Operații de condiționare a semnalului 

În prelegerile anterioare am studiat diverși senzori și traductoare folosite într-un sistem mecatronic. Traductoarele detectează fenomenul fizic precum creșterea temperaturii și transformă măsurandul într-un semnal electric, adică tensiune sau curent. Dar, aceste semnale pot să nu fie în forme adecvate pentru a le folosi la controlul un sistem mecatronic. Figura 2.6.1 prezintă diferite  operații de condiționare a semnalelor care sunt efectuate în controlul unui sistem bazat pe mecatronică. Semnalele date de un traductor pot fi de natură neliniară sau pot conține zgomot. Astfel, înainte de a trimite aceste semnale către unitatea de control  mecatronică, este esențial de eliminat zgomotul, neliniaritatea asociată cu ieșirea brută de la un senzor sau un traductor. De asemenea, este necesar să se modifice amplitudinea (scăzută/mare) și forma (analogică/digitală) a semnalelor de ieșire în limitele și forma acceptabile respective care vor fi adecvate sistemului de control. Aceste activități se desfășoară prin utilizarea  dispozitivelor de condiționare a semnalului și procesul este numit „condiționare de semnal”. 

Figura 2.6.1 Operații de condiționare a semnalului  

Sistemul de condiționare a semnalului îmbunătățește calitatea semnalului provenit de la un senzor în termeni de:

1. Protecție

Pentru a proteja deteriorarea elementului următor al sistemului mecatronic, ca microprocesoare, de semnalele de curent sau tensiune mare.

2. Tipul corect de semnal 

Pentru a converti semnalul de ieșire de la un traductor în forma dorită, adică tensiune/curent.

3. Nivelul corect al semnalului

Pentru a amplifica sau atenua semnalele la un nivel corect/acceptabil pentru următorul element.

4. Zgomot

Pentru a elimina zgomotul dintr-un semnal.

5. Manipularea

Pentru a manipula semnalul de la forma sa neliniară la forma liniară.

1. Amplificare/atenuare

Diferite aplicații ale sistemului mecatronic, cum ar fi unitatea de control a unei mașini-unelte CNC, acceptă amplitudini de tensiune între 0 și 10 Volți. Dar, mulți senzori produc semnale de ordinul milivolți. Acest semnal de intrare de nivel scăzut, de la senzori, trebuie amplificat pentru a-l folosi pentru acțiuni de control ulterioare. Amplificatoarele operaționale (op-amp) sunt utilizate pe scară largă pentru amplificarea semnalelor de intrare. Detaliile sunt mai jos. 

1.1 Amplificator operațional (op-amp)

Amplificatorul operațional este o parte de bază și importantă a unui sistem de condiționare a semnalului. Adesea este prescurtat ca op-amp. Op-amp este un amplificator de tensiune cu câștig mare, cu intrare diferențială. Câștigul este de ordinul a 100000 sau mai mult. Intrarea diferențială este o metodă de transmitere a informațiilor cu două semnale electronice diferite, care sunt în general complementare între ele. Figura 2.6.2 prezintă diagrama bloc a unui op-amp. Are cinci terminale. Două tensiuni sunt aplicate la două terminale de intrare. Terminalul de ieșire furnizează valoarea amplificată a diferenței între cele două tensiuni de intrare.  Op-amp  funcționează folosind puterea externă furnizată la terminalele Vs + și Vs. 

Figura 2.6.2 Schema circuitului unui Op-amp

În general, op-amp amplifică diferența între tensiunile de intrare (V+ și V-). Ieșirea unui amplificator operațional poate fi scrisă ca  

                                                Vout = G*(V+ - V-)                                                       (2.6.1)

unde G este câștigul Op-amp.  

Figura 2.6.3 prezintă configurația inversoare a unui op-amp. Semnalul de intrare este aplicat la borna inversoare a Op-amp prin intermediul rezistenței de intrare Rin. Terminalul neinversor este la masă. Tensiunea de ieșire (Vout) este conectată înapoi la terminalul de intrare inversoare prin rețeaua rezistivă Rin și rezistorul de reacție Rf.

Acum la nodul a, putem scrie,

                                                       I1 = Vin/Rin                                                                         (2.6.2)

Curentul care circulă prin Rf este, de asemenea, I1, deoarece op-amp nu trage niciun curent. Prin urmare, tensiunea de ieșire este dată de,

                                                     Vout  = – I1Rf = –Vin Rf/Rin                                             (2.6.3) 

Astfel, câștigul în buclă închisă a op-amp poate fi dat ca,

                                                    G = Vout/Vin = –Rf/Rin                                                     (2.6.4) 

Semnul negativ indică o defazare între Vin și Vout.                                                     

Figura 2.6.3 Op-amp inversor 

1.2 Amplificarea semnalului de intrare cu ajutorul Op-amp 

Figura 2.6.4 Amplificare folosind un Op-amp

Figura 2.6.4 prezintă o configurație pentru a amplifica un semnal de tensiune de intrare. Are doi rezistori conectați la nodul a. Dacă considerăm că tensiunea la terminalul pozitiv este egală cu tensiunea la terminalul negativ, circuitul poate fi tratat ca două rezistențe în serie. În conexiunea serie a rezistențelor, curentul care circulă prin circuit este același. Prin urmare, putem scrie,                                                                                                                  

Astfel selectând valori potrivite ale rezistențelor, putem obține tensiunea de ieșire dorită (amplificată/atenuată) pentru tensiunea de intrare cunoscută. 

În aplicațiile mecatronice sunt utilizate și alte configurații, cum ar fi amplificatorul ne-inversor, amplificatorul de însumare, de scădere, amplificatorul logaritmic. Studiul detaliat al tuturor acestora nu intră în sfera de aplicare a cursului actual. Cititorii pot apela la Bolton pentru mai multe detalii.

2. Filtrare 

Semnalele de ieșire de la senzori conțin zgomot datorită factorilor externi, precum conexiuni hardware necorespunzătoare, mediu etc. Zgomotul produce o eroare la ieșirea finală a sistemului. Prin urmare, trebuie îndepărtat. În practică, schimbarea nivelului de frecvență dorit al semnalului de ieșire este un zgomot frecvent notat. Acest lucru poate fi corectat prin utilizarea  filtrelor. În practică, sunt utilizate următoarele tipuri de filtre:

   1. Filtru trece-jos

   2. Filtru trece-sus

   3. Filtru trece-bandă

   4. Filtru oprește-bandă

2.1 Filtru trece-jos (Low Pass)

Filtrul trece-jos este utilizat pentru a permite conținutul de frecvență joasă și pentru a respinge conținutul de înaltă frecvență al unui semnal de intrare. Configurația sa este prezentată în figura 2.6.5 

Figura 2.6.5 Circuitul filtrului trece-jos 

Figura 2.6.6 Banda de trecere pentru filtrul trece-jos 

În circuitul prezentat în figura 2.6.5, rezistența și capacitatea sunt în serie cu tensiunea la terminalul rezistenței care este tensiunea de intrare și tensiunea la terminalul capacității este tensiunea de ieșire. Atunci, aplicând Legea lui Ohm, putem scrie,  

Din ecuația 2.6.8 putem spune că dacă frecvența semnalului de intrare este scăzută, atunci 𝑗𝜔𝐶𝑅 ar fi mică. Astfel , 1/1+𝑗ω𝐶𝑅 ar fi aproape egal cu 1. Dar, la o frecvență mai mare 𝑗ω𝐶𝑅 ar fi mai mare, atunci 1/1+𝑗ω𝐶𝑅 ar fi aproape egal cu 0. Astfel circuitul de  deasupra va acționa ca filtru trece-jos. El selectează frecvențe sub o frecvență a punctului de tăiere ω = 1/RC așa cum se arată în figura 2.6.6. Prin selectarea valorilor potrivite ale lui R și C putem obține valorile dorite ale frecvenței pentru a le transmite.

2.2 Filtru trece-sus (High Pass)

Aceste tipuri de filtre permit frecvențelor înalte să treacă prin ele și să blocheze frecvențele inferioare. Figura 2.6.7 prezintă circuitul pentru filtrul trece-sus.  

Figura 2.6.7 Circuitul filtrului trece-sus 

Figura 2.6.8 Banda de trecere pentru filtrul trece-sus 

Din ecuația 2.6.9, putem spune că dacă frecvența semnalului de intrare este scăzută, atunci 1/𝑗𝜔𝐶 ar fi mare și deci 𝑅/𝑅+(1/j𝜔𝐶)  ar fi aproape egală cu 0. Pentru semnalul de frecvență înaltă, 1/𝑗𝜔𝐶 ar fi scăzut și 𝑅/𝑅+(1/𝑗𝜔𝐶) ar fi aproape egal cu 1. Astfel circuitul de mai sus va acționa ca filtru trece-sus. Selectează frecvențele peste o frecvență a punctului de tăiere ω = 1/ RC, așa cum se arată în figura 2.6.8. Selectând valori potrivite de R și C putem permite trecerea nivelului de frecvență dorit  (înalt).   

2.3 Filtru trece-bandă (Band Pass) 

În unele aplicații, trebuie să filtrăm o anumită bandă de frecvențe dintr-o gamă mai largă de semnale mixate. În acest scop, proprietățile circuitelor de filtre low-pass și high-pass pot fi combinate pentru a proiecta un filtru numit filtru trece-bandă. Filtrul trece-bandă poate fi dezvoltat prin conectarea unui filtru trece-jos și un filtru trece-sus în serie, așa cum se arată în figura 2.6.9.   

Figura 2.6.9 Filtru trece-bandă 

2.4 Filtru oprește bandă (Band Reject) 

Aceste filtre trec toate frecvențele peste și sub un anumit interval setat de operator/producător. Ele sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de filtre stop band sau filtre de crestătură (notch). Acestea  sunt construite conectând un filtru trece-jos și un filtru trece-sus în paralel, așa cum se arată în Figura 2.6.10.

 Figura 2.6.10 Filtru oprește-bandă

Chestionar:

1. Explicați principiul funcționării op-amp ca amplificator inversor. 

2. Ce fel de operații de condiționare a semnalului vor fi necesare pentru a dezvolta un centru de strunjire CNC de top pentru lucrări mici de lucru?