Circuitul de eșantionare memorare

Condiţionarea Semnalelor:

Circuitul de Eşantionare şi Memorare

1. Introducere

Condiţionarea semnalelor este una dintre cele mai importante componente ale sistemelor de achiziţie şi control, dar care, de cele mai multe ori, este tratată superficial, sau chiar ignorată.

Sistemele de măsură încep cu senzorul sau traductorul, dispozitiv care converteşte o proprietate fizică măsurabilă într-un semnal electric. În momentul de faţă sunt disponibili senzori sau traductoare pentru o multitudine de mărimi de intrare. Ieşirea acestora, de cele mai multe ori, nu este standardizată, astfel încât nu se poate lega direct la un sistem de achiziţie a datelor.

Astfel au apărut circuitele de condiţionare a semnalelor care convertesc semnalul de la senzori sau traductoare în semnal (de obicei tensiune) ce poate fi aplicat convertoarelor analog numerice din sistemul de achiziţie.

În cazul în care cablurile de legătură şi circuitele de condiţionare nu sunt alese corespunzător, atunci sistemul de achiziţie va furniza o informaţie eronată sau chiar fără sens. Marea majoritate a senzorilor necesită circuite de condiţionare a semnalelor, dar niciun instrument nu are capabilitatea de a îngloba circuite de condiţionare a semnalelor pentru orice senzor disponibil.

Datorită numărului mare de funcţii pe care trebuie să le îndeplinească circuitele de condiţionare, nu se poate realiza unul general. Se realizează circuite de condiţionare care îndeplinesc una sau mai multe funcţii, cum ar fi amplificarea, atenuarea, adaptarea de impedanţă, eşantionare şi memorare, multiplexarea şi amplificarea programată, filtrarea, conversia tensiune-frecvenţă.

Măsurarea numerică a mărimilor cu variaţie continuă în timp presupune discretizarea valorilor acestor mărimi. Procesul de discretizare se desfăşoară pe două direcţii. Mai întâi are loc o discretizare în timp, în sensul că măsurarea se efectuează la momente de timp prestabilite. Ca urmare, indicaţia unui aparat numeric reprezintă valoarea instantanee a măsurandului la un anumit moment de timp anterior afişării.

Apoi are loc o discretizare în amplitudine, în sensul că valorii prelevate la un anumit moment de timp i se pune în corespondenţă un număr, care poate lua în orice interval o mulţime finită de valori, pe când o mărime continuă poate lua o infinitate de valori.

Discretizarea în timp se efectuează prin eşantionare, iar cea în amplitudine prin cuantizare (conversie analog-numerică). Ca urmare, eşantionare constă în prelevarea într-un anumit interval de timp a unui număr finit de valori ale mărimii cu variaţie continuă, care apoi sunt convertite şi prelucrate numeric. Memorarea este necesară pentru menţinerea constantă a valorii eşantionate pe durata conversiei analog-numerice. Se pune însă problema, în ce măsură o mărime reprezentată prin eşantioanele sale conservă informaţia conţinută în semnalul iniţial şi poate conduce la refacerea lui.

Soluţia este oferită de Teorema lui Shannon, al cărei enunţ este următorul:

• Semnalul analogic x(t) este descris complet printr-un şir infinit de eşantioane ale sale, obţinute printr-o eşantionare periodică ideală cu frecvenţa fe, cu condiţia ca spectrul semnalului x(t) să nu conţină nicio componentă de frecvenţă superioară valorii fe/2.

Altfel spus, dacă fmax este frecvenţa cea mai ridicată din spectrul semnalului x(t), condiţia Shannon se exprimă prin: fe = 1/Te ≥ 2fmax.

Eşantionarea ideală poate fi exprimată matematic prin produsul dintre semnalul de eşantionat – x(t) şi un şir periodic de impulsuri Dirac cu perioada – Te = 1/fe. În acest caz, densitatea spectrală de putere a semnalului eşantionat corespunde unei repetiţii periodice cu frecvenţa – fe, a densităţii spectrale de putere a semnalului – x(t), multiplicată cu un factor constant (f2e).

Practic, nu pot fi realizate circuite capabile să determine valoarea instantanee a amplitudinii unui semnal x(t). Ca urmare, va fi determinată valoarea medie a acestei amplitudini pe un interval de timp finit Tμ. Durata de mediere Tμ produce o deformare a spectrului semnalului x(t), corespunzătoare unei filtrări trece-jos aplicată înainte de eşantionare. Din această cauză se impune ca timpul de mediere Tμ să fie cât mai redus. Semnalele fizice nu posedă un spectru de frecvenţă limitat şi aceasta se întâmplă cel puţin din cauză că un semnal este întotdeauna însoşit de zgomot şi mai ales de zgomot alb. Astfel, nu există niciodată garanţia respectării condiţiei Shannon.