سیگنال کاندیشنینگ چیست؟

امروزه، رایانه‌های دیجیتال و سایر دستگاه‌های مبتنی بر میکروپروسسور جایگزین تکنولوژی‌های ثبت و نمایش آنالوگ در تمام فرآیندهای ساده جمع‌آوری داده شده‌اند. در حالی که رایانه‌ها تأثیر بی‌چون و چرایی بر روی عمل جمع‌آوری داده‌ها داشته‌اند، آنها تنها به زبان دودویی از صفر و یک صحبت می‌کنند. فرآیندهای تولید و پدیده‌های طبیعی اما همچنان به ذات خود آنالوگ هستند. به عبارت دیگر، فرآیندهای طبیعی تمایل دارند به طور هموار در طول زمان تغییر کنند، نه اینکه به طور ناپیوسته از حالت سیاه به سفید، از روشن به خاموش تغییر حالت دهند.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، نیاز به اندازه‌گیری‌های آنالوگ – مانند فشار، دما، نرخ جریان، بار، pH/هدایت و موقعیت – وجود دارد که باید به طور معنی‌داری توسط رایانه ثبت یا پردازش شوند. حتی رویدادهای ذاتاً دیجیتال – مانند تریپ کردن یک موتور یا پالس تولید شده توسط یک جریان‌سنج جابجایی مثبت – نیز باید به گونه‌ای تفسیر شوند که تغییرات ولتاژ به سطح منطق ترانزیستور به ترانزیستور (TTL) را نشان دهند. برای اینکه یک دستگاه جمع‌آوری داده‌ها به طور مؤثر و دقیق کار کند، خروجی سیگنال از این حسگرهای مختلف نیاز به سیگنال کاندیشنینگ دارد.

سیگنال کاندیشنینگ، فرآیندی حیاتی که درون یک سیستم جمع‌آوری داده‌ها انجام می‌شود، شامل دستکاری سیگنال آنالوگ خروجی از سنسور ها برای آماده‌سازی برای مرحله بعدی پردازش است. سیگنال کاندیشنینگ سیگنال‌ها را از حسگرها و ترانسدیوسر های مختلف تقویت و تبدیل می‌کند تا به شکل‌های قابل خواندن و سازگار برای سیستم‌های جمع‌آوری داده تبدیل شود.

این فرآیند ‘کاندیشنینگ’ سیگنال‌ها توسط دستگاهی به نام سیگنال کاندیشنر انجام می‌شود – دستگاهی که یک نوع سیگنال را به سیگنالی تبدیل می‌کند که با دستگاه‌های پایش و کنترل فرآیند سازگار است.

چرا سیگنال کاندیشنینگ مهم است؟

در کاربردهای دنیای واقعی، حسگرها و ترانسدیوسرهای متصل به سیستم‌ها برای اندازه‌گیری‌ها اغلب در معرض محیط‌های خشن قرار دارند که در آنها احتمال وقوع خطا وجود دارد. علاوه بر این، خروجی‌های تمام مقیاس اکثر حسگرها نسبتاً ضعیف هستند. خروجی معمولاً شامل ولتاژهای کوچک، جریان‌ها یا تغییرات مقاومت است. اگر سیستم جمع‌آوری داده‌ها با سیگنال‌های ضعیف تغذیه شود، خروجی به احتمال زیاد بی‌معنی خواهد بود. سیگنال کاندیشنرها مدارهای اساسی را بین حسگر و سیستم جمع‌آوری داده‌ها فراهم می‌کنند. این مدار اطمینان می‌دهد که خروجی قبل از هر گونه پردازش سیگنال بیشتر به درستی کاندیشن شده است. برای هر حسگر خاص، سیگنال کاندیشنر به عنوان واسطی عمل می‌کند که سیگنال‌های دنیای واقعی را تحریک، مقیاس‌بندی یا بافر می‌کند.

نحوه عملکرد سیگنال کاندیشنر

سیگنال کاندیشنر یک مدار است که مجموعه‌ای از عملیات را بر روی یک سیگنال انجام می‌دهد و آن را برای پردازش‌های بعدی مناسب می‌سازد. این دستگاه دارای یک ورودی و یک خروجی است که معمولاً ورودی یک حسگر است که متغیرهای محیطی و/یا ساختاری را اندازه‌گیری می‌کند.

سیگنال کاندیشنرها چه کاری انجام می‌دهند؟

سیستم‌های جمع‌آوری داده‌ها برای انجام وظایف خود نیاز به اتصال به انواع مختلف حسگرها و سیگنال‌ها دارند. سیگنال کاندیشنرها سیگنال آنالوگ را از حسگر دریافت کرده، آن را دستکاری می‌کنند و به زیرسیستم ADC (تبدیل آنالوگ به دیجیتال) ارسال می‌کنند تا برای پردازش بیشتر (معمولاً توسط نرم‌افزار رایانه) دیجیتالی شود.

همانطور که از نام آن‌ها پیداست، آن‌ها در زمینه کاندیشنینگ سیگنال‌ها فعالیت می‌کنند تا بتوانند توسط زیرسیستم A/D به حوزه دیجیتال تبدیل شوند و سپس نمایش داده شوند، ذخیره شوند و تحلیل شوند.

در نهایت، نمی‌توانید مستقیماً 500 ولت را به یکی از ورودی‌های یک کارت A/D متصل کنید – و ترموکوپل‌ها، RTD‌ها، LVDT‌ها و سایر حسگرها نیاز به کاندیشنینگ دارند تا کار کنند و خروجی ولتاژ نرمال شده‌ای را فراهم کنند که بتواند به کارت A/D وارد شود.

انواع سیگنال کاندیشنرها

در دنیای حسگرهای الکتریکی، ما به انواع مختلفی از مدارهای کاندیشنینگ سیگنال نیاز داریم تا سیگنال‌های خارج شده از این حسگرها را به درستی کاندیشن کنیم.

انواع سیگنال کاندیشنرها بر اساس اندازه‌گیری مقادیر فیزیکی

• سیگنال کاندیشنرهای ولتاژ و ولتاژ بالا
• سیگنال کاندیشنرهای جریان
• سیگنال کاندیشنرهای IEPE (یا ICP/پیزوالکتریک)
• سیگنال کاندیشنرهای شارژ
• سیگنال کاندیشنرهای گیج کرنش
• سیگنال کاندیشنرهای سلول بار
• سیگنال کاندیشنرهای حسگر فشار
• سیگنال کاندیشنرهای ترموکوپل
• سیگنال کاندیشنرهای RTD
• سیگنال کاندیشنرهای ترمیستور
• سیگنال کاندیشنرهای گشتاور
• سیگنال کاندیشنرهای LVDT
• سیگنال کاندیشنینگ AC
• سیگنال کاندیشنینگ DC
• سیگنال کاندیشنرهای دیجیتال
• سیگنال کاندیشنرهای فرکانس

انواع سیگنال کاندیشنرها بر اساس ویژگی‌ها

ما می‌توانیم سیگنال کاندیشنرها را بر اساس ویژگی‌هایشان نیز گروه‌بندی کنیم. برخی از آن‌ها را می‌توان به صورت زیر طبقه‌بندی کرد:

• سیگنال کاندیشنرهای یونیورسال: یک سیگنال کاندیشنر یونیورسال دستگاهی همه‌کاره است که از انواع مختلف حسگرها پشتیبانی می‌کند – از جمله جریان، ولتاژ، ترموکوپل‌ها، RTD‌ها، پتانسیومترها و حسگرهای مقاومت خطی – و نیاز به کاندیشنرهای جداگانه برای هر نوع حسگر را از بین می‌برد. این کاندیشنرها دارای یک ماژول برنامه‌ریزی‌شونده هستند که می‌تواند برای برآورده کردن نیازهای ورودی/خروجی خاص سفارشی‌سازی شود.
• سیگنال کاندیشنرهای چند کاناله: مشابه سیگنال کاندیشنرهای یونیورسال، سیگنال کاندیشنرهای چند کاناله قابلیت‌های گسترده‌تری ارائه می‌دهند. برخلاف کاندیشنرهای یونیورسال که تنها از یک ورودی و خروجی پشتیبانی می‌کنند، کاندیشنرهای چند کاناله گزینه‌های ورودی/خروجی اضافی را فراهم می‌کنند و اجازه پیکربندی‌های پیچیده‌تر را می‌دهند.
• سیگنال کاندیشنرهای ایزوله‌شده: سیگنال کاندیشنرهای ایزوله‌شده در محیط‌هایی که انتقال سیگنال نیاز به ایزولاسیون الکتریکی دارد تا از اتصالات فیزیکی جلوگیری شود، ضروری هستند. این کاندیشنرها جریان‌های حلقه زمین را جلوگیری کرده و سیستم‌های کنترلی را از نویز الکتریکی و تداخلات گذرا که می‌توانند در شرایط غیرقابل پیش‌بینی میدان رخ دهند، محافظت می‌کنند.
• تقسیم‌کننده‌های سیگنال کاندیشنر: تقسیم‌کننده‌های سیگنال کاندیشنر یک سیگنال ورودی را دریافت کرده و آن را به دو خروجی مشابه در کانال‌های جداگانه و ایزوله‌شده توزیع می‌کنند. این ایزولاسیون در جلوگیری از حلقه‌های زمین و تداخلات گذرا حیاتی است. چنین دستگاه‌هایی به‌ویژه در کاربردهایی که اندازه‌گیری‌ها در دو مکان مختلف از یک منبع نیاز است، مفید هستند.

الزامات اصلی سیگنال کاندیشنرها

امروزه سیگنال کاندیشنرها شامل برخی از عناصر ضروری هستند که آن‌ها را برای سیستم‌های مدرن جمع‌آوری داده‌ها مفید می‌سازد. این عناصر عبارتند از:

• ایزولاسیون الکتریکی
• اتصالات مناسب برای اتصال حسگرها
• انتخاب محدوده اندازه‌گیری
• فیلتر کردن سیگنال (مثلاً فیلتر ضد علیاسینگ)
• تطابق با نیازهای حسگر