Processamento de Sinais II

1. Processamento de Sinais II Prof. Marcelo Sant’Anna Sala A-310 (LaCAM) e-mail: mms@if.ufrj.br Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

2. Alguns módulos de eletrônica para processamento de sinais • Abordagem descritiva das funções de cada módulo • Sem detalhes sobre a eletrônica interna de cada módulo Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

3. Pré-amplificadores • Amplifica sinais fracos provenientes de um detector • Faz o casamento de impedância entre a saída do detector (alta impedância) e a entrada do amplificador (baixa impedância). • É geralmente montado tão perto quanto possível do detector. Deste modo, minimiza ruído e perdas num cabo coaxial. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

4. Pré-amplificadores • Podem ser sensíveis à voltagem, sensíveis à corrente ou sensíveis à carga. • Sensíveis à voltagem: amplifica qualquer voltagem que aparece na sua entrada. Uma vez que os detectores de radiação são essencialmente produtores de carga, esta voltagem aparece através de uma capacitância intrínseca do detector somada com outras capacitâncias espúrias do circuito. Obs.: para este circuito (ver LAB 2) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

5. Pré-amplificadores • Sensíveis à carga: No caso de detectores semicondutores, podem ocorrer variações na capacitância intrínseca devido à variação da temperatura. • Pode-se evitar este problema usando um pré sensível à carga. • A idéia básica é integrar a carga do pulso de entrada no capacitor Cf (Fig. 1). • A impedância de entrada e muito alta sem loop de realimentação e portanto não precisa de muita corrente. Logo, (para A>>1) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

6. Pré-amplificadores • Cf e geralmente pequeno (1 pF) para sensitividade máxima. • Na realidade, o ganho A é uma função da freqüência.  • Para descarregar o capacitor Cf, um resistor é usualmente colocado em paralelo com Cf, resultando num pulso com um “rabo” exponencial. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

7. Amplificadores • amplifica o sinal do pré e dá uma forma conveniente à ele (pulse shaping), para posterior processamento. • Para o amplificador usado em espectroscopia, um dos parâmetros mais importantes é a forma do pulso. • Amplitude é proporcional à energia. Se um segundo sinal deve chegar dentro do período de duração do primeiro, ele se localizará no rabo do primeiro e sua amplitude será aumentada (pile-up). • Para evitar este efeito, devemos nos restringir a taxa de contagens menores do que 1/, ou diminuir o rabo, dando uma nova forma. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

8. Amplificadores • Amplificadores rápidos, ao contrário de amplificadores espectroscópicos, precisam preservar o risetime do sinal que significa manter uma largura de banda bem larga. • Por esta razão, estes amplificadores geralmente são muito limitados no pulse shaping e são limitados a ganhos menores (~10 vezes). • Ganhos mais altos podem ser obtidos pondo vários amplificadores em série. amplificador rápido (esquerda) e amplificador para espectroscopia (direita) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

9. Discriminadores • Respondem somente aos sinais de entrada com altura de pulso maior do que um certo limiar (threshold). • Se este critério é satisfeito, o discriminador responde enviando um sinal lógico padrão, caso contrário, nenhuma resposta é enviada. • O valor do limiar pode ser ajustado no painel frontal do discriminador, assim como também é possível ajustar a largura do sinal. • O uso mais comum do discriminador é o bloqueio de ruídos de baixa amplitude. Os pulsos reais devem ter uma amplitude suficiente para disparar o discriminador, são transformados em pulsos lógicos para processamento futuro (Fig.). Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

10. Discriminadores • Uma característica importante do discriminador é o método de disparo (trigger). • Devido ao seu uso para medidas de tempo, é importante que a relação entre o tempo de chegada do pulso e o tempo que o pulso lógico na saída é enviado seja constante. • Na maioria dos discriminadores, o disparo ocorre no momento que o pulso cruza o limiar. Este método é conhecido como leading edge (LE). Um método mais preciso é o constant fraction (CF). Estas técnicas serão discutidas mais à frente. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

11. Analisador monocanal (Single-Channel Analyser –SCA) • O SCA é um aparelho que classifica sinais analógicos na sua entrada de acordo com as suas alturas. Assim como o discriminador, ele tem um limiar abaixo do qual, pulsos são bloqueados. Mas, possui ainda um nível superior, acima do qual, pulsos são também bloqueados. Assim, somente sinais que caem entre estes dois níveis (chamado janela –window) provocam uma resposta na saída do SCA, ou seja, um sinal lógico padrão. • O SCA geralmente possui três modos de trabalho, dependendo do modelo: • modo normal ou diferencial : neste modo, os níveis superior (ULD) e inferior (LLD) podem ser ajustados independentemente um do outro. Se quisermos selecionar pulsos com amplitudes entre 1 e 2.5 V, por exemplo, colocamos o ULD em 2.5 V e o LLD em 1V. • modo janela: em vez de ajustar o ULD e o LLD separadamente, neste modo, selecionamos o LLD e a largura da janela, que é a distancia até o ULD. No exemplo anterior, colocamos o LLD em 2.5 V e a janela (E) em 1.5 V. • Modo integral: aqui, o ULD é completamente removido do circuito. O sinais que passam vão desde o limiar até o limite do SCA (tipicamente 10 V). Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

12. Analisador monocanal (Single-Channel Analyser –SCA) Fig. : SCA no modo integral Fig. : SCA no modo diferencial. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

13. Conversores analógico-digitais (ADCs) • Ver Lab. 2 Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

14. Analisadores multi-canais • Analisadores multi-canais (MCA) são aparelhos sofisticados que ordenam pulsos que chegam de acordo com a altura do pulso e contam o número de pulsos (N) para cada altura numa memória multicanal, ou seja, o espectro diferencial de alturas (H) de pulsos dN/dH). O conteúdo de cada canal pode então ser mostrado numa tela ou impresso para dar o espectro de alturas de pulso. • O MCA funciona digitalizando a amplitude do pulso incidente com um ADC. O MCA então incrementa o canal corresponde àquela altura de pulso digitalizada. O número total de canais nos quais a faixa de voltagem é digitalizada é conhecido como o ganho de conversão. Isto determina a resolução do MCA. Ganhos de conversão de 128 até 16 K são freqüentemente encontrados em MCAs comerciais. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

15. Analisadores multi-canais • O método SCA • Em condições adequadas, analisadores monocanais (SCA) podem ser utilizados para aquisição de espectros de altura de pulsos para uma fonte estacionária. O procedimento consiste em contar o numero de contagens que entram no SCA variando o seu nível inferior (limiar), mantendo a janela fixa. Dividindo o número de contagens N, pela janela H, temos a média da distribuição continua neste intervalo de altura de pulsos. • Vários SCAs em paralelo Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

16. Características gerais de um MCA • Dois fatores determinam a escolha do número de canais que devem ser usados num MCA para qualquer medida de distribuição de pulsos: a resolução e o número total de contagens que pode ser obtida. • Se um número arbitrariamente grande de contagens pode ser acumulado, não há problema algum em fazer o número de canais tão grande quanto desejarmos. Com um número muito grande de canais, a largura de qualquer canal pode ser bem pequena e o espectro discreto resultante será uma aproximação muito boa de uma distribuição contínua. A Figura ao lado mostra o efeito da escolha do número de canais. (pense na estatística...) Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

17. Características gerais de um MCA • Calibração e linearidade • Tempo morto Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

18. Medidores de Taxa (Ratemeters) • fornecem uma freqüência de eventos • fornece,m a informação na forma de um sinal dc proporcional a taxa que pode ser mostrado em um display. • Assim como os scalers, um sinal lógico padrão é necessário na entrada. • A escolha do tempo de integração é usualmente fornecida como uma seleção de constantes de tempo para o sinal de saída. As constantes de tempo essencialmente ajustam o tempo de reação para mudanças instantâneas na taxa de contagem. Um ratemeter 661 da ORTEC Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ

19. Integradores, contadores (Scalers) • O contador é uma unidade que conta o numero de pulsos que foram enviados para a sua entrada e apresenta-o em um display. De um modo geral, os contadores também precisam de um sinal lógico na sua entrada para funcionar corretamente. Um contador da ORTEC. Laboratório de Física Corpuscular - aula expositiva 10 - 2008.1 - IF - UFRJ