أدوات التخمين المحمولة أصبحت أدوات لا غنى عنها في العديد من الصناعات، مما يتيح إجراء تحليل سريع وموقعي يقتصر على البيئات المختبرية، من تحديد الملوثات في مصادر المياه إلى تشخيص الظروف الطبية في العيادات النائية، تعتمد هذه الأجهزة على التحويل الدقيق للإشارات البصرية إلى البيانات الرقمية، وفي قلب هذا التحويل يكمن عنصر التحليل المكون من الأناولوجيا إلى الديجات، وهو عنصر يحدد بدقة

الطلب المتزايد على جهاز التليفزيون المحمول

وتُعزى التحولات إلى الأدوات التحليلية القابلة للتداول إلى الحاجة إلى اتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي وفي الموقع، وتحتاج وكالات الرصد البيئي إلى أجهزة يدوية لكشف الملوثات على مستويات التجزئة لكل جزء من البيليون، وتُستخدم مواد التشخيص التي تُستخدم في نقاط الرعاية، والتي يمكن أن تحلل عينات من الدم أو الأنسجة بدقة في المختبرات، مع ذلك في البطاريات لمدة ساعات.

ويقتضي التصدي مباشرة لهذه الاختناقات فهم المبادلات الأساسية في تصميمات شركة ADC، ويحدد القرار، الذي يُعبَّر عنه عادة بقطع، أصغر إشارة يمكن أن يكتشفها أي شركة ADC، إذ يمكن أن تحل شركة A-bit A جزءاً واحداً في 536 65؛ ويحل محلول يبلغ 18 محولاً جزءاً في كثير من الأحيان في 144 262، ويكتسي الكثير من الأهمية بالنسبة لمقاييس التحويل إلى أجهزة خفض الاستهلاك الكيميائية أو ارتفاع الانبعاثات.

ADC Architectures Suited for Spectroscopy

ولا يناسب جميع هياكل التعاون التقني فيما بين البلدان النامية على قدم المساواة مزيج من قوة عالية الاستبانة وقلة الطاقة المطلوبة في نظام المطياف المحمول، وأكثر الأنواع استخداماً هي سجل متوائم متعاقب لأجهزة تحديد الهوية والشعارات (المجموعة) المتحركة.

سجل تبّع الأثر المتعاقب

(ب) يمكن أن تؤدي البلدان المتقدمة النمو إلى حل وسط قوي بين السرعة والحل والقوى، وهي تعمل بمقارنة الإشارة إلى المدخلات مع الفولط المرجعي باستخدام خوارزمية بحث ثنائية، وتتوصل عادة إلى قرارات تصل إلى 18 قطعة عند أخذ العينات من الميغاهرتز، وتبدو مستويات استهلاكها من الطاقة متوازية تقريباً مع معدل أخذ العينات، مما يجعلها فعالة في التطبيقات المتوسطة السرعة.

Sigma-Delta (Allta) ADCs

أما البلدان الجزرية الصغيرة النامية فتتسم بالارتفاع الشديد في قدرتها على تقديم القرار (20 قطعة أو أكثر) من خلال أخذ العينات المفرطة وتشكيل الضوضاء، إذ إن أخذ المدخلات أسرع بكثير من معدل نيكويست، ثم التصفية من الضوضاء الكمية، قد يحقق قرارات فعالة تتجاوز معدلات سحب أجهزة تحديد درجات الحرارة العالية من الإشارات المنخفضة الترددات، ويقلل كثيرا من متوسطات الاستهلاك المحمولة التي تستخدمها أجهزة التصوير.

تحديات استهلاك الطاقة في التجزئة

وينطوي تصميم مركز تنمية القوى العاملة المنخفض دون التضحية بقرار على التغلب على عدة عقبات مترابطة:

النواحي الحرارية والحدود الكي تي/جيم

In CMOS technology, the fundamental noise floor is set by thermal noise, which scales with capacitance. To reduce noise and achieve high resolution, sampling capacitors must be large, but larger X capacitors increase the load on amplifiers and raise dynamic power consumption (Pdynamic] = C budgets]

جهاز مقارن وجهاز كمبلد

ويعتمد كل من هيكلي البحث والتطوير والهيكلات على المتجانسات والمضخمات التشغيلية التي تهيمن على استخدام الطاقة، ويُعتبر تحقيق مكاسب كبيرة وزوارق ذات الاستهلاك المنخفض حاليا تحدياً في تصميم المناظرات التقليدية، وتُستخدم تقنيات مثل المتجانسات الدينامية (التي لا تستهلك أي تيار ثابت) والمضخات التي تستخدم عن طريق اللافقار لتقليل الطاقة.

خفض الإمدادات من فولت

فالعمل في فولتات الإمداد الأقل (مثلا 1-2 خامسا بدلا من 3-3 خامسا) يؤدي إلى تخفيض كبير في قوة التحويل الرقمية ولكنه يؤدي إلى تعقيدات في فتحات الإشارة وغرفة الرأس، وفي أداة محمولة، يجب على شركة التعمير في أفريقيا أن تتعامل في كثير من الأحيان مع إشارات المدخلات تتراوح بين الفولاط الصغرى والفولط، مما يتطلب زيادة دقيقة في المكاسب لتجنب التشبع، كما يزيد من حساسية خفض الإمدادات إلى ضوضاء وإمدادات الطاقة، مما يتطلب استراتيجيات قوية.

القوة الرقمية والرأس العلوي

ومع تزايد قرارات جمعية البلدان النامية، فإن المساندة الرقمية - بما في ذلك مرشحات رقمية لمنظمي الشعارات، وتشكيل البيانات، والوصلات البينية المتسلسلة - تستهلك طاقة غير طارئة - يمكن للوصلات المتسلسلة العالية السرعة مثل برنامج دعم البرامجيات أن ترسم مطاحن إذا لم تكن مصممة بعناية، ومن الضروري استخدام تقنيات إدارة الطاقة مثل تحديد ساعات العمل وتخفيض معدل بيانات النواتج عند عدم الحاجة.

استراتيجيات التصميم الخاصة بالبلدان ذات القدرة العالية على التكيف

وقد وضع المهندسون مجموعة أدوات غنية من الأساليب على مستوى الدوائر وعلى مستوى المنظومة للتصدي للتحديات المذكورة أعلاه، والاستراتيجيات التالية ذات صلة خاصة بتصميم أجهزة التصفح المحمولة:

Oversampling and Noise Shaping

ويستخدم مصممو خطوط الأنابيب في شكل أحادي العينات المفرطة لنشر الضوضاء الكمية على نطاق أوسع، ثم يُشكلون الضوضاء بعيدا عن نطاق الإشارة، مما يتيح استخدام موصلات مناورة أقل حجما، مع دوائر متماثلة بسيطة، مما يقلل من القدرة، وبالنسبة لإشارات التخمين التي تكون في جوهرها ضيقة النطاق، فإن نسبة التحلل المفرطة في المقاييس تبلغ 64 أو 128 يمكن أن تكون فعالة.

تصميم الدائرة ذات الفولط المنخفض

ويشترك حاليا في عقد سلسلة " ADC " بكاملها عند 1.0-2 خامسا، في المراكز المتقدمة التابعة للمنظمة البحرية الدولية، وللإبقاء على نسبة الإشارة إلى الصوت عند هذه الفولط المنخفض، كثيرا ما يستخدم المصممون هياكل مختلفة تماما تضاعف من تقلب الإشارة دون زيادة الفولط، وتولد فولت في شكل صمامات مرجعية باستخدام أجهزة التبريد المنخفضة الحد الأدنى من التأجيل التي ترفض ضوضاء التوريد.

التطوّرات الفعالة

ويمكن لدوائر الكوابيس المُبدلة التي لا تتطلب أجهزة تضخم متواصلة في الوقت أن تقلل بشكل جذري من الطاقة الثابتة، ففي مركز تنمية القدرات الإدارية، مثلا، يمكن أن يكون المقارنات مُسبقا ديناميا يتبعه جهاز استنشاق، لا يستهلك إلا خلال مرحلة المقارنة، وبالمثل، في مرحلة مُعدل مُعدِّلة لتصنيف الطاقة، يمكن تطبيق مُجمِّعات مُركَّبة بمراحل مُحوِّلة.

الإدارة المتكاملة للطاقة

ويضم العديد من البلدان الحديثة المتقدمة النمو أساليب متعددة في الطاقة: أسلوب التشغيل الكامل أثناء المسح النشط، وطريقة النوم مع التسرب فقط، وطريقة احتياطية مع سرعة الانهيار، وفي مطياف محمول، يمكن أن يكون مركز التعاون التقني المخصص مدوَّناً: فهو لا يُمكن أن يُجمع إلا عندما يُجمع الطيف (مثلاً كل ثانية) ويبقى في النوم في بقية الوقت، مما يقلل من متوسط القوة من إمدادات المنيفات إلى ميكرات.

المكلّمات المُعَدَّدة للوقت

وبالنسبة للمطيافات التي تتطلب الحصول على بيانات عالية السرعة (مثلاً، فحص النطاق الترددي الواسع النطاق بسرعة)، يمكن أن يزيد الوقت المتداخل بين القوى المتعددة المنخفضة الحجم من خلال الناتج دون زيادة قدرة محول واحد إلى ما بعد الحدود، وكل نطاق فرعي يعمل على جزء من معدل العينات الإجمالي، مما يخفف من متطلبات السرعة الفردية، ويواجه التحدي أخطاء بين قنوات البحث المشتركة بين المدارات (ومن ثمانها، وثها)

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وعد العديد من التكنولوجيات الناشئة بزيادة دفع حدود أداء شركة التعمير والتنمية من أجل إعداد نموذج نموذجي محمول:

عملية متقدمة لدائرة أمن المواد الكيميائية

فالهجرة إلى 28 نانو متراً، و 22 نانو متراً، وميدوس أصغر حجماً، تحسن الكثافة الرقمية وتخفض الطاقة الدينامية، غير أن الأداء اللاصق في هذه الأنهار يعاني من انخفاض المكسب المتأصلي وزيادة التسرب، ويعتمد المصممون بشكل متزايد على معايرة رقمية لتصحيح أوجه القصور الناجمة، مثل التعويض عن التقلبات المكثفة و " التضليلتربة " .

معايرة التعلم في مجال الآلات

فالتعليم الماكني، ولا سيما شبكات العزل، يجري استخدامه في الوقت الحقيقي لتحديد أوجه عدم التعقيد في البلدان النامية، وعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة عصبية صغيرة أن تتعلم وظيفة نقل موصل للنموذج المختلط، وأن توفر تصحيحا على الصخور لعدم التر والضوضاء، مما يسمح باستخدام أجهزة التفوق في الصور المتحركة التي تستخدم في الحياة، مع تكييف أدوات عالية الفعالية.

الملاحون المتكاملة وأجهزة الإرسال

(ب) إن التكامل الضوئي - الإلكتروني في النسيج هو مجال ناشئ حيث يمكن أن يكون مجهزاً بالصور الفوتوغرافية والمضخمات وأجهزة التصعيد المتطورة ذات الحجم الضوئي المتكامل وأجهزة السطو على النسيج، مما يقلل من القدرات الطفيلية والخسائر فيما بين الشبكات، مما يتيح تقليل الضوضاء والطاقة، وقد أظهر الباحثون نماذج نموذجية ذات صفائف متكاملة من أجهزة الضبط الضوئي، وأجهزة التتبع السريع ذات الحجم.

الدائرة الفرعية للطائرات القريبة من الثلاث

يمكن للمترجمين العاملين في منطقة المحميات الفرعية (VGS] < V]TH]) أن يقلل من الطاقة بأوامر ضخامة، وإن كان ذلك بتكلفة السرعة والضوضاء.

دراسات حالة في مراكز الشحن

Handheld Raman Spectrometer

وتستخدم شبكة " رامان " الناموسية 532 نانوغرام أو 785 نانو متراً، ومطياف مع جهاز كشف عن المبيدات الحشرية أو أجهزة الأشعة السينية (ADC) لرقمنة الطيف، وتستخدم أجهزة تجارية مثل أجهزة الكشف عن البطاريات المميترومة أو الريغاكو 16 ميلاً من أجل حل الذروة الضيقة، وكثيراً ما تُقيد ميزانية القدرة على تصنيع العجلات بـة بـة بـ 50 ملليـة أو أقل من ذلك.

Miniature NIR Spectrometer

وفي مواصفات قياسات الجرعة الوطنية المعدة للاختبارات المتعلقة بالجودة الزراعية، مثل تلك التي طورتها حلول فيفي، يقرأ جهاز كشف خطي بواسطة جهاز متعدد الأطراف وجهاز واحد من أجهزة الحفر، ويستخدم القرار المطلوب عادة 16-18 قطعة لتمييز الاختلافات في الامتصاص الخفيف في الحبوب والمنتجات.

نقطة الفشل

(أ) يمكن أن يُدمج جهاز الاستشعار المتنقل للكشف عن المعالم البيولوجية أو المسببات المرضية درجة عالية من الحساسية، وقد يكون نهج المحاسبة الضوئية باستخدام أنبوب مضاعف للصور (Pamultiplier) يتبعه جهاز سريع للتصنيف (مثل 12 قطعة في 100 من طراز MSPS) قادراً على قياس مدى الفلور، ويجب أن يكون لدى شركة ADC غير خطية منخفضة لتلافي الأثرية (DNL).

خاتمة

إن تطوير أجهزة التصنيف ذات القدرة العالية، وقلة الطاقة، هو حجر الزاوية في التقدم في المضاربة المحمولة، ومن خلال اختيار بنية دقيقة، واستخدام تقنيات الدوائر المتقدمة، والاستفادة من التكنولوجيات الناشئة مثل معايرة التعلم الآلي وعملية التشخيص تحت الأرض، يمكن للمهندسين أن يلبيوا متطلبات القوة الصارمة للأدوات الميدانية القابلة للتشغيل، ويصل الفرز المسبق للاختبار فيما بين التطبيقات المصغرة في مجال الإنتاج الزراعي، ويقود إلى الإنتاجي.

وبالنسبة للقراء المهتمين بالتعمق، توفر الموارد التالية عمقا تقنيا ممتازا: