Segue artigo submetido ao XXIV Cricte com as seguintes palavras-chave:

Espectroscopia de Impedância Elétrica
Aquisição de Sinais
Controladora Digital de Sinais (DSC - Digital Signal Controller)
Sintetizador Direto Digital (DDS - Direct Digital Synthesis)

gerador de ondas com sintetizador digital para espectroscopia de impedância elétrica

Marco Alan Pavanello, Pedro Bertemes Filho

Universidade do Estado de Santa Catarina - UDESC

Departamento de Engenharia Elétrica, Campus universitário – Joinville - SC

marco.alan.pavanello@gmail.com, bertemes@joinville.udesc.br

Resumo. O sistema de Espectroscopia por Impedância Elétrica (EIE) baseia-se em um gerador de sinais digital, um conversor ac tensão-corrente e uma placa de aquisição controle de sinais. Este tipo de espectroscopia é muito usada para fazer caracterização de materiais biológicos in vivo e in vitro. O objetivo deste trabalho é desenvolver um gerador de ondas programável com varredura em baixas freqüências e interface amigável em computador. O sistema de geração de sinais utiliza um Sintetizador Direto Digital (DDS) e um Controlador Digital de Sinais (DSC). Um programa de computador envia os dados da onda para o DSC através da porta serial RS-232. Através da interface gráfica, o usuário seleciona as características da onda e as visualiza em tempo real em tela. Os resultados mostraram que os sinais podem ser reconstruídos pelo sistema com um erro máximo de 8,6% na amplitude para a onda senoidal e 17,6% na freqüência para a onda quadrada. O gerador desenvolvido pode ser usado em um sistema EIE na caracterização de soluções biológicas.

Palavras-chave: Sintetizador de Sinais, Controladora digital, Espectroscopia.

1. INTRODUÇÃO

A espectroscopia de impedância elétrica (EIE) tem sido vastamente usada por décadas para caracterizar materiais biológicos, conforme constatou Bertemes Filho [1], a partir de suas propriedades elétricas. Brown et al. [2] relata o uso da espectroscopia de impedância para a identificação de câncer em tecidos. O método EIE baseia-se na injeção de uma corrente ac multifrequencial e na medição do potencial resultante, onde conseqüentemente a impedância é calculada, relata Kyle et al. [3].

A eficiência do método depende da qualidade do sinal medido e na precisão da instrumentação utilizada. Muitos sistemas EIE utilizam placas de aquisição de dados com sistemas de processamento de sinais específicos da placa utilizada, como Pereira [4], que desenvolveu seu trabalho usando uma placa da National Instruments. Outros utilizam analisadores de impedância comerciais, conforme experimento de Acciari et al. [5], e sistemas integrados com eletrônica embarcada, caso de Stiz [6]. Os sistemas EIE utilizados em clínicas especializadas são importados e têm um custo elevado devido a sua complexidade.

Basicamente, um sistema EIE de baixo custo pode ser construído usando um microcomputador (PC) para o processamento dos dados, um controlador digital de sinais (DSC) para a aquisição e controle dos dados, e um sintetizador direto digital (DDS) para a geração dos sinais. No PC desenvolve-se o programa para a comunicação com o DSC e a interface gráfica para o usuário. As características do sinal (forma de onda e freqüência) que, por sua vez, será injetado no material sob estudo, são informadas nessa interface. No DDS desenvolve-se a geração dos sinais ac multifrequenciais. A transmissão das características da onda para o DDS, a aquisição e transmissão dos sinais ao PC pode ser realizado por um DSC.

O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema que possa gerar ondas programáveis com varredura em freqüência, realizar a aquisição do sinal, exibir o sinal em tela de computador e armazenar os dados em arquivo.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Geração dos sinais

A geração dos sinais foi implementada por um DDS (modelo EVAL-AD9833EB da Analog Devices) que, por sua vez, gera ondas senoidais, triangulares e quadradas com freqüência entre 0,1 Hz e 12,5 MHz. A amplitude da tensão de saída é de aproximadamente 1 Vpp para a onda senoidal e 3,6 Vpp para a quadrada.

2.2 Comunicação serial

A comunicação entre o PC e o DSC (modelo MC56F8013VFAE da Analog Devices) foi através do protocolo serial RS-232, onde a velocidade de comunicação é de 115.200 bps.

O PC envia para o DSC as características da onda que será gerada e um comando para interromper a geração do sinal, ocorrendo automaticamente ao término de um processo ou manualmente por solicitação do usuário.

Quando 25 pontos do sinal amostrado são capturados pelo DSC, esses dados são enviados ao PC. Um ponto é formado por 16 bits. Seu envio ao PC, através da serial, ocorre em dois ciclos, pois essa comunicação só pode transmitir 8 bits por vez.

2.3 Aquisição dos sinais

A aquisição do sinal foi elaborada de modo que todas as freqüências amostradas mantenham uma resolução com aproximadamente 20 pontos. Neste caso, a resolução é a quantidade de pontos que formam um período. Para manter a resolução constante, o intervalo de aquisição é alterado com base na interrupção de tempo do DSC. Assim, cada aquisição ocorre em intervalos múltiplos de 25 μs.

O intervalo de captura foi calculado da seguinte maneira: 1) a freqüência é convertida em período; 2) o período é dividido pela resolução média de 20 pontos; 3) o resultado do passo anterior é dividido pelo intervalo interrupção de 25 μs e, depois, sofre um arredondamento; 4) os valores do passo anterior são multiplicados pelo intervalo de interrupção; 5) os valores do passo anterior são somados até que seu valor seja maior ou igual ao valor do primeiro passo; 6) Em caso do valor não ultrapassa 24 pontos, aplica-se o arredondamento para baixo, caso contrário é feito o arredondamento para cima.

Os pontos amostrados são armazenados em um vetor com 25 posições, onde 24 pontos (N_T) formam um período e o 25º ponto representa um novo período. Quando o vetor está completo, o DSC interrompe a aquisição e inicia a transmissão dos dados para o PC. Ao término do envio, uma nova aquisição é reiniciada.

2.4 Reconstrução dos sinais

Quando o PC recebe os dados, um arquivo tipo binário contendo o intervalo de aquisição e a amplitude dos pontos lidos é criado. Os pontos lidos variam entre 0 e 65535, representando as tensões de 0 a 3,6 Volts, respectivamente. A tensão é calculada da seguinte maneira: 1) o valor é multiplicado por 3,6; 2) o resultado da multiplicação é dividido por 65535.

Já a freqüência é reconstruída com base no intervalo de aquisição, bastando multiplicar o valor do intervalo por (N_T-1).

3. RESULTADOS

Para realizar os testes para a aquisição das amplitudes da tensão, a saída do DDS foi ligada a divisor resistivo formado por um potenciômetro de 10 kΩ e um resistor de 1 kΩ. A amplitude da tensão foi medida por um osciloscópio digital (modelo TDS 2024B da Tektronix), considerando o valor médio de cinco períodos para uma freqüência de 1 kHz. O potenciômetro foi ajustado para que as amplitudes a serem medidas estivessem no intervalo de 0,1 a 0,4 Volts (ondas senoidal e triangular) e no intervalo de 0,4 a 3,5 V (onda quadrada). As amplitudes foram medidas pelo DSC e seus valores foram reconstruídos e exibidos na tela do PC. Os resultados mostraram que as amplitudes das tensões mantiveram-se constante para cada amostra. No entanto, o erro máximo foi de aproximadamente 8,6% na reconstrução da amplitude para a onda senoidal (veja figura 1).

Figura 1. Relação entre as tensões medidas pelo osciloscópio e as medidas pelo DSC.

Os testes de medições da freqüência também foram realizados com ambos o osciloscópio digital e o DSC para as ondas senoidal, triangular e quadrada, considerando o valor médio de cinco períodos (veja Figura 2). As freqüências foram variadas no DDS na faixa de 0,1 a 3,2 kHz em intervalos de 0,4 kHz. Na reconstrução da freqüência da onda senoidal foi calculado um erro máximo de aproximadamente 4% na faixa de 0,4 a 3 kHz. Já para a onda triangular, o erro máximo foi de aproximadamente 4,8% na freqüência de 0,4 kHz e de 17,6% na freqüência de 2 kHz para a onda quadrada.

Figura 2. Relação entre as freqüências medidas pelo osciloscópio e as medidas pelo DSC.

Foi observado que durante a interrupção da aquisição, necessária para envio dos dados ao PC, ocorreu uma descontinuidade no sinal reconstruído.

A Figura 3 mostra a descontinuidade que ocorre após o 25º ponto. Pode ser observado que o símbolo “O” no 21º ponto indica o término do primeiro período. Após a aquisição de um ciclo, é necessário parar a aquisição do sinal e iniciar a transmissão para o PC. Observa-se também que o símbolo “” indica a descontinuidade na forma de onda, onde neste caso foi gerado pela interrupção no processo de aquisição.

Figura 3. Onda senoidal com dois períodos amostrados em um vetor com 25 posições.

4. Discussão

Um dos maiores problemas encontrados foi a descontinuidade do sinal amostrado, pois a aquisição é interrompida durante o envio do sinal. Esse erro pode ser reduzido aumentando-se o número de ciclos a ser armazenado no vetor. Uma solução definitiva para a descontinuidade poderia ser obtida quando: 1) a aquisição não for interrompida; 2) um segundo vetor for criado; 3) a freqüência de aquisição for reduzida para um valor próximo à velocidade de transferência. Em resumo, é esperado que quando o primeiro vetor estiver completo, os dados sejam armazenados no segundo vetor e a transmissão seja iniciada, onde os dados devem ser enviados antes que a segunda aquisição esteja completa.

5. conclusão

Neste trabalho foi desenvolvido uma aquisição de sinais por uma placa controladora digital de sinais DSC via computador através do protocolo RS-232.

A resolução do sinal amostrado manteve-se próximo a 20 pontos durante a aquisição do sinal pelo DSC na faixa de freqüência de 0,4 a 3,2 kHz. A variação da quantidade de pontos que compõe o período mostrou-se estável.

Foi mostrado que os erros entre as freqüências dos sinais lidos e reconstruídos foram inferiores a 17,6% para ondas quadradas, 4% para ondas seno e 4,8 % para ondas triangulares. A amplitude apresentou erro máximo de 8,6%.

Concluí-se que um sintetizador digital de sinais, juntamente com uma placa controladora digital de sinais, podem ser utilizadas para realizar a geração, aquisição e transmissão de sinais senoidais e triangulares até uma freqüência de 3 kHz. A aquisição de ondas quadradas merece atenção especial, já que o erro é maior que 10%.

Agradecimento

À BIA Technology pelo empréstimo do kit de demonstração EVAL-AD9833EB. À Freescale pela doação do kit de demonstração MC56F8013VFAE.

REFERÊNCIAS

[1] P. Bertemes Filho, (2002), Tissue characterization using an impedance spectroscopy probe, PhD dissertation, Department of Medical Physics and Clinical Engineering, University of Sheffield, 197p, set.

[2] B. H. Brown, J. Tidy, K. Boston, K. Blackett, A. D. e Sharp, “Tretrapolar measurement of cervical tissue structure using impedance spectroscopy. IEEE Proccedigns of the 20^th Annual International Conference on Biomedical Engineering, v. 6, p. 2888-2889, 1998

[3] U.G. Kyle, Bosaeus, I., Lorenzo, A. D. D., Deurenberg, P., Elia, M., Gómez, J. M., Heitmann, B. L., Kent-Smith, L., Melchoir, J., Pirlich, M., Scharfetter, H. Schols, A. M. W. J. and Pichard, C.. Bioelectrical impedance analysis – parte I: review of principles and methods. Journal of Clinical Nutrition, v. 23, 2004, p. 1226-1243.

[4] R. M. Pereira. Desenvolvimento de um sistema de espectroscopia de impedância elétrica multicanal. Dissertação de Mestrado, Universidade do Estado de Santa Catarina, 2009.

[5] H. A. Acciari; A. C. Guastaldi; Germano Tremiliosi Filho. Caracterização e estudo da corrosão do amálgama dentário Dispersalloy por meio das técnicas de polarização potenciodinâmica e espectroscopia de impedância. Eclet. Quím., São Paulo, 2010.

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