O objetivo do trabalho é desenvolver um sistema EIE multicanal para ser conectado em uma sonda de 8 eletrodos. Assim, torna-se necessário a utilização de multiplexadores para interligar a saída da fonte de corrente aos eletrodos da sonda e permitir a seleção desses eletrodos durante o experimento.
O mesmo ocorre para os eletrodos de medição do potencial. Como no sistema EIE desenvolvido é utilizado apenas um amplificador de instrumentação para a medição dos potenciais, torna-se necessário um circuito que permita a seleção dos eletrodos durante a medição.
Com esse propósito, foi desenvolvido um multiplexador que atende as necessidades deste projeto. Foram construídos dois circuitos de multiplexação com oito canais diferenciais cada, utilizando chaves bidirecionais CMOS.
Para o acionamento das chaves, foi desenvolvido um circuito de controle utilizando o conversor serial/paralelo, conhecido também como expansor de portas. Além disso, foi usado o conversor de nível CD4054 (Texas instruments) para alterar a tensão de saída do expansor
de portas de 0-5 V para uma tensão simétrica de ± 7,5V. A Figura 2.8 mostra o diagrama do circuito de multiplexação desenvolvido neste trabalho.
Figura 2.8 - Diagrama do circuito de multiplexação, onde E+ e E- são as conexões do canal diferencial de entrada, Cn1+ a Cn8+ e Cn1- a Cn8- são as conexões dos canais diferenciais de saída.
Para o chaveamento do circuito de multiplexação foram utilizados os integrados CD4066 (Texas instruments). Este componente é constituído de quatro chaves bidirecionais CMOS, sendo escolhido devido a sua baixa capacitância de entrada e alta freqüência de chaveamento (40 MHz).
Este tipo de chave pode ser modelada segundo o circuito mostrado na Figura 2.9, onde CE é uma capacitância de entrada, CS é uma capacitância de saída, CAES é uma capacitância de
acoplamento entrada/saída e RSE é uma resistência série equivalente. Estas características são
fornecidas pelo fabricante para uma máxima freqüência de trabalho de 40 MHz.
Figura 2.9 - Circuito elétrico equivalente da cada chave do CI 4066, onde CE= 8 pF, CS= 8 pF, CAES= 0,5 pF e
Para controlar o acionamento das chaves foi utilizado o conversor serial/paralelo MC74HC595 (Philips), possibilitando reduzir o número de conexões entre o sistema de controle e as chaves de seleção do multiplexador.
Internamente, o conversor é dividido em duas partes: um registrador de deslocamento e um Latch. O registrador de deslocamento é responsável por receber o dado serial e ordená- lo paralelamente em oito saídas. Para isso ele utiliza dois pinos, a cada bit recebido pelo primeiro pino (entrada de dados), o segundo recebe o comando de deslocamento e insere o bit recebido na saída do registrador, movendo, para isto, os dados já recebidos para a posição seguinte. Um terceiro pino apaga todos os dados recebidos pelo registrador de deslocamento, quando recebe nível lógico baixo.
As oito saídas paralelas do registrador de deslocamento são ligadas a oito entradas do Latch. Este possui um pino de memorização que, ao receber sinal lógico alto, grava os dados dos pinos de entrada, e um pino de habilitação que, quando em nível lógico baixo, transmite os dados gravados para os pinos de saída do CI. Durante o desenvolvimento do circuito, o pino de habilitação foi aterrado para que as saídas estivessem sempre habilitadas e o controle de saída ficasse ligado ao comando de memorização. A Figura 2.10 mostra o diagrama esquemático da lógica do MC74HC595.
Figura 2.10 - Diagrama esquemático da lógica do conversor serial paralelo MC74HC595.
Para atender os objetivos deste trabalho, os canais serão selecionados ao pares pré- definidos, ou seja, cada comando de seleção selecionará um canal positivo e seu respectivo
par negativo. Por exemplo, o canal Cn1+ é selecionado juntamente com o canal Cn1-, o canal Cn2+ é acionado com o canal Cn2- e assim sucessivamente.
Os dados seriais e de controle para o circuito de multiplexação são provenientes de quatro saídas digitais da placa de aquisição de dados PCI-6133. O programa de controle foi desenvolvido em LabVIEW (National Instruments) e é apresentado em detalhes no capítulo 3. Um exemplo de protocolo para seleção de um canal é mostrado na Figura 2.11. Nesse caso, a seleção é para o canal diferencial Cn3 (Cn3+ e Cn3-).
Figura 2.11 - Diagrama de funcionamento do MUX mostrando a seleção do canal Cn3, onde D é comando de deslocamento e M é o comando de memorização.
Capacitâncias presentes nos circuitos de multiplexação reduzem a corrente na carga, especialmente em altas freqüências. Para avaliar a influência do circuito de multiplexação no sistema EIE desenvolvido, foi simulado o circuito da Figura 2.12, representando a seleção de um canal qualquer do circuito de multiplexação. Como as entradas das oito chaves estão interligadas, a capacitâncias CE e CAES representam o somatório das capacitâncias individuais
de cada chave, ou seja, 64 pF e 4 pF, respectivamente. Na simulação foi usada uma capacitância de saída CS de 8 pF, uma resistência série RSE de 125 ȍ, uma carga ZL = 1 Kȍ e
uma corrente de saída ±I de 1 mAp.
A Figura 2.13 mostra a corrente medida na carga para o circuito sem e com a multiplexação. Observa-se que em baixas freqüências não há influência das capacitâncias do MUX. No entanto, a partir de 200 kHz há uma fuga de corrente, chegando a 37 ȝAp na freqüência de 1 MHz.
Figura 2.12 - Circuito equivalente elétrico de um canal diferencial do multiplexador.
Figura 2.13 - Espectro de corrente na carga com e sem multiplexador, usando uma carga de 1 Kȍ.
Para a seleção dos eletrodos de medição do potencial foi utilizado outro circuito de multiplexação, nesse caso funcionando como demultiplexador (DEMUX) de oito entradas diferenciais para uma saída. No sistema EIE, as oito entradas do DEMUX são conectadas aos eletrodos da sonda e sua saída à placa de aquisição.
Para avaliar o efeito dos circuitos de MUX e DEMUX no sistema EIE, foi simulado o circuito mostrado na Figura 2.14. Um canal do MUX e outro do DEMUX são selecionados para a injeção de corrente e medição da tensão em uma carga ZL = 1 kȍ, onde CS1=CE2= 8 pF,
CAES1=CAES2= 4 pF, CE1=CS2= 64 pF e RSE1=RSE2=125 ȍ. O resultado é mostrado na Figura
2.15.
Figura 2.14 - Circuito esquemático equivalente de um canal dos circuitos MUX e DEMUX do sistema EIE.
Figura 2.15 - Módulo da corrente na carga com e sem os circuitos MUX e DEMUX.
Observa-se que mesmo utilizando os circuitos de multiplexação e demultiplexação, a influência é insignificante em baixas freqüências. Porém, a atenuação da corrente na carga ocorre a partir de 100 kHz com um erro de 10 % na freqüência de 1 MHz.