São crescentes as pesquisas e os projetos envolvendo o eletromagnetismo. Tanto para as pesquisas quanto para os projetos, tem-se o recurso de realizar simulações computacionais dos problemas envolvidos, a fim de investigar o comportamento dos fenômenos eletromagnéticos diante da situação na qual encontram-se. Há casos, contudo, em que o problema pode ficar computacionalmente grande, requisitando maior quantidade de memória e maior tempo de processamento, devido às geometrias envolvidas ou à acuracidade desejada. Com o objetivo de contornar estas questões, tem-se o desenvolvimento da computação paralela. Uma das implementações possíveis de sistema paralelizado é por meio de uma rede de computadores e, empregando-se programas gratuitos, tem-se sua realização a custo praticamente nulo. O presente trabalho, utilizando o método FDTD, visa a implementação de tal sistema paralelizado. Entretanto, na etapa de desenvolvimento, uma especial atenção foi dada às boas práticas de programação, com o objetivo de garantir ao programa flexibilidade, modularidade e expansibilidade. Adicionalmente, desenvolveu-se uma ferramenta matemática para estimar o tempo de processamento total de uma simulação paralelizada, além de fornecer indicativos de ajustes de parâmetros para que este tempo seja o menor possível. Validam-se o código, o sistema paralelizado e a ferramenta matemática com alguns exemplos. Finalmente, realiza-se um estudo para uma aplicação prática de interesse com a ferramenta desenvolvida. / Researches and projects involving electromagnetic problems are continuously increasing. As much for researches as for projects, there is a resource of achieving computer simulations for the involved problems aiming to investigate the electromagnetic phenomenons behavior, in the situation they are. There are cases, however, the problem results in high computational size, requesting more memories sizes and high processing times, because of the given geometries or high accuracy wanted. With the intent of solving these questions, the parallel computation developing becomes interesting. One of the possible implementations of this parallel system is the use of a computer network. Besides, using free programms, the implementation has almost any costs. The present work, using the FDTD method, aims at the implementation of this parallel system. However, during the development stage, a special attention was given to the programming practices, with the intent of guaranteeing the flexibility, modularity and expansibility of the program. In addition, a mathematic tool was developed to estimate the total processing time of the parallel simulation and to predict indications for adjustments of parameters to reach the minimum time possible. The code, the parallel system and the mathematic tool are validated with some examples. Finally, a study for a practical aplication of interest is done with the developed tool.

São crescentes as pesquisas e os projetos envolvendo o eletromagnetismo. Tanto para as pesquisas quanto para os projetos, tem-se o recurso de realizar simulações computacionais dos problemas envolvidos, a fim de investigar o comportamento dos fenômenos eletromagnéticos diante da situação na qual encontram-se. Há casos, contudo, em que o problema pode ficar computacionalmente grande, requisitando maior quantidade de memória e maior tempo de processamento, devido às geometrias envolvidas ou à acuracidade desejada. Com o objetivo de contornar estas questões, tem-se o desenvolvimento da computação paralela. Uma das implementações possíveis de sistema paralelizado é por meio de uma rede de computadores e, empregando-se programas gratuitos, tem-se sua realização a custo praticamente nulo. O presente trabalho, utilizando o método FDTD, visa a implementação de tal sistema paralelizado. Entretanto, na etapa de desenvolvimento, uma especial atenção foi dada às boas práticas de programação, com o objetivo de garantir ao programa flexibilidade, modularidade e expansibilidade. Adicionalmente, desenvolveu-se uma ferramenta matemática para estimar o tempo de processamento total de uma simulação paralelizada, além de fornecer indicativos de ajustes de parâmetros para que este tempo seja o menor possível. Validam-se o código, o sistema paralelizado e a ferramenta matemática com alguns exemplos. Finalmente, realiza-se um estudo para uma aplicação prática de interesse com a ferramenta desenvolvida. / Researches and projects involving electromagnetic problems are continuously increasing. As much for researches as for projects, there is a resource of achieving computer simulations for the involved problems aiming to investigate the electromagnetic phenomenons behavior, in the situation they are. There are cases, however, the problem results in high computational size, requesting more memories sizes and high processing times, because of the given geometries or high accuracy wanted. With the intent of solving these questions, the parallel computation developing becomes interesting. One of the possible implementations of this parallel system is the use of a computer network. Besides, using free programms, the implementation has almost any costs. The present work, using the FDTD method, aims at the implementation of this parallel system. However, during the development stage, a special attention was given to the programming practices, with the intent of guaranteeing the flexibility, modularity and expansibility of the program. In addition, a mathematic tool was developed to estimate the total processing time of the parallel simulation and to predict indications for adjustments of parameters to reach the minimum time possible. The code, the parallel system and the mathematic tool are validated with some examples. Finally, a study for a practical aplication of interest is done with the developed tool.

Este trabalho consiste no projeto e implementação em CMOS de um circuito integrado digital para geração de sinais, denominado Oscilador Controlado Numericamente. O circuito será aplicado em um sistema de Espectroscopia por Bioimpedância Elétrica, utilizado como método para detecção precoce de câncer do colo do útero. Durante o trabalho, realizou-se o estudo dos requisitos do sistema de espectroscopia e as especificações dos tipos de sinais a serem gerados. Levantou-se, na bibliografia, algumas técnicas de codificação em linguagem de hardware para otimização do projeto nos quesitos área, potência dissipada e frequência máxima de funcionamento. Para implementar o circuito, também se pesquisou o fluxo de projeto de circuitos digitais, focando as etapas de codificação em linguagem de descrição de hardware Verilog e os resultados de síntese lógica e de layout. Foram avaliadas duas arquiteturas, empregando-se algumas das técnicas de codificação levantadas durante o estudo bibliográfico. Estas arquiteturas foram implementadas, verificadas em plataforma programável, sintetizadas e mapeadas em portas lógicas no processo TSMC 180 nm, onde foram comparados os resultados de área e dissipação de potência. Observou-se, nos resultados de síntese lógica, redução de área de 78% e redução de 83% na dissipação de potência total no circuito em que se aplicou uma das técnicas de otimização em comparação com o circuito implementado sem otimização, utilizando uma arquitetura CORDIC do tipo unrolled. A arquitetura com menor área utilizada - 0,017 mm2 - foi escolhida para fabricação em processo mapeado. Após fabricação e encapsulamento do circuito, o chip foi montado em uma placa de testes desenvolvida para avaliar os resultados qualitativos. Os resultados dos testes foram analisados e comparados aos obtidos em simulação, comprovando-se o funcionamento do circuito. Observou-se uma variação máxima de 0,00623% entre o valor da frequência do sinal de saída obtido nas simulações e o do circuito fabricado. / The aim of this work is the design of a digital integrated circuit for signal generation called Numerically Controlled Oscillator, designed in 180 nm CMOS technology. The application target is for Electrical Bioimpedance Spectroscopy system, and can be used as a method for early detection of cervical cancer. Throughout the work, the spectroscopy system requirements and specifications of the types of signals to be generated were studied. Furthermore, the research of some coding techniques in hardware language for design optimization in terms of area, power consumption and frequency operation was conducted looking into the bibliography. The digital design flow was studied focusing on the Verilog hardware description language and the results of logic synthesis and layout, in order to implement the circuit. Reviews of two architectures have been made, using some of the encoding techniques that have been raised during the bibliographical study. These architectures have been implemented, verified on programmable platform, synthesized and mapped to standard cells in TSMC 180 nm process, which compared the area and total power consumption of results. Based on the results of logic synthesis, a 78% area reduction and 83% power consumption reduction were obtained on the implemented circuit with encoding techniques for optimization in comparison with the another circuit using a CORDIC unrolled architecture. The architecture with smaller area - 0.017 mm2 - was chosen for implementation in the mapped process. After the circuit fabrication and packaging, the chip was mounted on an evaluation board designed to evaluate the functionality. The test results were analyzed and compared with the simulation results, showing that the circuit works as expected. The output signals were compared between theoretical and experimental results, showing a maximum deviation of 0.00623%.

Este trabalho consiste no projeto e implementação em CMOS de um circuito integrado digital para geração de sinais, denominado Oscilador Controlado Numericamente. O circuito será aplicado em um sistema de Espectroscopia por Bioimpedância Elétrica, utilizado como método para detecção precoce de câncer do colo do útero. Durante o trabalho, realizou-se o estudo dos requisitos do sistema de espectroscopia e as especificações dos tipos de sinais a serem gerados. Levantou-se, na bibliografia, algumas técnicas de codificação em linguagem de hardware para otimização do projeto nos quesitos área, potência dissipada e frequência máxima de funcionamento. Para implementar o circuito, também se pesquisou o fluxo de projeto de circuitos digitais, focando as etapas de codificação em linguagem de descrição de hardware Verilog e os resultados de síntese lógica e de layout. Foram avaliadas duas arquiteturas, empregando-se algumas das técnicas de codificação levantadas durante o estudo bibliográfico. Estas arquiteturas foram implementadas, verificadas em plataforma programável, sintetizadas e mapeadas em portas lógicas no processo TSMC 180 nm, onde foram comparados os resultados de área e dissipação de potência. Observou-se, nos resultados de síntese lógica, redução de área de 78% e redução de 83% na dissipação de potência total no circuito em que se aplicou uma das técnicas de otimização em comparação com o circuito implementado sem otimização, utilizando uma arquitetura CORDIC do tipo unrolled. A arquitetura com menor área utilizada - 0,017 mm2 - foi escolhida para fabricação em processo mapeado. Após fabricação e encapsulamento do circuito, o chip foi montado em uma placa de testes desenvolvida para avaliar os resultados qualitativos. Os resultados dos testes foram analisados e comparados aos obtidos em simulação, comprovando-se o funcionamento do circuito. Observou-se uma variação máxima de 0,00623% entre o valor da frequência do sinal de saída obtido nas simulações e o do circuito fabricado. / The aim of this work is the design of a digital integrated circuit for signal generation called Numerically Controlled Oscillator, designed in 180 nm CMOS technology. The application target is for Electrical Bioimpedance Spectroscopy system, and can be used as a method for early detection of cervical cancer. Throughout the work, the spectroscopy system requirements and specifications of the types of signals to be generated were studied. Furthermore, the research of some coding techniques in hardware language for design optimization in terms of area, power consumption and frequency operation was conducted looking into the bibliography. The digital design flow was studied focusing on the Verilog hardware description language and the results of logic synthesis and layout, in order to implement the circuit. Reviews of two architectures have been made, using some of the encoding techniques that have been raised during the bibliographical study. These architectures have been implemented, verified on programmable platform, synthesized and mapped to standard cells in TSMC 180 nm process, which compared the area and total power consumption of results. Based on the results of logic synthesis, a 78% area reduction and 83% power consumption reduction were obtained on the implemented circuit with encoding techniques for optimization in comparison with the another circuit using a CORDIC unrolled architecture. The architecture with smaller area - 0.017 mm2 - was chosen for implementation in the mapped process. After the circuit fabrication and packaging, the chip was mounted on an evaluation board designed to evaluate the functionality. The test results were analyzed and compared with the simulation results, showing that the circuit works as expected. The output signals were compared between theoretical and experimental results, showing a maximum deviation of 0.00623%.