Resultados

6.1.1.1 Placas eletrônicas para alta frequência

O desenvolvimento de placas eletrônicas para a frequência de 10,7 MHz e para os níveis de sinais desejados não foi trivial. Diversas dificuldades foram encontradas como instabilidade dos amplificadores, discrepâncias entre as simulações e os resultados práticos e a necessidade de compra de componentes específicos para frequências altas que não são facilmente encontrados nos fornecedores locais e nacionais.

As placas eletrônicas projetadas seguiram basicamente as seguintes diretivas de projeto:

• Capacitores de desacoplamento cerâmicos de 2,2 cF próximos às entradas de alimentação dos circuitos integrados, esses capacitores foram escolhidos pelo excelente desempenho dos capacitores cerâmicos em alta frequência e por eliminarem a necessidade do uso de um segundo capacitor (geralmente eletrolítico) para evitar flutuações na tensão de alimentação;

• Uso de componentes SMD para reduzir a emissão de ruído;

• A face da placa sem componentes é formada por um plano de terra e a outra face da placa possui planos de terra em toda área disponível, veja Figura 54;

• Utilização de filtros passa8faixas passivos de banda estreita para redução de ruídos térmicos e outros ruídos captados pelos sensores;

• Uso de cabos coaxiais para transmissão de sinais de alta frequência;

• Distanciamento de linhas de sinal para evitar que uma linha induza tensão na outra, ou vice8versa (cross4talk);

• Estreitamento da banda de amplificadores e a redução de capacitâncias na saída dos amplificadores, pois, mesmo pequenas capacitâncias tem impedância muito baixa na faixa de frequência deste projeto.

Figura 54 Exemplo de placa de circuito impresso para alta frequência.

6.1.1.2 Bobinas Sensoras e Geradoras

As bobinas sensoras apresentaram grande variação na amplitude do sinal recebido, os sinais das bobinas imediatamente adjacentes à bobina emissora foram da ordem de 15 a 40 mVpp enquanto das bobinas mais distantes ficaram entre centenas de ]Vpp, não ultrapassando 3000 ]Vpp. Na Figura 55 pode se observar um exemplo da magnitude dos sinais que são lidos pelas bobinas sensoras.

6.1.1.3 Multiplexadores

O multiplexador apresentou uma perda de inserção de 0,23 dB (canal ligado) e uma atenuação de 43,65 dB para canais desligados. As formas de onda nos multiplexadores de saída podem ser vistos na Figura 56. Os valores da folha de dados do componente (CD74HC4051M Datasheet, 2011) mostram que existe uma perda por inserção próxima à zero para a frequência utilizada e uma atenuação de 55 dB nos canais desligados.

Figura 55 – O sinal 1 (azul) mostra o sinal aplicado à bobina geradora. Os sinais 2 e 4 mostram o sinal proveniente das bobinas sensoras localizadas à 22,5° em relação a bobina geradora e o sinal 3 mostra o sinal proveniente da bobina sensora à 180° da bobina geradora. As amplitudes dos sinais 1, 2, 3 e 4 são respectivamente: 6465 mVpp, 22,13 mVpp, 470,8 ]Vpp e 37,22 mVpp. Forma de onda obtida utilizando Osciloscópio DPO 4104 da Tektronix.

Figura 56 Sinais no MUX de saída. O sinal 1 (azul) mostra o sinal no pino comum do MUX. O sinal 2 (vermelho) mostra o sinal no canal 1 do MUX, que é o canal selecionado, os sinais 3 (verde) e 4 (rosa) mostram as saídas dos canais 15 (próximo ao canal selecionado) e 9 (distante do canal selecionado) respectivamente. As amplitudes dos sinais 1, 2, 3 e 4 são respectivamente: 6470 mVpp, 6296 mVpp, 294,5 mVpp e 42,5 mVpp. Forma de onda obtida utilizando Osciloscópio DPO 4104 da Tektronix.

6.1.1.4 Amplificador de Alta Frequência

O amplificador de alta frequência apresentou um ganho final de 139 V/V, sendo que o ganho simulado para este amplificador foi de 180 V/V. As formas de onda do amplificador podem ser vistas na Figura 57.

Figura 57 Formas de onda no amplificador de alta frequência. Sinal 1 (Azul): forma de onda na entrada do amplificador multiplicada em 100 vezes. Sinal 4 (rosa): Forma de onda após o primeiro estágio de amplificação. Sinal 2 (Vermelho): saída do amplificador de alta frequência. As amplitudes dos sinais 1, 2 e 4 são respectivamente: 531 mVpp, 782 mVpp e 36,03 mVpp. Forma de onda obtida utilizando Osciloscópio DPO 4104 da Tektronix.

6.1.1.5 Amplificador com Controle Automático de Ganho

O controlador automático de ganho apresentou um ganho máximo de 8 V/V. O desempenho do controle de ganho pode ser observado na Figura 58. Pode se notar que para valores de entrada menores que 250 mVpp o controlador não conseguiu ajustar a tensão de saída. Também se observou uma variação na fase dependendo do ganho do controlador, essa variação pode ser observada na Figura 59. Na Figura 60 e na Figura 61 podem ser observadas as formas de onda da entrada e da saída do amplificador com controle automático de ganho.

Figura 58 Tensão de saída do amplificador com controle automático de ganho em função da tensão de entrada.

Figura 59 Defasagem causada pelo amplificador com controle automático de ganho em função do ganho do amplificador.

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 500 1000 1500 2000 2500 T e n sã o S a íd a ( m V p p ) Tensão Entrada (mVpp) 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 1 2 3 4 5 6 7 D e fa sa g e m ( g ra u s) Ganho V/V

Figura 60 Tensões de entrada (sinal 1 em azul) e saída (sinal 2 em vermelho) do amplificador com controle automático de ganho. As amplitudes de 1 e 2 são respectivamente 258 mVpp e 1453 mVpp, a defasagem do sinal 1 para o sinal 2 é de 159,2°. Forma de onda obtida utilizando Osciloscópio DPO 4104 da Tektronix.

Figura 61 Tensões de entrada (sinal 1 em azul) e saída (sinal 2 em vermelho) do amplificador com controle automático de ganho. As amplitudes de 1 e 2 são respectivamente 1548 mVpp e 1648 mVpp, a defasagem do sinal 1 para o sinal 2 é de 153,1°. Forma de onda obtida utilizando Osciloscópio DPO 4104 da Tektronix.

6.1.1.6 Multiplicador e Amplificador de Baixa Frequência

O multiplicador apresentou uma curva de resposta com formato de cosseno em função da variação da fase do sinal de entrada, veja Figura 62. Também se observou um offset positivo de aproximadamente 37,5 mV no sinal de saída, um deslocamento do pico do cosseno em aproximadamente 4° para o lado positivo.

Figura 62 Tensão de saída do multiplicador em função da defasagem dos sinais na entrada do multiplicador. Os losangos representam os pontos medidos e a linha representa o modelo mostrado na equação que se encontra no centro do gráfico.

A saída do amplificador de baixa frequência em função da defasagem dos sinais na entrada do multiplicador pode ser visto na Figura 63. Pode se notar que devido ao offset na saída do multiplicador, toda a faixa útil do conversor analógico digital (0 à 5V) não foi utilizada.

Na Figura 64 podem ser observadas as formas de onda na entrada do multiplicador e as tensões da saída do multiplicador e do amplificador de baixa frequência. -150 -100 -50 0 50 100 150 200 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 T e n sã o d e S a íd a ( m V )

Defasagem entre os sinais na entrada (graus)

Figura 63 – Tensão de saída do amplificador de baixa frequência em função da defasagem dos sinais na entrada do multiplicador.

Figura 64 Formas de onda dos sinais na entrada do multiplicador (1 em azul e 2 em vermelho) e as tensões de saída do multiplicador (4 em rosa) e na saída do amplificador de baixa frequência (3 em verde). As amplitudes dos sinais 1 e 2 são respectivamente 724,0 mVpp e 1,388 Vpp. O valor médio dos sinais 3 e 4 são respectivamente 2,876 V e 51,59 mV. Forma de onda obtida utilizando Osciloscópio DPO 4104 da Tektronix.

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 T e n sã o d e S a íd a ( V )

6.1.1.7 Testes com objeto condutor no interior do tomógrafo

Primeiramente optou8se por não montar o MUX de saída e montar apenas uma bobina emissora e oito bobinas receptoras. Além disso, para reduzir a influência de ruídos externos que afetavam todas as bobinas por igual, após cada medição era realizada a média da leitura de todos os canais e esse valor era subtraído dos valores lidos pelo multiplicador, isso aumentou consideravelmente a rejeição a ruídos, porém acabou eliminando o valor médio do sinal. O tempo médio de um ciclo de leitura (8 canais sensores) foi de aproximadamente 20 milissegundos. O teste foi feito com a bobina sensora variando sua posição em 22,5° para ampliar o número de pontos medidos. Ao final das medições foi adicionado um offset à leitura para recompor a média do sinal.

Figura 65 Valores medidos pelo tomógrafo simplificado: 8 sensores e 1 gerador. A linha representa os valores experimentais mostrados na Figura 24 devidamente escalonados e os losangos representam os pontos medidos pelo tomógrafo. O eixo Y representa a variação provocada pelo objeto condutor em unidades de A/D (1 unidade de A/D é equivalente a 4,88 mV).

Quando foram conectados todos os geradores e o restante dos sensores, se observou uma grande redução na sensibilidade dos sensores devido ao sinal residual do multiplexador de saída. Também se observou que o controle automático de ganho não conseguia compensar todas as variações de amplitudes aplicadas na sua entrada.

-20 0 20 40 60 80 100 0 50 100 150 200 250 300 350 Figura 24 Medido