Мы отслеживаем различные аспекты окружающей нас физической среды с помощью постоянно растущего числа и разнообразия датчиков. Эти датчики генерируют сигналы, которые, как правило, имеют низкую амплитуду и носят шумный характер. Зачастую им не хватает линейности, и в большинстве случаев их необходимо преобразовывать из реальной аналоговой формы в цифровые значения, пригодные для компьютерных систем. Каждая цепочка обработки сигналов, которая очищает и преобразует эти необработанные измерения, выступая в качестве моста между датчиком и вычислительными или обрабатывающими ресурсами, играет решающую роль в растущем спросе на данные.

Общие характеристики сигнальной цепи

В общих чертах, сигнальная цепь состоит из ряда ключевых элементов. А именно: датчика (или оборудования, которое собирает данные), усиления и фильтрации сигнала, и, наконец, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который дискретизирует и оцифровывает обработанный сигнал для дальнейшей обработки или хранения.

 Может потребоваться один или несколько каскадов усиления, например, усилитель с трансиндуктивностью (TIA) с последующим усилителем с коэффициентом усиления по напряжению. Кроме того, может потребоваться несколько фильтров для выделения сигнала в заданном частотном диапазоне, подавления перекрытия высокочастотных сигналов и устранения нежелательных сигналов на определенных частотах (например, помех от сети переменного тока). В зависимости от выходного сигнала датчика может быть целесообразно усилить сигнал перед фильтрацией, поскольку любой шум также будет усилен. В качестве альтернативы, фильтрацию можно применить сначала.

Для оцифровки отфильтрованного и усиленного сигнала наиболее подходящими решениями могут быть регистр последовательного приближения (SAR) или сигма-дельта АЦП. АЦП на основе SAR обычно имеют меньшую задержку, чем сигма-дельта-устройства, хотя их максимальная частота дискретизации, как правило, ниже. К преимуществам сигма-дельта АЦП относятся высокое разрешение и энергоэффективность, а также часто дополнительные функции (такие как фильтры, мультиплексоры или входные буферы).

Рисунок 1: Основные компоненты сигнальной цепи.

Корпус для промышленного мониторинга температуры

Считается, что температура — наиболее часто контролируемый параметр в физическом мире. Термопара может обнаруживать чрезвычайно высокие температуры в промышленных условиях, но выходное напряжение невелико (обычно всего несколько мВ). Компоненты сигнальной цепи (как показано на рисунке 2) должны обеспечивать высокое усиление усилителя при низком уровне шума и низком дрейфе.

Для компенсации холодного спая (CUF), позволяющей прибору генерировать выходное напряжение, соответствующее температуре, измеренной термопарным датчиком, также необходимо контролировать эталонную температуру. CUF обычно реализуется с помощью резистивного термометра (RTD) или кремниевого датчика температуры. Для работы RTD требуется напряжение возбуждения, которое должно подаваться из сигнальной цепи.

Термопары, терморезисторы и термисторы обладают неравномерной линейностью, которую необходимо корректировать в сигнальной цепи. Для термопар изменение выходного напряжения при заданном изменении температуры определяется коэффициентом Зеебека. Однако этот коэффициент не постоянен в диапазоне рабочих температур термопары, поэтому лучше всего выбирать тип, обеспечивающий максимально линейную характеристику в заданном диапазоне рабочих температур. Инженеры-конструкторы могут обратиться к категориям IPC, которые стандартизируют свойства различных типов термопар. Например, термопара IPC типа S имеет приблизительный полезный диапазон температур от 0°C до 1500°C и демонстрирует приемлемую линейность в диапазоне примерно от 900°C до 1250°C. Справочные таблицы для стандартных типов термопар, такие как опубликованные Национальным институтом стандартов и технологий США (NIST), позволяют выполнять цифровую коррекцию линейности и избежать сложности коррекции линейности в самой сигнальной цепи.

Рисунок 2: Пример сигнальной цепи термопары.

Каждое физическое электрическое соединение термопары неизбежно создает дополнительный тепловой спай, поэтому крайне важно обеспечить одинаковую температуру всех соединений, за исключением датчика температуры и холодного спая.

Обследование состояния здоровья или физического состояния

Растущее стремление к самоизмерению и более быстрым и экономически эффективным моделям здравоохранения стимулирует спрос на более простые системы обнаружения биоиндикаторов (таких как температура тела, уровень кислорода в крови и частота сердечных сокращений), будь то с помощью клинических приборов или потребительских устройств (например, фитнес-трекеров). По сравнению с терморезисторами и датчиками температуры на основе терморезисторов, требующими значительной обработки сигнала, кремниевые датчики температуры более линейны, стабильны и удобны в использовании. Хотя их температурный диапазон уже (от 55°C до 150°C), он более чем достаточен для мониторинга температуры тела с помощью медицинских приборов.

MAX30208 — это цифровой датчик температуры клинического класса, оптимизированный для простого, неинвазивного измерения температуры тела. Уровень температуры измеряется на верхней части датчика, что упрощает его размещение на коже и снижает вероятность самонагрева (из-за тока питания, поступающего через выводы микросхемы). Конструкция крепления оптимизирована для гибких печатных плат, которые можно размещать на расстоянии от главного процессора, а интерфейс I²C^{позволяет}последовательно соединять несколько датчиков для получения данных из различных точек тела для оптимальной точности. MAX30208 измеряет температуру тела с точностью ±0,1 °C и содержит интегрированную схему обработки сигналов и 32-битный FIFO для удобного взаимодействия с главным процессором.

Что касается мониторинга сердечной активности, то клинические мониторы традиционно использовали электрокардиографические (ЭКГ) сигналы от различных датчиков, размещаемых на теле. Недавно была разработана оптическая фотоплетизмография (ФПГ), обеспечивающая приемлемую точность при использовании небольшого, неинвазивного, носимого устройства, такого как фитнес-трекер или пульсоксиметр на кончике пальца. ФПГ работает за счет пропускания света через ткани тела и измерения отраженных или прошедших сигналов. Небольшие изменения объема крови могут быть количественно оценены, что позволяет рассчитать показатели (включая насыщение крови кислородом, частоту сердечных сокращений и дыхание). Это также позволяет делать выводы о состоянии тканей и функции органов.

Сигнал напряжения от оптических датчиков прибора ФПГ содержит постоянную составляющую, связанную с объемом крови и оптическими свойствами костей и тканей, а также переменную составляющую, возникающую в результате изменений объема крови, соответствующих сердцебиению. Также присутствуют более слабые сигналы, генерируемые активностью (например, дыханием).

Проектирование сигнальной цепи носимого пульсометра начинается с передатчика, который может представлять собой зеленый светодиод или комбинацию красных и инфракрасных светодиодов. Длина волны и интенсивность источника определяют глубину проникновения и мощность принимаемого сигнала и могут быть отрегулированы для достижения оптимальной точности. Кроме того, драйверы светодиодов вносят шум в передаваемый сигнал, и необходимо также учитывать энергопотребление.

Приемная сигнальная цепь должна считывать выходной сигнал фотодетектора и обрабатывать подавление окружающего света, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование. Выходной сигнал фотодетектора представляет собой токовый сигнал с амплитудой от менее 1 нА до десятков мкА. Для преобразования токового сигнала в напряжение требуется TIA (трансформаторный аналоговый интерфейс), а при проектировании сигнальной цепи необходимо учитывать такие факторы, как динамический диапазон сигнала, отношение сигнал/шум (SNR), использование печатной платы и энергопотребление, связанное с такими компонентами, как антиперекрывающиеся фильтры и TIA. К счастью, большой и растущий рынок потребительских пульсометров позволяет инженерам выбирать интегрированный аналоговый интерфейс (AFE), такой как Texas Instruments AFE4405 или Maxim MAX30112 , каждый из которых включает в себя драйвер светодиодов и полную сигнальную цепь фотодетектора в своих однокристальных решениях. Эти устройства обеспечивают подходящий механизм для преодоления таких проблем, как управление током фотодиода, фильтрация, хранение, усиление и преобразование с использованием сигма-дельта АЦП.

Пример из практики получения и обработки изображений

Такие параметры, как частота сердечных сокращений человека и температура в промышленных процессах, относительно просты и стабильны, что предъявляет умеренные требования к сигнальной цепи с точки зрения скорости и частоты дискретизации. MAX30112 поддерживает частоту дискретизации до 3,2 кГц для удовлетворения потребностей приложений пульсоксиметрии или мониторинга частоты сердечных сокращений. Скорость сигнала и частота дискретизации в таких приложениях, как обнаружение изображений или промышленное машинное зрение, значительно выше и требуют особого внимания.

Простые системы визуализации, такие как оборудование для ближнеинфракрасной спектроскопии для контроля или анализа материалов, могут использовать линейный фотодиод, требующий охлаждения для минимизации влияния теплового шума и обработки сигнала. ADA4807 имеет полосу пропускания -3 дБ 180 МГц и особенно хорошо подходит для использования сADAQ7980 , которая содержит малошумящий АЦП с частотой дискретизации 1 Мвыб/с. Эта система адаптирует мощность к частоте дискретизации, максимизируя эффективность. Интеграция маломощного широкополосного драйвера АЦП и выхода «от шины до шины» для минимизации искажений устраняет нежелательные сложности для инженеров-разработчиков, такие как проектирование схемы и выбор компонентов. Внутренняя архитектура питания и обеспечение прецизионного внешнего опорного напряжения также помогают сохранить целостность сигнала за счет снижения системного шума.

Системы машинного зрения с высокоскоростными камерами и приложениями видеонаблюдения предъявляют еще более высокие требования к сбору сигнала. Устройство высокоскоростного захвата кадров устанавливает соединение с камерой и взаимодействует с хост-компьютером (обычно через PCI или PCI Express) с использованием протокола связи, такого как Camera Link, который определяет скорость обработки видео от 255 Мбит/с до 680 Мбит/с. Устройство захвата кадров также обычно реализует важные функции предварительной обработки видео, такие как регулировка усиления, компенсация битых пикселей и расширение динамического диапазона. Часто это необходимо делать с частотой кадров в реальном времени. Разработка устройства захвата кадров представляет собой серьезную инженерную задачу, которая часто решается с помощью ПЛИС (FPGA), обеспечивающих необходимую производительность обработки сигнала и позволяющих размещать алгоритмы машинного зрения на одном устройстве.

Заключение

Для получения информативных данных с датчиков для любого применения — потребительского, промышленного или медицинского — требуется глубокое понимание каждого компонента в сигнальной цепи. Это включает в себя все, от датчика до АЦП, и в каждом случае необходимо правильно выбрать и интегрировать соответствующие элементы. Во многих случаях уже существует готовая однокристальная плата, что может значительно упростить проектирование и сократить время выхода на рынок.