إن أجهزة الاستشعار الحساسة هي عناصر اقتناء البيانات في نظم حديثة لا حصر لها، بدءا من معدات التشخيص الطبي ومحطات الرصد البيئي لتدقيق الروبوتات الصناعية والمركبات المستقلة، وتتحول هذه أجهزة الاستشعار في نهاية المطاف إلى ظواهر طبيعية - عصرية، أو ضغط، أو تسارع، أو تركيز كيميائي - إلى إشارات كهربائية يجب معالجتها بعلامات عالية، ومع ذلك فإن تواتر عمليات الاختراق التي تعمل فيها هي نادرا ما تكون مضللة.

ما هي الأفلام النشطة؟

والمرشح النشط هو دائرة إلكترونية تستخدم أجهزة مضخمة تشغيلية نشطة (مضخمات) تعمل على شكل مكونات مجهزة بمقاومات سلبية ومكثفات لاختراق إشارات أو إطفاء بشكل انتقائي على أساس التردد، وخلافاً للمرشحات السلبية التي تعتمد على الموصلات، والمكثفات، والمقاومات وحدها، يمكن أن توفر المواهب الحساسية، والخصائص الخفيضة للإنتاج.

أما الركيزة الأساسية للمرشح النشط فهي تركيبة المصابيح بشبكة التغذية المرتدة تحتوي على عناصر تعتمد على الترددات، وتحدد وظيفة نقل المرشّح كيفية أن يكون حجم الناتج وتغيره التدريجي بالمقارنة مع تواتر المدخلات، وتدرك معظم المرشّحات النشطة حساسية المرشّح الثاني (الزجاج) أو ردود أعلى درجة، مما يتيح إطفاء الضوضاء وثبات الاختلال الدقيقة دون الحاجة إلى المواجيز.

وتشغل مرشحات نشطة من إمدادات الطاقة في العاصمة، ويقيد أداءها ناتج التوليد المربح ومعدل الذروة وخصائص الضوضاء، وعندما تستخدم في تكييف إشارات الاستشعار، يجب اختيار هذه البارامترات بعناية لتجنب إدخال التشويه في ترددات الاهتمام وحدها، وعلى الرغم من القيود التي تفرضها التصميم، فإن مرشحات العمل لا تزال لا غنى عنها في التطبيقات التي تتطلب تمييزا حادا وكسبا وسما عاليا.

كيف يُمكن أن يُطلق على المُصورين المُتعدين من المُصورين

ولا تستخدم مرشحات المرور سوى الموصلات والمكثفات والمقاومات، وفي الترددات المنخفضة، يصبح الموصلات كبيرة ومفقودة، وقد يؤدي اختراقها الفعلي إلى الخروج عن المثالية بسبب المقاومة الطفيلية والرشاقة الأساسية، كما أن المرشّحات المتحركة تفتقر إلى المكسب، ولا يمكن إلا أن تخفف الإشارات، وكثيرا ما يكون النقص في إنتاجها منخفضا، مما يمكن أن يؤدي إلى تضخيم المحركات المثبطنة.

لماذا الأفلام النشطة مهمة؟

ويمكن فهم أهمية مرشحات نشطة في مجال حماية أجهزة الاستشعار وسلامة الإشارات من خلال عدة مهام حاسمة تؤديها، وتعالج كل وظيفة مباشرة أساليب الفشل المشتركة في نظم القياس الحساسة.

تخفيض عدد الأفراد

وكثيرا ما تكون إشارات الاستشعار في مستوى الميكروفولت أو ميليفولت قابلة للمقارنة من حيث الضوضاء الموجودة في البيئات الالكترونية النموذجية، ويمكن للمرشحات النشطة، ولا سيما أنواع الطرق المنخفضة والزوارق، أن تزيل الضجيج العريض من تبديل إمدادات الطاقة، والدوائر الرقمية، والمرسلات اللاسلكية، مثلا، أن يخترق جهاز التردد الضوئي في جهاز التردد العالي الترددي(60).

منع تحميل كميات كبيرة من الترددات الثقيلة

وهناك العديد من أجهزة الاستشعار التي لديها ردود غير خطية على إشارات قوية خارج النطاقات، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تولد أجهزة التكتل الفائقة الكهربية نواتج خافضة عندما تكون متحمسة لاهتزازات الفوق الصوتية تتجاوز نطاق القياس المقصود بها، ويمكن لهذه المكونات العالية التردد، إن لم تكن مليئة، أن تشبع المراحل اللاحقة من التكتل، مما يؤدي إلى اختلال ضوضاء غير خطي وإلى تأخير في التجاوزات المقاييس.

قياس الاستحقاق والقابلية للثقة

ويتوقف القياس الدقيق على ارتفاع نسبة الإشارة إلى الأرقام بما فيه الكفاية، ويمكن للمرشحات النشطة أن تزيد مستويات الإشارة (من خلال كسب) مع رفض الضوضاء في وقت واحد، وتحسين الأشعة القومية بعشرات من العلامات، وفي تطبيقات مثل قياسات الوزن الدقيق أو تحليل المواد الكيميائية، يمكن أن تؤدي حتى التشوهات الصغيرة إلى قراء غير صحيحة في الترددات ذات نتائج عالية من حيث التكلفة.

إطالة العمر

فالحساسات هي في كثير من الأحيان أكثر المكونات تكلفة ومعرضة للفشل في نظام ما، إذ أن التعرض المستمر للإجهاد الكهربائي خارج النطاق، مثل التدخل في الترددات اللاسلكية العالية الارتفاع أو أجهزة التحكم ذات التردد العالي، أو المواد التي يمكن أن تؤدي إلى تدهور التربة، أو تسبب ضرراً لا رجعة فيه، وبإدخال مرشح دقيق نشط في واجهة أجهزة الاستشعار، فإن هذه الإشارات الضارة تخفف قبل أن تصل إلى الحد الأدنى من الضغط.

أنواع الأفلام النشطة

وتصنف مرشحات النشاط حسب خصائص الاستجابة للترددات، ويعالج كل نوع من أنواع البيانات الخاصة بالضوضاء ونطاق الترددات الإشارة، ويسترشد فهم هذه الأنواع باختيار مرشح مناسب لتطبيقات الاستشعار.

مصورون من طراز L-Pass

ويمر مرشح نشط منخفض التجويف إشارات تقل عن تردد مخفض معين وتخفف الإشارات فوقه، وهذا هو أكثر أنواع الرش الشائع لحماية أجهزة الاستشعار لأن العديد من إشارات الاستشعار تتباين ببطء (مثل درجة الحرارة والضغط والرطوبة) ويزيل الضوضاء العالية التردد من التحلل الحراري أو المحولات المخففة مع الحفاظ على إشارة المرور الأساسية.

صائدو صواريخ عالية الصدر

وتُستخدم أجهزة الاستشعار ذات التردد العالي في إشارات مخففة تقل عن الترددات المقطعية وتُستخدم إشارات المرور فوقها عندما يحتوي ناتج أجهزة الاستشعار على انجراف منخفض التردد أو معادلة من قبل البلدان النامية التي يجب إزالتها دون التأثير على المحتوى العالي التردد، وعلى سبيل المثال، فإن جهازاً للكهرباء يُستخدم لقياس التسارع من جهاز التناوب يحتوي على عنصر هام من عناصر البطاقات الرقمية بسبب الجاذبية؛

صانعو الضمادات

وتمر مرشحات جوازات السفر بالضمادات بمدى تردد محدد وترفض جميع الترددات خارج هذا النطاق، وهي ضرورية عندما تشغل إشارة الاستشعار نطاق الترددات الضيقة وتوجد ضوضاء أقل من الإشارة وأكثر، ومن الأمثلة الكلاسيكية جهازا مضخما للأجهزة الاستشعار الضوئية، حيث يتم تعديل الإشارة بتواتر ثابت للشحنات، ويرفض جهاز الضبط الآلي للطرق الترددية في الترددات المتحركة في وقت واحد.

مصورون (مُنعّب)

ومرشحات النوافذ مصممة لتكثيف الترددات الضيقة جدا مع مرورها على الآخرين، وهي سلاح الخيار لإزالة التدخل في الترددات الثابتة مثل ٥٠/٦٠ هز أو صمام ميكانيكي محدد، وفي نظام الاستشعار الذي يقاس الإشارات ذات المستوى الجزئي من جهاز الترميز الحراري، يمكن أن يزيل جهاز التكرار الأدنى الذي يُستخدم في الترددات المحلية من دون وجود مصدر تصاعدي.

جميع الأفلام

وعلى الرغم من أن أجهزة الاستشعار العاملة تعمل بشكل أقل شيوعاً لحماية المستشعرات المباشرة، فإنها تنقل مرحلة الإشارات دون تغيير نطاقها، وتستخدم أحياناً في صفائف الاستشعار لتأخير المساواة أو لتصحيح الأخطاء في المرحلة بين قنوات الاستشعار المتعددة، وفي تطبيقات مثل أجهزة الاستشعار بالأشعة المرحلية أو أجهزة الاستشعار ذات الوقت، فإن الحفاظ على الاتساق في المرحلة أمر بالغ الأهمية.

اعتبارات التصميم للمرشحين النشطين

ويتطلب التنفيذ الناجح للمرشحين العاملين في مجال تكييف أجهزة الاستشعار اهتماما بالعديد من معايير التصميم التي تتجاوز الطبقات الطبوغرافية الأساسية، وهذه الخيارات تؤثر مباشرة على قدرة المرشح على حماية جهاز الاستشعار والحفاظ على سلامة الإشارات.

الترددات و النظام

ويجب أن يكون التردد المقطع عالياً بما يكفي لإرسال عرض إشارة جهاز الاستشعار بكامله، ولكن منخفضاً بما يكفي لرفض الضجيج من خارج النطاق، حيث أن نظام التصفية يحدد مدى التأثر بالضعف (مثلاً، 20 دي بي/ديكيد) وأن الأوامر العليا توفر انتقائية أكثر حدة، ولكنها تنطوي على تحول تدريجي أكبر وإمكانيات للدقة.

عامل الجودة (Q)

ويقرر معامل التكرار الذروة التي بلغتها المرشاة قرب تردد الاختزال وبطءه، وينتج مرشح منخفض التردد )كيو = ٠,٥( انطلاقا تدريجيا دون أن يكون له طلقات زائدة، بينما يؤدي مرشح ذو سعة عالية )ك ٠,٧( إلى الذروة واحتمال عدم الاستقرار.

العنصر

ويراعي أداء مرشحات نشطة دقة المقاومين والمكثفات، إذ أن قياس 1 في المائة من المقاومين للمرشحات المعدنية للتسامح و5 في المائة أو أفضل من المكثفات المتعددة الأطراف أو مركبات الكربون الكلورية فلورية/النفثالثة يمكن أن يوصى باستجابة متكررة، وينبغي أن يكون للمتفجرات حجم منخفض من الفول، وكثافة ضوضاء ضوئية، وخطأ كاف في إنتاج الترددي يتراوح بين 10 و100 مرة.

إمدادات الطاقة والعُدد

وتحتاج مرشحات نشطة إلى إمدادات نظيفة ومستقرة من الطاقة، كما أن تحديد خطوط الإمداد بالأزواج في المفاعلات، ويبدو ضجيجاً في الناتج، واستخدام أجهزة التنظيم المتوازية المكرّسة، وأجهزة التفكيك بالقرب من كل مشغل، هو ممارسة عادية، ويجب أن يقلل تصميم مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور من طول التعقب إلى مكونات الرش، وأن يتجنب الارتطامات الرقمية بالقرب من قسم تصفية اللوائح.

التنفيذ في نظم الاستشعار

ولا يشمل إدماج مرشحات نشطة في نظام الاستشعار فقط دائرة المرشات نفسها بل أيضا اعتبارات التنسيب، ومطابقة الاختراق، وهيكل سلسلة الإشارات العامة.

مكان في سلسلة الإشارات

وينبغي وضع المرشح النشط على مقربة من ناتج الاستشعار قدر الإمكان، وهو مثالي بعد مرحلة العزل الأولية، مما يحجب الضوضاء عن أن تتضخم بمراحل لاحقة، وفي العديد من وحدات الاستشعار الحديثة، يتم دمج المرشح في نفس مجموعة أجهزة الاستشعار ذات الدفعات الأمامية، وعند استخدام أجهزة الاستنشاق الخارجية، يظل الاتصال قصيرا ومحميا.

Impedance Matching

وتمثِّل مرشحات نشطة نقصاً كبيراً في المدخلات، وهو أمر مفيد للمجسات التي تنطوي على نقص كبير في الإنتاج (مثل مترجمي الفطائر، ومنتجات البيوت، ومستحضرات البيوت، غير أن سائق الاستشعار قد يحتاج إلى استخدام تحميل محدد من أجل التواؤم الأمثل، ويمكن أن يؤدي الوصل إلى عزل جهاز الاستشعار (عنصر الرشاقة النشطة) عن طريق الرشاقة المتغيرة.

Anti-Aliasing and Pre-ADC Filtering

وعندما تُعدّل إشارة الاستشعار المكيفة رقمياً بواسطة جهاز تحديد هوية، فإنَّ من الضروري أن يُمنع الفرز الضوئي من التردد العالي من الاصطدام في نطاق القاعدة، ويُحدَّد هذا الاختزال دون نصف تواتر العينات (معدل الكنز) وأمر الرشّح المختار لتوفير تصعيد كافٍ في تواتر مرور العينات.

مثال على الحالات: مقياس نبضات الدم الطبية

وفي محور نبضي، تضيء الأجهزة المتفجرة المرتجلة الحمراء والأشعة تحت الحمراء الضوء على الجلد، وتحتوي تدابير محرك الصور على محرك صغير، ويحتوي ناتج المكشاف على عنصر صغير من عناصر AC (~1 mV) من تغيرات حجم الدم على عنصر كبير من عناصر DC (~500 mV).

مقارنة مع الأفلام السلبية

وفي حين أن المرشّحات النشطة هي أعلى من مواصفات الاشارات المستشعرة، هناك سيناريوهات يفضل فيها المرشحات السلبية:

  • Very high frequencies:] Above 10 -50 MHz, op-amp bandwidth limitations and parasitic capacitances degrade active filter performance.
  • No power available:] In battery-less or remote sensors, passive filters require no power and can be simpler.
  • High power or high voltage:] Active components may be damaged by transients; passive filters using robust inductors can handleurgs.
  • بسيطة وتكلف: ] For undemanding applications, a single RC low-pass filter may suffice, avoiding the cost and space of an op-amp.

غير أنه بالنسبة للغالبية العظمى من أجهزة الاستشعار الحساسية التي تعمل في نطاق الميغاهرتز، فإن أجهزة الاستنشاق العاملة توفر أداء أفضل، وخط قدم أصغر (لا موصلات)، والقدرة على إضافة خيار الكسب في أجهزة التصق الدقيق.

الاتجاهات الحديثة في التصوير النشط للاستشعارات

ومع تزايد تكامل نظم الاستشعار وإثراء البيانات، بدأت تظهر نُهج جديدة للتصفيات النشطة، ويمكن للمرشحات الرقمية التي تنفذ في أجهزة التحكم بالمناطق الدقيقة أو أجهزة الموجات الترددية أن تحل محل بعض مرشحات الأناسولية النشطة، مما يتيح الترددات القابلة للبرمجة وإلغاء الضوضاء التكييفية، غير أن أجهزة التلفاز المضادة للارتفاع لا تزال ضرورية قبل أي جهاز تسجيل بيانات مصغرة لأن أجهزة التصفيف الرقمية لا يمكنها إزالة الإشارات المستعارك.

وتوفر أجهزة التصفيف النشطة المتكاملة، مثل أجهزة التحلل المميت المتوسط (LTC1068) من أجهزة الأنالوج أو غيرها من أجهزة تكساس، مراحل متعددة قابلة للبرمجة في رقاقة واحدة، مما يقلل من مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور وإحصاء المكونات، وتتيح هذه الأجهزة إعادة تشكيل ديناميكية من نوع الرش، وقطع القفص، وربطة قطرية من خلال واجهة متسلسلة، مما يتيح استخدام نفس المقياس الأمامي في نماذج القياس المتعددة.

وثمة اتجاه آخر يتمثل في استخدام مرشحات نشطة ذات ضوضاء منخفضة جداً وكهرباء منخفضة جداً للمستشعرات القابلة للارتداء والآويتية، حيث تتيح المصابيح ذات التيارات الإمدادية على مستوى النانوامب (مثلاً TLV8802) الرش المستمر في الأجهزة التي تعمل بالبطارية دون التضحية بالأداء، وتجعل هذه السلف مرشحات نشطة أكثر سهولة في الوقت الذي تحافظ فيه على دقة أجهزة القياس في التطبيقات المحمولة.

خاتمة

ولا غنى عن مرشحات نشطة لحماية أجهزة الاستشعار الحساسة من التشويهات التي تستخدمها الإشارات، ومن خلال إزالة الضوضاء بصورة انتقائية، ومنع الإفراط في الحمولة، وتحسين الدقة، وتوسيع نطاق أجهزة الاستشعار، فإنها لا تشكل إلا العمود الفقري لأجهزة الاستشعار الموثوقة، وفهم الأنواع، ومعايير التصميم، وأفضل الممارسات التنفيذية، يسمح للمهندسين بإيجاد حلول لقياس التعبئة تلبي متطلبات الطلب، مع استمرار تطبيقات الاستشعار في التوسع في النظم المستقلة، والأجهزة الطبية،

لمزيد من القراءة، يرجى الرجوع إلى المادة التقنية المفصلة من الأجهزة الأنثوية بشأن تصميم الرش النشط و] مذكرة تطبيقية للصكوك بشأن تصميم أجهزة التصفية لأجهزة الاستشعار .