حالت دادن سیگنال در ابزار دقیق

حالت دادن سیگنال (Signal Conditioning) در ابزار دقیق به چه معناست؟

فهرست مطالب

حالت دادن سیگنال در ابزار دقیق

معرفی حالت دادن سیگنال

به طور کلی، حالت دادن سیگنال(Signal Conditioning) به مجموعه ­ای از پیش­ پردازش­ هایی می­ گویند که بر روی سیگنال خام اندازه­ گیری شده توسط سنسور انجام می­ گیرد. این پیش­ پردازش­ ها شامل تقویت سیگنال، تضعیف سیگنال، خطی­ سازی، فیلترکردن سیگنال، محافظت و ایزولاسیون و … می­ شود. در واقع به هر فعالیتی که برای آماده ­سازی سیگنال خام به جهت تکمیل فرآیند اندازه­ گیری انجام می­گیرد؛ حالت دادن سیگنال یا Signal Conditioning می­ گویند.

حالت دادن سیگنال شامل چه مواردی می­شود؟

حالت دادن سیگنال در ابزار دقیق در اغلب موارد شامل موارد زیر می­شود. در ادامه، هر یک از این موارد به طور مختصر توضیح داده خواهد شد.

  • تقویت سیگنال

در بسیاری از کاربردها در ابزاردقیق ولتاژ ایجادشده توسط سنسور در رنج بسیار کوچکی تغییر می­ کند. به عنوان مثال ولتاژ اندازه­ گیری شده توسط ترموکوپل یا استرین گیج در حد میلی­ ولت تغییر می­ کند. از این رو، برای تبدیل سیگنال آنالوگ به دیجیتال و ذخیره ­سازی داده، دامنه سیگنال آنالوگ بایستی به طور خوبی تقویت شود. بنابراین استفاده از تقویت­ کننده در یک مرحله قبل از پردازش آن ضروری می­ باشد. تقویت سیگنال معمولاً با دو هدف بالا بردن نسبت سیگنال به نویز (SNR) و استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) برای سیگنال­ های با دامنه­ ی کوچک انجام می­ گیرد.

  • فیلتراسیون در حالت دادن سیگنال در ابزار دقیق

فیلتراسیون به فرآیندی اطلاق می­ شود که طی آن مؤلفه­ های ناخواسته و نویز از سیگنال اصلی حذف گردد. به طور معمول برای فیلتر کردن سیگنال ­ها از فیلترهای پایین گذر (Low Pass Filters) استفاده می ­شود. در این فیلترها در عین حفظ کردن مؤلفه­ های فرکانس پایین، مؤلفه ­های فرکانس بالا را حذف می­ کنند. فرآیند فیلتراسیون با استفاده از فیلترهای پایین گذر اغلب با دو هدف انجام می­ گیرد. اول اینکه استفاده از این فیلترها باعث می شود که تغییرات شدید و نویزی حول سیگنال اصلی حذف گردد؛ مانند آنچه در شکل زیر آمده است.

حالت دادن سیگنال در ابزار دقیق

در حالت دوم بکارگیری از فیلترهای پایین گذر قبل از فرآیند نمونه ­برداری می ­باشد. استفاده از فیلترهای پایین گذر در این کاربرد برای جلوگیری تداخل فرکانسی سیگنال پس از نمونه­برداری می­ باشد. فیلترهای پایین گذر استفاده شده برای این هدف تحت عنوان فیلترهای ضدتداخل (Anti-Aliasing Filter – AAF) شناخته می­ شوند. در این نوع فیلترها طبق اصل نمونه ­برداری نایکوئیست باید فرکانس قطع فیلتر پایین گذر نصف فرکانس نمونه­ برداری باشد. در غیر این صورت در فرآیند نمونه­ برداری ممکن است همراه با تداخل فرکانسی باشد. برای بهتر متوجه شدن این قضیه به مثال زیر توجه کنید.

حالت دادن سیگنال در ابزار دقیق

در شکل بالا فرآیند نمونه­ برداری یک سیگنال تک فرکانسی با فرکانس نمونه­برداری (fs) برابر با نمایش داده شده است. در این مثال، فرض شده است که یک سیگنال تک فرکانسی با فرکانس کاری (fin) 900 کیلوهرتز که خارج محدوده مجاز فرکانس نمونه­ برداری (fs/2) می­باشد به عنوان ورودی به واحد نمونه ­برداری اعمال شده باشد. همانطور که در شکل بالا مشاهده می­کنید وجود مؤلفه­ های فرکانسی در خارج باند مجاز
نمونه­برداری (fin>fs/2) باعث می­شود تا مؤلفه­های جدیدی در داخل باند(fs-f­in) ایجاد شوند. به این رخداد تداخل فرکانسی (aliasing) می­گویند

حالت دادن سیگنال0

در شکل بالا یک مثال از چگونگی تداخل(Aliasing) در عمل آورده شده است. در این مثال فرض شده است که سیگنال اصلی حاوی اطلاعات در باند فرکانسی 0.25 MHz قرار دارد. همچنین یک سیگنال ناخواسته شامل یک عامل فرکانسی نامطلوب در فرکانس 2.6 MHz به سیگنال اصلی اضافه شده است.

در اینجا سیگنال حاصل ترکیب سیگنال اصلی و سیگنال نامطلوب بدون هیچ فیلتراسیونی به سیستم نمونه ­بردای با فرکانس نمونه­ برداری 1 MHz تحویل داده شده است. در نتیجه به علّت برقرار نبودن شرایط نایکوئیست مؤلفه­ی 2.6 MHz منجر به پیدایش مؤلفه­ی 0.4 MHz در باند فرکانسی پایه می­شود. در نتیجه همانطور مشاهده می­شود وجود مؤلفه­های فرکانس بالا در ورودی نمونه­ گیر منجر به پیدایش مؤلفه ­های جدید در فرکانس پایین می­ شود. این درحالی است که استفاده از یک فیلتر پایین­ گذر می­ توانست از به وجود آمدن این مؤلفه­ های نامطلوب جلوگیری کند.

  • خطی کردن

در برخی از کاربردها، سنسور مورد استفاده برای اندازه­ گیری، رفتاری غیرخطی با تغییر کمیت موردنظر از خود نشان می­ دهد. از طرفی برای نمایش دقیق مقادیر اندازه­ گیری شده یا استفاده از مقادیر اندازه­ گیری شده در سیستم کنترل، علاقه مندیم که نسبت سیگنال نهایی با کمیت اندازه ­گیری به صورت خطی تغییر کند. از این رو، در یک مرحله پیش ­پردازش سیگنال موردنظر اصلاح می­ شود.

یکی از کاربردهای خطی­ سازی در اندازه­ گیری دما با ترموکوپل می­ باشد. همانطور می­دانید در سنسور ترموکوپل که برای اندازه­ گیری دما کاربرد دارد. کمیت دمای جسم به صورت یک ولتاژ الکتریکی بسیار کوچک اندازه­ گیری می­ شود. در صورتی که نمودار تغییرات ولتاژ بر حسب تغییرات دما را در این تجهیزات مشاهده کنید؛ در ابتدا به نظر می­رسد که رفتار تغییرات ولتاژ بر حسب تغییرات دما به صورت خطی می­ باشد؛ در حالی که این ارتباط به صورت کاملاً خطی نمی­ باشد.

از این رو برای جبران رفتار غیرخطی ترموکوپل و بالا بردن دقت اندازه  گیری نیاز به خطی ­سازی سیگنال ولتاژ اندازه­ گیری است. در شکل زیر به صورت نمادین تصویر یک بلوک خطی­ ساز آورده شده است.

حالت دادن سیگنال
  • ایزولاسیون و حفاظت

یکی از قسمت­ های مهم حالت داده سیگنال، ایزولاسیون و محافظت می­ باشد. هدف از بکارگیری مدارهای حفاظت و ایزولاسیون معمولاً محافظت از مدار در برابر جریان و ولتاژ بالا می­ باشد. از مثال­ های مدارهای حفاظت و ایزولاسیون می­ توان به مدارهای محدودکننده جریان، مدارهای محافظت در برابر ولتاژ بالا، مدارهای ایزولاسیون اپتوالکتریکی، مدارهای ایزولاسیون مغناطیسی نام برد.

جمع ­بندی

در این مقاله با مفهوم حالت دادن سیگنال (Signal Conditioning) آشنا شدیم. هر فرآیندی که بر روی سیگنال خام اعمال می گردد تا سیگنال آماده پردازش اصلی شود؛ حالت دادن سیگنال می ­شود. همچنین اقسام مختلف حالت دادن سیگنال در این مقاله مورد بررسی قرار گرفت. به طور کلی از مهمترین اجزاء حالت دادن سیگنال می­توان به موارد زیر اشاره کرد.

  • تقویت سیگنال
  • فیلتراسیون
  • خطی سازی
  • ایزولاسیون و محافظت