( PDF ) Gerador automático de diagrama de irradiação de para antenas na faixa VHF

Download PDF

ads:

UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ

José Valentino Volpato

GERADOR AUTOMÁTICO DE DIAGRAMA DE

IRRADIAÇÃO PARA ANTENAS NA FAIXA VHF

Taubaté - SP

2006

ads:

Livros Grátis

http://www.livrosgratis.com.br

Milhares de livros grátis para download.

UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ

José Valentino Volpato

GERADOR AUTOMÁTICO DE DIAGRAMA DE

IRRADIAÇÃO PARA ANTENAS NA FAIXA VHF

Dissertação apresentada para obtenção do

Título de Mestre em Engenharia Mecânica do

Departamento de Engenharia Mecânica da

Universidade de Taubaté.

Área de concentração: Automação Industrial e

Robótica.

Orientador: Prof. Dr. Álvaro Manoel de Souza

Soares

Taubaté - SP

2006

ads:

JOSÉ VALENTINO VOLPATO

GERADOR AUTOMÁTICO DE DIAGRAMA DE IRRADIAÇÃO PARA ANTENAS

NA FAIXA VHF

UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ, TAUBATÉ, SP

Data: 17/12/2005

Resultado: APROVADO

COMISSÃO JULGADORA

Prof. Dr. Álvaro Manoel de Souza Soares

Universidade de Taubaté

Assinatura ___________________________________

Prof. Dr. Francisco José Grandinetti

Universidade de Taubaté

Assinatura ___________________________________

Prof. Dr. Mauro Hugo Mathias

Membro externo

Assinatura ___________________________________

AGRADECIMENTOS

Ao Prof. Dr. Álvaro Manoel de Souza Soares pela orientação segura, competente e

amiga e pela paciência ao longo da dissertação.

Ao Prof. Dr. Pedro Paulo Leite do Prado pelo incentivo e apoio na realização do

mestrado.

Ao Chefe de Departamento Prof. MC Armando Antonio Monteiro de Castro pelo

pedido de bolsa de estudo.

Ao Prof. MC. Adilson Peloggia, por ter dado grande apoio na construção da estrutura

metálica do sistema.

Aos amigos Prof. Dr. João Bosco Gonçalves, Marco Richetto, Clayton Koba e

Ulysses pelo apoio na parte de programação.

À minha colega Marcela pela formatação da dissertação.

A todos, que me ajudaram durante o projeto.

À minha esposa Nilza e à minha filha Isabella pelo apoio e compreensão da

necessidade de utilizar as horas da família no desenvolvimento da dissertação.

À Deus, por ter me dado nos momentos de dificuldade, persistência e inteligência na

realização desse projeto.

VOLPATO, José Valentino. Gerador Automático de Diagrama de Irradiação de

para Antenas na Faixa VHF. 2005. 39 f. Dissertação (Mestrado, Engenharia

Mecânica) – Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade de Taubaté,

Taubaté.

Resumo

Este trabalho descreve o desenvolvimento e a implementação de um gerador

automático de diagrama de irradiação para antenas na faixa de VHF. Foi

desenvolvido um sistema para a detecção precisa da posição e do nível de sinal

recebido, de acordo com a posição da antena transmissora (fonte de sinal), cujas

etapas são: ajuste da freqüência de operação da antena transmissora,

movimentação da antena em teste e a medição do sinal de chegada. Estas etapas

concomitantes, deslocamento e medição, são realizadas até completar uma volta.

Os ajustes das freqüências de operação e o controle do deslocamento são

realizados através de um microcontrolador (PIC16F877), conectado a um PC através

da porta serial. Uma interface gráfica foi desenvolvida em Visual Basic, que permite

determinar as seguintes condições de operação: freqüência de operação, ponto de

referência, nível de sinal recebido, controle de rotação manual, tempo de processo.

A interface gráfica fornece a tabela de medidas dos sinais e a construção do

diagrama de Irradiação, além de possibilitar a visualização da tabela e do gráfico.

Pode-se também salvar os dados em forma de arquivo. Com as mesmas condições

utilizadas no levantamento manual do diagrama de Irradiação pode-se observar que

o processo automático produz um maior número de pontos, é mais preciso e permite

um maior detalhamento do diagrama, além de automatizar todo o processo de

rotação e de medição.

Palavras-Chave: Levantamento, antenas, diagrama e irradiação

Abstract

This work describes the development and implementation of an automatic generator

irradiation pattern. Of irradiation pattern for antennas to signal in VHF range . It was

developed a system to exact detection of position and level of received signal,

according with position of signal source, which steps are: fits of operation frequency

of transmitter antenna shifting of antenna in test and measurement of incoming

signal. These steps concomitant, shifting and measuring, are done until complete all

spin. The fits of operation frequency and shifting control are done by microcontroller

(PIC16F877), connected to a PC through serial port . A graphic interface was

developed in Visual Basic, which allows to determine follows conditions of operation:

operation frequency , reference point , received signal level , manual rotation control

and process time. The graphic interface still supply signal measure table and building

the irradiation pattern , beyond needs to visualize table and graphic. It can either

save data in file form. With same conditions used in raisely manual of irradiation ,it

can be observed that automatic process produces a bigger number of points , its

more exact and allows a detailed pattern, beyond of automating all process of

rotation and measure.

Key Words: Antennas, irradiation pattern

SUMÁRIO

CAPÍTULO 01 – INTRODUÇÃO 13

1.2. CONCEITOS BÁSICOS 14

1.3. ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO 15

1.4. FLUXOGRAMA 16

CAPÍTULO 02 – LEVANTAMENTO DO DIAGRAMA 18

2.1. DEFINIÇÃO 18

2.2. SISTEMA AUTOMÁTICO 23

2.3. EVOLUÇÃO 25

CAPÍTULO 03 – ANTENA E SINTONIZADOR 27

3.1. CARACTERIZAÇÃO 27

3.2. ANTENA 27

3.3. DIAGRAMA DE IRRADIAÇÃO 29

3.4. DIPOLO DE MEIA ONDA 30

3.5. SINTONIZADOR 31

CAPÍTULO 04 – MEDIÇÃO E POSICIONAMENTO 36

4.1. MEDIÇÃO 36

4.2. RETIFICADOR 37

4.3. POSICIONADOR 37

4.4.TRANSMISSÃO POR ENGRENAGEM 38

4.5. SISTEMA DE IDENTIFICAÇÃO DE POSIÇÃO 38

4.6. DISCO PERFURADO 38

4.7. LEITURA DO PONTO DE REFERÊNCIA 39

CAPÍTULO 05 – MÓDULO DE CONTROLE 41

5.1. CONTROLE 41

5.2. ACIONADOR 41

5.2.1. MOTOR DE PASSO 41

5.2.2. FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE PASSO 42

5.3. INTERFACE 47

5.3.1 MALHA ABERTA 47

5.3.2 COMANDO 47

5.3.3 INTERFACE DE POTÊNCIA 48

5.4. INTERFACE DE COMANDO

5.5. MICROCONTROLADOR – 16F877 49

5.5.1. CONTROLE DO SINTONIZADOR 50

5.5.2. CONVERSOR ANALÓGICO/DIGITAL 50

5.5.3. CONTROLE DO MOTOR 50

5.5.4. COMUNICAÇÃO SERIAL 51

CAPÍTULO 06 – PROBLEMAS E SOLUÇÕES 52

6.1. SENSOR DE POSIÇÃO 52

6.1.1. DRIVER DE POTÊNCIA 53

6.1.2. TRACIONADOR 54

CAPÍTULO 07 – RESULTADOS E CONCLUSÕES 56

7.1. CONSIDERAÇÕES FINAIS 56

CAPÍTULO 08 – TRABALHOS FUTUROS 60

8.1. EQUIPAMENTOS 60

8.2. MEDIDOR DE INTENSIDADE DE CAMPO 60

8.3. DEMODULADOR 61

REFERÊNCIAS 62

ÍNDICE DE FIGURAS E TABELAS

Figuras

Fig. 1.1 - Fluxograma do trabalho 16

Fig. 1.2 - Fluxograma do microcontrolador 17

Fig. 2.1 - Dispositivos utilizados na obtenção manual do diagrama de irradiação 18

Fig. 2.2 - Diagrama do processo manual 19

Fig. 2.3 - Posicionador Manual 19

Fig. 2.4 - Diagrama de irradiação manual 20

Fig. 2.5 - Gerador de RF 21

Fig. 2.6 - Montagem do Sintonizador com Microcontrolador 21

Fig. 2.7 - Posicionador 22

Fig. 2.8 - Amplificadores de RF 22

Fig. 2.9 - Tela de Comando 23

Fig. 2.10 - Sistema para obtenção automática do diagrama de irradiação 24

Fig. 2.11 - Diagrama em blocos do gerador automático 24

Fig. 2.12 - Diagrama de irradiação obtido pelo método manual 26

Fig. 2.13 - Diagrama de irradiação obtido pelo processo automático 26

Fig. 3.1 - Antena dipolo de meia onda 27

Fig. 3.2 - Diagrama de transmissão/recepção 28

Fig. 3.3 - Levantamento do diagrama de irradiação 29

Fig. 3.4 - Diagrama de irradiação 29

Fig. 3.5 - Dipolo de meia onda não dividido 30

Fig. 3.6 - Dipolo de meia onda dividido 30

Fig. 3.7 - Dipolo de meia onda para 500 MHz 31

Fig. 3.8 - Sintonizador básico 31

Fig. 3.9 - Controle da sintonia 34

Fig. 3.10 - Alimentação do sintonizador 34

Fig. 3.11 - Sintonizador 35

Fig. 4.1 - Diagrama em bloco 36

Fig. 4.11 - Amplificador esquema elétrico 36

Fig. 4.12 - Retificador de meia onda 37

Fig. 4.13 - Sistema de posicionamento 38

Fig. 4.14 - Disco perfurado 39

Fig. 4.15 - Sensor óptico 39

Fig. 4.16 - Sensor de posição 40

Fig. 5.1 - Rotor do motor de passo 41

Fig. 5.2 - Estator do motor de passo 42

Fig. 5.3 - Motor com 2 bobinas e 4 fases 43

Fig. 5.4 - Motor bipolar 43

Fig. 5.5 - Enrolamento dos motores 44

Fig. 5.6 - Motor bipolar com passo inteiro 45

Fig. 5.7 - Motor bipolar com meio passo 45

Fig. 5.8 - Controle de malha aberta 47

Fig. 5.9 - Interface de comando 48

Fig. 5.10 - Circuito elétrico da interface de potência 49

Fig. 5.11 - Controle de sintonia 50

Fig. 5.12 - Conversor A/D 50

Fig. 5.13 - Controle do motor de passo 51

Fig. 5.14 - Comunicação serial assíncrona 51

Fig. 6.1 - Disco perfurado 52

Fig. 6.2 - Disco com somente um furo 53

Fig. 6.3 - Driver de potência 53

Fig. 6.4 - Tracionador de antena 54

Fig. 6.5 - Tracionador de antena atual 55

Fig. 7.1 - Diagrama de irradiação com o nível de +3dBm 56

Fig. 7.2 - Diagrama de irradiação com o nível de 0dBm 57

Fig. 7.3 - Diagrama de irradiação com o nível de -9dBm 57

Fig. 7.4 - Diagrama de irradiação com o nível de -6dBm 58

Fig. 7.5 - Diagrama de irradiação com o nível de -3dBm 58

Fig. 7.6 - Diagrama de irradiação com o nível de -2dBm 59

Fig. 8.1 - Medidor de intensidade de campo 60

Fig. 8.2 - Medidor de intensidade de campo comercial 60

Fig. 8.3 - Demodulador 61

Tabelas

Tabela 5.1 - Rotação no sentido horário 45

Tabela 5.2 - Rotação no sentido anti-horário 46

Tabela 5.3 - Rotação no sentido horário 48

Tabela 5.4 - Rotação no sentido anti-horário 48

LISTA DE ABREVIATURAS, SIGLAS E TERMOS

CAG: Controle automático de ganho.

DC: Corrente Continua

FI: Freqüência Intermediaria

MASTER: Em um circuito eletrônico, o Dispositivo MASTER (mestre) é o dispositivo

que comanda a comunicação, fornece o sinal de clock etc. Ver também SLAVE.

NTC: Termistor com coeficiente de temperatura negativa

PTC: Termistor com coeficiente de temperatura positiva

SDA: Serial Data Adress. É o barramento de dados e endereços do procotolo I

C. Ver

Capítulo 5 para maiores detalhes.

SLAVE: Em um circuito eletrônico, o Dispositivo SLAVE (escravo) é o dispositivo que

recebe a informação de um Dispositivo MASTER (mestre). Eventualmente este

dispositivo pode enviar dados, mas isso não o torna um MASTER. Ver também

MASTER.

SHF: (Super High Frequency), Freqüência super alta.

UHF: (Ultra High Frequency), Freqüência ultra alta.

VHF: (Very High Frequency), Freqüência muito alta.

VHL: ( Very Low Frequency),Freqüência muito baixa.

INTRODUÇÃO

Capítulo 01

1.1. INTRODUÇÃO

Com a implantação da telefonia móvel e da Internet via radio (wireless), teste

de antenas receptoras e transmissoras têm sido objeto de estudo de vários centros

de desenvolvimentos que buscam um maior alcance do sistema irradiante. Para

verificar a performance de uma antena, levanta-se o diagrama de irradiação da

mesma. Isto é conseguido utilizando um gerador de sinal, um analisador de espectro

ou medidor de intensidade de campo, uma antena transmissora e a antena em teste.

O uso de instrumentos para este levantamento (analisador de espectro/medidor de

intensidade de campo) são de alto custo, inviabilizando muitas vezes o

levantamento de diagrama de irradiação. O objetivo desse trabalho é o

desenvolvimento e a implementação de um sistema automático para o levantamento

do diagrama de Irradiação sem a utilização do analisador de espectro ou do medidor

de campo. Para isto desenvolveu-se um sistema de rotação e medição automáticos,

onde o deslocamento, a faixa de operação e a quantidade de medidas são

ajustados de acordo com a necessidade do teste. Outro propósito do projeto surgiu

da dificuldade de disponibilidade dos equipamentos necessários para o

levantamento, pelos erros causados na medição do sinal recebido e pela medição

imprecisa da posição da antena em teste. Do estudo do sistema surgiu a idéia de se

fazer um instrumento de baixo custo como complemento do projeto. O diagrama de

irradiação tem como objetivo analisar as principais características das antenas tais

como: largura de feixe, relação frente e costa, e diretividade. Para realizar o

levantamento do diagrama de Irradiação, é necessário que a antena em teste seja

deslocada de um determinado ângulo e que seja medido o sinal recebido em relação

a uma antena transmissora. Este processo é repetido até a antena completar uma

volta. Unindo os pontos de medida em relação ao deslocamento feito, tem-se o

diagrama de irradiação. Além do custo do equipamento empregado, outra

dificuldade deste processo é que o deslocamento é feito em passos determinados

pela habilidade manual do operador, limitando a precisão do diagrama de irradiação.

Este trabalho tem como objetivo automatizar o deslocamento da antena em teste

bem como a medição do sinal recebido em cada passo de deslocamento, de modo a

gerar uma tabela indicando a medida e o ângulo associado a medida e traçar

automaticamente o diagrama de irradiação.

1.2.CONCEITOS BÁSICOS

Dos conceitos empregados nestes projetos, baseou-se no padrão IEEE-Std

149-1979 Test Procedures for Antennas, que define os fundamentos para a

confecção de diagrama de irradiação. Uma propriedade fundamental de qualquer

antena é seu padrão de irradiação. Esta propriedade pode ser medida estando a

antena em teste operando no modo transmissor ou no modo receptor. No processo

descrito para o levantamento do diagrama de irradiação o sinal transmissor é

modulado e transmitido pela antena transmissora. Na antena receptora este sinal é

recebido, demodulado e medido. Para cada passo é medido e armazenado o sinal

demodulado. Ao completar uma volta tem-se todas as medidas para traçar o

diagrama de irradiação. Este processo normaliza os seguintes parâmetros:

linearidade, posicionamento, deslocamento e medidas. Cada característica citada

será discutida nos tópicos correspondentes. Em relação à automatização do

deslocamento, [Mazo,1998] aborda o controle de motores feitos com

microcomputadores. Neste artigo o autor descreve o equipamento de ensino para

instrução no controle de vários tipos de motores, tais como: motor dc, motor de

passo, servomotor e motor sem escovas (brushless). O objetivo do projeto é o de

possibilitar o teste de funcionamento de diferentes tipos de motores e de realizar

diferentes comandos de operação de cada um. O equipamento é composto de cinco

módulos, um para cada tipo de motor e um outro para controlar a operação,

aquisição de dados e fazer a interface com o PC. O uso do computador pessoal

com a interface de usuário (para configurar diferentes tipos de motores,

controladores, display e geração de comandos) fez do equipamento uma ferramenta

de fácil manuseio e altamente versátil. A base de operação do projeto esta no elo de

comando do PC para o motor em teste, através de um interface de potência, e uma

realimentação feita pela placa de controle, instalada no motor. Este sistema foi

alterado e adaptado para compor a parte de comando do gerador automático de

diagrama de irradiação. As alterações e adaptações serão discutidas nos capítulos

pertinentes.

1.3. Organização do trabalho

Para atender à proposta deste trabalho, o texto está estruturado em oito

capítulos, incluindo esta introdução.

O segundo capítulo caracteriza o diagrama de irradiação, demonstrando a

sua aplicação em testes de antena e como pode ser levantado.

O terceiro capítulo apresenta as características de antena dipolo de meia-

onda e do sintonizador (tuner). A antena dipolo de meia-onda é antena em teste,

onde as principais características irão ser discutidas e levantadas através do

diagrama de irradiação traçado pelo gerador automático de diagrama. Em relação ao

sintonizador será enfatizado o modo de sintonia feito através do protocolo I2C e o

modo da medição do sinal recebido feito na saída do sintonizador.

O quarto capítulo apresenta os métodos de medição e de posicionamento

manual e como é levantado o diagrama de irradiação, abordando a dificuldade da

realização deste processo. A preocupação deste capítulo é de fornecer ao leitor os

conceitos básicos de como são feitas as medições e como é levantado o diagrama

de irradiação e da aplicação do diagrama de irradiação em relação a antena em

teste.

O quinto capítulo apresenta o módulo de controle, posicionador e a interface

de comando. No módulo de controle é caracterizado o microcontrolador, responsável

pela sintonia do sintonizador, pelo controle do motor de passo, pelo conversor de

sinais (analógico/digital) e pela comunicação serial com o microcomputador. No

posicionador é enfatizado a instalação da antena em teste, bem como a instalação

do motor de passo e de um sensor de posição. A interface do microcontrolador com

o microcomputador é feita de modo serial com o circuito intregrado MAX-232 (Texas

Instruments).

O sexto capítulo apresenta as dificuldades encontradas no desenvolvimento

do projeto, e expõe as soluções dadas.

O sétimo capítulo sugere a continuação do trabalho através do

desenvolvimento de instrumentos de baixo custo, derivados do projeto inicial.

O oitavo capítulo comenta os resultados em relação ao diagrama de

irradiação feitos no modo manual e no modo automático.

1.4. Fluxograma do trabalho

1.4.1. A figura 1.1 ilustra o fluxograma do microcomputador, com o seguinte

desenvolvimento;

Inicia o programa do projeto;

Através da interface RS232 verifica se o microcontrolador está respondendo. Se

afirmativo a tela de comando é exposta. Pela tela de comando ajusta-se e verifica o

canal desejado, o ponto de referência e o nível de recepção. O comando

selecionado, é enviado para o microcontrolador através da interface RS232 e retorna

em caso afirmativo. Se não retornar o sistema entra em loop.

Fig. 1.1 - Fluxograma do trabalho

Início

Verifica se

microcontrolador

está ligado.

µµ

µC

ligado?

Lê botão na

interface visual

Seleci

ona

e executa

comando

Fim

Envia comando

ao µ

µµ

µC pela RS232

µµ

µC

respondeu?

Rotina de comunicação

com o µ

µµ

µC

não

Sistema de controle em execução no PC

1.4.2. Fluxograma do microcontrolador

A figura 1.2 representa o fluxograma do microcontrolador, com as seguintes

etapas;

O microcontrolador verifica as condições programadas;

A EEPROM é inicializada, carrega parâmetros e emite sinal através da RS232

informando estar pronta. O Visual Basic interpreta as informações recebidas pelo

computador e executa o comando selecionado pelo usuário. Após a execução, o

sistema aguarda um novo comando ou finaliza o programa.

Fig. 1.2 - Fluxograma do microcontrolador

Início

EEPROM

inicializada?

Inicializa o hardware, seta

baud rate 9600,8,n,1

RA, RB, RC, RD

Conversor analógico

digital

Seleciona

e executa

comando

Lê EEPROM e seta

parâmetros, avisa estar

pronto pela RS232

Lê comando pela RS232

enviado pelo sistema em

Visual Basic

Fim

Grava delay no motor de

passo;

grava delay mudança de

canal;

seta Eeprom como já

inicializada

Sistema de Controle em execução no Microprocessador

LEVANTAMENTO DO DIAGRAMA

Capítulo 02

2.1. DEFINIÇÃO

Neste trabalho foi desenvolvido e implementado um sistema automático

para o traçado do diagrama de irradiação de uma antena receptora em relação à

antena transmissora, através do deslocamento angular da antena em teste e da

medida da intensidade do sinal recebido. O diagrama de irradiação tem o objetivo de

analisar as principais características das antenas tais como: largura de feixe, relação

frente e costa e diretividade. Para realizar o levantamento do diagrama de

Irradiação, é necessário que a antena em teste seja deslocada horizontalmente. Faz-

se a medição do sinal recebido em relação a uma antena transmissora. Este

processo e repetido até completar uma volta. A dificuldade deste processo é que o

deslocamento é feito em passos limitados pela habilidade do operador,

determinando numa pequena quantidade de medidas, comprometendo a precisão

do diagrama de irradiação, além de utilizar equipamentos de alto custo para executar

a medição do sinal recebido. As figuras 2.1 e 2.2 ilustram o processo de

levantamento do diagrama de irradiação obtido manualmente.

Fig. 2.1. Dispositivos utilizados na obtenção manual do diagrama de

irradiação

Fig. 2.2 – Diagrama do Processo Manual

No processo ilustrado na figura 2.1 possui os seguintes passos:

A freqüência de transmissão é ajustada na freqüência de operação da antena

(a figura 2.5 ilustra o equipamento utilizado nesta operação). Através de um

transferidor, o ponto de referência do posicionador é ajustado para o ponto de

máxima intensidade do sinal de recepção (a figura 2.3 ilustra o equipamento

utilizado nesta operação).a antena em teste é deslocada e, em seguida, é

feita a medição do sinal nesta posição. Ao final de uma volta tem-se os níveis

medidos do sinal em cada posição. Com estes dados traça-se o diagrama de

irradiação da antena em teste. O diagrama da figura 2.4 ilustra o diagrama de

Irradiação traçado manualmente de uma antena tipo Dipolo de meia-onda.

Fig. 2.3 Posicionador Manual

Transmissor Medidor

Fig. 2.4 - Diagrama de Irradiação Manual

Fig. 2.4 – Diagrama de Irradiação obtido Manualmente

O sistema automático tem como referência o padrão IEEE Std149-1979, e

está dividido em cinco sub-sistemas. O sub-sistema de transmissão, o sub-sistema

de recepção, o sub-sistema de posicionamento, o sub-sistema de medição, a sub-

sistema de processamento de dados.

Com base nesta divisão de processo foi implementado um Gerador

Automático de Diagrama de Irradiação para Antenas na Faixa VHF.

O sub-sistema de transmissão consiste de um gerador de RF acoplado a uma

antena transmissora. A freqüência de operação é determinada pela antena em teste

e o nível de transmissão pela distância entre as antenas. A figura 2.5 ilustra um

gerador de RF utilizado como transmissor.

Fig. 2.5 Gerador de RF

O sub-sistema de recepção é composto pela antena receptora e um

sintonizador controlado pelo protocolo I2C através de um microcontrolador. A figura

2.6 ilustra o circuito que contém o sintonizador e o microcontrolador.

Fig. 2.6 Montagem do Sintonizador com o Microcontrolador

O sub-sistema de posicionamento é constituído por um redutor de velocidade,

sensor de posição, um motor de passo, uma interface de potência e um

microcontrolador. A figura 2.7 ilustra este sub-sistema.

Fig. 2.7 Posicionador

O sub-sistema de Medição é constituído de três amplificadores ligados em

cascata, determinando um ganho de 36dB. Além do amplificadores tem-se um

retificador de meia onda, fornecendo uma tensão contínua, proporcional ao nível de

entrada do primeiro amplificador. A figura 2.8 ilustra o estágio de amplificação.

Fig. 2.8 Amplificadores de RF

Gnd

Out

120

Ω

120

Ω

120

Ω

O sub-sistema de processamento de dados possui uma interface gráfica que

foi desenvolvida em Visual Basic, e permite determinar as seguintes condições de

operação: freqüência de operação, ponto de referência, nível de sinal recebido,

controle de rotação manual, tempo de processo, tabela de medidas dos sinais e a

construção do diagrama de Irradiação. Além de possibilitar a visualização da tabela

e do gráfico, pode-se também salvar os dados em forma de arquivo. A figura 2.9

ilustra a tela principal da interface desenvolvida.

Fig. 2.9 Tela de comando

2.2. SISTEMA AUTOMÁTICO

As figuras 2.10 e 2.11 ilustram o sistema automático para o levantamento

automático do diagrama de irradiação. O sistema de transmissão é o mesmo em

relação ao modo manual, isto é, o transmissor (gerador de RF) como a antena

transmissora são mantidas no processo manual e automático. Na recepção a antena

também é mantida para se obter uma comparação entre o modo automático e o

modo manual.

Fig. 2.10 Sistema para obtenção automática do diagrama de irradiação

Fig. 2.11 – Diagrama em bloco do gerador automático

O Diagrama em bloco da figura 2.11 pode ser dividido em quatro módulos, o módulo

posicionador, o módulo de sintonia, o módulo de medição e o módulo de controle.

A descrição de funcionamento do módulo automático pode ser descrita da

seguinte forma: o microcontrolador manda uma seqüência de pulsos para o

motor através da interface de potência.Com isto, tem-se a rotação do

posicionador, o qual irá se movimentar até encontrar o ponto de referência,

localizado no disco de posicionamento instalado no posicionador.

Tuner Amplificador Detetor

Microcontrolador Posicionador Interface Computador

Motor Interface de Potência

Antena

Detectado o ponto de referência, é feito o ajuste de sintonia no tuner através do

microcontrolador, isto é , é ajustada a freqüência de operação do sistema. Na saída

do sintonizador tem-se o sinal na faixa de FI(Freqüência Intermediária),

independente do sinal de entrada. O sinal de FI é amplificado de 40 dB, elevando o

nível do sinal de microvolt para volts. O detetor irá retificar o sinal amplificado,

gerando um nível DC (corrente contínua) referente ao nível de recepção. O sinal

retificado é então convertido para digital através do conversor analógico digital do

microcontrolador. Através da interface RS232 é enviada a informação do nível de

recepção no ponto de referencia para o microcomputador. O microcontrolador

manda uma nova seqüência de pulsos, rotacionando a antena, e uma nova leitura

do sinal retificado é realizada. O nível do sinal retificado e a posição desse nível é

enviada para o microcomputador. A seqüência retorna ao item nove, até concluir a

volta completa da antena em teste.

2.3. EVOLUÇÃO

O sistema desenvolvido apresentou uma ótima performance na construção do

diagrama de irradiação. Com as mesmas condições utilizadas no levantamento

manual do diagrama de Irradiação pode-se observar nas figuras 2.12 e 2.13 que o

processo automático produziu um maior número de pontos, foi mais preciso e

permitiu um maior detalhamento do diagrama, além de automatizar todo o processo

de rotação e de medição. A figura 2.13 ilustra um diagrama de irradiação de um

dipolo de meia onda levantado pelo Gerador Automático de Diagrama de Irradiação

para Antenas na Faixa VHF, e a figura 2.12 mostra o diagrama levantado

manualmente.

Fig. 2.12 - Diagrama de irradiação obtido pelo método manual

Fig. 2.13 - Diagrama de Irradiação obtido pelo processo automático

ANTENA E SINTONIZADOR

Capítulo 03

3.1. CARACTERIZAÇÃO

Para plotar o diagrama de irradiação é necessário realizar a medida da

intensidade do sinal de rádio freqüência em relação a uma certa fonte. Para isto,

utiliza-se uma Antena, um Sintonizador, um Medidor e um Posicionador. As

próximas seções explicam com detalhes.

3.2. ANTENA

É um dispositivo capaz de irradiar ou interceptar ondas eletromagnéticas [8].

As antenas podem, receber ou transmitir sinais de rádio, pois a sua dimensão é

determinada pela freqüência de operação. A diferença está no nível de sinal

aplicado, a antena transmissora trabalha com níveis de sinais da ordem de watts até

kilowatts, enquanto que as antenas receptoras operam na faixa de miliwatts ou

microwatts. Uma antena denominada dipolo de meia onda é ilustrada na figura 3.1.

Fig. 3.1 – Antena Dipolo de Meia Onda

Em relação a figura 3.1 tem-se dois condutores de comprimento igual a um

quarto do comprimento de onda (λ) dado pela freqüência de operação. Um condutor

é ligado ao centro do cabo coaxial e o outro na malha de terra do mesmo cabo. Na

outra extremidade do cabo é conectado o transmissor ou o receptor, ligando a

antena ao sistema.

Transmissor/Receptor

Linha de Transmissão

Condutores

O comprimento de onda é calculado através da equação:

λ=

(3.1)

Onde: λ é o comprimento de onda

V é a velocidade da luz

F é a freqüência de trabalho

Determinando o comprimento de onda pode-se determinar o comprimento dos

condutores do dipolo de meia onda, isto é, cada condutor terá o comprimento de

onda dividido por quatro.

As principais características das antenas estão relacionadas com a sua

impedância de entrada, com a eficiência de irradiação e com a maior ou menor

capacidade de concentrar energia em uma certa direção. Estas características serão

detalhadas nos próximos tópicos.

3.2.1. Impedância de Entrada

É definida como sendo a impedância que a antena apresenta em seus

terminais. Esta impedância deve coincidir com o valor da impedância de saída do

transmissor, obtendo-se a máxima transferência de potência do transmissor para a

carga (antena).

Fig. 3.2 – Diagrama de transmissão/recepção

Transmissor/

Receptor

Linha de Transmissão

Antena

Impedância de

Entrada

3.3. DIAGRAMA DE IRRADIAÇÃO

Representa o modo com que uma antena irradia em um meio físico, portanto,

é a representação gráfica da forma de distribuição de energia em torno da antena

em teste, quer atuando como antena transmissora ou como receptora. Os diagramas

obtidos na maioria dos casos práticos recebem os nomes Diagramas no Plano E

(plano que contém o vetor campo elétrico) e Diagrama no Plano H (plano que

contém o vetor campo magnético). O diagrama em bloco da figura 3.3 ilustra de

como é feito o levantamento do diagrama de irradiação.

Fig. 3.3 – Levantamento do diagrama de radiação.

A freqüência e a potência do transmissor são ajustadas de acordo com a

distancia e a freqüência de operação da antena em teste. O processo de

levantamento do diagrama de irradiação é descrito no item 2.1

Enquanto antena transmissora irradia com um nível de potência fixo, na

antena receptora o sinal vai sendo medido a cada passo pré-determinado. Assim

após uma volta teremos todos os passos com os níveis correspondentes. Plotando

os valores medidos temos o diagrama de irradiação. A figura 3.4 ilustra o diagrama

de irradiação característico de uma antena dipolo de meia onda [8].

Fig. 3.4 – Diagrama de Irradiação

Transmissor

Medidor

Em relação ao diagrama de irradiação da figura 3.4 pode-se observar que a

leitura dos dados foram adquiridos de dez em dez graus e os níveis protados foram

referenciados ao maior nível e que a área de cobertura situa-se dentro do círculos

esboçados.

Com este diagrama, pode-se determinar a largura de feixe, a relação frente

costa e até o ganho em relação a uma antena padrão.

3.4. DIPOLO DE MEIA ONDA

O tipo de antena mais simples é o dipolo de meia onda, constituindo-se na

antena padrão para as medidas em outras antenas mais complexas. O dipolo de

meio comprimento de onda ou, simplesmente, dipolo de meia onda pode ser dividido

ou não. Basicamente, o seu comprimento físico é a metade do comprimento de onda

do sinal. A figura 3.5 ilustra um dipolo de meia onda não dividido e a figura 3.6 ilustra

um dipolo de meia onda dividido.

Fig. 3.5 – Dipolo de meia onda não dividido

Fig. 3.6 – Dipolo de meia onda dividido

O dipolo de meia onda é o mais curto condutor que pode ser usado para se

demonstrar todas as características de um circuito ressonante sintonizado. O ponto

de alimentação do dipolo é no ponto médio, que representa uma impedância

característica de 73Ω + j 42,5Ω [8]. Na prática, o diâmetro dos condutores desses

dipolos varia, fazendo com que a antena perca suas características ressonantes a

um comprimento de meia onda. A solução consiste em encurtá-lo, usando-se para

isto tabelas específicas. Com este processo podemos ajustar a impedância de

entrada do dipolo para 50Ω [8], a qual é a impedância normalizada para a

transmissão de sinais. A figura 3.7 ilustra um dipolo de meia onda, projetado para a

freqüência de 500MHz.

Fig. 3.7 – Dipolo de meia onda para 500MHz

O dipolo com estas dimensões terá a sua melhor performance em 500MHz

com uma impedância de característica de 50Ω, a qual é a impedância normalizada

para transmissão de sinais.

3.4. SINTONIZADOR

A função do sintonizador é de selecionar, entre os vários sinais presentes,

aquele de interesse do usuário [3]. O sinal sintonizado é filtrado, amplificado e

convertido para uma faixa de freqüência denominada de Freqüência Intermediária

(FI).O diagrama em bloco da figura 3.8 ilustra um sintonizador básico.

Fig. 3.8 – Sintonizador básico

O diagrama acima representa a sintonia das faixas de VHF e UHF. Os

próximos itens detalham cada parte do sintonizador.

Filtro A

Filtro B

Amplificador A

Amplificador B

Filtro C

Filtro D

Mixer A

Oscilador A

Mixer B

Oscilador B

Amplificador

(50+j0)

Ω

(•)

25mm

/4 = 127,5mm

(•

) A separação de 25mm

é fruto de observações

experimentais.

Filtro A é composto basicamente por um circuito LC, onde C é um capacitor

variável, com isto a freqüência de ressonância se altera. A variação de capacitância

é conseguida através de diodo denominado de Varactor. A sua principal

característica é a variação da capacitância com a tensão de polarização. Como a

sua polarização é reversa, quanto maior a tensão aplicada menor será a

capacitância de junção. Assim a freqüência de ressonância de um circuito LC

paralelo pode ser alterada pela tensão aplicada.

A equação (3.1) define como a variação da capacitância altera a freqüência

de ressonância [3].

( )

= (3.2)

Onde:

Freqüência de Operação

L Indutor do Circuito Tanque

C Capacitor do Circuito Tanque

Em relação a equação dada pode-se concluir que, variando o capacitor (C) ou

o indutor (L), a freqüência Fo altera. Se a emissora que está transmitindo tiver a

mesma freqüência de Fo a emissora estará sintonizada ( freqüência da emissora

igual a freqüência de ressonância (Fo)), então o sinal da emissora passa pelo filtro,

enquanto as demais emissoras são rejeitadas.

Amplificador é um amplificador de banda larga, isto é, amplifica os sinais nas

faixas de VHF ou de UHF (internamente há dois amplificadores sendo que cada um

amplifica uma faixa especifica). O ganho desses amplificadores é da ordem de 20

dB, com uma impedância de entrada e saída de 75Ω.

Filtro B tem as mesmas características do Filtro A, tendo como principal

função a eliminação dos produtos de intermodulação, produzidos pelo amplificador.

Oscilador Local é um circuito que a partir de uma alimentação de corrente

contínua, fornece um sinal variável no tempo. O oscilador do sintonizador é

composto por um amplificador com realimentação positiva, isto é, uma parte do sinal

de saída é aplicada à entrada provocando a oscilação, gerando um sinal senoidal.

O oscilador local utiliza as características do oscilador de radiofreqüência, os quais

geram sinais na faixa de VHL (Freqüência Muito Baixa) até a faixa de SHF

(Freqüência Super Alta). Os osciladores realimentados utilizam circuitos LC para

realizar a realimentação e para controlar a freqüência de oscilação. Como nos filtros

(A e B), o circuito LC utiliza o diodo Varactor para controle da freqüência de

oscilação. Assim a freqüência de oscilação pode ser controlada por uma fonte de

alimentação de corrente continua.

O Misturador (Mixer) recebe o sinal sintonizado pelo filtro e o sinal gerado

pelo oscilador local. A freqüência do oscilador é ajustada em 45,75 MHz acima da

freqüência de sintonia, isto é, se a freqüência de sintonia for 55,25 MHz a freqüência

do oscilador será de 101 MHz (Freqüência do oscilador local do canal 02).

O resultado na saída do misturador e a soma e a diferença entre os dois

sinais, assim um sinal da faixa de transmissão é convertido para a faixa de FI. O

sinal desejado é dado pela diferença, portanto, necessitamos de um filtro ou de

amplificador de FI para eliminar o sinal resultante da soma.

O misturador e o oscilador local formam um conversor, onde os sinais transmitidos

são convertidos para a faixa de freqüência intermediária. A sintonia do sintonizador é

feita através de um protocolo de comunicação denominado I2C. O protocolo I2C foi

concebido pela Philips Semiconductos na década de 80 e simboliza a abreviação de

i Inter Integrated Circuis (Entre Circuitos Integrados) e seu propósito inicial era poder

conectar um pequeno número de dispositivos em uma única placa [4]. Os primeiros

dispositivos a utilizar este padrão foram os destinados a controlar digitalmente a

sintonia, volume e outras funções de controle de rádios, TVs, e videocassetes. O

protocolo I2C tornou-se popular por requerer somente duas linhas em seu

barramento e ser de fácil implementação. Estas duas linhas estão divididas em SDA

– Serial Data Line (Linha Serial de Dados) e SCL – Serial Clock Line (Linha Serial de

Clock). Cada dispositivo é conectado paralelamente ao barramento sem a

necessidade de qualquer trilha adicional de Slave Select. A localização de cada

dispositivo é endereçada via software e somente uma comunicação

MASTER/SLAVE pode existir a cada vez. O protocolo I2C utiliza a comunicação

half-duplex, o que torna a comunicação I2C lenta. Desta forma, o barramento I2C é

mais recomendado onde a velocidade é menos crítica que a flexibilidade de

implementação. O diagrama da figura 3.9 ilustra uma aplicação do protocolo I2C,

onde a sintonia do sintonizador (slave) é controlada pelo microcontrolador (Master).

Fig. 3.9 Controle de sintonia

O circuito do sintonizador é ilustrado na figura 3.10 com as devidas alimentações,

ajustes do nível de CAG através do potenciômetro, as linhas de comando (AS, CLK,

SDA), entrada de sinal e saída de FI (Freqüência Intermediária) . O ajuste do nível

do CAG é feito com um nível fixo dentro da faixa de operação do sintonizador ( -

10dBmV à 30dBmV).

Fig. 3.10 Alimentação do Sintonizador

A figura 3.11 ilustra o sintonizador (TCDH9-215

). As principais características deste

modelo são, o ganho de potência ( 40 dB), a faixa de trabalho (VHF, UHF e CATV) e

o controle de sintonia (PLL)

Microcontrolador

( Master )

Sintonizador

( Slave )

15 Vdc

5 Vdc

TCDH9 - 215A

AS CLK SDA

Ω

Fig. 3.11 Sintonizador

MEDIÇÃO E POSICIONAMENTO

Capítulo 04

4.1 MEDIÇÃO

A medida do nível de sinal de chegada é feita no modo de levantamento manual

através de um analisador de espectro ou de um medidor de intensidade de campo.

No modo automático esta medição é feita da através do sinal fornecido pelo

sintonizador, o qual é amplificado e retificado. Este sinal retificado representa um

nível DC correspondente a medição feita no modo manual. A figura 4.1 ilustra o

diagrama em bloco do processo de automático

Fig. 4.1 Diagrama em bloco

O nível aplicado em sua entrada é então elevado da ordem de milivolt para

volts, tendo um ganho da ordem de 40dB. O componente utilizado no amplificador é

um Monolithic ( Microwave Integrated Circuit) MAS-0385, com as seguintes

características:

Faixa de operação DC a 2.5GHz

Ganho típico 13dB

Nível de saída 10dBm

Incondicionalmente estável

O esquema elétrico do amplificador é ilustrado na figura 4.11

Fig. 4.11 Amplificador esquema elétrico.

Sintonizador

Amplificador

Retificador

4.2. RETIFICADOR

Na saída do terceiro amplificador tem-se um sinal na freqüência de

45,75MHz, este sinal é então aplicado ao retificador, entregando em sua saída um

nível Dc correspondente ao sinal de entrada [2]. O esquema elétrico do retificador é

ilustrado na figura 4.12. A função do potenciômetro é ajustar a região linear de

operação do diodo, com isto, a variação da entrada é mantida na saída. Esta faixa

de linearidade do diodo é de 10 dB. Para melhorar esta faixa pode-se trocar o diodo

1N60 por um diodo de melhor performance, por exemplo o diodo 1N28 ou mudar o

sistema para usar um resistor dependente da temperatura (termistor) . No projeto

esta variação foi suficiente para o levantamento do diagrama de irradiação.

Fig. 4.12 Retificador de meia-onda

4.3 POSICIONADOR

O Posicionador é dividido em duas partes, sendo uma constituído por um

sistema de transmissão e a outra por um sistema de identificação de posição.

4.2.1. Sistema de Transmissão

Nem sempre encontramos as características exatas de velocidade ou de

torque para realizar as tarefas necessárias. Neste caso, o mesmo necessita ficar

afastado do dispositivo a ser manipulado, assim tornou-se necessário a utilização de

transmissores mecânicos na execução da atividade. Existem vários modos de

realizar a transmissão mecânica de potência: correntes, engrenagem, eixo de

transmissão, polias, entre outros. No sistema de posicionamento foi utilizado a

transmissão por engrenagem e por eixo de transmissão.

4.4 Transmissão por Engrenagem

Este tipo de transmissão é feita por duas ou mais engrenagem, sendo uma

fixa no sistema. Quando ocorre o movimento giratório de uma das engrenagens do

sistema, ocorre o deslocamento de todo o conjunto de engrenagens. Para melhorar

a precisão do conjunto foi colocado um motor de passo acoplado ao sistema de

engrenagem através de um eixo de transmissão. O sistema de posicionamento é

ilustrado na figura 4.13.

Fig. 4.13 – Sistema de Posicionamento

4.5 Sistema de Identificação de Posição

O sistema de identificação de posição é dividido nas seguintes partes: disco

perfurado e foto sensor.

4.6 Disco Perfurado

É feito por um disco de plástico perfurado, com um conjunto de foto emissor

acoplado para a detecção do ponto de referência. Assim, o primeiro passo para

inicialização do processo é a identificação do ponto de referência. Através do

microcontrolador, o posicionador irá se deslocar 180º no sentido horário, se não

encontrar o ponto de referência, o posicionador retorna na posição de partida e

desloca 180º no sentido anti-horário. Quando a fonte de luz incide no foto-sensor,

este reconhece o ponto de referência e manda um sinal de informação para o

microcontrolador para referenciar o ponto de partida. O disco perfurado é ilustrado

na figura 4.14.

Fig. 4.14 - Disco perfurado

4.7 Leitura do Ponto de Referência

Para o reconhecimento do ponto de referência tem-se uma fonte de luz (foto-

diodo) e um foto-sensor (foto-transistor), formando um acoplador óptico [6]. O

esquema elétrico do acoplador óptico é ilustrado na figura 4.15.

Fig. 4.15 – Sensor Óptico

O funcionamento do acoplador acontece da seguinte forma. O foto-diodo

emite constantemente uma luz quando devidamente polarizado. Com o motor de

passo em movimento, o dispositivo de fixação da antena também se move.

Quando o furo do disco coincide com o foto-diodo, a luz deste incide no foto-

transistor, levando o transistor do estado de corte para o estado de condução. Como

mostra o diagrama da figura 4.16.

Fig. 4.16 - Sensor de Posição

A chave S5 sinaliza que a luz não está incidindo no foto-transistor, com isto,

temos um circuito comparado como uma chave aberta e o ponto de teste se

encontra com um nível alto (5 volts). A chave S4 sinaliza que a luz está incidindo no

foto-transistor, estando o mesmo saturado (chave fechada) e o ponto de teste se

encontra com nível baixo (0 volt)

MÓDULO DE CONTROLE

Capítulo 05

5.1. CONTROLE

Este capítulo descreve a parte dos atuadores e do controle eletrônico feito

através do microcontrolador. Para isto, será utilizado um motor de passo, uma

interface de potência e um microcontrolador (Pic-16F877)[12].

5.2. ACIONADOR

Neste estágio é utilizado como acionador o motor de passo, uma vez que

existe a necessidade de um dispositivo preciso e que possa ser controlado por

sinais digitais.

5.2.1. Motor de Passo

O motor de passo é um transdutor que converte energia elétrica em

movimento mecânico e é controlado por uma seqüência de pulsos que excitam ou

não os pólos de seu enrolamento, girando o eixo de acordo com uma seqüência

pré-determinada, e é composto por duas partes, o rotor e o estator. O rotor é

mostrado na figura 5.1[11].

Fig. 5.1- Rotor do motor de passo

É denominado rotor o conjunto eixo-imã que rodam solidariamente na parte

móvel do motor. No rotor tem-se o eixo central, onde é utilizado como fixador dos

imãs permanentes e para acionar dispositivos externos.

A figura 5.2 ilustra o estator do motor de passo[11]. Define-se como estator a

trave fixa onde as bobinas são enroladas.

Fig.5.2 - Estator do motor de passo

5.2.2. Funcionamento do Motor de Passo.

Normalmente os motores de passo são projetados com enrolamento de

estator polifásico o que não foge muito dos demais motores. O número de pólos é

determinado pelo passo angular desejado por pulsos de entrada. Os motores de

passo têm alimentação externa. Conforme os pulsos na entrada do circuito de

alimentação, este oferece correntes aos enrolamentos certos para fornecer o

deslocamento desejado, como veremos em breve. Será analisado agora, os motores

de passo com imã permanente, que além do número de fases do motor, apresenta

outra subdivisão entre estes componentes, que é sua polaridade. Motores de passo

unipolares são caracterizados por possuírem um center-tape entre o enrolamento de

suas bobinas. Normalmente utiliza-se este center-tape para alimentar o motor, que é

controlado aterrando-se as extremidades dos enrolamentos.

Abaixo segue a figura 5.3 onde pode-se notar que tal motor possui duas

bobinas e quatro fases[11]. A alimentação do motor é feita pelas derivações centrais

( BLK e WHT) e a seqüência de pulsos pelas derivações laterais (RED, WHT/RED,

GRN e WHT/BLK).

Fig. 5.3 – Motor com 2 bobinas e 4 fases

Diferentes dos unipolares, os motores bipolares exigem circuitos mais

complexos.

A grande vantagem em se usar os bipolares é prover maior torque, além de

ter uma maior proporção entre tamanho e torque. Fisicamente os motores têm

enrolamentos separados, sendo necessário uma polarização reversa durante a

operação para o passo acontecer. Em seguida vemos a figura 5.4 ilustrando o motor

bipolar[11].

Fig. 5.4 – Motor bipolar

Um motor de corrente contínua, quando alimentado, gira no mesmo sentido e

com rotação constante, ou seja, para que estes motores funcionem, é necessário

apenas estabelecer sua alimentação.

Com o auxilio de circuitos externos de controle, estes motores de corrente

contínua poderão inverter o sentido de rotação ou variar sua velocidade.

Para que um motor de passo funcione, é necessário que sua alimentação seja

feita de forma seqüencial e repetida. Não basta apenas ligar os fios do motor de

passo a uma fonte de energia e sim ligá-los a um circuito que execute a seqüência

requerida pelo motor.

Internamente, os motores têm seus enrolamentos similares a Figura 5.5[11].

Fig. 5.5 – Enrolamentos dos motores

A energização de uma, e somente uma bobina de cada vez produz um

pequeno deslocamento no rotor. Este deslocamento ocorre simplesmente pelo fato

de o rotor ser magneticamente ativo e a energização das bobinas criar um campo

magnético intenso que atua no sentido de se alinhar com as pás do rotor. Assim, ao

polarizar de forma adequada às bobinas, movimenta-se o rotor somente entre as

bobinas (passo inteiro). As figuras 5.5 e 5.6 ilustram os movimentos executados[11].

Fig. 5.6 – Motor bipolar com passo inteiro

Fig. 5.7 – Motor bipolar com meio passo

As Tabelas abaixo ilustram a seqüência em que devem ser alimentadas as

bobinas do motor. Para rotação no sentido horário, a Tabela 5.1 deve ser

selecionada, para a rotação anti-horária a Tabela 5.2 deve ser seguida.

Tabela 5.1 – Rotação no sentido horário

1 0001

2 0010

3 0100

4 1000

Tabela 5.2 – Rotação no sentido anti-horário

1 1000

2 0100

3 0010

4 0001

Para obter uma rotação constante é necessário que a energização das

bobinas seja periódica. Esta periodicidade é proporcionada por circuitos eletrônicos

que controlam a velocidade e o sentido de rotação do motor.

O pequeno ângulo deslocado pelo rotor depende do número de dentes do mesmo

assim como o número de fases do motor. Em geral, o número de dentes do rotor

multiplicado pelo número de fases revela o número de passos por revolução.

Por se tratar de sinais digitais, fica claro a versatilidade dos motores de

passo. São motores que apresentam uma gama de rotação muito ampla;

apresentam boa relação peso/potência; permitem a inversão de rotação em pleno

funcionamento; alguns motores possuem elevada precisão; possuem ótima

frenagem do rotor e podem mover-se passo-a-passo. Mover o motor de passo

resume-se ao seguinte: se um determinado motor de passo possuir um passo de

15º, isto significa que cada volta do eixo do motor é dividida 24 passos.

O sistema de controle baseia-se em um circuito oscilador onde é gerado um

sinal cuja freqüência é diretamente relacionado com a velocidade de rotação do

motor de passo. Esta freqüência é facilmente alterada (seja por atuação em

componentes passivos ou por meio eletrônico) dentro de um determinado valor

assim, o motor apresenta uma rotação mínima e uma máxima.

O próximo passo é providenciar um circuito amplificador de saída, pois

algumas aplicações exigem uma demanda de corrente relativamente elevada.

Cabe ao circuito amplificador de saída fornecer estas correntes de forma

segura, econômica e rápida. O circuito amplificador de saída é constituído de

transistores e/ou dispositivos de potência que drenam corrente em torno de 500 mA

ou mais. Motores de passo geralmente suportam correntes acima de 1,5 Ampères. O

amplificador de saída é o dispositivo mais solicitado em um projeto de controle de

motor de passo. Devido às variações de trabalho a que pode ser submetido o motor

de passo, um amplificador mal projetado pode limitar muito o conjunto como um

todo. Um exemplo destas limitações pode ser facilmente entendido. Um motor de

passo girando a altas rotações, e que repentinamente, é solicitado a inverter sua

rotação, no momento da inversão, apresenta correntes muito altas e que devem ser

drenadas por um circuito amplificador que as suporte.

O torque do motor de passo depende da freqüência aplicada à alimentação.

Quanto maior a freqüência, menor o torque, porque o tempo de alimentação das

bobinas é inversamente proporcional a freqüência com isto, rotor tem que ter uma

resposta rápida para mover-se de um ângulo para outro.

A faixa de partida deste motor é aquela na qual a posição da carga segue os

pulsos sem perder passos. A faixa de giro é aquela na qual a velocidade da carga

também segue a freqüência dos pulsos, mas com uma diferença: não pode partir,

parar ou inverter, independente do comando.

5.3. INTERFACE

Para fazer o isolamento com o microcontrolador e alimentar o motor de passo

é usado um circuito integrado (ULN-2803)[12]. Os dispositivos de controle utilizado

foi de malha aberta, uma vez que o motor utilizado foi o motor de passo, onde

apresenta um bom desempenho no controle de movimentação e frenagem.

5.3.1. Malha Aberta

É um controle onde não há realimentação sensorial, portanto, não há a

orientação de onde se encontra o eixo do motor. Se houver um erro, o controle não

tem a capacidade de corrigi-lo e as informações continuam a ser executadas com

erro. A Figura 5.8 ilustra o controle em malha aberta.

Fig. 5.8 – Controle de malha aberta

5.3.2. Comando

O controle do sistema é feito através do Microcontrolador 16F877 do

fabricante Microchip. Para o controle do motor são necessárias quatro saídas, que

enviam uma seqüência de bits de forma repetitiva e fazem o motor rotacionar de

forma contínua. A seqüência de pulsos é ilustrada na Tabela 5.3.

Interface Comando Motor

Tabela 5.3 – Rotação no sentido horário

1 0001

2 0010

3 0100

4 1000

Relacionando a figura 5.3 com a tabela 5.3, tem-se seis fios, o fio branco e o

fio preto são ligados na fonte de alimentação, e o fio vermelho, vermelho/preto,

verde, branco/preto recebe a seqüência de pulsos, isto é, enquanto o fio vermelho

recebe o pulso (nível alto) os demais não recebem (nível baixo). Ao término de cada

seqüência, quatro pulsos, tem-se uma rotação de 30º, para cada pulso temos um

deslocamento de 7,5º. Esta seqüência não pode ser alterada, isto é, o fio vermelho é

excitado, depois vermelho/ branco, verde e por último branco/verde.

Esta seqüência movimenta o motor no sentido horário. No caso de mudança

de sentido, a seqüência de pulsos é alterada. Esta seqüência para o sentido anti-

horário é ilustrada na Tabela 5.4.

Tabela 5.4 – Rotação no sentido anti-horário.

1 1000

2 0100

3 0010

4 0001

5.3.3. Interface de Potência

O módulo de interface é dividida em duas partes, sendo uma de isolação

(Buffer) e a outra de potência (Driver). A isolação e a etapa de potência é feita pelo

CI-ULN2803. O diagrama elétrico é ilustrado na figura 5.9:

Fig. 5.9 – Driver de potência

ULN

2803

5.4. INTERFACE DE COMANDO

Este módulo é constituído de dois circuitos independentes, isto é, um circuito

de excitação, um amplificador de corrente. O circuito elétrico da interface de potência

é ilustrado na figura 5.10. Neste circuito duas entradas são controladas por um único

comando, com isto, as saídas correspondente podem alimentar o mesmo

enrolamento, aumentando a capacidade de corrente para o motor.

Fig. 5.10 Circuito elétrico da interface de potência

5.5. MICROCONTROLADOR ( PIC 16F877 )

O microcontrolador é definido como sendo um sistema integrado, pois ele é

constituído por uma unidade de processamento, memórias e dispositivos de

entradas e de saídas em um único chip[7]. Neste projeto é utilizado um

microcontrolador da família PIC.

Um dos aspectos principais do PIC é que tem-se uma ampla gama de

variedades de modelos desenvolvidos a partir de uma mesma filosofia de produto.

Esta característica, permite a compatibilidade de códigos (linguagem) e de estruturas

de programação, pois um código escrito para um modelo de PIC pode-se ser

aplicado para um outro modelo sem grandes mudanças. O microcontrolador age no

sintonizador, no atuador, e faz a comunicação com várias partes do projeto, para

isto, são empregadas dez portas de saída, três de entradas. Além do número de

ULN

2804

PIC 36

PIC 35

PIC 34

PIC 33

entradas e de saídas, o microcontrolador deve ter a possibilidade de realizar a

conversão de sinais analógico para digital e de fazer a comunicação serial com

tuner(I2C) e como microcomputador. Estas etapas serão detalhadas nos próximos

itens.

5.5.1. Controle do sintonizador

Este controle é feito através de uma comunicação serial, o qual utiliza duas

linhas de comunicação, denominadas de serial data (SDA) e serial clock (SDL), por

ter somente duas ligações é denominado de comunicação I2C [4]. O protocolo de

comunicação I2C tem bem definidos o início da transmissão (Start) e o final (Stop).

A Figura 5.11 ilustra o controle de sintonia.

Fig. 5.11 – Controle de sintonia

5.5.2. Conversor Analógico/Digital

Como o sinal na saída do retificador é analógico, o mesmo tem de ser

convertido para a forma digital para ser enviado para a entrada serial do

microcomputador. Para isto usaremos o conversor interno do microcontrolador. O

diagrama da figura 5.12 ilustra o processo de conversão.

Fig. 5.12 – Conversor A/D

5.5.3. Controle do Motor

Para controlar o motor usa-se quatro portas do microcontralador. Estas portas

são configuradas para fornecer a seqüência de rotação do motor. A interface será

feita através de um estágio de potência. A figura 5.13 ilustra o processo.

Conversor

Sintonizador

Microcontrolador

Fig. 5.13 – Controle do motor de passo

5.5.4. Comunicação Serial

É um tipo de comunicação onde é exigido uma via de sincronismo entre o

receptor e o transmissor, para que haja a marcação do momento exato da

transmissão/recepção de cada bit. Isto é conseguido através do clock, que nada

mais é que uma onda quadrada que sincroniza o sistema. A figura 5.14 ilustra uma

comunicação serial assíncrona.

Fig. 5.14 – Comunicação serial assíncrona.

As principais características da comunicação serial são:

Precisa de um elemento de partida e de parada para cada caractere, não consegue

alta velocidade devido a possíveis erros de sincronismo, simples de gerar e detectar,

permite a construção de equipamentos de baixo custo.

Por estas características apresentadas mais a condição de se usar somente dois

fios a comunicação serial foi adotada no desenvolvimento do sistema.

Microcontrolador

Driver de Potência

Motor

Transmissor

Master

Receptor

Slave

Dados/sincr

Referência

PROBLEMAS E SOLUÇÕES

Capítulo 06

6.1. SENSOR DE POSIÇÃO

Para controlar a posição da leitura da medida do sinal de RF foi construído

um disco perfurado. Esta perfuração segue a codificação denominada GRAY

conforme ilustra a figura 6.1

Fig. 6.1 – Disco Perfurado

Como pode-se verificar, a construção é crítica. Uma pequena diferença

causa a detecção errada da posição. Além da perfuração, há também que ter uma

detecção de cada trilha por um único sensor, pois um foto emissor pode afetar um

outro foto sensor de outra trilha. A solução encontrada é à implementação do

programa de controle do motor de passo, isto é, para cada seqüência de pulsos é

feita uma pausa e nesta pausa, é realizada a medição do sinal de RF. E para iniciar

o processo é colocado um disco com somente um furo de referência. O novo disco é

ilustrado na figura 6.2.

Fig. 6.2 – Disco com somente um furo.

6.1.1. Driver de Potência

O módulo de potência utilizado não estava suportando o consumo do motor

de passo, e com isso super aquecia. Para resolver este problema substituiu-se CI-

ULM-2003 pelo CI ULN-2803 o qual possui oito drivers. Para utilizar-se somente

quatro drivers, montou-se um conjunto duplo, composto de dois drivers ligados em

paralelo. Com isto dobra-se a capacidade de corrente do driver. Contudo, o driver de

potência ainda aquecia, então foi colocado um dissipador de potência e diminuído o

tempo de duração dos pulsos de comando (diminuindo o tempo de alimentação do

motor). O esquema elétrico atualizado é mostrado na figura 6.3.

Fig. 6.3 – Driver de potência

6.1.2. Tracionador

Como as antenas receptoras trabalham com níveis baixos de potência, o

suporte e tracionador não precisam ser robustos. Para tanto é utilizado um motor de

passo e um fixador como mostra a figura 6.4.

Fig. 6.4 – Tracionador de antena

Com este sistema, é observado que o consumo de corrente é elevado e o

sistema de fixação da antena forçava a tração do motor. Por isto, mudou-se o

projeto , além do motor de passo é utilizado um redutor mecânico com ilustra a figura

6.5.O redutor utilizado faz uma redução de vinte e sete vezes, como o motor de

passo desloca 30º para cada seqüência de pulsos, tem-se este deslocamento

dividido por vinte e sete. Assim no posicionador tem-se um deslocamento de 1,11º

para cada deslocamento de 30º no motor de passo. Com esta redução, consegue-

se ampliar a gama de antenas que pode-se ser avaliadas. Uma outra característica

verificada foi a diminuição do consumo do motor de passo, que ficou abaixo de 600

mA, dentro das suas características

Fig. 6.5 – Tracionador de antena atual

RESULTADOS E CONCLUSÕES

Capítulo 07

7.1.CONSIDERAÇÕES FINAIS

O sistema construído atendeu em parte as especificações do projeto. A faixa de

trabalho do sistema é de 18dB, e o padrão IEEE-Test Procedures for Antennas

especifica 60dB. Esta diferença será objeto de estudo, melhorando o amplificador de

freqüência intermediária(FI) e o retificador de FI. Em relação ao campo de prova, o

padrão IEEE recomenda uma avaliação precisa para evitar reflexões de sinais,

afetando o resultado do teste. A faixa de trabalho (18db) irá afetar antenas cuja a

relação frente e costa for superior a 18dB. Outros fatores que influenciaram o

levantamento dos diagramas foram,

1- Torção do cabo da antena em teste;

2- Variação da freqüência do transmissor;

3- Falta de linearidade do sintonizador;

4- Faixa linear estreita do retificador de FI.

As figuras 7.1, 7.2, 7.3, 7.4, 7.5 e 7.6 mostram os diagramas de irradiação para

vários níveis de sinais. Cada diagrama exposto será analisado de acordo com o seu

levantamento.

Fig. 7.1 - Diagrama de irradiação com nível de +3dBm

Em relação a figura 7.1 o nível de +3dBm saturou o retificador de FI, isto é

saiu da faixa linear do conversor.

Fig. 7.2 - Diagrama de irradiação com nível de 0dBm.

A figura 7.2 mostra que o nível de transmissão é alto, saturando também o

retificador.

Fig. 7.3 - Diagrama de irradiação com o nível de -9dBm.

Na figura 7.3 tem-se o diagrama esperado, contudo há uma descontinuidade

dos pontos de medidas ao longo do processo de levantamento.

Fig. 7.4 - Diagrama de irradiação com o nível de -6dBm.

Com o nível de -6dBm, os pontos estão mais próximos resultando num diagrama

mais uniforme.

Fig. 7.5 - Diagrama de irradiação com o nível de -3dBm.

O diagrama da figura 7.5 já esta bem próximo do ponto ideal, mas ainda há falhas

na construção.

Fig. 7.6 - Diagrama de irradiação com o nível de -2dBm.

Em -2dBm tem-se o diagrama de irradiação bem próximo do ideal, demonstrando

que está operando no melhor ponto de quiescente do dispositivo. Este ponto de

operação pode ser ajustado no retificador, contudo a faixa linear é de 18dB,

diminuindo a sua gama de medidas.

TRABALHOS FUTUROS

Capítulo 08

8.1. EQUIPAMENTOS

Além do traçador de diagrama de radiação pode-se desenvolver vários

equipamentos e instrumentos derivados do projeto inicial. Tais projetos serão

enumerados nos próximos itens.

8.2. MEDIDOR DE INTENSIDADE DE CAMPO

Como há o controle de sintonia dos canais de TV pode-se realizar as medidas

das portadoras de áudio e vídeo na faixa de FI. Para que o nível de FI corresponda

ao nível de entrada e só ajustar o valor do ganho do módulo através do controle

automático de ganho (CAG). Neste processo usaremos o protocolo I2C para realizar

a sintonia, como para alterar as escalas de níveis e de frequencia. O diagrama em

bloco do projeto é ilustrado na figura 8.1.

Fig. 8.1 – Medidor de intensidade de campo

A figura 8.2 ilustra um medidor de campo comercial.

Fig. 8.2 Medidor de intensidade de campo comercial

Microcontrolador

Sintonizador Medidor Display

8.3. DEMODULADOR DE ÁUDIO E VÍDEO

Para verificar a compressão do pulso de sincronismo, pode-se usar um

demodulador como ilustrado na figura 8.3. Além da compressão do pulso de

sincronismo, pode-se verificar a performa do sinal de vídeo e áudio.

Fig. 8.3 – Demodulador

Microcontrolador

Sintonizador Demodulador Atenuador

Vídeo

Áudio

REFERÊNCIAS

1. http://www..cs.indiana.edu/Facilities/hardware/B442_inv_pend/b442_pend_index

_html. Visitado em 7-abril-2005.

2. Gomes, A. T.; Telecomunicações: Transmissão e Recepção AM-FM: sistemas

pulsados. 14. ed. São Paulo: Érica, 1998.

3. Nascimento, J. do; Telecomunicações, 2. ed. São Paulo: Makron Books, 2000.

4. Souza Jr, José Carlos de; Conectando o PIC 16F877 - Recursos Avançados. 1

ed. São Paulo: Érica, 1998.

5. IEEE Standard; Test Procedures for Antenas: Copyright by the Institute of

Electrical & Electronics Engineers Inc - Fri Nov 19, 10:58:18 1999.

6. Malvino, Albert, PhD - Eletrônica - Ed Makron Books - 4 edição

7. De Souza, David José e Lavinia, Nicolas Cesár - Conectando o Pic

8. Ribeiro, Aurélio Garcia; Curso de Antenas e Linhas De Energia de

Radiofrequência - Ed Spiral Comunicação - 1999

9. Tanembaum, Andrews, PhD - Redes de Computadores - Ed. Campus - 3 edição

10. Idoeta, Ivan Valeije E Capuano, Francisco Gabriel - Elementos De eletrônica

Digital. Érica 30 edição.

11. http://recreio.gta.ufrj.br/grad/01_1/motor/ Visitado em 21-02-2005.

12. http://www.alldatasheet.com - Visitado em 19-01-2005

Livros Grátis
( http://www.livrosgratis.com.br )
 
Milhares de Livros para Download:
 
Baixar livros de Administração
Baixar livros de Agronomia
Baixar livros de Arquitetura
Baixar livros de Artes
Baixar livros de Astronomia
Baixar livros de Biologia Geral
Baixar livros de Ciência da Computação
Baixar livros de Ciência da Informação
Baixar livros de Ciência Política
Baixar livros de Ciências da Saúde
Baixar livros de Comunicação
Baixar livros do Conselho Nacional de Educação - CNE
Baixar livros de Defesa civil
Baixar livros de Direito
Baixar livros de Direitos humanos
Baixar livros de Economia
Baixar livros de Economia Doméstica
Baixar livros de Educação
Baixar livros de Educação - Trânsito
Baixar livros de Educação Física
Baixar livros de Engenharia Aeroespacial
Baixar livros de Farmácia
Baixar livros de Filosofia
Baixar livros de Física
Baixar livros de Geociências
Baixar livros de Geografia
Baixar livros de História
Baixar livros de Línguas

Baixar livros de Literatura
Baixar livros de Literatura de Cordel
Baixar livros de Literatura Infantil
Baixar livros de Matemática
Baixar livros de Medicina
Baixar livros de Medicina Veterinária
Baixar livros de Meio Ambiente
Baixar livros de Meteorologia
Baixar Monografias e TCC
Baixar livros Multidisciplinar
Baixar livros de Música
Baixar livros de Psicologia
Baixar livros de Química
Baixar livros de Saúde Coletiva
Baixar livros de Serviço Social
Baixar livros de Sociologia
Baixar livros de Teologia
Baixar livros de Trabalho
Baixar livros de Turismo
 
 