Categoria Iniciação Científica

No período de 15 de abril de 2019 a 14 de maio de 2019, dando continuidade às atividades referente ao projeto de gerador de pulsos eletromagnético, foi realizado uma visita ao campus da UFABC em Santo André – SP com o intuito de promover um intercâmbio de informações sobre geradores de pulsos, com a equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Marcelo Perotoni.

Além disso, foi desenvolvido, em ambiente Métodos Numéricos no software QucsStudio versão 2.5.7, um gerador de pulsos eletromagnético baseado em transistores bipolares do tipo NPN de alta taxa de transição de frequência (família BF) junto com um filtro passivo de 2º ordem.

Os transistores usados para geração de pulsos ultracurtos, na ordem de nano segundos, formaram a base da arquitetura de duas portas lógicas, uma OR e uma NOT, mas que juntas formaram uma única porta lógica do tipo NOR. Esse gerador foi baseado nos estudos de Jose Olger Vargas Garay  em sua dissertação de mestrado intitulada “Análise E Construção De Um Circuito Gerador De Pulsos UWB Para Aplicações De Radar De Penetração De Solo”.

A análise por métodos numéricos resultou em um pulso gerado pelo circuito proposto, como ilustrado na figura 1, atingindo, portanto, o objetivo pretendido para esta fase da pesquisa.

Porém o maior desafio neste período foi analisar o pulso no domínio da frequência, pois há uma escassez de material bibliográficos e tutoriais que expliquem como obter essa análise, porém foi possível encontrar no “QucsStudio Tutorial Part 1: Simulations in the Time Domain and in the Frequency Domain” um material que pôde ajudar, como foi detectado uma carência de explicações das análise da frequência no domínio tempo, optaremos em fazer  uma demonstração passo-a-passo de como foi possível obter o espectro de um pulso a partir de um circuito pré-definido com intuito único de contribuir com a comunidade acadêmica e usuários do software QucsStudio.

Como o intuito é mostrar como geramos a análise do pulso no domínio da frequência, esse tutorial irá partir já do circuito gerador de pulsos eletromagnéticos e seu filtro. O circuito aqui utilizado nessa demonstração será baseado na porta lógica NOR com transistores, desenvolvido nos estudos de Garay, porém com pequenas alterações nos valores e parâmetros na fonte de pulso, na fonte de tensão contínua, nos resistores, no capacitor, nos transistores e no indutor. Na figura 2 poderá ser visto já montado na área de desenvolvimento do QucsStudio versão 2.5.7 o circuito, porém devemos nomear o ponto que desejamos obter as informações para análise, com isso terá que pressionar a tecla Ctrl+L para ativar essa função, depois clica no ponto do circuito que se deseja obter o sinal, pós escolha irá abrir uma janela, em que você deverá nomear o ponto escolhido, para desativar o comando ou qualquer outro é só pressiona a tecla Esc.

Escolhendo o simulador, agora deverá clicar em Components, que fica no lado esquerdo da tela, como pode ser visto na figura 3 com destaque em vermelho, em seguida clica-se na aba em destaque azul na figura 3, escolhe simulations que irá apresentar diferentes parâmetros de simulação em seguida deverá ser escolhido o Transient simulation ,que está em destaque em verde na figura 3, ao clicar deverá arrastar até a área de desenvolvimento que ficará igual a figura 4.

Escolhendo os parâmetros do Transient simulation, primeiro clica-se em cima do transient simulation com o botão direito do mouse que abrirá um nova aba, segundo clicará em Edit Properties, abrindo uma nova janela de propriedades escolheremos os parâmetros, primeiro  Stop e depois os Number, os pontos, que é possível observar na figura 5, é importante frisar que a quantidade de pontos no item Number da figura 5, em destaque em vermelho, deverá ser múltiplo de 2, devido propriedades matemáticas envolvidas na transformação da frequência no domínio do tempo agora é só clicar OK para confirmar os parâmetros escolhidos.

Iniciando a simulação ao pressionar F2, ícone em destaque da figura 6, ou pressionar a tecla F2 irá surgir uma nova janela (Simulation Messages) como é possível ver na figura 6, após Progress completar os 100% aparecerá uma nova aba como na figura 7.

Escolhendo o gráfico para plotagem do sinal que se deseja analisar, primeiro clica em Cartessian,conforme em destaque no lado esquerdo da figura 8, depois como mostra a seta na figura 8 abaixo, seleciona o sinal que se deseja plotar no gráfico, aqui neste caso é o ponto que foi escolhido no início desse tutorial com nome de “ Out ”, depois selecionaremos a aba Limits, conforme destaque na figura 9, e finalmente iremos ajustar no item X-Axis os valores manualmente para obter uma melhor visualização do pulso no gráfico, é possível verificar na figura 9, agora clica-se em OK para confirmar as alterações.

Após confirmar as alterações no comando OK, figura 9, irá aparecer um pulso plotado em função do tempo, conforme a figura 10 abaixo.

Agora chegamos ao objetivo desse tutorial realizar a análise de frequência no domínio do tempo, para isso iremos usar a função “time2freq”, inicialmente escolhe-se o gráfico clicando em Cartessian, logo após abre-se uma janela com os parâmetros do gráfico, possível ver na figura 11, em sequência seleciona o sinal que se deseja plotar no gráfico, aqui neste caso é o ponto que foi escolhido no início desse tutorial com nome de “ Out ”, posteriormente, como em destaque em verde na figura 11, iremos usar a função “time2freq”, na seguinte forma: dB(time2freq(Out.Vt)), em que “time2freq” é que vai transformar a frequência no domínio do tempo e o dB irá converter o ganho para decibéis e finalmente clica-se em OK para confirmar os parâmetros definidos.

Após confirmar os parâmetros do gráfico no comando OK da figura 11, irá aparecer o gráfico de análise espectral do pulso conforme a figura 12 abaixo.

Na figura 13 podemos ver que a partir do gráfico 13 (a) foi possível gerar o gráfico 13 (b), graças a ferramenta disponibilizada pelo o QucsStudio 2.5.7 que utiliza-se da função “time2freq(ponto de análise)”, essa ferramenta possui a capacidade de fazer a Transformada Rápida de Fourier, em que é útil para análise de pulsos triangulares em circuito de banda ultra larga (UWB).

Raimundo Eider

Graduando em Engenharia de Controle e Automação pelo Instituto Federal de São Paulo IFSP,  campus Cubatão, técnico em Automação Industrial pelo Instituto Federal Fluminense IFF. Atualmente participa do Projeto de Sistema de Rastreamento de Câncer Cerebral Infantil por Imagens de Micro-Ondas: Projeto de uma Antena Vilvaldi Planar com uso de Geometrias Fractais como aluno bolsista pelo Labmax.