24 septiembre 2009

Entendiendo la trayectoria de las señales de los sensores

Los sensores usan sistemas embebidos cada vez más. En la industria se han utilizado desde hace tiempo para los sistemas de control de la fabricación, y actualmente los dispositivos de consumo están comenzando a emplearlos también. Los fabricantes están integrando sensores en los productos de consumo para crear mejores experiencias al usuario – el rango de elementos añadidos va desde acelerómetros en teléfonos móviles a sensores de vapor de agua en hornos microondas. Los diseñadores de sistemas, que previamente sólo trabajaban en el dominio digital, están ahora interaccionando con los sensores analógicos.
Las señales analógicas de los sensores deben digitalizarse para que el sistema pueda usarlas, y luego la trayectoria de las señales pasa a través de amplificadores, filtros y etapas de digitalización. Cada etapa usualmente implica un componente pasivo que realiza una función. Una vez que se digitaliza la señal, puede pasarse a un sistema de control en el micro-controlador y de ahí a un procesador anfitrión a través de un protocolo de comunicación. El protocolo puede usar los datos del sensor para lo que sea necesario.
Cada uno de los sensores tiene una señal y rango de salida diferentes. La señal de salida puede estar basada ser voltaje –, corriente –, resistiva –, capacitiva –, o frecuencia, pero existen pocos standards y sólo los usan los sistemas industriales. Incluso los sensores similares del mismo fabricante pueden tener diferentes salidas, y estas diferencias pueden crear problemas para los diseñadores del sistema. Un diseñador debe seleccionar un sensor que cumpla los requerimientos del sistema. La incorporación de un nuevo sensor con una salida ligeramente diferente necesitará alterar la amplificación y etapas de filtrado.
La mayoría de las señales de salida se basan en pequeñas señales de corriente o voltaje, de manera que una simple red resistiva adapta cualquier señal basada en corriente en un voltaje.
Revisemos ahora algunos conceptos que simplifican el concepto de de selección:
Amplitud
La salida de un sensor puede ser tan pequeña como varios milivoltios o tan grande como varios voltios. Para su correcta digitalización, la señal debe ser lo suficientemente grande como para que pueda leerla el ADC. En la mayoría de los casos, la señal del sensor requiere amplificación. En la mayoría de los casos, la señal del sensor requiere amplificación. Por ejemplo, la salida de un termopar de tipo-K típica es 41µV/ºC, que debe en gran medida amplificarse si el diseño requiere una granularidad de 1 ºC. De esta forma, debe tenerse en cuenta una resolución del ADC que sea suficiente como para obtener la granularidad deseada.
La selección del amplificador se adaptará a las necesidades de cada proyecto y podrá ser un amplificador de instrumentación, un amplificador diferencial, un amplificador operacional, o un amplificador de ganancia programable PGA. También debe determinarse la cantidad de ganancia que el amplificador requiere.
Filtrado
Todos los sistemas imparten algún ruido a la señal de los sensores. El ruido proviene de diferentes fuentes, incluyendo paneles, radios, componentes térmicas, e incluso el sensor ruido. El ruido puede filtrarse usando filtros analógicos pasivos, filtros ICs, y filtros digitales. El método más común, filtrado pasivo, implica crear una red pasiva de resistencias, condensadores e inductores.
Conversión digital
Para usar la señal filtrada del sensor, debe cuantificarse la señal analógica en el dominio digital usando un ADC. La selección de un ADC es la preocupación principal de los requerimientos del sistema para muestrear velocidad y resolución. La velocidad de muestreo necesaria está relacionada con el ancho de banda del sensor y con las necesidades de actualización.
Bibliografía: Breaking down the sensor-signal path. Electronics Design, Strategy, News. September 2009
Palabras clave: Programable-gain amplifier (PGA)
Publicar un comentario