Sistemul de Directionare al Semnalelor

În domeniul telecomunicațiilor, procesării semnalelor, sau mai general în electricitate și electronică, un semnal este orice cantitate care variază în timp sau spațiu. În electronică ,un semnal condiționat înseamnă manipularea unui semnal analogic în așa fel încât să îndeplinească cerințele pentru următoarea etapă , adica prelucrarea ulterioară . Cea mai des utilizare este în convertoarele analog -digitale .

In aplicații de inginerie de control , se obișnuiește să aibă o etapă de detectare ( care constă dintr-un senzor ) , o etapă de condiționare a semnalului ( unde de obicei amplificarea a semnalului se face ) și o etapă de prelucrare ( efectuata în mod normal de un ADC și un microcontroler ) . Amplificatoare operaționale (AP) sunt de obicei folosite pentru a efectua amplificarea semnalului în etapa de semnal condiționat .

1.2.Tipuri de semnale:

A.Semnale analogice

Din punct de vedere al achiziției de date, semnalele analogice pot fi clasificate în trei categorii : semnale cu variație lentă în timp (de tip c.c.), semnale cu variație rapidă în timp ,semnale .în domeniul frecvență. Semnal analogic poate este continuu în timp și în valori.

B.Semnale digitale

1.3.Conditionere de semnal:

1.3.1. Rolul condiționerelor de semnal

Semnalele care provin de la traductoare nu îndeplinesc în cele mai multe cazuri toate condițiile pentru transmiterea lor către sistemele de achiziții de date. Acest neajuns apare datorită faptului că adaptoarele traductoarelor nu sunt standardizate astfel încât să genereze un semnal unificat, la valoarea cerută de plăcile de achiziții. Din această cauză, este necesară o interfață specială plasată între traductor și sistemul de achiziții – numită condiționer. (fig.1.3.).

Așadar, condiționerele de semnal sunt echipamente indispensabile unui sistem computerizat de măsurare și au ca scop aducerea mărimii unui semnal electric (dat de elementul sensibil al traductoarelor) la caracteristicile necesare pentru a putea fi acceptat de placa de achiziții

Principalele operații efectuate de condiționerele de semnal sunt: reducerea sau amplificarea, filtrarea, sumarea, integrarea, liniarizarea și altele. În multe cazuri, condiționarea se reduce numai la filtrare pentru eliminarea zgomotului (cu un filtru de rejecție) și limitarea benzii semnalului pentru a putea fi eșantionat (cu un filtru antialias).

1.3.2.Funcțiuni generale:
Indiferent de tipul traductorului utilizat, condiționerele de semnal trebuie să realizeze o serie de funcțiuni generale:

Amplificarea este cea mai întâlnită operație de condiționare a semnalelor și are ca scop creșterea mărimii semnalului dat de elementul sensibil al traductorului până la nivelul de lucru al plăcii de achiziții. Se recomandă ca, atunci când este posibil, această operație să se facă în imediata apropiere a senzorului pentru a minimiza efectele interferențelor electrice din mediul exterior.

Reducerea (atenuarea) este operația inversă amplificării și deci se aplică atunci când mărimea semnalului depășește domeniul de lucru al plăcii de achiziții.

Filtrarea este operația care servește la eliminarea din semnalul transmis de senzor a unor interferențe de natură periodică, cu frecvența cuprinsă între limite cunoscute. Majoritatea sistemelor de măsurare sunt afectate de interferențe cu frecvențe de 50 Hz, care provin din rețeaua de alimentare a clădirii în care sistemul de măsură este instalat. Condiționarea semnalului prin utilizarea unor filtre care elimină componentele periodice ale acestuia, ce depășesc o anumită frecvență, trebuie efectuată astfel încât simultan cu interferențele să nu fie eliminate și unele componente utile ale semnalului.

Izolarea semnalelor este una din primele măsuri de prevenire a erorilor de măsurare cauzate de legături defectuoase la masă, acestea fiind uneori chiar cauza distrugerii sistemului de măsurare. Prin funcțiunea de izolare, condiționerele realizează transmiterea semnalului fără o legătură fizică directă între două puncte ale unui circuit electric, utilizând metode optice, magnetice sau capacitive.

Multiplexarea este o operație de condiționare prin care mai multe semnale analogice, provenite din diverse puncte de măsurare, sunt trimise pe aceeași cale mai departe în sistemul de măsurare, de obicei către un singur canal de intrare al unei plăci de achiziție de date.

Condiționarea semnalelor digitale se referă în majoritatea cazurilor la izolarea în vederea protejării plăcii de achiziții de eventuale creșteri bruște de tensiune sau de diferențe mari de tensiune între două legături la masă distinct.

1.3.3. Tipuri de condiționere de semnal

Principalele categorii de condiționere și tipurile de semnale pe care acestea le pot prelucra sunt prezentate în Tabelul 1.1.

2.1.Sistemele de conditionatoare SCXI

Gama SCXI (Signal Conditioning Extension for Instrumentation), figura 2.1, reprezinta o platforma de înalta performanta pentru conditionarea sau directionarea semnalelor din sistemele de masurare sau automatizare.

Utilizata pentru masurri directe sau prin intermediul senzorilor, pentru generarea de semnale în tensiune sau curent, pentru manipularea semnalelor digitale sau pentru directionarea unor semnale, gama de produse SCXI ofear o platforma unica, integrata, ce satisface toate necesitatile. Un sistem SCXI consta din module multicanal de conditionare instalate în unul sau mai multe sasiuri. Sasiul (sau unul dintre sasiurile sistemului) este conectat la o placa de achizitie de date.

Modulele de condiționare a semnalelor din categoria SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instruments) ale firmei National Instruments au structura generală formată dintr-o serie de module de condiționare multicanal montate într-un șasiu (rack) comun, prezentate în fig2.2.

Conectarea traductoarelor la aceste module se realizează prin intermediul unui bloc terminal atașat modului respective. Transmiterea semnalelor de la modulele aflate într-un același șasiu către una sau mai multe plăci de achiziții date este realizată prin intermediul unui conector atașat șasiului.

Șasiul îndeplinește rolul unui multiplexor aflat între modulele de condiționare ale semnalelor și placa (plăcile) de achiziții date. Alimentarea condiționerelor este realizată dintr-o sursă comună de tensiune, aparținând de asemeni șasiului.Modulele SCXI permit efectuarea masurarilor cu o gama larga de senzori si tipuri de semnale, permitând o paleta larga de combinatii pentru formarea unui sistem de masurare. Utilizatorii unor aplicaii uzuale beneficiaza de un set de configuratii tipizate, de exemplu pentru masurarea temperaturilor, marimilor acustice, vibratiilor, tensiunilor sau fortelor, ei având însa posibilitatea de a modifica oricare dintre aceste configuratii prin includerea de facilitati suplimentare.

Toate sistemele SCXI sunt disponibile atât în varianta desktop cât si în variant a portabila, montata într-un rack sau în configuratie monobloc (figura 2.3), fiecare dintre variantele anterioare permitând extinderea sistemului prin adaugarea de sasiuri suplimentare

2.2.Plăci de achiziții
2.2.1. Funcțiuni și criterii de performanță

Plăcile de achiziții de date utilizate în sistemele de măsurare computerizate pot îndeplini mai multe funcțiuni:

intrare analogică: constă în măsurarea unui semnal, de regulă sub forma unei tensiuni electrice, care provine de la un traductor aflat într-un SAD;

ieșire analogică: constă în generarea unui semnal, în urma prelucrării într-un SGD, de regulă sub forma unei tensiuni electrice, care să comande un element de acționare din sistemul monitorizat;

comunicații digitale: primirea și emiterea de valori în formă binară, reprezentând date sau coduri de comenzi, transmise sub forma unor impulsuri TTL între placa de achiziție și alte componente ale sistemului computerizat; comunicațiile digitale pot fi utilizate și pentru măsurări sau generări de semnale în cazul în care traductorul sau elementul de acționare au o funcție descrisă de o stare logică binară (comutatoare cu două poziții, întrerupătoare, relee, diode electroluminiscente etc.);

numărare/cronometrare: primirea și emiterea de semnale sub forma unor serii de impulsuri TTL în care informația este conținută în numărul de impulsuri din serie sau în frecvența acestora.

Toate tipurile de plăci de achiziții de date pot îndeplini ultimile două funcțiuni din cele enumerate mai sus (comunicații digitale și numărare/cronometrare). Majoritatea plăcilor de achiziții posedă toate cele patru funcțiuni, caz în care acestea se numesc plăci multifuncționale. O serie de plăci de achiziții date nu posedă funcțiunea de ieșire analogică iar o altă categorie (cele dedicate ieșirilor analogice) nu posedă funcțiunea de intrare analogică. Este evident că prețul acestora este mai mic decât al plăcilor multifuncționale.

Fgura 2.4. ilustrează un sistem simplu de achiziție de date constând dintr -o rețea de comutare ( multiplexor ) și un convertor analog -digital ( ADC ). Amplificatorul de instrumentatie( IA ) , este plasat între multiplexor și ADC Blocurile de circuit individuale au fiecare capacități și limitări unice , care definesc împreunăp performanța sistemului .

2.2.2.Structura generală a unei plăci de achiziții date

2.2.3. Componentele unei plăci de achiziții de date multifuncționale:

1. Multiplexorul (MI) este un dispozitiv care dispune de mai multe canale de intrare, un singur canal de ieșire și de intrări/ieșiri digitale de control (care selectează canalul de intrare ce trebuie conectat la canalul de ieșire și în continuare la circuitele de conversie). Multiplexorul acționează deci ca un comutator care permite eșantionarea independentă a semnalelor aflate pe canalele de intrare, având rolul de a introduce succesiv semnalele de intrare în blocurile următoare de prelucrare

2. Amplificatorul programabil (AP) are rolul de a aduce semnalul analogic de intrare în gama de măsură a plăcii de achiziții. Prin această operație se asigură o precizie bună a măsurării și protecția plăcii (prin evitarea depășirii limitei superioare a domeniului de măsurare)

3. Circuitele de eșantionare-memorare (CEM) sunt circuite care eșantionează mărimea semnalului analogic de intrare la momente discrete de timp și apoi o mențin (indiferent de evoluția ulterioară a mărimii de intrare) până când se comandă o nouă eșantionare. La intrarea în blocul cu circuite de eșantionare/memorare există un filtru anti-aliasing (FTJ) care are rolul de a limita frecvența de eșantionare astfel încât să se respecte teorema lui Shannon.

Funcția de eșantionare este realizată de un un circuit de comutare care deschide și închide întrerupătorul K la anumite momente de timp iar funcția de memorare este îndeplinită de condensatorul Cm, care are proprietatea de a menține sarcina pe armăturile sale, atunci când comutatorul K este deschis. În momentul închiderii comutatorului, condensatorul se încarcă la tensiunea de intrare.

4. Convertoare. Echipamentele electronice care efectuează conversia semnalelor se numesc convertoare și ele sunt analog-numerice (digitale), notate CAN (sau CAD) și numeric (digital)-analogice, notate CNA (sau CDA). Convertoarele analog-numerice (CAN) transformă mărimile analogice aplicate la intrare (tensiune, curent, frecvență etc.) în mărimi numerice (digitale), compatibile cu calculatorul. Comenzile date de calculator sunt transformate de către convertoarele numeric-analogice (CNA) în semnale analogice care acționează asupra procesului prin intermediul elementelor de execuție (servomotoare, contactoare etc.).

3.1. SISTEME DE ACHIZIȚIE A DATELOR ȘI CONDUCERE A PROCESELOR CU CALCULATORUL :

Componentele de bază ale unui sistem de achiziție modern sunt (fig.3.2):

calculatorul personal (personal computer);

traductoarele (transducers);

condiționerul de semnale (signal conditioning);

echipamentele de achiziție și analiză a datelor (data acquisition and analysis hardware);

programele de achiziție (software).

Traductoarele și condiționerele de semnale:

Traductoarele sesizează fenomenele fizice și generează semnalele electrice pe care le măsoară sistemul de achiziție. De exemplu, termocuplele, termistoarele, etc. convertesc temperatura într-un semnal analogic pe care un convertor analog-digital îl poate transforma în semnal numeric. La fel, alte tipuri de traductoare cum ar fi cele de debit, de presiune, de forță etc., măsoară debitul, presiunea, forța, etc. și produc un semnal electric proporțional cu parametrul fizic pe care îl monitorizează și care trebuie măsurat.
Este important ca pentru condiționerul de semnale să se selecteze echipamentul adecvat. Aceste echipamente pot fi furnizate atât ca module cât și ca echipamente integrate.(fig.3.3).

Echipamentele de achiziție

Acestea au rolul de interfață între calculator și mediul extern (fig.7) deoarece digitizează semnalele analogice de intrare, astfel încât calculatorul să le poată interpreta.

Specificațiile de bază disponibile pentru majoritatea sistemelor de achiziție se referă la:

numărul de canale analogice de intrare;

rata de eșantionare – determină frecvența conversiilor; o rată mare de eșantionare permite achiziția mai multor date într-un interval de timp dat și poate de aceea să ofere o mai bună reprezentare a semnalului original;

multiplexarea – permite măsurarea mai multor semnale în același timp;

rezoluția – este numărul de biți pe care convertorul analog-digital îl utilizează pentru a reprezenta semnalul analogic;

domeniul – reprezintă diferența dintre nivelurile de tensiune minim și maxim pe care convertorul analog-digital le poate cuantifica.

4.1.Exemplul 1:modul cum lucreaza un sistem de achizitie având ca senzor un microfon

4.2.Exemplul 2:sisteme hardware utilizate pentru achizitia, monitorizarea si prelucrarea semnalelor EKG

Se observa ca sistemul are la baza urmatoarele dispozitive:

un bloc de amplificatoare, utilizate pentru amplificarea biopotentialelor culese prin intermediul electrozilor de pe pielea pacientilor; amplificatoarele sunt urmate, in functie de situatie, de etaje de conditionare/filtrare, iar numarul lor depinde de numarul de derivatii dorit;

un modul/placa de achizitie, cu un numar uzual de 8 pana la 16 canale, dispozitiv utilizat pentru interfatarea dintre amplificatoare si calculatorul asociat sistemului; in functie de aplicatie se pot alege placi interne (mai performante din punctul de vedere al vitezei de transfer) asociate sistemelor desktop sau module externe asociate calculatoarelor mobile; principalele caracteristici ale dispozitivelor de achizitie sunt numarul de biti al convertoarelor analog digitale (in prezent, cele mai utilizate sisteme lucreaza cu 12, 16 sau 24 biti) si numarul de canale (majoritatea aplicatiilor lucreaza cu 16 canale);

un calculator – portabil pentru aplicatii mobile si fix (desktop) pentru aplicatii "fixe", utilizate in special in cazul aplicatiilor de inalta performanta (capacitate de stocare ridicata, viteza mare de lucru/prelucrare).

Sistemele experimentale realizate pentru achizitia, monitorizarea si prelucrarea semnalelor ECG, destinate analizei variabilitatii ritmului cardiac (VRC/HRV), au schema generala prezentata in figura 4.1.

Schema bloc generala a etajelor de amplificare-filtrare (exemplu pentru doua canale) contine amplificatoarele de instrumentatie cu circuit de garda activa, amplificatoarele pentru electrodul de referinta si etajele de filtrare ("trece-sus" pentru stabilizarea liniei izoelectrice si "trece-jos" pentru eliminarea zgomotului de inalta frecventa) – figura 4.2.

Sistemul experimental prezentat are la baza un amplificator de instrumentatie (CI1) si un filtru trece jos, pentru rejectia zgomotelor de inalta frecventa. Acesta utilizeaza sistemul cu garda activa si electrod de referinta (montat pe pacient), implementarea fiind obtinuta cu doua amplificatoare integrate (GA, AOI).

Solutia perminte rejectia perturbatiei datorate retelei de alimentare (50 Hz), care apare sub forma unei tensiuni de mod comun Aceasta perturbatie se manifesta cu atat mai mult cu cat semnalul util ajunge la amplificator prin cabluri ecranate de la electrozi.

Garda activa creste practic factorul de rejectie de mod comun (CMRR-ul); practic primul amplificator (GA), utilizat ca repetor, preia tensiunea de mod comun si o aplica pe ecran, eliminand astfel tensiunile de zgomot care ar aparea pe capacitatile de ecran (ale celor doua fire active fata de ecran).

Al doilea amplificator, un inversor (AOI) aplica aceasta tensiune pe pacient prin intermediul electrodului de referinta, RF, printr-o rezistenta, dupa ce a fost amplificata. In figurile 4.3. si 4.4. sunt prezentate semnalele de pe un canal inainte si dupa operatia de filtrare analogica (realizata de filtrul "trece-jos").

Caracteristica filtrului analogic implementat se poate modifica in functie de aplicatie (frecventa de taiere este de 150 Hz, dar ea poate fi redusa: va rezulta un semnal „mai curat‖, dar cu un grad mai ridicat de deformare a semnalului util).