulink Block "SW5"
A21W <= SW5;
-- Input - I/O assignment from Simulink Block "SW6"
A22W <= SW6;
-- Input - I/O assignment from Simulink Block "SW7"
A23W <= SW7;
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus1"
A2W <= '1';
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus10"
A3W(15) <= '0';
A3W(14 downto 0) <= "000000000000000";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus11"
A4W <= '1';
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus13"
A5W(4) <= '0';
A5W(3 downto 0) <= "0011";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus15"
A6W(4) <= '0';
A6W(3 downto 0) <= "0111";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus17"
A7W(4) <= '0';
A7W(3 downto 0) <= "1011";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus19"
A8W(4) <= '0';
A8W(3 downto 0) <= "1111";
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 6 of 18 Revision: lockinsingleocss
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus2"
A9W <= '1';
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus20"
A10W <= '1';
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus21"
A11W <= '1';
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus22"
A12W <= '1';
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus3"
A13W(30) <= '0';
A13W(29 downto 0) <= "000000000000000000010100000000";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus4"
A14W(41) <= '0';
A14W(40 downto 0) <= "00000000000000000000000000000000001000000";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus5"
A15W(4 downto 0) <= "01111";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus6"
A16W(12) <= '0';
A16W(11 downto 0) <= "000000010100";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus7"
94
A17W(12) <= '0';
A17W(11 downto 0) <= "000000001010";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus8"
A18W(12) <= '0';
A18W(11 downto 0) <= "000000001010";
-- Constant assignment - Simulink Block "AltBus9"
A19W(12) <= '0';
A19W(11 downto 0) <= "000000000001";
-- Bus Construction - Simulink Block "BusBuild"
A24W(0) <= A49W;
A24W(1) <= A50W;
datasub35_0Mux <= A5W;
datasub35_1Mux <= A6W;
datasub35_2Mux <= A7W;
datasub35_3Mux <= A8W;
data_35_muxin <= datasub35_3Mux & datasub35_2Mux & datasub35_1Mux &
datasub35_0Mux;
Sel_35_Mux <= A24W;
datasub36_0Mux <= A68W;
datasub36_1Mux <= A76W;
data_36_muxin <= datasub36_1Mux & datasub36_0Mux;
Sel_36_Mux(0) <= A51W;
-- - Simulink Block "NOTu"
A34W <= not A73W;
-- - Simulink Block "NOT1"
A35W <= not A48W;
-- - Simulink Block "NOT2"
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 7 of 18 Revision: lockinsingleocss
A36W <= not A2W;
-- - Simulink Block "NOT3"
A37W <= not A73W;
-- - Simulink Block "NOT4"
A38W <= not A72W;
-- - Simulink Block "NOT5"
A39W <= not A74W;
-- - Simulink Block "NOT6"
A40W <= not A75W;
-- IF THEN - Simulink Block "IfStatement"
A1W51EXT <= A25W;
A2W51EXT <= A15W;
A41W <= '1' when ((A1W51EXT>A2W51EXT) or (A1W51EXT=A2W51EXT) or (A1
W51EXT="00000")) else '0';
A42W(7) <= '0';
A43W(7) <= '0';
sclr_u54 <= A34W or sclr;
A44W(16) <= '0';
A58W(7) <= '0';
A61W(21) <= '0';
sclr_u89 <= A37W or sclr;
sclr_u90 <= A37W or sclr;
--Using PLL to drive pin Y3 (DAC clock source)
uclklk_out2p : dspboard2S60_pll port map (inclk0 => clock, c0 =>
board_clk
_out_int);
--Using PLL to drive pin Y3 (DAC clock source)
uclklk_out2p_inv : dspboard2S60_pll_inv port map (inclk0 => clock, c0
=> b
oard_clk_out_int_inv);
clk_out <= board_clk_out_int;
clk_out1 <= board_clk_out_int;
95
clk_out2 <= board_clk_out_int;
clk_out3 <= board_clk_out_int;
clk_out4 <= board_clk_out_int_inv;
clk_out5 <= board_clk_out_int_inv;
-- Mux - Simulink Block "nto1Multiplexer"
nto1Multiplexeri : sMuxAltr generic map (
lpm_pipeline =>0,
lpm_size =>4,
lpm_widths =>2,
lpm_width =>5,
SelOneHot =>0)
port map (
clock => '0',
ena => '1',
sclr => '0',
data => data_35_muxin,
sel => Sel_35_Mux,
result => A25W);
-- Mux - Simulink Block "nto1Multiplexer1"
nto1Multiplexer1i : sMuxAltr generic map (
lpm_pipeline =>0,
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 8 of 18 Revision: lockinsingleocss
lpm_size =>2,
lpm_widths =>1,
lpm_width =>12,
SelOneHot =>0)
port map (
clock => '0',
ena => '1',
sclr => '0',
data => data_36_muxin,
sel => Sel_36_Mux,
result => A26W);
-- Divide Operator - Simulink Block "Divider"
Divideri : divider generic map (
widthin =>30,
isunsigned =>0,
pipeline =>0)
port map (
numer => A79W,
denom(29 downto 0) => A13W(29 downto 0),
quotient => A27W);
-- Divide Operator - Simulink Block "Divider1"
Divider1i : divider generic map (
widthin =>30,
isunsigned =>0,
pipeline =>0)
port map (
numer => A80W,
denom(29 downto 0) => A13W(29 downto 0),
quotient => A28W);
-- Divide Operator - Simulink Block "Divider2"
Divider2i : divider generic map (
widthin =>41,
isunsigned =>0,
pipeline =>0)
port map (
numer(21 downto 0) => A61W(21 downto 0),
numer(22) => A61W(21),
numer(23) => A61W(21),
96
numer(24) => A61W(21),
numer(25) => A61W(21),
numer(26) => A61W(21),
numer(27) => A61W(21),
numer(28) => A61W(21),
numer(29) => A61W(21),
numer(30) => A61W(21),
numer(31) => A61W(21),
numer(32) => A61W(21),
numer(33) => A61W(21),
numer(34) => A61W(21),
numer(35) => A61W(21),
numer(36) => A61W(21),
numer(37) => A61W(21),
numer(38) => A61W(21),
numer(39) => A61W(21),
numer(40) => A61W(21),
Date: July 31, 2009 lockinsingleocss.vhd Project: lockinsingleocss
Page 9 of 18 Revision: lockinsingleocss
Interrompemos neste ponto devido à extensão do programa. Disponibilizamos integralmente
este programa, bem como os programas dos outros projetos desenvolvidos nesta tese.
……………..
……………..
……………..
end architecture aDspBuilder;
Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
Milhares de Livros para Download:
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas
Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
