Monitorizamos aspetos do ambiente físico que nos rodeia utilizando um número cada vez maior e mais variado de sensores. Estes geram sinais que são tipicamente de baixa amplitude e de natureza ruidosa. Frequentemente, carecem de linearidade e, na maioria dos casos, têm de ser transformados da sua forma analógica (do mundo real) em valores digitais adequados para sistemas computacionais. Cada cadeia de sinal que limpa e transforma estas medições em bruto, atuando como uma ponte entre o sensor e o recurso computacional ou de processamento, desempenha um papel crucial na crescente procura de dados.

Características comuns da cadeia de sinal

Em termos gerais, uma cadeia de sinal consiste numa série de elementos-chave. São eles: o sensor (ou o hardware que captura os dados), a amplificação e filtragem do sinal, seguindo-se finalmente um conversor analógico-digital (ADC) que faz a amostragem e digitalização do sinal condicionado para posterior processamento ou armazenamento.

 Podem ser necessárias uma ou mais etapas de amplificação, como um amplificador de transindutância (TIA) seguido de um amplificador de ganho de tensão. Além disso, podem ser necessários vários filtros para isolar o sinal dentro de uma determinada gama de frequências, aplicar anti-sobreposição a sinais de alta frequência e eliminar sinais indesejados a frequências específicas (por exemplo, interferência da rede elétrica CA). Dependendo da saída do sensor, pode ser vantajoso amplificar o sinal antes da filtragem, uma vez que qualquer ruído também será amplificado. Alternativamente, a filtragem pode ser aplicada primeiro.

Um registo de aproximações sucessivas (SAR) ou um conversor analógico-digital sigma-delta podem ser as soluções mais adequadas para digitalizar o sinal filtrado e amplificado. Os conversores analógico-digitais SAR apresentam geralmente uma latência mais baixa do que os dispositivos sigma-delta, embora a sua taxa de amostragem máxima seja normalmente mais baixa. Os pontos fortes dos conversores analógico-digitais sigma-delta incluem a sua alta resolução e eficiência energética, e incorporam frequentemente características adicionais (como filtros, multiplexadores ou buffers de entrada).

Figura 1: Componentes básicos da cadeia de sinal.

Caixa para monitorização de temperatura industrial

A temperatura é considerada o elemento mais comummente monitorizado no mundo físico. Um termopar pode detetar temperaturas extremamente elevadas em ambientes industriais, mas a tensão de saída é pequena (tipicamente apenas alguns mV). Os componentes da cadeia de sinal (como mostrado na Figura 2) devem garantir um elevado ganho do amplificador com baixo ruído e baixa deriva.

Uma temperatura de referência também deve ser monitorizada para fornecer a compensação da junção fria (CUF), permitindo que o instrumento gere uma tensão de saída correspondente à temperatura detetada na sonda termopar. A CUF é normalmente implementada utilizando um detetor de temperatura resistivo (RTD) ou um sensor de temperatura baseado em silício. Um RTD requer uma tensão de excitação que tem de ser fornecida pelo circuito de sinalização.

Os termopares, RTDs e termistores apresentam linearidade não uniforme que deve ser corrigida na cadeia de sinal. No caso dos termopares, a variação da tensão de saída para uma determinada variação de temperatura é determinada pelo coeficiente de Seebeck. No entanto, este coeficiente não é constante em toda a gama de temperaturas de funcionamento do termopar, pelo que é melhor selecionar um tipo que forneça a resposta mais linear possível dentro da gama de temperaturas de funcionamento pretendida. Os engenheiros de projeto podem consultar as categorias IPC, que padronizam as propriedades dos diferentes tipos de termopares. Por exemplo, um termopar IPC do Tipo S tem um intervalo de temperatura útil aproximado de 0 °C a 1500 °C e apresenta uma linearidade razoável de aproximadamente 900 °C a 1250 °C. As tabelas de referência para os tipos de termopares padrão, como as publicadas pelo Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (NIST), permitem a correção digital da linearidade e evitam a complexidade da correção da linearidade na própria cadeia de sinal.

Figura 2: Exemplo de uma cadeia de sinal de termopar.

Cada ligação elétrica física do termopar cria inevitavelmente uma junção térmica adicional, sendo essencial garantir que todas as ligações — exceto a sonda de medição de temperatura e a junção fria — estão à mesma temperatura.

Caso de monitorização da condição médica ou física

A crescente necessidade de autoavaliação e de modelos de saúde mais rápidos e económicos está a impulsionar a procura por sistemas de deteção mais simples para bioindicadores (como a temperatura corporal, a oxigenação sanguínea e a frequência cardíaca), seja através de instrumentos de uso clínico ou de dispositivos orientados para o consumidor (como os rastreadores de atividades físicas). Comparativamente aos termistores e sensores de temperatura RTD, que requerem um processamento de sinal considerável, os sensores de temperatura à base de silício são mais lineares, estáveis ​​e fáceis de utilizar. Embora o seu intervalo de temperatura seja mais estreito (55 °C a 150 °C), é mais do que suficiente para a monitorização da temperatura corporal em dispositivos médicos.

O MAX30208 é um sensor de temperatura digital de grau clínico otimizado para medições simples e não invasivas da temperatura corporal. A temperatura é medida na parte superior do sensor, que é a mais fácil de posicionar sobre a pele e a menos afetada por problemas de autoaquecimento (devido à corrente de alimentação que entra pelos pinos do CI). O design de montagem é otimizado para placas de circuito impresso flexíveis que podem ser posicionadas a uma certa distância do processador host, e a interface I²C^permitea ligação em série de múltiplos sensores para obter dados de vários pontos do corpo, garantindo uma precisão ideal. O MAX30208 mede a temperatura corporal com uma precisão de ±0,1 °C e contém circuitos integrados de encadeamento de sinal e um FIFO de 32 bits para uma fácil interação com o processador host.

Em relação à monitorização da atividade cardíaca, os monitores de uso clínico baseiam-se tradicionalmente em sinais eletrocardiográficos (ECG) provenientes de diversos sensores colocados no corpo. Recentemente, foi desenvolvida a deteção fotopletismográfica (PPG) ótica, oferecendo uma precisão aceitável a partir de um dispositivo pequeno, não invasivo e vestível, como um rastreador de atividades físicas ou um oxímetro de pulso de dedo. A deteção por PPG funciona transmitindo luz através dos tecidos corporais e medindo os sinais refletidos ou transmitidos. Pequenas alterações no volume sanguíneo podem ser quantificadas, permitindo o cálculo de indicadores (incluindo saturação de oxigénio no sangue, frequência cardíaca e respiração). Permite também tirar conclusões sobre a saúde dos tecidos e a função dos órgãos.

O sinal de voltagem dos sensores óticos de um instrumento PPG contém uma componente CC associada ao volume sanguíneo e às propriedades óticas dos ossos e tecidos, sendo uma componente CA produzida por alterações no volume sanguíneo correspondentes aos batimentos cardíacos. Sinais mais pequenos gerados por atividades (como a respiração) também estão presentes.

O design da cadeia de sinal de um monitor de ritmo cardíaco wearable começa com o transmissor, que pode ser um LED verde ou uma combinação de LEDs vermelhos e infravermelhos. O comprimento de onda e a intensidade da fonte determinam a profundidade de penetração e a força do sinal recebido, podendo ser ajustados para uma precisão ideal. Além disso, os drivers LED introduzem ruído no sinal transmitido, e o consumo de energia também deve ser considerado.

A cadeia de sinal de receção deve amostrar a saída do fotodetetor e lidar com o cancelamento da luz ambiente, filtragem e conversão analógico-digital. A saída do fotodetector é um sinal de corrente com uma amplitude que varia entre menos de 1 nA e dezenas de µAs. É necessária uma TIA (Interface Analógica de Transformador) para converter o sinal de corrente em tensão, e o design da cadeia de sinal deve considerar fatores como a gama dinâmica do sinal, a relação sinal-ruído (SNR), a utilização da placa e o consumo de energia associado a componentes como os filtros anti-sobreposição e a TIA. Felizmente, o mercado alargado e crescente de monitores de ritmo cardíaco orientados para o consumidor permite aos engenheiros escolher um front-end analógico (AFE) integrado, como oAFE4405 da Texas Instruments MAX30112 , cada um dos quais incorpora o driver LED e uma cadeia de sinal completa para o fotodetector nas respetivas soluções de chip único. Estes dispositivos fornecem um mecanismo adequado para superar desafios como a manipulação da corrente do fotodíodo, filtragem, armazenamento, amplificação e conversão utilizando um ADC sigma-delta.

Estudo de caso em aquisição e processamento de imagem

Parâmetros como a frequência cardíaca humana e as temperaturas dos processos industriais são relativamente simples e estáveis, impondo exigências moderadas à cadeia de sinal em termos de velocidade e taxa de amostragem. O MAX30112 suporta uma taxa de amostragem até 3,2 kSPS para satisfazer as necessidades de aplicações de oximetria de pulso ou monitorização da frequência cardíaca. As velocidades de sinal e as taxas de amostragem em aplicações como a deteção de imagem ou a visão por computador industrial são muito mais elevadas e requerem uma atenção especial.

Sistemas de imagem simples, como o equipamento de espectroscopia no infravermelho próximo para inspeção ou análise de materiais, podem empregar um fotodíodo linear que requer arrefecimento para minimizar os efeitos do ruído térmico e do condicionamento do sinal. ADA4807 possui uma largura de banda de -3 dB de 180 MHz e é particularmente adequado para utilização com oADAQ7980 , que contém um ADC SAR de baixo ruído de 1 MSPS. Este sistema adapta a potência à taxa de amostragem, maximizando a eficiência. A integração de um driver ADC de banda larga e baixa entrada e uma saída rail-to-rail para minimizar a distorção elimina complicações indesejadas para os engenheiros de design, como o design do circuito e a seleção de componentes. A arquitetura de energia interna e o fornecimento de uma referência de tensão externa de precisão também ajudam a preservar a integridade do sinal, reduzindo o ruído do sistema.

A visão por computador com câmaras de alta velocidade e aplicações de videovigilância impõem exigências ainda maiores à aquisição de sinais. Um dispositivo de captura de fotogramas de alta velocidade estabelece a ligação com a câmara e interage com o computador anfitrião (normalmente através de PCI ou PCI Express) utilizando um protocolo de comunicação como o Camera Link, que define velocidades de processamento de vídeo de 255 Mbps a 680 Mbps. O dispositivo de captura de fotogramas também implementa, tipicamente, importantes funções de pré-processamento de vídeo, como o controlo de ganho, a compensação de pixéis mortos e a expansão da gama dinâmica. Isto geralmente precisa de ser feito em tempo real, à taxa de fotogramas necessária. A conceção de um dispositivo de captura de quadros é um desafio de engenharia considerável, frequentemente ultrapassado com FPGAs que fornecem o desempenho de processamento de sinal exigido e podem alojar algoritmos de visão computacional no mesmo dispositivo.

Conclusão

A captação de sinais de sensores para obter dados informativos para qualquer aplicação — seja ela de consumo, industrial ou médica — requer um conhecimento profundo de cada componente da cadeia de sinal. Isto abrange tudo, desde o sensor ao conversor analógico-digital (ADC), e, em cada caso, os elementos corretos devem ser selecionados e integrados adequadamente. Em muitos casos, já existe um front-end num único chip disponível, o que pode simplificar o projeto e reduzir o tempo de lançamento no mercado.