مستشعر التسارع هو نوع شائع من المستشعرات التي تقيس تسارع الأجسام وزاوية ميلها، ويُستخدم على نطاق واسع في الصناعات والرعاية الصحية والرياضة وغيرها من المجالات. يتكون مستشعر التسارع عادةً من عناصر استشعار ودوائر معالجة الإشارات ودوائر الربط، ويمكنه استشعار تسارع الجسم أو رصد التغيرات في حالته الحركية، وتحويل هذه البيانات إلى إشارات كهربائية للإخراج.
يقدم السوق حاليًا نوعين رئيسيين من أجهزة استشعار التسارع: أجهزة الاستشعار التناظرية وأجهزة الاستشعار الرقمية.
تتميز مستشعرات التسارع الرقمية بسهولة دمجها مع الأنظمة الرقمية. مع ذلك، ولتحقيق دقة أعلى، وتقليل التشويش، وتلبية متطلبات الاستجابة الديناميكية المختلفة، مع التحكم في التكاليف، نميل أحيانًا إلى تفضيل مستشعرات التسارع ذات المخرجات التناظرية.
يوضح الشكل 1 مسار معالجة الإشارة من مقياس تسارع تناظري نموذجي. عمومًا، ولتحسين التكامل وخفض التكاليف، يتم دمج عملية أخذ عينات محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية ومعالجة الترشيح الرقمي داخليًا في وحدة التحكم الدقيقة أو معالج الإشارات الرقمية.
يُعدّ إضافة مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويه في بداية مُحوّل الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) عنصرًا أساسيًا في تصميم نظام أخذ عينات الإشارة. وفقًا لنظرية نايكويست لأخذ العينات، يجب أن يكون تردد أخذ العينات fs لمُحوّل الإشارة التناظرية إلى الرقمية ضعف أعلى تردد fmax للإشارة على الأقل (أي fs ≥ 2fmax) لإعادة إنتاج الإشارة الأصلية بدقة دون تشويه. إذا احتوت إشارة الإدخال على مكونات بترددات تتجاوز fs/2 (المعروفة بتردد نايكويست)، فسيتم دمج هذه المكونات عالية التردد في نطاق الترددات المنخفضة، مما يُشكّل إشارات زائفة (تشويه). يُشوّه التشويه الإشارة المفيدة بشكل دائم ولا يُمكن التخلص منه من خلال المعالجة اللاحقة. قد تحتوي الإشارة الفعلية على ضوضاء أو مكونات عالية التردد غير مرغوب فيها (مثل التداخل الكهرومغناطيسي والتوافقيات)، والتي قد تتجاوز نصف تردد أخذ العينات (fs/2). وحتى لو كانت إشارة الإدخال نفسها ذات نطاق ترددي محدود، فإن عملية أخذ العينات في محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (وخاصةً التقطيع) ستُدخل ضوضاء تكميم. يمكن لمرشح التمرير المنخفض المضاد للتشويه تقليل تأثير الضوضاء عالية التردد. مرشح التمرير المنخفض المضاد للتشويه هو في الواقع مرشح تمرير منخفض من نوع RC (مقاومة-مكثف)، وعادةً ما يتم ضبط تردد القطع (fc) الخاص به على قيمة أقل بقليل من نصف تردد أخذ العينات (fs/2) ولكن أعلى بقليل من النطاق الترددي الفعال للإشارة (على سبيل المثال، إذا كان النطاق الترددي لمقياس التسارع 100 هرتز، يتم اختيار fc على أنه 150 هرتز)، مما يضمن مرور الإشارات ذات الترددات الأقل من تردد نايكويست فقط. إذا كان تردد ساعة أخذ العينات في محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية 2 كيلوهرتز، فيجب ألا يتجاوز تردد القطع (fc) 1 كيلوهرتز. صيغة حساب تردد القطع fc هي fc = 1/(2π×R×C). يُستخدم مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويش لتقليل الضوضاء الخلفية، وبالتالي تحسين دقة مقياس التسارع. عمومًا، في التصميم، يُحدد عرض النطاق الترددي بأقل تردد مطلوب للتطبيق لزيادة دقة مقياس التسارع ونطاقه الديناميكي إلى أقصى حد.
في الاستخدام العملي، عند استخدام ADXL103 أو ADXL203 من ADI، يكون مرشح الترددات المنخفضة الداخلي مُدمجًا بالفعل. يتم تحديد تردد القطع (نقطة -3 ديسيبل) بواسطة المكثف الخارجي C المتصل بطرف الإخراج، ولا يمكن تحقيق وظائف منع التداخل وكبح الضوضاء إلا بتوصيل مكثف بالتوازي مع طرف الإخراج وتشكيل مرشح ترددات منخفضة باستخدام مقاومة الإخراج الداخلية. يوضح الشكل 2 دائرة التطبيق الفعلية، وقيمة fc المقابلة لها هي 5 ميكروفاراد/درجة مئوية.
تمر الإشارة التناظرية عبر مرشح تمرير منخفض مضاد للتشويه، ثم تُرسل إلى وحدة تحويل الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC). وبفعل نبضة ساعة أخذ العينات، يتم توليد تدفق بيانات مستمر. في هذه المرحلة، لا بد أن تحتوي البيانات على بعض التشويش. وللتخلص من هذا التشويش، تُستخدم تقنية الترشيح الرقمي لمعالجة البيانات المُستلمة. بالمقارنة مع المرشحات التناظرية، تتميز المرشحات الرقمية باستجابات ترددية أكثر استقرارًا، وقدرة على كبح الإشارات خارج النطاق بدقة، وقابلية تكرار جيدة، ويمكن تنفيذها إما برمجياً بالكامل أو باستخدام تسريع الأجهزة لمرشحات FIR (استجابة النبضة المحدودة) أو IIR (استجابة النبضة اللانهائية).
نظراً لرتبة مرشحات FIR العالية، فإنها تستهلك موارد حاسوبية أكبر، وهي أكثر ملاءمة للتشغيل على معالجات الإشارات الرقمية أو وحدات التحكم الدقيقة عالية الأداء. يوضح الشكل التالي صيغة معادلة الفرق الخاصة بها.
بالنسبة لمرشح FIR منخفض التمرير من الرتبة 120 باستخدام نافذة كايزر، يصل توهين نطاق الإيقاف عادةً إلى أكثر من 60 ديسيبل. بالمقارنة مع مرشحات IIR، تتميز مرشحات FIR بنطاق انتقال أوسع وتأخير مجموعة أكبر، واستجابتها في الوقت الحقيقي ليست بنفس سرعة مرشحات IIR.
في حال محدودية موارد الحوسبة على منصة مضمنة، أو للحصول على نطاق انتقال أكثر حدة، يمكن استخدام مرشحات الاستجابة النبضية اللانهائية (IIR). بالمقارنة مع مرشحات الاستجابة النبضية المحدودة (FIR)، تتميز مرشحات IIR بكفاءة حسابية أعلى (حيث يمكنها تحقيق أداء عالٍ برتب أقل)، ولها تغيرات طور غير خطية، وهي مناسبة لمقاييس التسارع، ولكنها قد تكون غير مستقرة. لذا، يجب تحسين مواقع الأقطاب بعناية. يوضح الشكل التالي الصيغة العامة لمعادلة الفرق لمرشحات IIR.
عادةً ما يمكن لمرشح التمرير المنخفض الرقمي من النوع IIR الإهليلجي من الدرجة الرابعة أن يحقق توهين نطاق التوقف بأكثر من 60 ديسيبل عندما يكون تموج نطاق التمرير 0.5 ديسيبل.
أحيانًا، وللحصول على نتيجة إخراج سلسة، تُخضع بيانات الإخراج ضمن نافذة معينة من المرشح المذكور سابقًا لترشيح المتوسط المتحرك لتقليل تأثير الضوضاء. لنفترض وجود متتالية إشارة x[n] تحتوي على N عينة، حيث n هو فهرس العينة (من 0 إلى N-1). يتم إجراء ترشيح المتوسط المتحرك عن طريق تحريك نافذة ثابتة الطول M على متتالية الإشارة وحساب متوسط العينات داخل النافذة. لكل موضع k من النافذة المتحركة، يمكن حساب الإخراج المُرشَّح y[k] باستخدام الصيغة التالية:
يُحدد حجم النافذة المنزلقة (M) درجة التنعيم. فالنافذة الأكبر تُنعّم الإشارة بفعالية أكبر، ولكن قد ينتج عنها استجابة متأخرة؛ أما النافذة الأصغر فتستجيب لتغيرات الإشارة بسرعة أكبر، ولكن قد يكون تأثير التنعيم أقل. عادةً، عندما تكون ترددات أخذ عينات محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية 2000 هرتز، يُضبط حجم النافذة المنزلقة (M) على 10.
Xml سياسة الخصوصية المدونة خريطة الموقع
حقوق النشر
@ شركة مايكرو ماجيك كل الحقوق محفوظة.
دعم الشبكة
بالعربية
