În cea de-a doua parte a seriei noastre de articole privind competențele de inginerie analogică, explicăm funcția lanțului de semnale analogice și trecem în revistă specificațiile componentelor cheie.
Multe dintre dispozitivele electronice pe care le folosim în fiecare zi și pe care am ajuns să ne bazăm, pur și simplu nu ar funcționa fără utilizarea unor semnale de intrare din lumea reală, proiectate de inginerii electroniști.
Ce este lanțul de semnale analogice?
Figura 1: Schema bloc a lanțului de semnale analogice
Lanțul semnalelor analogice (figura 1) este format din patru elemente principale: senzori, amplificatoare, filtre și convertoare de date (ADC). Acestea sunt utilizate pentru a detecta, condiționa și converti semnalele analogice într-un format digital adecvat pentru a fi procesate de un microcontroler sau de un alt sistem de control digital.
Senzori
Prima parte a lanțului de semnale analogice este senzorul (adesea numit traductor) care detectează semnalul de intrare și îl transformă în energie electrică, de obicei sub forma unei tensiuni sau a unui curent analogic. Senzorii funcționează pe baza unei varietăți de principii fizice. Câteva exemple includ:
- Temperatura – Termocuple și senzori rezistivi de temperatură (RTD).
- Presiune – Traductoare de tensiune sau membrane capacitive
- Ritmul cardiac – Electrozi ECG
- Lumină – Fotorezistori
- Sunet – Microfoane
În cazul senzorilor cu ieșire în tensiune, intervalul este de obicei de la câțiva microvolți (uV) la câțiva milivolți (mV), ceea ce face ca semnalul să fie foarte susceptibil la interferențe provenite de la surse de zgomot electric nedorit. Zgomotul poate proveni din mai multe direcții, dar, în general, este clasificat ca interferență electromagnetică (EMI) sau interferență de radiofrecvență (RFI). Pentru a depăși acest aspect, ieșirea senzorului este de obicei măsurată ca diferență între două terminale, astfel încât semnalele de zgomot comune ambelor terminale să fie respinse.
Amplificatoare
A doua componentă din lanțul de semnal este amplificatorul (diferențial), un circuit electronic care mărește magnitudinea ieșirii senzorului cu un factor de scalare, A, conform următoarei formule, unde A se numește câștig.
Voutput = A * Vinput
Amplificatorul este necesar deoarece semnalul senzorului este, de obicei, prea mic pentru a fi convertit în format digital de către convertorul analog-digital (ADC) de la capătul lanțului. Amplificatorul mărește amplitudinea semnalului la un nivel pe care ADC-ul îl poate citi în mod eficient. Tensiunea maximă de ieșire pe care o poate produce un amplificator este foarte apropiată de nivelul de tensiune al sursei sale de alimentare.
Un alt considerent ingineresc, care influențează proiectarea și selecția componentelor, este raportul semnal-zgomot (SNR). Măsurat în decibeli, SNR este raportul dintre intensitatea semnalului și zgomotul nedorit. Un raport SNR dB ridicat dovedește un semnal puternic, care este mai rezistent la efectele zgomotului.
În multe aplicații, un amplificator cu câștig programabil (PGA) este utilizat împreună cu un circuit de control automat al câștigului (AGC), care mărește sau scade dinamic câștigul amplificatorului dacă magnitudinea semnalului senzorului iese din intervalul așteptat (din cauza mediului sau din alte motive). În cazul în care semnalul senzorului devine prea mare, amplificatorul s-ar putea satura – determinându-l să încerce să producă un semnal de ieșire mai mare decât este fizic posibil.
Figura 2: Circuit de filtrare trece-jos utilizând un amplificator operațional
Filtre
Odată amplificat, semnalul senzorului trebuie să treacă printr-un circuit de filtrare analogică pentru a elimina orice componentă de frecvență nedorită. Cele trei categorii principale de circuite de filtrare analogică sunt:
- Filtru trece-jos (elimină semnalele de înaltă frecvență)
- Filtru trece-sus (elimină semnalele de frecvență joasă)
- Filtru trece-bandă (permite trecerea doar a semnalelor dintr-o gamă definită)
Circuitele de filtrare sunt construite folosind o combinație de condensatoare, rezistori și un amplificator operațional (figura 2).
Specificațiile cheie de performanță ale filtrului includ:
- Lățimea de bandă a filtrului – descrie plaja de frecvențe pe care un circuit “le trece” fără nicio reducere a amplitudinii (atenuare), frecvența (sau frecvențele) de tăiere de 3dB reprezentând puterea la care semnalul de ieșire scade la jumătate din puterea semnalului de intrare.
- ‘Roll-Off’ – descrie rata atenuării – aceasta reprezintă rapiditatea cu care filtrul elimină componentele de frecvență nedorite la intrare și se măsoară în decibeli/decadă. Filtrele cu roll-off mai rapid necesită mai multe componente, ceea ce crește complexitatea și costul.
- ‘Faza’ – se referă la întârzierea relativă dintre semnalul de intrare și cel de ieșire; este importantă dacă în lanțul de semnal se utilizează o buclă de reacție, deoarece poate afecta stabilitatea buclei.
Convertoare analogice/digitale (ADC)
Componenta finală așezată între semnalele analogice și cele digitale este convertorul analog-digital (ADC). Pentru ca un ADC să producă o reprezentare digitală precisă a semnalului analogic, trebuie să eșantioneze la o frecvență de două ori mai mare decât cea mai înaltă componentă de frecvență a semnalului (numită frecvența Nyquist). Acest lucru se realizează cu ajutorul unui “circuit de eșantionare și menținere” care măsoară periodic tensiunea de intrare analogică și o menține la un nivel constant suficient de mult timp pentru ca ADC-ul să efectueze conversia, înainte de a trece la următoarea eșantionare.
Următoarea etapă a procesului de conversie este “cuantificarea”, în care tensiunea eșantionată este comparată cu un număr fix de valori discrete, fiecare fiind reprezentată de un cod digital unic. De exemplu, un ADC pe patru biți are la dispoziție șaisprezece (24) niveluri discrete pentru a reprezenta un eșantion. ADC-urile cu mai mulți biți au o rezoluție (precizie) mai bună, deoarece utilizează mai multe valori discrete, rezoluția dublându-se pentru fiecare bit adăugat. Cele mai comune arhitecturi de ADC includ:
- Registru de aproximare succesivă (SAR)
- Sigma Delta
- Flash
- Pipeline
Concluzie
Lanțul de semnale analogice constă în seria de circuite necesare pentru a detecta, condiționa și converti cu precizie semnalele analogice într-o formă digitală. Industria electronică depinde de inginerii electroniști care au cunoștințele și experiența necesare în domeniul circuitelor analogice, pentru a proiecta produse care să ofere performanțe fiabile și eficiente.
Rămâneți conectați pentru următorul articol: Instrumente și resurse pentru proiectarea analogică.
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter