UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

Eduardo Schoenknecht

PROJETO DE DIPLOMAO

MEDIO DE DISTNCIA COM O USO DE LASER

Porto Alegre

2010

1

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

MEDIO DE DISTNCIA COM O USO DE LASER

Projeto de Diplomao apresentado ao Departamento de Engenharia Eltrica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para Graduao em Engenharia Eltrica.

ORIENTADOR: Prof. Eric Ericson Fabris

Porto Alegre

2010

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELTRICA

EDUARDO SCHOENKNECHT

MEDIO DE DISTNCIA COM O USO DE LASER

Este projeto foi julgado adequado para fazer jus aos crditos da Disciplina de Projeto de Diplomao, do Departamento de Engenharia Eltrica e aprovado em sua forma final pelo Orientador e pela Banca Examinadora.

Orientador: ____________________________________

Prof. Eric Ericson Fabris, UFRGS

Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre, Brasil

Banca Examinadora:

Prof. Dr. Eric Ericson Fabris, UFRGS

Doutor pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul Porto Alegre, Brasil

Prof. Dr. Marcelo Soares Lubaszewski, UFRGS

Doutor pelo Institut National Polytechnique Grenoble, Frana

Prof. Dr. Cludio Walter, UFRGS

Doutor pelo Institut National Polytechnique Grenoble, Frana

Porto Alegre, julho de 2010.

DEDICATRIA

Dedico este trabalho aos meus pais, pela dedicao e apoio em todos os momentos.

AGRADECIMENTOS

Primeiramente agradeo aos meus pais, pela educao, amor, suporte emocional e

financeiro, bem como s minhas duas irms, pelo companheirismo e pelos exemplos de

sucesso conquistado com esforo e determinao.

Aos colegas e amigos agradeo pelos timos momentos de convivncia e estudo,

trabalho em equipe, compartilhamento de conhecimentos, mtodos de estudo, e pelos

momentos de descontrao.

Sou grato a Falker Automao Agrcola pelas oportunidades de estgio e emprego, e

pelas ricas experincias que me foram proporcionadas durante o perodo de minha graduao.

Agradeo a Toth Tecnologia por ter me acolhido em seu time de engenheiros, onde

contribuirei no desenvolvimento de equipamentos com tecnologia de ponta para nobres

aplicaes.

Aos professores, que muitas vezes abdicam da popularidade entre os alunos em prol da

exigncia, s tenho a agradecer, em especial ao legado de excelncia conquistado pelo curso

na sociedade e mercado de trabalho.

Ao professor Eric Ericson Fabris agradeo pelas timas aulas e pelo apoio dado

durante a execuo deste trabalho.

universidade e aos funcionrios agradeo pela infraestrutura organizada e funcional

disponibilizada durante todo o curso, assim como aos contribuintes, que proporcionam os

recursos financeiros necessrios para o funcionamento da instituio.

RESUMO

Este documento descreve um estudo sobre o funcionamento e aplicaes do mtodo de medio que faz uso de pulsos de laser para determinar a distncia entre um dispositivo de medio e um obstculo no qual o laser foi direcionado. Atravs da quantizao do tempo de voo de um pulso de laser que emitido por um diodo laser, viaja at um obstculo e refletido de volta para o equipamento, possvel de se determinar a distncia que separa o equipamento do obstculo. Um elemento crucial em um sistema de medio distncias que usa laser o conversor tempo-digital, ele serve para cronometrar o tempo de voo do pulso de laser, que da ordem de nanosegundos. Um conversor tempo-digital foi concebido em FPGA, e sua arquitetura e desempenho tambm so apresentados.

Palavras-chaves:. Distncia, Laser, TDC, FPGA, Eletrnica, Instrumentao.

ABSTRACT

This document describes a study of laser range finders, equipments that makes use of laser pulses to determine the distance to a pointed obstacle. By measuring the time that it takes to a laser pulse to travel to an obstacle, be reflected, and travel back to the range finder measuring device, the system determines the distance to the pointed obstacle. A crucial element of the system is the time-to-digital converter, or TDC, and its role is to register the time of flight of the laser pulse, witch is the order of nanoseconds. A TDC was designed in a FPGA, and its architecture as well as its performance are also presented.

Keywords: Laser Range Finder, TDC, FPGA, Electronics, Instrumentation.

SUMRIO

1 INTRODUO....................................................................................................................122 CONTEXTO DO PROJETO..............................................................................................133 APLICAES.....................................................................................................................144 ANLISE DE ALTERNATIVAS E PRINCPIOS DE MEDIO...............................155 PESQUISA E ESCOLHA DE COMPONENTES............................................................185.1 Fotoemissor........................................................................................................................18 Caractersticas Espectrais.....................................................................................................18 Diretividade...........................................................................................................................19 Diodos Laser..........................................................................................................................20 Diodos de Laser Pulsado......................................................................................................215.2 Driver para Diodo Laser Pulsado....................................................................................225.3 Receptor.............................................................................................................................24 Fotodiodos...............................................................................................................................24 Amplificador de Trans-impedncia.....................................................................................25 Atenuadores Eltricos............................................................................................................26 Descriminador de Sinal.........................................................................................................275.4Conversores Tempo-Digital (TDC)..................................................................................285.5 ptica.................................................................................................................................30 ptica de Emisso..................................................................................................................31 ptica de Recepo................................................................................................................325.6Nveis de Potncia de Emisso e Segurana....................................................................335.7 Integrao de Sistemas.....................................................................................................356 MTODOS PROCESSOS E DISPOSITIVOS.................................................................366.1 Emissor de Pulsos Laser...................................................................................................366.2 Fotorreceptor.....................................................................................................................376.3 FPGA O Ncleo do Sistema..........................................................................................39 Cronmetro com Oscilador em Anel....................................................................................40 Cronmetro com Linhas de Propagao Simples...............................................................45 Cronmetro com Linhas de Propagao Paralelas.............................................................49 Consideraes Sobre o Layout..............................................................................................49 Processamento de Dados.......................................................................................................50 Comunicao..........................................................................................................................50 Software para Depurao......................................................................................................517 RESULTADOS ALCANADOS.......................................................................................528 PRXIMOS PASSOS DO PROJETO...............................................................................559 CONCLUSO......................................................................................................................5710 REFERNCIAS.................................................................................................................58

LISTA DE ILUSTRAES

FIGURA 1: MEDIO DE DISTNCIA AT UM SATLITE ORBITANDO A LUA USANDO-SE LASER.............................................................................................................14FIGURA 2: DILATAO NO PULSO POR DISPERSO NO MATERIAL................18FIGURA 3: MLTIPLAS REFLEXES CAUSADAS POR FALTA DE DIRETIVIDADE.....................................................................................................................19FIGURA 4: VOO DO PULSO LASER.................................................................................21FIGURA 5: ESTRUTURA DE UM LASER SHC DE POO QUNTICO.....................22FIGURA 6: DIODO DE LASER PULSADO COMERCIAL.............................................22FIGURA 7: CIRCUITO BSICO PARA GERAO DE PULSOS................................23FIGURA 8: SISTEMA COMPLETO DE EMISSO DE PULSOS LASER USANDO-SE UM DIODO LASER COM DRIVER INTEGRADO (OSRAM).......................................24FIGURA 9: REPRESENTAO GRFICA DO ERRO DE CAMINHADA (WALK ERROR)...................................................................................................................................27FIGURA 10: TDC DA ACAM, COM 2 CANAIS, 50PS DE RESOLUO....................29FIGURA 11: AJUSTE DA LARGURA DO FEIXE LASER..............................................31FIGURA 12: DIRETIVIDADE VERTICAL E HORIZONTAL DO DIODO LASER.. .32FIGURA 13: RECEPO DO FEIXE REFLETIDO........................................................33FIGURA 14: APARNCIA E FUNCIONAMENTO DO APARATO PTICO..............33FIGURA 15: SUBSISTEMAS DO EQUIPAMENTO.........................................................35FIGURA 16: DRIVER DO DIODO LASER PULSADO....................................................37FIGURA 17: CIRCUITO DE RECEPO DO PULSO LASER.....................................38FIGURA 18: PONTOS DE AO DOS COMPARADORES...........................................38FIGURA 19: ESQUEMA DO OSCILADOR EM ANEL COM PARTIDA CONTROLADA......................................................................................................................41FIGURA 20: SIMULAO DO CRONOMETRO COM OSCILADOR EM ANEL.....42FIGURA 21: PRINCPIO DE INTERPOLAO..............................................................45FIGURA 22: LINHAS DE PROPAGAO DE SINAL....................................................46FIGURA 23: SIMULAO DE LINHA DE PROPAGAO..........................................46FIGURA 24: SOFTWARE DE DEPURAO DO TDC...................................................51FIGURA 25: CIRCUITO RC DE DEPURAO...............................................................52FIGURA 26: LINEARIDADE DO TDC...............................................................................53

LISTA DE TABELAS

TABELA 1: ESTADOS DO OSCILADOR EM ANEL......................................................43

LISTA DE ABREVIATURAS

DELET: Departamento de Engenharia Eltrica

UFRGS: Universidade Federal do Rio Grande do Sul

CI: Circuito Integrado

TDC: Time-to-Digital Converter

SPI: Serial Peripheral Interface

FPGA: Field-Programmable Gate Array

SHC: Separated Confinement Heterostructure

Laser: Light amplification by stimulated emission of radiation

Radar: Radio detection and ranging

Lidar: Light detection and ranging

Ladar: Laser detection and ranging

A/D: Analgico para digital

T/A: Tempo para analgico

T/D: Tempo para digital

ASIC: Application specific Integrated Circuit

IEC: International Electrotechnical Commission

AEL: Accessible Emission Limits

UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter

LUT: Look Up Table

BGA: Ball Grid Array

TDR: Time Domain Reflectometry

121 INTRODUO

A medio do tempo que uma onda ecoada por um obstculo leva para retornar para a

sua fonte emissora um princpio que vem sendo usado a dcadas em sonares e radares para

se determinar distncias. Porm ondas de baixas frequncias, como as ondas sonoras e de

rdio, ao se propagar sofrem difrao e tendem atingir mltiplos obstculos, confundindo os

sistemas de recepo de sistemas de medio com mltiplas rplicas e ecos de sinal.

J a luz, que na fsica tambm tratada como partcula, o fton, sofre pouca difrao.

Feixes de luz com alta diretividade, como os do laser, podem ser direcionados para obstculos

especficos que por sua vez iro refletir um nico feixe de luz de volta para o equipamento de

medio, gerando no mesmo um sinal sem rplicas indesejadas e viabilizando sistemas de

medio de distncias precisos e robustos.

Para medir o tempo de voo da luz, que se propaga a 299.792.458 m/s, necessrio um

cronmetro com resoluo da ordem de pico-segundos. Com circuitos integrados com

frequncias de operao da ordem de Gigahertz conseguimos conceber conversores tempo-

digital com tais resolues, seja em chips especficos ou concebidos em FPGAs.

So diversas as aplicaes civis, militares e industriais que sistemas de medio de

distncia a laser possuem. Podendo o dispositivo realizar milhares de medies por segundo,

podemos criar sistemas de posicionamento dinmicos, sistemas automotivos de preveno

colises, escanear objetos em trs dimenses e at mesmo usar o dispositivo como uma

simples trena.

O trabalho contempla o estudo de cada um dos dispositivos que compes o sistema de

medio de distncia usando laser, alm disso, documenta a concepo e depurao de um

conversor tempo-digital em FPGA. A experincia adquerida e documentada durante a

execuo do projeto contemplam as exigncias da disciplina Projeto de Diplomao.

132 CONTEXTO DO PROJETO

O projeto foi executado em quatro meses e contou com recursos financeiros e

ferramentas do aluno, alm de equipamentos e kits de desenvolvimento pertencentes

Universidade. O aluno foi o nico executor do projeto, enquanto consultou e reportou-se ao

professor orientador e ao professor da disciplina de Projeto de Diplomao.

No projeto, alm das caractersticas tcnicas e de desempenho, levaram-se em

considerao as normas e requisitos de segurana que regulamentam e classificam o nvel de

irradiao emitida pelo diodo Laser, tendo em vista os perigos a sade que o equipamento

pode proporcionar.

143 APLICAES

A medio eletrnica de distncias possui aplicaes na definio de posies,

dimenses ou movimentao de um objeto. Nas reas militar e espacial sistemas de medio

de distncia eletrnicos so usados por msseis inteligentes, radares, medio de distncia at

alvos, avies e satlites, como mostrado na figura 1. Na rea industrial a medio distncia

usada no controle de qualidade dos bens produzidos, nveis de lquidos em tanques, medio

de posio, velocidade e acelerao de sistemas automatizados, em aplicaes envolvendo

viso em trs dimenses como o reconhecimento de objetos, reconhecimento orientao,

clculo de quantidades e navegao. Na rea civil pode-se citar o levanto geogrfico de

superfcies e a aplicao mais simples, a trena. Uma das aplicaes que mais vem crescendo

a de sistemas de medio de distncia em automveis para auxlio estacionamento e em

sistemas de segurana e frenagem automtica que evitam ou amenizam colises. Podemos

citar ainda o escaneamento tridimensional de superfcies, usado no reconhecimento de

terrenos, reas de minerao, stios arqueolgicos, fachadas de edificaes e plantas

industriais.

Figura 1: Medio de distncia at um satlite orbitando a lua usando-se laser

154 ANLISE DE ALTERNATIVAS E PRINCPIOS DE MEDIO

A medio de distncia eletrnica feita de forma no invasiva, sem aparatos

mecnicos pode utilizar ondas ultra-snicas, eletromagnticas ou luz em seu princpio de

medio. Os mtodos podem ser classificados ainda como, passivos ou ativos.

A forma passiva de medio de distncia no utiliza uma fonte prpria de sinal,

geralmente utiliza sistemas de aquisio estreo aliados a algoritmos de triangulao e

processamento de sinais para determinar a distncia at um objeto de interesse. Este o caso

de sonares, radares e sistemas de viso 3D passivos. Sistemas passivos so utilizados

principalmente na rea militar, j que como no emitem sinais tornam o sistema indetectvel

pelo inimigo.

J a gama de princpios de medio de distncias com sistema ativo

significativamente maior, uma vez que estes sistemas so mais simples pois exigem menos da

parte de aquisio e processamento de sinais. Vejamos as vantagens e desvantagens dos

sistemas ultra-snicos, eletromagnticos e ticos:

Quanto maior o comprimento da onda, maior a disperso que ela sofre, sendo esse o

principal problema dos sistemas ultra-snicos. O sinal de frequncia relativamente baixa

emitido se dispersa com facilidade e atinge mltiplos obstculos, que do origem a mltiplos

ecos que confundem o sistema de recepo dos sinais. Como vantagem, os sistemas ultra-

snicos tm o baixo custo, pois como a velocidade de propagao da onda lenta, o nvel de

exigncias do sistema eletrnico baixa no que se refere frequncia de operao.

Deteco e medio de distncia por radar, que utiliza ondas eletromagnticas de

frequncias que vo de dezenas de MHz at 100 GHz amplamente utilizada em sistemas de

controle de trfego areo e radares metereolgicos, porm seu ponto fraco na medio de

16distncias o grande ngulo de divergncia na fonte do sinal, que nos melhores casos de

cerca de 1 grau em complexos radares com frequncia acima de 40GHz.

De forma anloga aos radares (Radar = radio detection and ranging), sistemas de

medio de distncias que utilizam o luz no princpio de funcionamento so chamados de

Lidars (light detection and ranging), ou mais especificamente os que utilizam laser so

chamados de Ladars (laser detection and ranging).

Uma das formas de se medir distncias at um objeto atravs da emisso de luz,

utilizar emissores laser associados a espelhos vibratrios ou prismas cilndricos, gerando

linhas ou gradeados de luz que so projetados no objeto, para que ento uma ou mltiplas

cmeras contendo sensores matriciais CCD ou CMOS adquiram imagens e atravs de

triangulao e processamento de imagens determinem a posio e at forma do objeto.

Sistemas como este, porm, so demasiadamente complexos e lentos quando o objetivo

simplesmente adquirir uma distncia, alm disso, tem baixo alcance.

Usando-se apenas um laser emitindo um sinal modulado por uma onda senoidal e um

fotorreceptor podemos detectar a diferena de fase entre os sinais emitido e refletido. Esta

diferena de fase proporcional a distncia entre o equipamento e o objeto refletor. Um

equipamento que usa este princpio, porm, teu seu raio de abrangncia limitado pela

distncia (ida e volta) que corresponde a uma diferena de fase de 180 graus na frequncia

utilizada [1]. Para aumentar o alcance usando este sistema podem-se usar mltiplas senoides

de diferentes frequncias que so multiplexadas em frequncia ou no tempo, o que acaba

tornando este mtodo complexo ou lento [2].

O princpio tratado neste trabalho o de medio do tempo de voo de um pulso de

laser, sendo o dispositivo comumente referido em ingls como pulsed time of flight (TOF)

laser range finder. O princpio de funcionamento extremamente simples, consiste em e

medir o tempo que um pulso de luz leva para viajar at um obstculo e retornar ao

17equipamento. J que a velocidade de propagao do pulso conhecida, pode-se facilmente

calcular a distncia do equipamento at o objeto depois de adquirir e tempo de voo do pulso

laser. Como vantagens deste mtodo podemos citar o mantimento da acurcia para diferentes

distncias, o que no ocorre em mtodos de triangulao.

Apesar de o princpio de medio do tempo de voo do pulso laser simples, no de

fcil implementao. A Luz se propaga no ar a 299.792.458 m/s, o que significa que em uma

medio de distncia de algumas dezenas de metros o tempo de voo da luz ser da ordem de

nano-segundos e, que para obtermos uma resoluo de 1mm, por exemplo, a unidade de

cronometria deve possuir uma resoluo de cerca de 6.6 pico-segundos. Os demais

dispositivos que compem o sistema, como o fotoemissor, fotorreceptor, chaves e

amplificadores tambm devem ser capazes de operar em frequncias de 100 MHz a 10 GHz,

dependendo da resoluo desejada.

Outro desafio no projeto de um sistema a laser a grande variao na intensidade do

sinal recebido, que acaba afetando a medio. Dependendo do alcance desejado e da gama de

materiais que podem compor o objeto refletor esta diferena de magnitude no sinal recebido

pode chegar a 1:1000.

185 PESQUISA E ESCOLHA DE COMPONENTES

5.1 Fotoemissor

Caractersticas Espectrais

Estamos interessados em medir o tempo de voo de um feixe de luz, que sabidamente

se desloca a uma velocidade de aproximadamente 300.000 Km/s no vcuo. A velocidade de

propagao reduzida quando a luz adentra um meio com ndice de refrao maior do que 1.

Esta reduo de velocidade no se d na mesma proporo para todos os comprimentos de

onda que podem compor um feixe de luz, uma vez que o ndice de refrao de um material

varia de acordo com a frequncia da onda que o atravessa.

Apesar de o ar ser um meio cujo ndice de refrao muito prximo ao do vcuo,

alguns sistemas de medio a laser usam fibras ticas, logo no podemos desprezar os efeitos

negativos que diferentes velocidades de propagao das componentes espectrais da luz podem

ocasionar. Em um sistema de medio que mede o tempo de voo da luz isto significaria que

um pulso de luz com demasiada largura espectral, aps viajar por um meio diferente do

vcuo, sofreria uma distoro de fase que na prtica o dilataria, tornando-o mais longo e

menos intenso, o que demonstrado na figura 2:

Figura 2: Dilatao no pulso por disperso no material

a) Instante da emisso b) Instante da recepo

19A figura demonstra como um pulso de luz cuja largura espectral abrange as cores

amarela e vermelha sofre uma distoro causada pela maior velocidade de propagao das

componentes espectrais de menor frequncia(vermelho). Este fenmeno, conhecido o

disperso no material, de suma importncia em projetos de equipamentos pticos,

principalmente os empregados em telecomunicaes e que fazem uso de fibras ticas [3].

Para evitar que o efeito da disperso distora o pulso enviado desejvel que a fonte

de luz irradie um pulso com menor largura espectral possvel.

Diretividade

desejvel que a fonte emissora de luz tenha grande diretividade, pois se a luz for

irradiada em diferentes direes esta pode atingir diversos obstculos, sendo de que cada um

deles ir gerar reflexos do pulso que retornaro em diferentes instantes ao fotorreceptor,

inviabilizando a medio, tal fenmeno ilustrado na figura 3.

Figura 3: Mltiplas reflexes causadas por falta de diretividade.

a) Emisso b)Recepo

20O uso de uma fonte de luz com alta diretividade reduz a quantidade de rplicas do

pulso emitido, uma vez que iro atingir uma quantidade menor objetos.

Diodos Laser

Para a constituio de aparelhos eletrnicos portteis deseja-se baixo consumo e

dimenses reduzidas nos seus componentes. O diodo laser vem de encontro a todas as

caractersticas desejadas para uma fonte de luz de um medidor de distncia.

Diodos laser tm o funcionamento semelhante ao dos LEDs (light emissor diode),

onde uma corrente eltrica ao passar por uma juno p-n (formada por cristais de mesmo

momentum que proporcionam uma banda proibida direta, ou direct bandgap) v seus eltrons

se recombinarem com lacunas de menor nvel energtico e liberarem ftons por emisso

espontnea.

Os diodos laser diferem dos LEDs por possurem emisso estimulada. Os Lasers

semicondutores mais simples so constitudos por uma cavidade tica criada na juno p-n, a

cavidade tem forma de guia de onda e possui espelhos nas pontas (criados por facetamento

das extremidades), so os ressonadores de Fabry-Perot. Ftons gerados por emisso

espontnea so refletidos pelos espelhos das extremidades e comeam a ressonar dentro da

cavidade tica. Quando a densidade de ftons dentro da cavidade atinge o um limiar (lasing

threshold) os ftons existentes estimulam a recombinao de eltrons e lacunas gerando mais

ftons, com mesma energia e fase do fton que gerou a recombinao, dando origem ento a

emisso estimulada.

Novos mtodos de funcionamento e tcnicas construtivas vm contribuindo para

tornar os lasers mais eficientes e durveis. Com o surgimento dos lasers de dupla htero-

estrutura, de poo quntico, de realimentao distribuda e VCSELs (laser de emisso

21superficial com cavidade vertical), os lasers semicondutores vem se tornando cada vez mais

comuns em aplicaes industriais e domsticas.

Diodos laser emitem luz com grande diretividade e com estreita largura espectral o

que facilita seu uso na aquisio do tempo de voo da luz refletida por um objeto, como

mostrado na figura 4.

Figura 4: Voo do pulso laser.

a) Instante de ida b)Instante da volta do pulso (considerando um objeto opaco)

Diodos de Laser Pulsado

Existem diodos laser construdos de forma a otimizada para emitir pulsos de luz de

curta durao e alta potncia. Os Lasers de poo quntico possuem alta eficincia quntica, ou

seja, nas recombinaes a energia liberada predominantemente na forma de ftons de

comprimento de onda desejado, e no fnons. Outra caracterstica favorvel aos lasers de

poo quntico a baixa corrente de limiar onde o laser passa a ser ativo, o que garante a este

tipo de laser uma resposta mais rpida em relao aos lasers de cavidade de Fabry-Perot.

por esses motivos que grande maioria dos lasers comerciais atuais possuem poo quntico,

mais especificamente so do tipo SHC (Separated Confinement Heterostructure) quantum

22well laser diodes, o que em portugus significa diodos laser de poo quntico com htero-

estrutura de confinamento separado, cuja estrutura mostrada na figura 5.

Figura 5: Estrutura de um laser SHC de poo quntico.

Figura 6: Diodo de laser pulsado comercial.

5.2 Driver para Diodo Laser Pulsado

O circuito para gerar pulsos no diodo laser deve ser capaz de fornecer pulsos de

corrente de dezenas de amperes durante o menor intervalo possvel, pois a largura e a

amplitude do pulso influenciam diretamente o desempenho do sistema.

Indutncias e resistncias originadas nas trilhas da placa de circuito impresso e

pads dos componentes, assim como o tempo de reao das chaves desafiam a gerao de

pulsos curtos de corrente.

O mtodo mais utilizado para gerao do pulso consiste, basicamente, em

descarregar o mais rapidamente possvel um capacitor, cuja tenso de carga sugerida pelos

fabricantes fica entre 100 e 300V. Para acionar a descarga deve-se utilizar um dispositivo

rpido, como por exemplo, um transistor de avalanche.

23

Figura 7: Circuito bsico para gerao de pulsos.

Na figura 7 temos um circuito bsico para gerao de pulsos, nele os indutores

representados no so componentes, mas sim indutncias parasitas que devem ser levadas em

considerao no projeto.

no capacitor C2 que fica armazenada a carga que chega atravs de R3 que

conectado ao Vcc. R4, conectado ao GND, permite a carga do capacitor. C3 um capacitor

adicional que aumenta a velocidade do pulso cancelando parte do efeito das indutncias

parasitas. D1 representa o diodo laser, Q1 o transistor de avalanche que acionado por Vin e

isolado por C1. R2 mantem o transistor inativo na ausncia de sinal de entrada, e R1 limita a

corrente de entrada do transistor.

Outro desafio para o driver do laser gerar a alta tenso, maior do que 100V

necessria para a gerao do pulso rpido.

Uma alternativa a este mtodo usar um diodo laser com driver integrado, como

SPL LL85 [5] da OSRAM. Usar este diodo, que tem os capacitores de carga no mesmo

encapsulamento que a chave e o laser tem como vantagem, alm da compactao e integrao

do sistema, uma menor tenso de carga necessria, j que a proximidade dos componentes

diminui as indutncias parasitas que limitam as correntes.

24

Figura 8: Sistema completo de emisso de pulsos laser usando-se um diodo laser com driver

integrado (OSRAM).

A figura 8 contm a sugesto da OSRAM para utilizao dos diodos laser da

famlia SPL LLXX. Nesta soluo a tenso de carga necessria para fazer com o que o diodo

opere em sua mxima potncia de apenas 30V. Para carregar a base do MOSFET integrado

ao laser, que possui uma capacitncia alta, de cerca de 300pF, usado uma simples chave

MOSFET, alimentada por uma tenso de 15V e protegida por diodos Schottky.

5.3 Receptor

Como todo sistema de recepo, deve-se presar por uma alta relao sinal-rudo,

linearidade e para este caso, alta largura de banda.

Para detectar os pulsos refletidos pelo objeto cuja distncia est sendo medida so

usados fotodiodos. Para condicionar o sinal so usados amplificadores, comparadores e

atenuadores, ticos ou eltricos. Os fotodiodos podem ser dos tipos: MSM (metal

semiconductor metal), PIN ou APD (avalanche photodiode).

Fotodiodos

Os fotodiodos com caractersticas tcnicas mais apropriadas so os de avalanche, pois

so os de maior responsividade. Enquanto fotodiodos do tipo PIN apresentam uma

responsividade de cerca de 0,5A/W, os de avalanche apresentam 35A/W. Os fotodiodos

avalanche, porm, alm de serem mais ruidosos, so de difcil aquisio e alto custo. Outra

25desvantagem dos fotodiodos avalanche que estes exigem altas tenses de polarizao, que

podem chegar a 200V.

Os fotodiodos mais rpidos so os MSM, sendo que alguns modelos atingem largura

de banda da ordem de dezenas de GHz, como vantagem apresentam ainda o baixo rudo.

Como desvantagens apresentam a baixa responsividade, da ordem de 0,15A/W, e escassez no

mercado, sendo sua aquisio em baixo volume praticamente impossvel.

Os fotodiodos PIN no so nem os mais rpidos nem os com maior responsividade,

porm so cerca de 100 vezes mais baratos que os fotodiodos avalanche e so mais facilmente

encontrados no mercado. Um fotodiodo PIN com responsividade de 0,55A/W e largura de

banda de 100MHz, como o BPV10 da Vishay Dale Electronics custa cerca de R$2,00.

Existem ainda fotodiodos PIN especficos para aplicaes de alta frequncia, com largura de

banda de at 2GHz, estes porm tem o preo significativamente mais elevado, sendo que um

modelo de 1GHz custa aproximadamente R$150 no Brasil.

Amplificador de Trans-impedncia

Para a amplificao e condicionamento do sinal deseja-se velocidade e pouco rudo, o

que sinnimo de simplicidade e poucos estgios de amplificao.

Para o primeiro estgio, assim como na maioria dos receptores ticos utilizados em

telecomunicaes, utiliza-se um amplificador de trans-impedncia. Estes amplificadores so

facilmente encontrados no mercado e so classificados de acordo com sua largura de banda

pela SONET (Synchronous Optical Network). A classificao se d pela capacidade de

recepo de dados. Fazem parte da classificao as classes OC-3 at OC-192, que

representam capacidades mnimas de 155Mbps e 10Gbps respectivamente.

Os amplificadores de trans-impedncia, tambm conhecidos como amplificadores com

realimentao de corrente (current feedback amplifiers, ou CFAs) podem operar em

26frequncias de alguns GHz, mas exigem circuitos diferentes dos amplificadores operacionais

normais, com realimentao por tenso.

Idealmente deve-se optar pelo amplificador mais rpido, porm a alta velocidade traz

implicaes como o alto consumo de energia e alto custo. Para o pr amplificador optou-se

pelo amplificador AD8015 da Analog Devices. um amplificador classe OC-3, com largura

de banda(f-3dB) de 240MHz, consumo aproximado de 125mW e custo de R$24,00 no Brasil.

Atenuadores Eltricos

A amplitude do sinal que chega ao receptor sofre atenuao de diversas fontes, tanto

no momento da reflexo no objeto quanto no voo do pulso. Durante o voo o sinal atenuado

pela divergncia do feixe e quando o a luz interceptada por partculas presentes no ar, isso

significa que quanto maior a faixa de atuao desejada para o medidor de distncia maior

dever ser a capacidade do receptor de lidar com sinais de diferentes amplitudes.

A grande variao da amplitude do sinal de recepo pode afetar o resultado das

medies de diversas maneiras. Caso o mtodo de deteco de pulso utilize limiares e

comparadores o mais impactante dos erros oriundos da amplitude do sinal chamado de erro

de caminhada (walk error) e consiste no fato de que um sinal de grande intensidade rompe o

limiar de deteco mais rapidamente do que um sinal de baixa intensidade. Esta diferena no

tempo de ruptura do limiar agravada quando os componentes dos sistemas de emisso e

recepo possuem baixa largura de banda, ou seja, quanto mais largo o pulso mais walk error

teremos.

Para reduzir o efeito desta fonte de erros pode-se inserir no sistema de recepo um

atenuador, eltrico ou tico. Atenuadores ticos so lentos, grandes e caros, por isso em

sistemas de medio a laser geralmente so usados atenuadores eltricos, como clulas

multiplicadoras de Gilbert, ou uma rede de resistores chaveados. Estes elementos podem ser

27incorporados em um nico chip, que tambm contm o fotodiodo, o amplificador de trans-

impedncia, o descriminador do sinal e e conversor tempo para-digital [4].

Caso seja utilizado um fotodiodo do tipo avalanche pode-se controlar o fator

multiplicador (M) do mesmo alterando-se sua tenso de polarizao.

Descriminador de Sinal

O descriminador tem o papel de transformar um pulso analgico em um pulso digital.

Enquanto a amplitude do pulso analgico sofre grande variao, a forma do mesmo, salvo

algumas excees, constante.

A forma mais simples de se detectar o pulso comparar o sinal com uma tenso

constante, quando a tenso do sinal se torna maior do que a tenso de comparao um pulso

contabilizado. Porm como j foi discutido anteriormente, diferentes amplitudes do pulso

geram erro de caminhada neste tipo de deteco. E efeito do erro de caminha demonstrado

na figura 9:

Figura 9: Representao grfica do erro de caminhada (walk error).

Existem mtodos mais sofisticados de se detectar os pulsos que praticamente eliminam

o efeito do erro de caminhada, um deles consiste em derivar o sinal para ento capturar o

ponto exato onde ocorre o pico do mesmo [11].

Dependendo do mtodo de descriminao do sinal utiliza-se amplificadores, detectores

de pico, derivadores e comparadores que devem operar em alta frequncia, frequncias tais

em que se torna invivel a utilizao de amplificadores operacionais de realimentao por

tenso. Com frequncias de operao em faixas superiores a centenas de MHz devem-se usar

28amplificadores de trans-impedncia no projeto dos circuitos. Deve-se dedicar ateno especial

a resposta em frequncia dos circuitos, em altas frequncias a estabilidade, velocidade e baixo

consumo de energia mostram-se desafios difceis de vencer.

5.4 Conversores Tempo-Digital (TDC)

Crucial para no funcionamento e desempenho do medidor de distncias a laser, o

conversor tempo-digital o dispositivo responsvel por cronometrar o tempo de voo do feixe

laser. Existem diversas formas de se medir intervalos de tempo com dispositivos eletrnicos,

sendo a mais intuitiva delas usar um contador ligado a um oscilador com perodo conhecido,

como um cristal, e contar quantos pulsos ocorreram durante o intervalo de medio. O

problema nesta implementao que, lidando-se com luz, a frequncia de oscilao

necessria para um oscilador para obtermos uma resoluo de 1cm, por exemplo, seria de

15GHz. Tal frequncia inviabiliza o uso de cristais ou osciladores com multiplicadores de

frequncia ou PLLs.

Uma alternativa muito utilizada dividir o conversor tempo-digital em dois

subsistemas, sendo um deles um conversor T/A(tempo para analgico) e o outro um

conversor A/D(analgico para digital). Como conversor T/A utiliza-se um capacitor, que

comea a ser carregado por uma fonte de corrente no momento da emisso do pulso, e tem

sua carga interrompida no momento em que o pulso refletido retorna ao medidor. A tenso no

capacitor ser diretamente proporcional ao tempo de carga, e, por conseguinte da distncia de

medio. Para converter a tenso armazenada no capacitor em dado digital utiliza-se um

conversor A/D simples, geralmente Sigma-Delta.

A converso T/A, porm, traz consigo todas as desvantagens de sistemas analgicos,

como sensibilidade a rudo e as variaes nas propriedades dos componentes ativos e

passivos, causadas no processo de fabricao e por variaes de temperatura.

29Existem circuitos integrados que tem como funo especfica a converso tempo-

digital, com multi-canais e resoluo de dezenas de pico-segundos. Nestes CIs basta aplicar

os pulsos de incio e fim da medio para que o tempo cronometrado esteja acessvel

digitalmente, atravs de protocolos de comunicao como o SPI. Durante a pesquisa uma

nica fabricante destes CIs foi encontrada, a alem ACAM. Por no possuir representantes

comerciais diretos no Brasil, a utilizao de seus CIs foi inviabilizada pelo alto custo. Um

nico chip, que na Alemanha custa $30,00, chegaria ao Brasil custando mais de R$400,00

devido ao frete de $100,00 acrescido da exorbitante tributao brasileira que totaliza cerca de

100% do sobre o valor do produto e frete.

Figura 10: TDC da Acam, com 2 canais, 50ps de resoluo.

Examinando o funcionamento do TDC de ACAM, que contemplado no seu

datasheet, pde-se constatar que possvel desenvolver um TDC em um ASIC [11] ou at

mesmo FPGA, o que foi confirmado na pesquisa de alguns artigos como [6], [7] e [8].

O TDC da ACAM possui um oscilador de alta frequncia em anel. Um sinal ao se

propagar por um anel(loop) de portas lgicas d origem a um oscilador, que dependendo da

velocidade e quantidade de portas lgicas pode oscilar com frequncias de alguns GHz. A

frequncia de oscilao, porm sofre variao com a temperatura, uma vez que as portas

tornam-se mais rpidas em temperaturas mais elevadas, e por isso que este tipo de TDC

precisa de calibrao constante.

A calibrao de um TDC com oscilador em anel feita de forma simples, basta

comparar a frequncia de oscilao do oscilador em anel com a oscilao de um dispositivo

30com frequncia constante. Mesmo sendo mais lento, um oscilador de cristal pode ser usado

para se determinar com preciso em que frequncia o oscilador em anel est operando.

Em um ASIC pode-se projetar um TDC de alto desempenho, com sistemas de

aquisio, calibrao e comunicao j integrados, porm a concepo de um circuito

integrado invivel para este projeto.

No podemos controlar caractersticas construtivas como largura de canais MOS em

FPGAs, por isso ele no tem tanta flexibilidade na implementao. Porm so de fcil acesso,

e com algumas tcnicas pode-se contornar o fato que as portas sejam mais lentas e no

estejam posicionadas e roteadas de forma ideal em FPGAs e fazer com que resolues de at

20ps sejam atingidas [8].

5.5 ptica

Usam-se lentes com dois objetivos no medidor de distncias a laser, o primeiro

diminuir a divergncia do feixe emitido, e o segundo focalizar a luz refletida de volta sobre

um fotodiodo do receptor, aumentando assim a sensibilidade do receptor.

ptica de Emisso

Lasers pulsados possuem ngulos de divergncia que variam entre 6 e 40 graus,

dependendo do modelo, por isso se faz necessrio o uso de lentes colimadoras. A luz no

precisa ser totalmente colimada, mas o ngulo de divergncia precisa ser reduzido para se

evitar mltiplas reflexes, como foi visto na seo 5.1.2. A figura 11 ilustra como podemos

ajustar a largura do feixe de laser.

31

a) Diodo laser b) Lente colimadora pequena c) Lente grande d)Feixe de laser estreito

e) Feixe de laser largo

Figura 11: Ajuste da largura do feixe laser.

Na figura 11 vemos dois emissores, o de cima tem a lente posicionada junto ao diodo

laser e a colimao quando feita prxima a fonte de emisso faz com que o feixe seja

pequeno. No emissor de baixo a lente colimadora fixada mais distante do diodo laser,

permitindo que o feixe se torne maior. importante ressaltar que as lentes ilustradas acima

no possuem os mesmos raios de curvatura e o ponto focal de cada uma delas deve ser no

ponto do diodo onde ocorre a emisso.

Em geral os diodos possuem ngulos de divergncia diferentes nos eixos horizontal e

vertical, o que faz com que nem toda a rea das lentes seja aproveitada. A figura 12 foi

retirada de um datasheet do modelo SPLLL_90, da OSRAM e representa a distribuio de

potncia normalizada em relao ao ngulo de abertura.

32

a) Distribuio paralela ao eixo da juno b)Distribuio perpendicular ao eixo da juno

Figura 12: Diretividade vertical e horizontal do diodo laser.

ptica de Recepo

Para a recepo aparatos pticos podem ser utilizados para aumentar a concentrao

de luz sobre o fotodiodo e para fazer com que a luz oriunda de direes indesejadas seja

bloqueada, como mostrado na figura 13.

a) Fotodiodo PIN b)Lente convergente c)Casca de proteo d)Feixe de laser refletido

Figura 13: Recepo do feixe refletido.

33O sistema montado, com as lentes de emisso e recepo prximas e apontadas para o

mesmo ponto dever se parecer com o representado na figura 14 a), enquanto o

funcionamento representado na figura 14 b).

a) Aparncia externa da parte ptica b) Feixe de laser emitido e refletido

Figura 14: Aparncia e funcionamento do aparato ptico.

Na prtica fazer com que o feixe refletido acerte o receptor seria uma tarefa

extremamente difcil, ainda mais se considerarmos o ngulo de incidncia e reflexo da luz

nos objetos, mas se usarmos uma lente colimadora no ideal, que permita um pequeno ngulo

de abertura para o feixe, que proporcional a distncia de trabalho do equipamento, a

probabilidade se capturar a luz refletida, ainda que com menor intensidade, aumenta

significativamente. Quanto maior for a distncia de trabalho, menos divergncia se deseja

para o feixe.

5.6 Nveis de Potncia de Emisso e Segurana

A radiao emitida pelos diodos laser representa um risco para as pessoas que possam

vir a ser atingidas. Pulsos de luz com comprimento de onda menor do que 1,4m penetram o

olho humano e atingem diretamente a retina, podendo causar danos trmicos imediatos

viso. A grande maioria dos diodos laser pulsados opera com comprimentos de onda entre 0,8

e 1,1 m, o que torna os pulsos ainda mais perigosos pois nestes comprimentos a radiao

34invisvel ao olho humano. Quando a radiao invisvel nem mesmo reaes instintivas

ocorrem, como piscar o olho por averso.

A crnea focaliza a radiao em um ponto da retina e pode aumentar a densidade de

potncia tica por um fator de 105, e esse um dos motivos porque os diodos laser as vezes

proporcionam nveis de radiao que podem exceder o limite mximo de exposio permitida

para o olho. Precaues devem ser tomadas para se evitar que pessoas sejam feridas.

O IEC 60825-1 o padro de segurana mais utilizado no mundo quando se trata de

nveis de exposio a radiao laser fisiologicamente aceitveis. Dispositivos que usam laser

podem ser classificados como sendo Classe 1, Classe 1M, Classe 3R e Classe 3B de acordo

com o risco que representam.

Em suma, dispositivos Classe 1 no oferecem risco. Os de classe 1M oferecem riscos

quanto utilizados juntamente com aparatos pticos como lentes, lupas e binculos. Classe 3R

oferece risco, porm os nveis de radiao no excedem em 5X os nveis tolerados para a

Classe 1. Dispositivos da Classe 3B so os mais fortes e sempre causam danos caso o feixe

atinja o olho.

Para pertencer a uma classe um equipamento contendo laser deve respeitar o limite de

emisso acessvel (AEL Accessible Emission Limits) da mesma. No calculo da AEL de um

dispositivo entram o comprimento de onda, a potncia da fonte e a durao da emisso.

Como a emisso pulsada, trs AELs so verificadas, sendo que a utilizada aquela

que for a mais restritiva. A primeira forma de anlise verifica se a potncia de um nico pulso

de um trem de pulsos no excede a AEL de pulso nico. O segundo teste de classificao

verifica a potncia mdia de um trem de pulsos durante um perodo T (100 segundos para

radiao de infravermelho prximo). A terceira forma de anlise consiste em verificar se a

energia mdia de um trem de pulsos no excede a AEL de pulso nico multiplicada por um

fator C proporcional quantidade de pulsos ocorridos em um perodo de 10 segundos.

35AELtrem=AELpulsoC , onde C=N 0,25 e N o nmero de pulsos ocorridos em 10

segundos [10].

5.7 Integrao de Sistemas

O equipamento contar com subsistemas digitais e analgicos, precisar de diferentes

fontes de tenso, integrao com equipamentos pticos e interfaces de comunicao digital ou

humana.

A figura 15 ilustra o medidor de distncias subdividido em blocos, as setas indicam a

direo do fluxo de sinais na forma eletrnica ou de luz.

Figura 15: Subsistemas do equipamento.

O FPGA possibilita grande integrao na parte digital, sendo nele implementados

sistemas de comunicao, processamento digital de sinais e o TDC. A parte analgica para

gerao de pulsos e condicionamento de sinais necessitam de tenses que variam de 5 a 300V,

componentes e layout para operar em alta frequncia e proteo contra rudo.

366 MTODOS PROCESSOS E DISPOSITIVOS

Baseando na pesquisa tcnica do captulo anterior, na pesquisa comercial cujos

resultados so apresentados ao longo da discusso sobre a implementao, e na

disponibilidade de equipamentos necessrios para depurao dos princpios de funcionamento

utilizados foram escolhidos os mtodos, processos e dispositivos na tentativa de se construir

um sistema de medio de distncias a laser.

6.1 Emissor de Pulsos Laser

Um componente crucial para emisso de pulsos laser o diodo de laser pulsado, e todo

o circuito de gerao deve ser projetado de acordo com o modelo a ser utilizado.

O modelo de melhor desempenho encontrado durante a pesquisa foi o OSRAM

SPL_LL90_3, que contm dentro do encapsulamento 3 junes emissoras de laser pulsado em

srie, capacitores de carga e um driver. Este laser capaz de fornecer 75W em pulsos com

durao de at 100ns, respeitando-se um duty cycle de 0,1%.

Os fabricantes OSRAM, Laser Components, Hamatsu, Laser Diode Incorporated, e

respectivos distribuidores de diodos de laser pulsado foram consultados em todo o globo

durante o projeto. As opes de fornecimento mais atrativas vieram dos distribuidores

nacionais e o modelo escolhido, o de menor custo, foi adquerido na Farnell por R$170,00.

Trata-se do SPL PL90, da OSRAM, que fornece 25W de potncia de pico , respeitando os

mesmos limites de operao do SPL_LL90_3.

O diodo laser adquerido no possui driver interno, o que implica na necessidade de se

projetar um driver externo alimentado por tenses de at 300V, com esquema semelhante ao

representado na figura 7, com a diferena de que no usa um transistor avalanche para acionar

o pulso, e sim uma chave MOS, seguida de um transistor tambm MOS do tipo N.

37

Figura 16: Driver do diodo laser pulsado.

Analisando-se a documentao tcnica dos dois dispositivos MOS utilizados no

esquema da figura 16, a chave e o transistor, espera-se pulsos com durao entre 40 e 100ns,

dependendo do desempenho obtido no layout, das tenses de alimentao e do capacitor de

carga (C3) utilizado.

Com um tempo de durao dos pulsos que pode chegar a 100ns, para respeitar o duty-

cicle mximo do laser, a frequncia mxima de emisso de pulsos fica limitada a 10KHz. O

circuito RC que carrega o capacitor C3, por possuir uma constante de tempo com pouco mais

de 22s, poderia operar com frequncia superiores a 20KHz.

Case usarmos um capacitor de 10nF em C3, e carreg-lo com uma tenso de 260 V, a

energia armazenada, para uma descarga de 100ns, muito muito maior do que a tolerada pelo

o diodo laser, porm a maior parte dela ser dissipada em outros elementos do circuito como

o transistor T1.

6.2 Fotorreceptor

O fotorreceptor projetado utiliza um fotodiodo PIN, polarizado com tenso reversa de

50V. O sinal de corrente oriundo do fotodiodo amplificado por um amplificador de trans-

impedncia e ento descriminado por comparadores rpidos de tenso.

38

Figura 17: Circuito de recepo do pulso laser

O circuito da figura 17 foi projetado visando eliminar o erro de caminhada, descrito no

item 5.3.4, e o faz com dois comparadores de tenso. O primeiro, que da origem ao sinal

STOP_A, um comparador de limiar de tenso, e serve apenas para habilitar a leitura do sinal

STOP_B, e sua existncia se faz necessria pois o segundo comparador, na ausncia de sinal,

pode ser acionado por rudo. O comparador que da origem ao sinal STOP_B compara o sinal

originado no amplificador de entrada com uma cpia deste mesmo, porm atrasada pelo

componente Z1, que um cabo coaxial.

Figura 18: Pontos de ao dos comparadores

Na figura 18 o ponto A representa o momento onde a tenso da sada do amplificador

ultrapassa o limiar e o pulso detectado, habilitando a leitura do ponto do segundo

39comparador. O instante B, porm, que de fato considerado na cronometria do sistema, uma

vez que o momento de deteco de B sofre pouca influncia da amplitude do sinal recebido.

6.3 FPGA O Ncleo do Sistema.

Dentre as possveis solues para a parte de digitalizao de dados, processamento e

comunicao do sistema, duas se destacaram.

Umas delas era a utilizao de um chip especifico para a converso T/D da ACAM

conectado a um microcontrolador por meio de interface SPI. Este soluo era a mais simples,

uma vez que o sistema de cronometria estava pronto no chip e aluno tinha experincia na

utilizao de microcontroladores e facilmente implementaria os sistemas embarcados de

processamento de dados e comunicao. Porm esta soluo demonstrou-se invivel no

momento da aquisio do TDC da ACAM, pois, depois de uma abrangente pesquisa

comercial em busca de fornecedores, apenas este fabricante foi encontrado, e um nico TDC

teria um custo muito elevado para ser importado.

Partiu-se ento para outra estratgia, e apesar da mnima experincia do aluno com

FPGAs, optou-se pela a implementao dos sistemas de cronometria, processamento de dados

e comunicao em um destes dispositivos. O tempo aprendizagem necessrio para conceber

descries de hardware de alto desempenho em linguagens VHDL, simulaes,

posicionamento manual de componentes e roteamento de trilhas no estavam previstos no

cronograma do projeto, o que acabou afetando o objetivo inicial do projeto, de ao final do

trabalho conceber um prottipo passvel de ser validado como produto.

Como vantagem, alm do preo cerca de 10 vezes menor do que o TDC da Acam, o

FPGA oferece um maior nvel de integrao, flexibilidade, portabilidade entre modelos e at

fabricantes. O FPGA tambm amplia os horizontes no que se refere ao aumento de

40desempenho, principalmente para aplicaes especficas que podem demandar um massivo

processamento de sinais como um escaneador em trs dimenses.

Em um FPGA da Xilinx, da famlia Spartan3 modelo XC3S200, contido em uma placa

de desenvolvimento modelo Spartan 3 Starter Kit, da Digilent, foram implementados blocos

para cronometria, comunicao e pr processamento de dados.

Cronmetro com Oscilador em Anel

O cronmetro a base do TDC, e para sua concepo foram testadas diferentes

arquiteturas. Como a resoluo desejada fica abaixo de um nano-segundo, fica invivel a

utilizao de simples contadores ligados a osciladores de alta frequncia, uma vez que a

frequncia necessria seria da ordem de alguns GHz.

Uma das arquiteturas testadas utilizou osciladores em anel, que so constitudos por

elementos lgicos conectados de formal tal que geram um lao ou loop lgico auto-oscilante,

sendo o mais simples formado por um nmero mpar de inversores ligados em srie e, a sada

do ltimo elemento ligada a entrada do primeiro. A frequncia de oscilao pode chegar a

alguns GHz dependendo da tecnologia de fabricao dos transistores do FPGA e da

quantidade de buffers utilizados no anel. Quanto mais curto o anel, maior a frequncia de

oscilao.

Para obtermos uma alta resoluo temporal, porm, no basta possuir um oscilador de

alta frequncia, necessrio que o contador acompanhe o oscilador. Foi pensando nisso que

surgiu a ideia de fazer um oscilador longo e mais lento, mas cujo estado pudesse ser

capturado por flip-flops.

Os dois primeiros osciladores foram feitos com 8 e 64 buffers em sequncia, um

inversor para fechar o loop e 8 ou 64 flip-flops, respecativamente para capturar o estado dos

buffers. Na simulao houve uma surpresa ao se constatar que, ao contrrio do esperado, o

41perodo de oscilao do anel de 64 buffers era menor do que o de 8 buffers. O que parece ter

ocorrido que devido ao demasiado tamanho do anel, assim como em guias de onda,

surgiram de forma espria modos de propagao no anel com frequncias mltiplas da

frequncia esperada para o mesmo.

Adotou-se ento uma lgica mais robusta para o anel. Ao invs de inversores foram

utilizados portas nand de duas entradas seguidas de inversores. A segunda entrada das portas

nand foi utilizada como habilitador de oscilao, como est demonstrado na figura 19:

Figura 19: Esquema do oscilador em anel com partida controlada.

A seta curvada indica que foi feito um loop, o sinal que sai do ltimo inversor chega

ao primeiro, fechando o anel lgico.

Foram utilizados 16 blocos que contm uma porta nand, um inversor e um flip-flop

cada para formar o anel, sendo que este se comportou dentro do esperado na simulao, que

mostrada na figura 20:

42

Figura 20: Simulao do cronometro com oscilador em anel.

Na simulao da figura 20 o sinal enable habilita o oscilador em anel, cuja frequncia

de operao no pde ser vista, mas ficou prxima a 5,4ns. O sinal clk o clock oriundo de

um cristal de 50MHz e que controla os processos do cronmetro. Start e Stop controlam o

incio e o trmino da medio de tempo respectivamente. Data_ready indica que a medio

j foi pr-processada e j pode ser lida. Counter_out indica as n transies 01 que

houveram no primeiro elemento do anel desde o incio da medio. Start_picture representa o

estado do oscilador, capturado pelos flip-flops no momento do incio da medio, e com este

estado obtemos um intervalo de tempo T1. De forma anloga, o estado capturado por

Stop_picture nos fornece T2.

Sendo Tosc o perodo de oscilao do anel, que calibrado referenciando-se ao clock de

50 MHz, sabendo-se n, T1 e T2 podemos calcular o tempo total da medio:

T=nT oscT 1T 2 (1)

O contador que incrementa counter_out habilitado imediatamente aps ser dado o

pulso de incio da medio e desabilitado imediatamente aps a chegada do pulso de

encerramento. T1 desconta, com base no estado inicial do anel, o tempo entre a transio

01 anterior ao incio da medio e o momento exato do incio da medio. T2 , com base

no estado final do anel, soma ao tempo total o tempo transcorrido entre a ltima transio

4301 contabilizada no primeiro elemento do anel at o momento exato do trmino da

medio.

So 32 os estados que podem ser capturados no oscilador para os sinais start_picture e

stop_picture, 16 nas transies 01 e 16 nas transies 10. Tomamos como exemplo

estado capturado na figura 20 em start_picture logo aps ser dado o comando start. La,

considerando o estado indeterminado x como sendo 1, 14 bits esto em 0 lgico, e 2 , no final

da cadeia, esto em 1. Este instante corresponde a um momento perto do final do perodo de

oscilao do anel, logo T1 ter o valor de pouco menor do que um perodo e por isso ser

descontada tal quantia no tempo total de medio.

A formula para calcular T1 :

T 1=T oscX start picture

32 (2),

Onde X o estado capturado, e no caso da primeira captura de start_picture

(0000000000000011), X vale 30, pois este o 30 dos 32 estados possveis.

De forma anloga, a frmula para obteno de T2 :

T 2=T oscX sotp picture

32 (3)

A tabela 1 ilustra alguns dos possveis estados X:

X Estado capturado1 10000000000000002 1100000000000000 15 111111111111111016 111111111111111117 011111111111111118 0011111111111111 30 000000000000001131 000000000000000132 0000000000000000

Tabela 1: Estados do Oscilador em AnelJuntando as frmulas (1),(2) e (3) chegamos a:

44

T=T oscnX stop pictureX start picture

32 (4)

Ainda na simulao da figura 20, podemos calcular Tosc, pois como mostrado na

figura, os sinais de start e stop foram aplicados com uma defasagem de exatos 200ns no

primeiro teste.

T 1=T oscn1X stop picture1X start picture1

32

200000 ns=T osc373030

32 T osc=

200000 ps37

=5,405ns

Para validar a arquitetura e o funcionamento do TDC com oscilador em anel, ainda na

mesma simulao, aplicamos novamente os sinais de start e stop, mas agora com uma

defasagem de 150ns. Com o Tosc encontrado na primeira simulao verificamos se o resultado

T2 fica de acordo com o esperado:

T 2=T oscn2X stop picture2X start picture2

32=5405ps271812

32=146,96 ns150ns

Na validao da arquitetura, ainda em simulao, encontramos um intolervel erro de

aproximadamente 3ns entre o valor esperado e o calculado. Quando implementado

fisicamente, o TDC baseado em um oscilador em anel se mostrou ainda mais instvel. Devido

aos atrasos de propagao na parte de controle e processos houveram muitas dificuldades na

parte de interpretao e correlao dos dados coletados. Por esses motivos se tornou

praticamente invivel a concepo de um sistema de cronometria robusto e funcional baseado

em oscilador em anel em FPGA.

Cronmetro com Linhas de Propagao Simples

Apesar de muito esforo ter sido dedicado na arquitetura em anel, foi adotada uma

nova arquitetura, inspirada na descrita em [6] e [7], e que consiste basicamente em um

contador de clocks oriundos de um cristal, mas que com a interpolao de dados, obtidos em

45linhas de propagao no momento do disparo e na recepo do pulso de trmino, tem sua

resoluo aumentada. O princpio representado na figura 21.

Figura 21: Princpio de Interpolao.

Primeiramente foram utilizados 64 buffers em srie para formar linhas de propagao

de sinal. Duas destas linhas medem os intervalos T1 e T2, que so obtidos entre os

momentos do disparo (start) ou recepo (stop) dos pulsos e a seguinte transio 01 de

clock. O sinal no incio da linha sofre uma transio de 0 para 1 lgico, essa transio demora

alguns pico-segundos para se propagar atravs de cada um dos buffers e, portanto, possvel

medir um intervalo de tempo analisando-se at onde um sinal se propagou entre a chegada de

dois pulsos. Para capturar o estado das linhas de propagao so utilizados flip-flops do tipo

D habilitados pelo clock principal, como representado na figura 22:

Figura 22: Linhas de propagao de sinal.

46O tempo que o sinal leva para se propagar atravs de cada segmento, como o

delimitado pelo contorno tracejado da figura 22, corresponde a resoluo mxima a ser obtida

no TDC com linhas de propagao simples.

Figura 23: Simulao de linha de propagao.

Na simulao da figura 23 levam cerca de 660ps para o sinal se propagar atravs de

cada buffer. Nesta simulao, para fins de depurao, as sadas de cada um dos buffers foi

conectada a uma IO do FPGA.

Apesar dos buffers terem sido posicionados manualmente no FPGA para que ficassem

dispostos de fato em linha, e no fossem aleatoriamente posicionados pela implementao

automtica, observa-se certo jitter nos tempos de propagao de cada buffer, o que no caso da

simulao, causado predominantemente pelo roteamento.

Existe a possibilidade de, ao invs enviarmos um nico pulso para a linha de

propagao, enviarmos dois, como feito em [8]. O objetivo detectar caso um dos pulsos

esteja atravessando uma interconexo mais longa que a mdia, o que pode causar um jitter por

vezes maior que o perodo mdio de transio de estado de cada buffer.

A velocidade de propagao dos sinais nas linhas tambm influenciada pela

temperatura. O aumento da temperatura torna os buffers mais rpidos, isso significa que se

47quisermos quantizar perodos utilizando-se as linhas temos que compensar os efeitos da

temperatura. Diferentes tenses de alimentao tambm modificam o comportamento dos

buffers e precisam ser compensadas.

Na soluo de cronometria desta vez temos:

T=nT pT 1T 2C (5)

Na frmula (5) o tempo total T igual a quantidade n de transies 01 ocorridas no

clock, multiplicada pelo perodo do clock de referncia Tp, somado ao intervalo T1 e

descontado o intervalo T2. C um intervalo constante que representa o tempo que o sinal

leva percorrendo alguns circuitos dentro do FPGA e, quando integrado a eletrnica de

emisso e recepo do medidor de distncias a laser, pode incorporar os tempos de

propagao do sinal pelos circuitos de gerao de pulsos, recepo, amplificao e

descriminao do sinal recebido.

O clock utilizado como referncia pelo sistema opera a 250MHz, e obtido em um

DCM (gerenciador digital de clock) atravs da multiplicao da frequncia de um sinal de

50MHz oriundo de um oscilador externo ao chip da FPGA. O perodo Tp, portanto,

corresponde a 4 ns.

Um contador utilizado para incrementar e registrar n. Este contador precisa ser

rpido, pois incrementa a 250 Mhz, por isso foi utilizado uma estrutura baseada em

somadores em paralelo e no estruturas baseadas em pipe-line.

T1 e T2 so calculados baseando-se no estado das linhas de propagao nos

momentos da primeira e ultima transies 01 do clock contabilizadas pelo contador,

respectivamente.

Os valores T1 e T2 proporcionais a distncia que os sinais de start e stop,

respectivamente, percorreram nas linhas de propagao antes do momento da subida de clock

que os sucedem. A frmula para calcular um intervalo Tx :

48

T x=T p POS xPOS x maxPOS x min (6)Na frmula (6) POSx a posio na linha at onde o sinal se propagou, Tp, o perodo

do clock de referncia, ou seja, 4ns para um clock de 250MHz, POSx max e POSx min so os

pontos mximo e mnimo que os sinais podem se propagar nas linhas, respectivamente, e so

obtidos mediante calibrao.

Um TDC usando esta arquitetura foi implementado com sucesso no FPGA Spartan-3

utilizado no projeto. O fator limitante da resoluo para esta arquitetura, a velocidade de

propagao nos buffers da linha ficou um pouco maior do que o simulado, em mdia 727ps.

Como o sinal de start parte de dentro do prprio FPGA na arquitetura planejada para o

medidor de distncias a laser e o momento do disparo ditado pelo clock de 250Mhz, o

intervalo T1 permaneceu constante, tanto em simulaes quanto em testes, portanto foi

incorporado na constante C da equao (5). Toda sua respectiva linha de propagao e lgica

de processamento foi removida, poupando assim portas lgicas.

Cronmetro com Linhas de Propagao Paralelas

A resoluo de 727 ps obtida na arquitetura descrita anteriormente, usada para medir o

tempo de voo de um pulso de laser, nos daria uma resoluo de 11 cm, o que para aplicaes

de curto e at mdio alcance insatisfatrio.

Em busca do aumento desta resoluo uma soluo indita em toda pesquisa

bibliogrfica foi encontrada, a paralelizao de linhas de propagao. Depois de testes feitos

com duas linhas em paralelo, o aluno foi gradualmente aumentando a quantidade de linhas at

chegar a doze.

O sinal de paralisao do cronometro foi dividido e ento levado a cada uma das

linhas, chegando a cada uma delas em um instante diferente. As linhas foram

49estrategicamente posicionadas para que no houvesse demasiada diferena entre os instantes

de incio de propagao.

Depois de registrado o estado de cada uma das linhas seus dados so interpolados para

fornecer ento uma resoluo inversamente proporcional a quantidade de linhas de

propagao. Com doze linhas de propagao foi obtida uma resoluo de 60ps.

Como era esperado, as medidas possuem rudo, e tambm no so perfeitamente

lineares. O rudo, em proporo a resoluo, aumenta conforme so adicionadas mais linhas.

J a linearidade, como esperado probabilisticamente, aumenta quando conforme so

acrescentadas mais linhas.

Devido a alta taxa de amostragem do sistema, que pode ser configurada para operar

acima de 1KHz, o rudo pode ser utilizado para aumentar virtualmente a resoluo. Para isto

basta adicionar um filtro digital passa-baixas soluo.

Consideraes Sobre o Layout

O layout do TDC mereceu tanta ateno quanto a codificao em VHDL do mesmo.

Todos os componentes foram cuidadosamente posicionados para encurtar ao mximo e

manter constantes os caminhos entre os elementos da linha de propagao. Para isso, em

todos os elementos das doze linhas foram adicionados atributos de localizao, tanto nos

slices quanto nas LUTs do FPGA. O roteamento foi feito de forma automtico, mas graas a

posio dos componentes, o algoritmo de roteamento se encarregou de encontrar os menores

caminhos possveis para efetuar as ligaes entre os elementos das linhas de propagao.

Outro aspecto do layout que teve impacto no desempenho do TDC foi o sentido da

propagao dos sinais. O fato de colocar os elementos da linha de propagao de forma tal

que o sinal de captura do estado da linha, o prprio clock de 250MHz, se deslocasse em

sentido contrrio ao sentido de propagao da linha, diminuiu o rudo. Isto perfeitamente

50compreensvel, pois quando os sinais de propagao e o sinal de captura se deslocam no

mesmo sentido, a probabilidade de se capturar buffers no momento em que esto sofrendo

transio aumenta.

Processamento de Dados

No FPGA foram implementados processos bsicos para controlar o cronmetro,

interpolar os dados, gerar parmetros de auto-calibrao, filtrar e converter dados.

A maioria das verses de cdigo geradas, porm, foram preparadas para enviar apenas

dados brutos. Isto foi feito para depurar e analisar em detalhes o desempenho do TDC.

Comunicao

Para enviar os dados adqueridos no FPGA e receber comandos para executar tarefas

especficas como obter dados de calibrao foi concebida uma UART, que tem suas entradas

e sadas ligadas a um conversor para nveis de tenso para o protocolo RS232. Este conversor

faz parte da placa de desenvolvimento do FPGA utilizada, e viabiliza a comunicao com um

computador.

Software para Depurao

Foi concebido um software para computador simples, com a finalidade de enviar

comandos, receber, processar, visualizar e registrar dados obtidos com o TDC. Diversas

verses foram criadas para depurar as diferentes arquiteturas implementadas no FPFA, dentre

elas a apresentada na figura 24.

51

Figura 24: Software de Depurao do TDC.

527 RESULTADOS ALCANADOS

Foram alcanados resultados satisfatrios para o desempenho do TDC. Apesar de ter

sido encontrado nenhum equipamento de cronometria com resoluo de pico-segundos para

efetuar testes comparativos, alguns testes simples provaram no apenas o funcionamento do

sistema mas tambm um bom desempenho.

O teste que melhor descreve o comportamento do sistema foi feito com um simples

circuito RC, como o apresentado na figura 25.

Figura 25: Circuito RC de Depurao.

No circuito da figura 25 os buffers so os entrada e sada do FPGA, o resistor R um

resistor de 1k, e o capacitor C foi feito a partir de um par de fios tranados de forma

homognea e com extenso de 35 cm.

Para testar o funcionamento e a linearidade do TDC em um dos testes foram feitas 70

medies, onde em cada uma delas era cortado um pedao de 5 mm do par tranado,

reduzindo assim sua capacitncia equivalente C. A reduo gradual da capacitncia fazia com

que, a cada amostra, o sinal que partia de start chegasse mais rpido em stop, pois quanto

menor a capacitncia de C, mais rapidamente o limiar de transio 01 do buffer de entrada

do FPGA para o sinal de stop era atingido. O resultado pode ser visto nos grficos da figura

26.

53

Figura 26: Linearidade do TDC.

Na figura 26 fica fcil demonstrar a lgica utilizada no clculo do tempo

cronometrado no TDC. O tempo cronometrado em c) obtido multiplicando-se a quantidade

de clocks contados de a) por 4ns, e subtraindo-se o intervalo T, que proporcional a b). O

erro de d) relativo a uma reta que liga os valores da primeira e da ltima amostra. Nesta

anlise o erro mximo obtido foi de 329ps, e o desvio padro foi de 86ps. Vale salientar que o

1 11 21 31 41 51 6145678

a) Clocks Contados

1 11 21 31 41 51 6160

80

100

120

140b) Buffers das Linhas de Propagao em 1 Lgico

1 11 21 31 41 51 6115,000

17,000

19,000

21,000

23,000

25,000

27,000c) Tempo Cronometrado (ns)

Amostra

1 11 21 31 41 51 610,0

100,0

200,0

300,0

400,0

d) Mdulo do Erro (ps)

54teste foi feito de forma bastante rudimentar, e por isso acredita-se que o prprio mtodo de

levantamento de dados gerou boa parte do erro detectado.

Tambm foram feitos testes de preciso para medies em condies constantes e sem

filtro (single shot precision), onde foram analisadas 1500 medies feitas sem variar

parmetros do circuito RC do teste anterior. Neste caso o desvio padro do conjunto de 1500

medies variou entre 20 e 40ps, dependendo da condio do teste. Acredita-se que o prprio

circuito de testes tenha contribudo na gerao de rudo, pois seus longos fios o tornam

suscetvel a interferncia eletromagntica.

558 PRXIMOS PASSOS DO PROJETO

O projeto do TDC baseado em linhas de propagao paralelas perfeitamente portvel

para outros FPGAS. O desempenho do mesmo pode ser aprimorado de duas maneiras. Uma

delas e aumentar a quantidade de linhas de propagao em paralelo, e a segunda utilizar

FPGAs mais rpidos. Atualmente as linhas tm um comprimento de 16 buffers, porm apenas

5 ou 6 destes so utilizados, j que, devido a velocidade de propagao de sinais

relativamente lenta do FPGA Spartan 3, no h tempo para o sinal chegar perto do final da

linha de propagao. Mas ao invs de encurtar as linhas para evitar desperdcio, o plano

utilizar um FPGA mais moderno e rpido, com tecnologia construtiva mais avanada e menor

largura de canal em seus transistores.

O fato de o sinal se propagar mais rpido e por mais buffers nas linhas de propagao

automaticamente aumenta a resoluo do TDC. Ser adquirido uma Kit de desenvolvimento

de um chip de recm lanado pela Actel, chamado de SmartFusion. Este chip tem

implementado fisicamente no mesmo encapsulamento um microcontrolador de 32 bits com

arquitetura Cortex-M3, perifricos diversos, FPGA e blocos analgicos configurveis, tudo

isso a um preo de $45 FOB.

Atualmente esta sendo projetada uma placa de circuito impresso que ir conter, alm

de do chip A2F200M3F-1FGG256, cujas caractersticas foram no pargrafo anterior, os

circuitos de emisso e recepo de pulsos de laser que foram citados neste captulo, fontes de

alimentao com tenses que variam entre 1,2V e 300V, memria flash e alguns botes para

interface humana. Nenhum prottipo ser desenvolvido com protoboard ou placa padro,

pois encapsulamentos do tipo BGA, e a necessidade de um layout de alto desempenho

inviabilizam tais mtodos.

56A maior parte dos componentes necessrios para o primeiro prottipo j foram

adqueridos, inclusivo um laser pulsado de 25W de potncia de pico, e quando o primeiro lote

de placas ficar pronto ser testado o funcionamento bsico bem como as primeiras aplicaes

do medidor de distncias a laser.

Por conter interfaces de comunicao de alta velocidade como a ETHERNET, blocos

analgicos e alta capacidade de processamento, com esta placa, dispositivos eletro-mecnicos

e ticos, e um motor grfico como o OpenGL rodando em um computador, almeja-se

construir um sistema capaz de realizar escaneamento de superfcies em trs dimenses.

579 CONCLUSO

Apesar de a medio do tempo de voo de um pulso laser ser um princpio de

funcionamento simples, a concepo de um medidor de distncias a laser se mostrou

complexa devido necessidade de componentes de altssimo desempenho.

No incio do projeto foi concebido um minucioso plano de ao para que, ao final de

quatro meses, o aluno apresentasse um prottipo funcional de um medidor de distncias a

laser. Tal plano falhou no momento da aquisio de um TDC. Este risco de alto impacto, que

foi previsto do planejamento inicial do projeto, acabou se concretizando e comprometendo os

resultados esperados.

Porm a busca de solues para o que parecia um grave problema acabou gerando um

promissor dispositivo. O TDC desenvolvido em FPGA, com uma arquitetura inovadora, e

desempenho comparvel ao de dispositivos comerciais de alto custo, abre um leque de

aplicaes que vo alm da medio de distncias a laser. TDCs com resoluo de dezenas de

pico-segundos podem ser utilizados diversos sistemas que exigem alto desempenho, como em

instrumentao de dispositivos nucleares, colisores de partculas, sistemas de reflectometria

no domnio do tempo (TDR) e medidores de impedncia.

O desafio de buscar solues tcnicas com limitaes de recursos, lidar com a

exorbitante tributao nacional para importao de componentes, e a enriquecedora

experincia do aluno executor com FPGAs, vem compondo um empolgante exerccio de

engenharia. O projeto e a pesquisa seguiro aps a concluso do curso do aluno, que possui

aspiraes comerciais para as solues que vem sendo desenvolvidas.

5810 REFERNCIAS

[1] H. Lamela; E. Garcia A Low Power Laser Rangefinder for Autonomous Robot Applications, 1996, Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22 (Artigo)

[2] Smith D.E. Electronic Distance Measurement for Industrial and ScientificApplications, Junho de 1980, Hewlett-Packard Journal

[3] Keiser, G. Optical Fiber Communications (2nd Edition ), 1991, McGRAW-HILL.

[4] Kilpel, Ari Pulsed Time-of-Flight Laser Range Finder Techniques for Fast, High Precision Measurement Applications, 2004, University of Oulu, Finland (Dissertao)

[5] OSRAM, Operating the Pulsed Laser Diode SPL Llxx, nota de aplicao disponvel em

[6] Cicalese, R.; Aloisio, A.; Branchini, P. ; Giordano, R.; Izzo, V.; Loffredo, S. Implementation of High-Resolution Time-to-Digital Converters on Two Diferent FPGA Devices, 2007, Dipartimento Scienze Fisiche, Universita di Napoli Federico II e I.N.F.N. (Artigo)

[7] Zhang ,Y.; Huang, P.; Zhu, R. Upgrading of Integration of Time to Digit Converter on a Single FPGA, 2000, Shanghai Astronomy Observatory, Chinese Academy of Sciences (Artigo)

[8] Wu, J; Shi, Z The 10-ps Wavelet TDC: Improving FPGA TDC Resolution Beyond Its Cell Delay Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, USA (Artigo)

[9] Csele, M Fundamentals Of Light Sources and Lasers, 2004, John Wiley & Sons, captulo 13

[10] OSRAM Optical Radiation Safety Information Nota de aplicao disponvel em

[11] PALOJRVI , P. Integrated Electronic and Optoelectronic Circuits and Devices for Pulsed Time-of-Flight Laser Rangefinding, 2003, University of Oulu, Finland (Dissertao)

1 Introduo2 Contexto do Projeto3 Aplicaes4 Anlise de Alternativas e princpios de medio5 Pesquisa e Escolha de Componentes5.1 Fotoemissor Caractersticas Espectrais Diretividade Diodos Laser Diodos de Laser Pulsado

5.2 Driver para Diodo Laser Pulsado5.3 Receptor Fotodiodos Amplificador de Trans-impedncia Atenuadores Eltricos Descriminador de Sinal

5.4 Conversores Tempo-Digital (TDC)5.5 ptica ptica de Emisso ptica de Recepo

5.6 Nveis de Potncia de Emisso e Segurana5.7 Integrao de Sistemas

6 Mtodos Processos e Dispositivos6.1 Emissor de Pulsos Laser6.2 Fotorreceptor6.3 FPGA O Ncleo do Sistema. Cronmetro com Oscilador em Anel Cronmetro com Linhas de Propagao Simples Cronmetro com Linhas de Propagao Paralelas Consideraes Sobre o Layout Processamento de Dados Comunicao Software para Depurao

7 Resultados Alcanados8 Prximos passos do projeto9 Concluso10 Referncias