Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2017-05-31T13:05:45Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3899216 bytes, checksum: ce045da97def621627bd461b4b58db2d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-31T13:05:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3899216 bytes, checksum: ce045da97def621627bd461b4b58db2d (MD5) Previous issue date: 2008-12-16 / O tratamento do ar utilizado em processos agrícolas é uma das atividades essenciais para preservar a qualidade dos produtos ou catalisar os processos para que as atividades de processamento se desenvolvam de forma eficiente. A utilização da circulação do ar como ferramenta de arrasto e transporte de umidade do produto ou do ar que, entremeado em determinada massa de produtos, promove a secagem, a aeração ou resfriamento desse produto. Um dos processos de tratamento desse ar é sua secagem, por meio de aquecimento. Um dos métodos empregados para promover o aquecimento do ar utiliza uma máquina, conhecida como bomba de calor. A aplicação da bomba de calor tem sido, na sua grande maioria, utilizada em regime único de operação de compressão. O controle da taxa de compressão é um dos focos desse trabalho, onde as avaliações dos resultados do funcionamento da bomba de calor, em diversas taxas de compressão, forneceram ar com diferentes valores de umidade relativa e de temperatura. A bomba de calor, utilizada no experimento de beneficiamento de café descascado e desmucilado foi fabricada pela Cool Seed Resfriamento Artificial, sob a orientação do Professor Adílio Flauzino Lacerda Filho. Nesse equipamento um ventilador em regime único é responsável para insuflar o ar nos equipamentos agrícolas. Nesse equipamento, um ventilador em regime único de operação é responsável para insuflar o ar nos equipamentos agrícolas. Um inversor de freqüência, modelo CFW-08 fabricado pela WEG Automação Ltda., foi utilizando para controlar o compressor da bomba, usando sua função multispeed, com a qual foi possível determinar oito regimes diferentes de operação para o compressor fornecendo ar na saída com características psicrométricas diferentes. Os valores de freqüência ajustada, umidade relativa e temperatura do ar na saída da bomba de calor foram coletados, analisados e equacionados. A partir dessas informações e da análise do funcionamento do inversor, foi desenvolvida uma interface para operação manual ou automática, deixando o painel do inversor isolado, garantindo segurança para o operador. A automatização dos controles utilizou chaves ACIONAAC ® e ACIONAACDC ® , com relés, tendo como base chaves digitais DS2406 fabricadas pela Dallas Semiconductor usando a tecnologia 1-Wire TM e uma rotina computacional de acionamento dessas chaves desenvolvida em DELPHI. Os sensores usados para medição de umidade relativa e temperatura ambiente utilizam o dispositivo UMETER®, tendo como base o sensor de umidade relativa HIH-4000 produzido pela Honeywell e o conversor AD DS2438 fabricado pela Dallas Semiconductor utilizando a tecnologia 1-Wire TM . Outra máquina frigorífica foi utilizada para o resfriamento de produtos agrícolas. Essa máquina é um modelo de linha da empresa Cool Seed Resfriamento Artificial, na qual somente seu ventilador tem a sua velocidade controlada por um inversor de freqüência, modelo CFW-09 produzido pela empresa WEG Equipamentos Elétricos S.A. Foi realizado o resfriamento de frutos de café previamente secados e armazenados em um silo de 12m 3 de volume interno. A massa de frutos de café foi resfriada até atingir uma temperatura em torno de 10 o C na parte inferior do silo e 12 o C no topo do silo. Essa máquina frigorífica não sofreu alterações. Porém, o ar fornecido pelas máquinas, que modificam as suas características características desejadas psicrométricas, para o pode não processamento de apresentar as determinados produtos. Sendo assim, é necessário fazer correções ou de umidade relativa, ou de temperatura, do ar a ser empregado. Uma caixa de mistura com uma válvula de mistura foi desenvolvida para realizar o ajuste da grandeza desejada. A correção é realizada pela abertura dessa válvula, usando um motor de passo acionado por um microcontrolador acionado por chaves ACIONAACDC®, promovendo a mistura do ar atmosférico (sem tratamento) com o ar já processado. Pequenas correções são possíveis devido à pequena vazão que essa válvula proporciona. Sua abertura é controlada por uma rotina computacional desenvolvida em DELPHI para monitorar os valores da umidade relativa do ar na saída da caixa de mistura e acionar as chaves. A integração dessa caixa de mistura com uma fonte de ar processado foi experimentada e apresentou na saída alteração em até 10% no valor da umidade relativa do ar na entrada. A caixa de mistura, os sensores e as chaves utilizadas foram desenvolvidos experimentalmente exclusivamente para serem utilizados nesse trabalho. / The treatment of the air used in agricultural processes is one of the essential activities to preserve the product quality or to catalyze the processes so that the processing activities are efficiently developed. The use of the air circulation as a tool for dragging and transporting moisture from the product or humidity from the air inside the void spaces in determined mass of products, promotes its drying, aeration or cooling. One of the processes used is to heat the air by using a machine called heat pump. The heat pump application has been, in general, used in single regimen of compression operation. The control of the compression rates is one of the objectives of this work, for which the evaluation of the heat pump operation for several compression rates resulted demonstrated the possibility of obtaining airflow with different relative humidity and temperature. The heat pump used in the experiment of coffee drying processing was manufactured by the company Cool Seed Resfriamento Artificial, under Dr. Adílio Flauzino de Lacerda Filho supervision. In this equipment a fan under single operation regimen is responsible to blow the air through the agricultural equipment. A frequency inverter, model CFW-08 manufactured by WEG Equipamentos Elétricos Ltda. was used to control the compressor of the heat pump by using its multispeed function, turning it possible to obtain eight different modes of operation for the compressor, supplying air at the pump outlet with different psychrometric characteristics. The values of adjusted frequency, relative humidity and temperature of the air at the heat pump outlet had been collected, analyzed and equated. Based on this information and analysis of the inverter operation, an interface for manual or automatic operation was developed, leaving isolated the inverter panel in order to guarantee the safety for the operator. The automation of the controls was developed using the digital switches called ACIONAAC ® and ACIONAACDC ® , with relays, based on the digital switch DS2406 manufactured by Dallas Semiconductor using the 1-Wire TM technology, and a computational routine written in DELPHI to activate these switches. The air relative humidity and ambient temperature were measured using a device called UMETER®, constructed with HIH-4000 humidity sensor, manufactured by the company Honeywell, and a DS2438 AD converter, manufactured by the company Dallas Semiconductor using 1-Wire TM the technology. Another refrigerating machine was used for cooling of agricultural products. This new machine is a commercial model of the company Cool Seed Resfriamento Artificial. In machine only the fan speed is controlled speed by a frequency inverter, model CFW-09, manufactured by WEG Equipamentos Elétricos S.A. It was realized the cooling of previously dried and stored coffee fruits in a silo with 12 m 3 of internal volume. The bulk of coffee was cooled until reach a temperature of, approximately, 10 o C at the bottom and 12 o C at the top of the bin. This refrigerating machine had no modifications. However, the airflow supplied by the machines that modify its psychrometric characteristics, may not present the desired characteristics for processing of certain products. Therefore it may be necessary to make corrections of the relative humidity or temperature of the airflow to be used. A mixture chamber with a mixture valve was developed to carry out the adjustment of the desired parameters. The correction is made by opening this valve, using an step motor controlled by a microcontroller driven by an ACIONAACDC® switch, realizing the mixture of atmospheric air (without treatment) with the already treated air. Small corrections are possible due to small outflow that this valve provides. The opening of the valve is controlled by a computational routine developed in DELPHI to monitor the values of the air relative humidity at the outlet of the mixture chamber and to activate the switches. The integration of this mixture chamber with a processed air source was tested and presented a change in the value of the relative humidity at the outlet up to 10% as compared with that at the inlet. The mixture chamber, some sensors and switches were developed experimentally exclusively to be used in this work.

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Submitted by FLAVILENE DA SILVA SOUZA (flavilener3@gmail.com) on 2018-04-24T19:08:16Z No. of bitstreams: 1 tese_flavilene_final.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-24T19:20:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souza_fs_dr_ilha.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-24T19:20:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souza_fs_dr_ilha.pdf: 13353047 bytes, checksum: d43d4d8f0c658e67b155882a0640ae05 (MD5) Previous issue date: 2018-03-02 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Neste trabalho foram realizados estudos, análises, simulações e implementações de um sistema de power harvesting utilizando transdutores piezelétricos, com o objetivo de extrair a máxima potência. A fim de alcançar tal objetivo, o sistema mecânico e a interface elétrica foram analisados com foco na quantidade de potência extraída. Com os resultados básicos desses estudos, tem-se que o desempenho de tais sistemas depende da interação eletromecânica, da deformação, da frequência de excitação e da carga conectada. Com exceção do último, esses parâmetros não interferem no modelo tradicional de simulação no SPICE. Para aprimorar os resultados da simulação, foi proposta uma metodologia para a modelagem do sistema mecânico com a interface elétrica, implementada e avaliada em MATLAB/Simulink e em SPICE com VHDL-AMS. Além disso, um novo circuito eletrônico, denominado Conversor Direto CA-CC com Chaveamento Sincronizado - CDCS, foi projetado para maximizar a potência média extraída e reduzir sua dependência com a frequência de excitação e com a carga conectada. Os resultados das simulações foram comparados com dados experimentais para os circuitos eletrônicos retificador em ponte e SSHI em paralelo. A modelagem desenvolvida em SPICE com VHDL-AMS apresentou melhores resultados, pois permite uma modelagem mais precisa dos componentes eletrônicos sem comprometer o domínio mecânico. Comparado com três circuitos existentes na literatura (retificador em ponte, SSHI em paralelo e SECE), o circuito proposto obteve os maiores valores de potência extraída (102 µW) e de eficiência (70 %), além de apresentar resultados satisfatórios na faixa de operação da carga (1 kΩ - 1 MΩ) e largura de banda (6,0 Hz). / In this work studies, analysis, simulations and the implementation of power harvesting system using piezoelectric transducer were done aiming to extract its maximum power. In order to achieve this goal, the mechanical system and electrical interface were analyzed especially focused on the amount of power that can be able to extracted. The conclusion of these studies was that the system performance depends of the electromechanical interaction, deformation, excitation frequency and the connected load. Except for the latter, these parameters does not interfered in the standard model by SPICE. To improve the simulation results, a novel methodology for modeling the mechanical system with electrical interface was proposed. It was implemented and evaluated in MATLAB/Simulink and in SPICE with VHDL-AMS. In addition, a new electronic circuit, well know as Direct AC-DC Converter with Synchronous Switch (CDSS), was designed to improve the extract power and the response at the frequency of excitation and the connected load. The simulation results were compared with experimental data for the electronic circuits: bridge rectifier and P-SSHI. The SPICE with VHDL-AMS model offered the best results, since it allows accurate model for the electrical component without compromising the mechanical system. The performance of the proposed circuit was compared with three electronic circuits (bridge rectifier, P-SSHI and SECE). The results show that the proposed circuit presented the higher power extracted (102 μW) and of efficiency (70%). In addition, both the resistance range (1 kΩ - 1 MΩ) and the bandwidth (6,0 Hz) were improved. / CAPES: 99999.006504/2015-09

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Orientador: Jose Antonio Siqueira Dias / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-08T10:27:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Moraes_LucianoCamaraBuenode_M.pdf: 4566206 bytes, checksum: 004300417197b06c786d6cac40898584 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo propor um sistema de baixo custo para conversão de veículos urbanos convencionais para propulsão elétrica. Serão abordadas também, técnicas, de paralelismo de dispositivos semicondutores para altas demandas de potência, motores elétricos, baterias, e sistemas de recarga. De uma maneira geral o projeto apresenta a viabilização de uni kit prático de conversão que permite a Substituição do sistema de tração original (gasolina ou álcool) para o sistema de tração elétrica movido à bateria interna recarregável, para uso urbano que, futuramente, possa ser produzido em larga escala. Os resultados dos modelos teóricos são confrontados com os testes práticos. É apresentado, ao final, um veículo completo, que opera apenas com propulsão elétrica, bem como os íesíes realizados neste veículo / Abstract: The objective of the dissertation is to present a low cost system for the utilization of electric propulsion in urban vehicles powered with internal combustion engines, ft will be discussed semiconductor devices parallelism techniques for high demands of power, electric engines, batteries, and re-charge- systems. In a general way. the project has as objective the design of a conversion kit that allows the substitution of the of original traction of the vehicle by an electric traction system with rechargeable interna! batteries, and that can be produced in large scale. The results of the theoretical models are compared with the practical evaluation tests. The experimental results measured in a complete vehicle assembled using the developed kit are presented / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Orientador: Eduardo Tavares Costa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-11T02:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Zanella_FabioPieroni_M.pdf: 8365446 bytes, checksum: c1fa57572fdaf7e48b08a6a5fb58a524 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: O ultra-som na medicina tem passado por enorme evolução nas últimas décadas e ocupado posição de destaque cada vez maior como ferramenta para terapia e diagnóstico. Isso é devido principalmente ao fato de que os equipamentos de diagnóstico por ultra-som são de relativo baixo custo, o ultra-som é uma radiação não-ionizante e permite realização de exame por método não-invasivo e as imagens são geradas e visualizadas em tempo real. Na geração de imagens deste tipo, é comum a utilização de transdutores matriciais. Entretanto, o Brasil apresenta defasagem tecnológica com respeito à construção destes transdutores e à eletrônica envolvida em sua operação. O objetivo deste trabalho consistiu no desenvolvimento de circuitos eletrônicos com 12 canais de geração e de recepção de ondas ultra-sônicas para operação com transdutor matricial linear. O sistema é capaz de excitar transdutores piezoelétricos e receber ecos ultra-sônicos na faixa de 0,5 a 30 MHz e tem seus circuitos de recepção protegidos contra a alta tensão dos pulsos gerados para a excitação do transdutor. Os disparos dos elementos do transdutor e o tempo de corte dos sinais nos circuitos de recepção, para evitar receber sinais indesejáveis referentes ao período inicial de oscilação do transdutor, são controlados via circuito com microcontrolador PIC 16F877 que, juntamente com o programa de controle, foram desenvolvidos para conectar o sistema a um microcomputador. Os 12 canais foram caracterizados eletricamente e verificou-se seu funcionamento utilizando um transdutor piezoelétrico linear de 12 elementos com 1 MHz de freqüência central, especialmente desenvolvido para este trabalho. Os resultados mostraram que o sistema funciona adequadamente, gerando imagem de um phantom construído em nosso laboratório / Abstract: Ultrasound in medicine has gone through great evolution in the last few decades and has occupied important position as a tool for therapy and diagnosis. This is due to the ultrasound equipment be of relatively low-cost, ultrasound is a non-ionizing radiation, is a non-invasive imaging method, and the images are created and seen in real time. It is common the use of transducer arrays in order to generate this kind of image. There is a lack of know how in Brazil relative to the construction of these transducers and the involved electronics in their operation. The objective of this work was the development of a multi-purpose 12 channel pulser/receiver electronic circuitry to operate with linear transducer arrays. The system is able to fire ultrasound piezoelectric transducers and to receive ultrasound echo signals in the range 0.5-30 MHz. The system has reception circuits with protection against high voltage pulses. The firing of transducer elements and cutting time of the reception circuits, to avoid unwanted signals of natural initial transducer oscillations, can be controlled via PIC 16F877 hardware and software designed to connect the system to a microcomputer. The electrical characteristics of the 12 channel pulser/receiver and its use in firing a specially constructed 1 MHz 12 element PZT transducer array has been carried out and the images of a specially constructed phantom showed that it can be used in laboratory conditions / Mestrado / Engenharia Biomedica / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho apresenta uma arquitetura geral para evolução de circuitos eletrônicos analógicos baseada em algoritmos genéticos. A organização lógica privilegia a interoperabilidade de seus principais componentes, incluindo a possibilidade de substituição ou melhorias internas de suas funcionalidades. A plataforma implementada utiliza evolução extrínseca, isto é, baseada em simulação de circuitos, e visa facilidade e flexibilidade para experimentação. Ela viabiliza a interconexão de diversos componentes aos nós de um circuito eletrônico que será sintetizado ou adaptado. A técnica de Algoritmos Genéticos é usada para buscar a melhor forma de interconectar os componentes para implementar a função desejada. Esta versão da plataforma utiliza o ambiente MATLAB com um toolbox de Algoritmos Genéticos e o PSpice como simulador de circuitos. Os estudos de caso realizados apresentaram resultados que demonstram a potencialidade da plataforma no desenvolvimento de circuitos eletrônicos adaptativos. / This work presents a general architecture of an evolutionary system for electronic analog circuits based on genetic algorithms. The platform design enables interoperability of its main components including module substitution or functionality improvement. In the current version it implements the extrinsic model, that means, circuit simulation aiming the flexibility and easy experimentation. It enables free interconnection on a number of nodes of a circuit to be synthesized or adapted. The evolutionary technique Genetic Algorithms is used to search for the best interconnection solution on the desired circuit or circuit function. In the current version it makes use of the MATLAB with a genetic algorithm toolbox and the PSpice to simulate circuits. The case studies presented demonstrate the potential of the platform to adapt electronic circuits.

Este trabalho aborda os soft errors em conversores de dados analógico-digitais e a mitigação usando redundância e diversidade. Nas tecnologias CMOS recentes, os efeitos singulares (SEEs, Single Event Effects) são um grupo de efeitos da radiação espacial que afetam a confiabilidade e disponibilidade dos sistemas. Os soft errors são SEEs que não danificam diretamente o sistema e podem ser posteriormente corrigidos. Seus principais subgrupos são o Single Event Upset (SEU), o Single Event Transient (SET) e o Single Event Functional Interrupt (SEFI). Uma das técnicas em nível de sistema amplamente usadas para proteger os circuitos eletrônicos desses efeitos é a Redundância Modular Tripla (TMR, Triple Modular Redundancy), que pode ainda ser melhorada com a adição da técnica de diversidade. Nesse contexto, esse trabalho adota um esquema baseado nessas duas técnicas para a implementação de um sistema de aquisição de dados (SAD) analógico-digital. Seus objetivos são observar o comportamento dos conversores de dados frente aos soft errors e avaliar a eficácia de um sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal contra esses efeitos da radiação. A implementação desse SAD em um SoC (System-on-Chip) da Cypress Semiconductor, chamado PSoC 5LP e fabricado em tecnologia CMOS de 130 nm, propiciou a realização de dois estudos: no primeiro, é realizada a irradiação com nêutrons, caso de particular interesse para os equipamentos eletrônicos embarcados em aviões; e no segundo, são realizadas injeções de falhas por software e em tempo de execução nos registradores de controle dos periféricos e na SRAM do PSoC 5LP. O resultado da irradiação do primeiro estudo foi a não observância de erros, o que impediu cumprir os objetivos propostos para esse teste. Essa situação permitiu duas observações principais: primeiro, o fluxo de nêutrons do experimento é uma característica fundamental que impacta na capacidade de se observar os efeitos da radiação, principalmente quando a seção de choque do circuito em análise é baixa; e segundo, de que a probabilidade de ocorrerem mascaramentos de SETs nos circuitos combinacionais e analógicos é elevada, o que contribui significativamente para reduzir a sensibilidade desses circuitos. Para avaliar a eficácia do sistema baseado em TMR e diversidade espacial-temporal foi então realizada uma investigação teórica baseada em análise combinatória, e os resultados mostraram que a adição de diversidade temporal gera, em comparação ao TMR clássico, um ganho significativo na tolerância de falhas duplas e múltiplas, ao preço de um aumento do atraso do circuito. Os resultados das injeções de falhas por software e em tempo de execução nos registradores de controle dos periféricos e na SRAM mostraram que apenas um baixo percentual das falhas injetadas é detectado na forma de erros, convergindo para a justificativa de que os mascaramentos foram determinantes para a não observância de erros no primeiro estudo, de injeção de falhas por radiação. Também verificou-se que os registradores de controle dos periféricos são mais importantes no nível de aplicação do que os dados da memória SRAM. Considerações sobre a auto injeção de falhas e auto monitoramento sugerem que a utilização desses conceitos pode trazer diversas limitações e complicadores aos testes. / The present thesis addresses the soft errors in analog-to-digital data converters and mitigation of such errors using redundancy and diversity. In modern CMOS technologies, the Single Event Effects (SEEs) comprises an important group of space radiation effects that influence the reliability and availability of the systems. Soft errors are SEEs that do not directly damage the system and that can be further corrected. Their main subgroups are the Single Event Upset (SEU), the Single Event Transient (SET) and the Single Event Functional Interrupt (SEFI). One of the system level techniques broadly used to protect the electronic circuits against these effects is the Triple Modular Redundancy (TMR), which may be improved with the addition of the diversity technique. In this context, this work proposes a scheme based on these two techniques to implement a tolerant analog-to-digital data acquisition system (DAS). The main objectives are to observe the behavior of the data converters under soft errors, and evaluate the effectiveness of a system based on TMR and spatial-temporal diversity on mitigating these radiation effects. The implementation of this DAS in a Programmable SoC (System-on-Chip) from Cypress Semiconductor (PSoC 5LP) manufactured in 130 nm CMOS, allowed the development of two studies. In the first one, an irradiation with neutrons is performed, case of particular interest to electronic equipment embedded on planes. In the second study, runtime software fault injections are performed at the peripheral control registers and SRAM of the studied device. As a result from irradiation on the first study no errors were found, what does not allowed meet the objectives of this test. This situation allow two main observations: first, the neutron flux of the experiment is a key feature that influences the ability to observe the radiation effects, mainly when the cross section of the circuit in analysis is low; and second, the probability of occurring SETs masking in combinational and analog circuits is high, which contributes significantly to reduce the sensibility of these circuits. To evaluate the effectiveness of a system based on TMR and spatial-temporal diversity then was performed a theoretical investigation based on combinatorial analysis, and the results show that the addition of temporal diversity generates a significant gain in tolerating double and multiple faults, if compared to the classical TMR, at the price of an increase in the circuit delay. The results of the second study, performed by runtime software fault injections at the peripheral control registers and SRAM, showed that only a low percentage of injected faults is detected as errors, according to the justification that no errors were found on irradiation of neutrons due to masking. Also was verified that at the application level the peripheral control registers are more important than the data stored in the SRAM memory. Considerations for faults self-injection and self-monitoring were done, suggesting that the use of these concepts may bring numerous limitations to the test.

Este trabalho apresenta uma arquitetura geral para evolução de circuitos eletrônicos analógicos baseada em algoritmos genéticos. A organização lógica privilegia a interoperabilidade de seus principais componentes, incluindo a possibilidade de substituição ou melhorias internas de suas funcionalidades. A plataforma implementada utiliza evolução extrínseca, isto é, baseada em simulação de circuitos, e visa facilidade e flexibilidade para experimentação. Ela viabiliza a interconexão de diversos componentes aos nós de um circuito eletrônico que será sintetizado ou adaptado. A técnica de Algoritmos Genéticos é usada para buscar a melhor forma de interconectar os componentes para implementar a função desejada. Esta versão da plataforma utiliza o ambiente MATLAB com um toolbox de Algoritmos Genéticos e o PSpice como simulador de circuitos. Os estudos de caso realizados apresentaram resultados que demonstram a potencialidade da plataforma no desenvolvimento de circuitos eletrônicos adaptativos. / This work presents a general architecture of an evolutionary system for electronic analog circuits based on genetic algorithms. The platform design enables interoperability of its main components including module substitution or functionality improvement. In the current version it implements the extrinsic model, that means, circuit simulation aiming the flexibility and easy experimentation. It enables free interconnection on a number of nodes of a circuit to be synthesized or adapted. The evolutionary technique Genetic Algorithms is used to search for the best interconnection solution on the desired circuit or circuit function. In the current version it makes use of the MATLAB with a genetic algorithm toolbox and the PSpice to simulate circuits. The case studies presented demonstrate the potential of the platform to adapt electronic circuits.