Acquisizione dei segnali

Acquisizione dei segnali
Elisabetta M. Zanetti
Università di Perugia
(Discretizzazione
QUANTIZZAZIONE Asse ordinate)
CAMPIONAMENTO
(Discretizzazione Asse Ascisse)
QUANTIZZAZIONE (1)
QUANTIZZAZIONE (2)
SPECIFICHE
• Il numero di bit
• La velocità di conversione
• Il range delle tensioni in ingresso [V]
• Unipolari o Bipolari
8
7
6
5
4
3
2
1
QUI IL SEGNALE SEMBRA COSTANTE
CAMPIONAMENTO
Campionamento
fs=11 Hz
fa=1 Hz
fsig = frequenza del segnale
fs= frequenza di campionamento
fa = frequenza apparente
Segnale con
f sig= 10 Hz
fs=18 Hz
fa=8 Hz
1 dato ogni 2 cicli
fs=5 Hz
fa= 0 Hz
fs=20.1 Hz
fa=10 Hz
Quando il segnale viene acquisito con una frequenza di campionamento insufficiente, la
frequenza del segnale appare diversa; si parla di ‘frequenza di alias’ (fa)
«La frequenza di campionamento deve essere almeno doppia del massimo contenuto
in frequenza del segnale».
Nel caso precedente, devo campionare almeno a ’21’ Hz!
Rilievo segnali variabili nel tempo
• Occorre sistema di acquisizione con frequenze
di campionamento adeguate
• Occorre sensore con risposta dinamica
adeguata
Altre proprietà del sistema di
acquisizione
Oltre a:
- Numero di bit per la digitalizzazione
- Frequenza di campionamento
- Impedenze I/O (Input/Output)
- Amplificazione
- Filtri
•
Trasduttore ideale + Acquisitore
ideale
•
Trasduttore ideale + Acquisitore
reale (chiude il circuito)
A
A
Vbio
VAB= Vbio
Vbio
Ri,acq
VAB= Vbio
B
B
• Trasduttore reale (con impedenza di uscita) • Trasduttore reale (con impedenza di uscita)
+ Acquisitore reale
+ Acquisitore ideale
Ru
Ru, sensore
A
Vbio
VAB= Vbio
B
Vbio
A
Ri,acq
B
VAB< Vbio
Impedenza in Ingresso del Circuito
di misura, impedenza di uscita del
trasduttore
IMPEDENZA IN
IMPEDENZA IN USCITA
DEL SENSORE
Condizioni ideali: Zbio=0; Zingresso=Infinito
INGRESSO
DELL’ACQUISITORE
Esempio
Biosensore EnzimoPotenziometrico
La superficie del trasduttore è in contatto con uno strato enzimatico
trattenuto da una membrana, ed il tutto viene immerso nella
soluzione da analizzare. Il substrato diffonde attraverso la
membrana e reagisce con l’enzima. I prodotti della catalisi devono
a loro volta diffondere verso il trasduttore per poi essere convertiti
in un segnale quantificabile.
Ion-sensitive FET
Piccole Dimensioni
Piccola t
Modulari
Dovrebbe essere
molto stabile:
difficile in vivo
Amplificatore
Vi
Vout
• GdB=20Log10(Vout/Vi)
Il segnale in ingresso viene moltiplicato per un
Fattore costante G: Vout = G · Vi
(G=10GdB/20)
Amplificatori (i)
Servono a migliorare il rapporto segnale(s)/Rumore(n):
• SNR = 10log10(Ps/Pn)= 20log10(Vs/Vn)
Amplifico Vs, mentre Vn resta invariato
SNR 26dB = 20:1
SNR 14dB = 5:1
SNR -3dB = 0.7:1 = 1:1.41
SNR -6dB = 1:2
SNR-10dB = 1:3.2
SNR-20db = 1:10
x = 10^(xdB/20)
Amplificatori (II)
Esempio: acquisitore ammette tensioni tra 0 e 10V e
le digitalizza a 3 bit
Errore quantizzazione = 10/(2^3)=1.25 V
Segnale fisiologico 0 – 2V
No amplificazione: err%=1,25/2*100=62.5%
Amplifico x 2: Segnale:0-4V; err%=1,25/4*100=31.25%
Amplifico x 5: Segnale:0-10V; err%=1,25/10*100=12.5%
Amplifico >5: NON POSSO: OUT of RANGE!!
Esempio
a)-15mV - +15 mV x 1000 -15V - +15 V Out of Range
b)-15mV - +15 mV x 100 -1.5V - +1.5 V
Err,assoluto=20/(2^12) [V] Err%= (20/(2^12))/3*100
c) -15mV - +15 mV x 10
-0.15V - +0.1.5 V
Err,assoluto=20/(2^12) [V] Err%= (20/(2^12))/0.3*100
Filtri
PASSABASSO
PASSAALTO
Fc= frequenza
di taglio
ELIMINABANDA
«La frequenza di campionamento deve essere almeno doppia del massimo contenuto
in frequenza del segnale»
Filtro Antialias = Filtro Passabasso
1) Utilizzo un filtro per
eliminare le componenti
in frequenza maggiori di
quella di interesse
2) Campiono a una
frequenza maggiore del
doppio della frequenza
massima presente nel
segnale
frequenza di campionamento=
2*fm
Filtro antialias
(dominio della
frequenza)
Frequenza massima
di interesse
Fm
Frequenza massima
Contenuta nel segnale
Disturbi nella trasmissione dei segnali
• Accoppiamento induttivo: anche senza
contatto, il disturbo si può trasmettere per
accoppiamento campo magnetico
Segnale di misura
Cavo alta
tensione
Campo magnetico.
Può essere generato anche da altre fonti:
-Trasformatori
- ground loop: correnti circolanti
Rimedio
Cavi attorcigliati: segnali +
e – ugualmente affetti dal
disturbo, il valore
differenziale non cambia
• Accoppiamento capacitivo: anche senza
contatto, il disturbo si può trasmettere per
accoppiamento campo elettrico
Campo elettrico.
Rimedio
Cavi schermati + schermatura
messa a terra.
Loop di terra
• Le prese di terra non sono tutte esattamente allo
stesso potenziale: Si genera un circuito chiuso con
trasmissione dei disturbi
Rimedio = ‘Nodo comune’ = unica messa a terra
Sistema Completo
Preferibile alimentazione a batteria
Sistemi alternativi di trasmissione
segnali
• Segnali DIGITALI (Es: CD musicali anzichè cassette
a nastro o dischi in vinile)
• Segnali in FIBRA OTTICA
EMG di superficie
Sistema di misurazione per la registrazione dell’attività muscolare
Dati e specifiche:
Numero di canali analogici
massimo 8
Numero di canali digitali
4
Capacità di misurazione
1000 Hz per canale
Risoluzione
12 bit
Memoria interna backup
512 kB
Sincronizzazione
Infrarossi
Backup dei dati con ricezione interrotta
1 min (4 canali, 1000 Hz)
Alimentazione
4 batterie tipo AAA 1.5 V