Monitoriamo diversi aspetti dell'ambiente fisico che ci circonda utilizzando un numero e una varietà sempre crescenti di sensori. Questi generano segnali che in genere sono di bassa ampiezza e rumorosi. Spesso mancano di linearità e, nella maggior parte dei casi, devono essere trasformati dalla loro forma analogica reale in valori digitali adatti ai sistemi informatici. Ogni catena di segnali che ripulisce e trasforma queste misurazioni grezze, fungendo da ponte tra il sensore e la risorsa di calcolo o elaborazione, svolge un ruolo fondamentale nella crescente domanda di dati.

Caratteristiche comuni della catena di segnalazione

In termini generali, una catena di segnale è costituita da una serie di elementi chiave. Nello specifico: il sensore (o l'hardware che acquisisce i dati), l'amplificazione e il filtraggio del segnale, seguiti infine da un convertitore analogico-digitale (ADC) che campiona e digitalizza il segnale elaborato per l'ulteriore elaborazione o memorizzazione.

 Potrebbero essere necessari uno o più stadi di amplificazione, come ad esempio un amplificatore a transinduttanza (TIA) seguito da un amplificatore a guadagno di tensione. Inoltre, potrebbero essere necessari diversi filtri per isolare il segnale all'interno di un determinato intervallo di frequenza, applicare un filtro anti-sovrapposizione ai segnali ad alta frequenza ed eliminare i segnali indesiderati a frequenze specifiche (ad esempio, interferenze della rete CA). A seconda dell'uscita del sensore, potrebbe essere vantaggioso amplificare il segnale prima del filtraggio, poiché anche il rumore verrà amplificato. In alternativa, è possibile applicare prima il filtraggio.

Un registro ad approssimazioni successive (SAR) o un convertitore analogico-digitale sigma-delta possono essere le soluzioni più adatte per digitalizzare il segnale filtrato e amplificato. I convertitori SAR presentano in genere una latenza inferiore rispetto ai dispositivi sigma-delta, sebbene la loro frequenza di campionamento massima sia solitamente inferiore. I punti di forza dei convertitori sigma-delta includono l'elevata risoluzione e l'efficienza energetica, e spesso integrano anche funzionalità aggiuntive (come filtri, multiplexer o buffer di ingresso).

Figura 1: Componenti di base della catena di segnalazione.

Caso di monitoraggio della temperatura industriale

Si dice che la temperatura sia l'elemento più comunemente monitorato nel mondo fisico. Una termocoppia può rilevare temperature estremamente elevate in ambienti industriali, ma la tensione di uscita è bassa (tipicamente solo pochi mV). I componenti della catena del segnale (come mostrato in Figura 2) devono garantire un elevato guadagno dell'amplificatore con basso rumore e bassa deriva.

È inoltre necessario monitorare una temperatura di riferimento per fornire la compensazione della giunzione fredda (CUF), consentendo allo strumento di generare una tensione di uscita corrispondente alla temperatura rilevata dalla sonda termocoppia. La CUF viene tipicamente implementata utilizzando un termoresistenziale (RTD) o un sensore di temperatura a base di silicio. Un RTD richiede una tensione di eccitazione che deve essere fornita dalla catena di segnale.

Termocoppie, termoresistenze (RTD) e termistori presentano tutti una linearità non uniforme che deve essere corretta all'interno della catena del segnale. Per le termocoppie, la variazione della tensione di uscita per una data variazione di temperatura è determinata dal coefficiente di Seebeck. Tuttavia, questo coefficiente non è costante nell'intero intervallo di temperatura di funzionamento della termocoppia, quindi è preferibile selezionare un tipo che fornisca la risposta più lineare possibile all'interno dell'intervallo di temperatura di funzionamento previsto. I progettisti possono consultare le categorie IPC, che standardizzano le proprietà dei diversi tipi di termocoppia. Ad esempio, una termocoppia IPC di tipo S ha un intervallo di temperatura utile approssimativo da 0 °C a 1500 °C e presenta una linearità ragionevole da circa 900 °C a 1250 °C. Le tabelle di riferimento per i tipi di termocoppia standard, come quelle pubblicate dal National Institute of Standards and Technology (NIST) degli Stati Uniti, consentono la correzione digitale della linearità ed evitano la complessità di correggere la linearità all'interno della catena del segnale stessa.

Figura 2: Esempio di catena di segnali di una termocoppia.

Ogni connessione elettrica fisica della termocoppia crea inevitabilmente una giunzione termica aggiuntiva, quindi è essenziale assicurarsi che tutte le connessioni, ad eccezione della sonda di rilevamento della temperatura e della giunzione fredda, siano alla stessa temperatura.

Monitoraggio di casi di condizioni mediche o fisiche

Il crescente desiderio di auto-quantificazione e di modelli sanitari più rapidi ed economici sta alimentando la domanda di sistemi di rilevamento più semplici per i bioindicatori (come la temperatura corporea, l'ossigenazione del sangue e la frequenza cardiaca), sia attraverso strumenti di livello clinico che dispositivi per il consumatore (come i fitness tracker). Rispetto ai termistori e ai sensori di temperatura RTD, che richiedono una notevole elaborazione del segnale, i sensori di temperatura a base di silicio sono più lineari, stabili e facili da usare. Sebbene il loro intervallo di temperatura sia più ristretto (da 55 °C a 150 °C), è più che sufficiente per il monitoraggio della temperatura corporea tramite dispositivi medici.

Il MAX30208 è un sensore di temperatura digitale di livello clinico ottimizzato per la misurazione semplice e non invasiva della temperatura corporea. La temperatura viene misurata sulla parte superiore del sensore, che è più facile da posizionare sulla pelle e meno soggetta a problemi di autoriscaldamento (dovuti alla corrente di alimentazione che entra attraverso i pin del circuito integrato). Il design di montaggio è ottimizzato per circuiti stampati flessibili che possono essere posizionati a distanza dal processore host, e l'interfaccia I²C^consentedi collegare in serie più sensori per ottenere dati da vari punti del corpo per una precisione ottimale. Il MAX30208 misura la temperatura corporea con una precisione di ±0,1 °C e contiene circuiti integrati per la gestione del segnale e una FIFO a 32 bit per una facile interazione con il processore host.

Per quanto riguarda il monitoraggio dell'attività cardiaca, i monitor di livello clinico si sono tradizionalmente basati su segnali elettrocardiografici (ECG) provenienti da vari sensori posizionati sul corpo. Recentemente, è stata sviluppata la rilevazione fotopletismografica ottica (PPG), che offre un'accuratezza accettabile da un piccolo dispositivo indossabile non invasivo come un fitness tracker o un pulsossimetro da dito. La rilevazione PPG funziona trasmettendo luce attraverso i tessuti corporei e misurando i segnali riflessi o trasmessi. È possibile quantificare piccole variazioni del volume sanguigno, consentendo il calcolo di indicatori (tra cui la saturazione di ossigeno nel sangue, la frequenza cardiaca e la respirazione). Permette inoltre di trarre conclusioni sulla salute dei tessuti e sulla funzionalità degli organi.

Il segnale di tensione proveniente dai sensori ottici di uno strumento PPG contiene una componente continua (CC) associata al volume sanguigno e alle proprietà ottiche di ossa e tessuti, e una componente alternata (CA) prodotta dalle variazioni del volume sanguigno corrispondenti al battito cardiaco. Sono inoltre presenti segnali di minore intensità generati dall'attività fisica (come la respirazione).

La progettazione della catena di segnale di un cardiofrequenzimetro indossabile inizia con il trasmettitore, che può essere un LED verde o una combinazione di LED rossi e infrarossi. La lunghezza d'onda e l'intensità della sorgente determinano la profondità di penetrazione e la potenza del segnale ricevuto e possono essere regolate per ottenere la massima precisione. Inoltre, i driver dei LED introducono rumore nel segnale trasmesso e occorre considerare anche il consumo energetico.

La catena di ricezione del segnale deve campionare l'uscita del fotorivelatore e gestire la cancellazione della luce ambientale, il filtraggio e la conversione analogico-digitale. L'uscita del fotorivelatore è un segnale di corrente con un'ampiezza che varia da meno di 1 nA a decine di µA. È necessario un TIA (Transformer Analog Interface) per convertire il segnale di corrente in una tensione e la progettazione della catena di segnale deve tenere conto di fattori quali la gamma dinamica del segnale, il rapporto segnale/rumore (SNR), l'utilizzo della scheda e il consumo energetico associato a componenti come i filtri anti-sovrapposizione e il TIA. Fortunatamente, l'ampio e crescente mercato dei cardiofrequenzimetri per uso domestico consente agli ingegneri di scegliere un front-end analogico integrato (AFE), come il Texas Instruments AFE4405 o il Maxim MAX30112 , ognuno dei quali incorpora il driver LED e una catena di segnale completa per il fotorivelatore all'interno delle rispettive soluzioni a chip singolo. Questi dispositivi forniscono un meccanismo adeguato per superare sfide quali la manipolazione della corrente del fotodiodo, il filtraggio, l'immagazzinamento, l'amplificazione e la conversione tramite un convertitore analogico-digitale sigma-delta.

Studio di caso sull'acquisizione e l'elaborazione delle immagini

Parametri come la frequenza cardiaca umana e le temperature dei processi industriali sono relativamente semplici e stabili, ponendo requisiti moderati alla catena del segnale in termini di velocità e frequenza di campionamento. Il MAX30112 supporta una frequenza di campionamento fino a 3,2 kSPS per soddisfare le esigenze di applicazioni di pulsossimetria o monitoraggio della frequenza cardiaca. Velocità del segnale e frequenze di campionamento in applicazioni come il rilevamento di immagini o la visione artificiale industriale sono molto più elevate e richiedono particolare attenzione.

I sistemi di imaging semplici, come le apparecchiature di spettroscopia nel vicino infrarosso per l'ispezione o l'analisi dei materiali, possono utilizzare un fotodiodo lineare che richiede raffreddamento per minimizzare gli effetti del rumore termico e del condizionamento del segnale. ADA4807 ha una larghezza di banda a -3 dB di 180 MHz ed è particolarmente adatto all'uso con ilADAQ7980 , che contiene un ADC SAR a basso rumore da 1 MSPS. Questo sistema adatta la potenza alla frequenza di campionamento, massimizzando l'efficienza. L'integrazione di un driver ADC a banda larga a basso ingresso e di un'uscita rail-to-rail per minimizzare la distorsione elimina complicazioni indesiderate per i progettisti, come la progettazione del circuito e la selezione dei componenti. L'architettura di alimentazione interna e la fornitura di un riferimento di tensione esterno di precisione contribuiscono inoltre a preservare l'integrità del segnale riducendo il rumore di sistema.

La visione artificiale con telecamere ad alta velocità e le applicazioni di videosorveglianza pongono esigenze ancora maggiori all'acquisizione del segnale. Un dispositivo di acquisizione frame ad alta velocità stabilisce la connessione con la telecamera e si interfaccia con il PC host (in genere tramite PCI o PCI Express) utilizzando un protocollo di comunicazione come Camera Link, che definisce velocità di elaborazione video da 255 Mbps a 680 Mbps. Il dispositivo di acquisizione frame implementa in genere anche importanti funzioni di pre-elaborazione video, come il controllo del guadagno, la compensazione dei pixel morti e l'espansione della gamma dinamica. Spesso è necessario eseguire queste operazioni alla frequenza di fotogrammi in tempo reale. La progettazione di un dispositivo di acquisizione frame rappresenta una notevole sfida ingegneristica, spesso affrontata con FPGA che forniscono le prestazioni di elaborazione del segnale richieste e possono ospitare algoritmi di visione artificiale sullo stesso dispositivo.

Conclusione

L'acquisizione dei segnali dei sensori per ottenere dati informativi per qualsiasi applicazione – di consumo, industriale o medica – richiede una conoscenza approfondita di ogni componente della catena del segnale. Ciò include tutto, dal sensore al convertitore analogico-digitale (ADC), e in ogni caso è necessario selezionare e integrare correttamente gli elementi appropriati. In molti casi, è già disponibile un front-end a chip singolo, che può semplificare notevolmente la progettazione e ridurre i tempi di commercializzazione.