ITRM20090200A1 - Sistema di calibrazione dell amplificazione per dispositivi di acquisizione di segnali analogici - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

della domanda di brevetto per invenzione industriale dal TITOLO:

“Sistema di calibrazione dell’ amplificazione per dispositivi di acquisizione di segnali analogici”,

Campo dell’invenzione.

La presente invenzione è relativa ad un sistema di calibrazione veloce per l’acquisizione della forma d’onda di segnali analogici rilevabili in laboratorio, a terra o nello spazio per applicazioni industriali, tecnologiche o scientifiche. Il sistema è basato sul condizionamento multicanale, l’amplificazione variabile a retroazione, la digitalizzazione e la ricostruzione del segnale in ingresso. Il sistema di calibrazione è particolarmente adatto ai casi in cui, si voglia effettuare l’acquisizione di un segnale analogico con un’ottimizzazione dell’amplificazione differenziata per ciascuna delle diverse componenti spettrali o bande di frequenza del segnale. Questa procedura è di particolare efficacia qualora i vari canali di frequenze del segnale in ingresso al sistema di acquisizione abbiano per loro natura ampiezze significativamente diverse tra loro e variabili contemporaneamente nel tempo rendendo necessaria una ricalibrazione continua e veloce dei guadagni. I principali campi di applicazione della tecnica secondo l’invenzione sono: Investigazione della forma d’onda di segnali analogici di cui siano ignote a priori le caratteristiche generali di ampiezza e frequenza e che necessitino di continue e veloci ricalibrazioni dell’amplificazione.

Studio di segnali con contributo spettrale in diverse bande di frequenza. Calibrazione di sistemi di acquisizione con alta risoluzione dinamica della forma d’onda di segnali altamente variabili nel tempo nei diversi intervalli di frequenza.

Digitalizzazione veloce e ad alta efficienza della forma d’onda in condizioni di basso consumo, massima robustezza dell’algoritmo, minimo costo, semplicità di installazione e manutenzione.

Campionamento in continuo di segnali fortemente variabili nel tempo che richiedano una calibrazione ciclica e veloce dei guadagni nelle varie bande di frequenza.

Sondaggio e/o monitoraggio multiparametrico in ambito spaziale, aeronautico, delle telecomunicazioni, della navigazione e in di varie regioni spaziali vicine e lontane dalla Terra.

Investigazione e caratterizzazione dell’ambiente terrestre e/o spaziale circumterrestre.

Monitoraggio e/o sondaggio del territorio attraverso reti di misura multiparametriche per il controllo regionale e locale del Pianeta.

Misure di laboratorio per applicazioni particolari che richiedano e/o ne consiglino l’uso, in quanto strumentazione di processo, rispetto a quelle, assai più costose, adatte ad una generalità di casi.

Acquisizione della forma d’onda di segnali analogici che necessitino particolarmente della modularità del sistema di misura e di flessibilità nella scelta delle bande di frequenza e di frequenti e rapide ricalibrazioni dei guadagni delle amplificazioni.

Vengono date di seguito le seguenti definizioni, relative alle applicazioni di cui sopra.

Sistema o tecnica o metodo o procedura o procedimento. Qui e nel seguito si useranno indifferentemente i termini “sistema”, “tecnica”, “metodo”, “procedura” o “procedimento” quali sinonimi per identificare un qualunque insieme di dispositivi, istruzioni ed algoritmi di calcolo atto ad elaborare un segnale generico ricevuto in ingresso restituendo in uscita un segnale opportunamente elaborato.

Forma d’onda. Per “forma d’onda” si intende la successione dei valori dell’ampiezza di un segnale in funzione del tempo. Nell’accezione più generale l’espressione descrive il valore di una grandezza, funzione di una o più variabili, al variare delle variabili dipendenti.

Peso o fattore di ponderazione. In senso statistico per “peso” o “fattore di ponderazione” si intende una costante assegnata ad un elemento di una popolazione quale misura dell’importanza dell’elemento rispetto agli altri appartenenti alla stessa popolazione.

Filtro. Per “filtro” si intende un dispositivo che selettivamente fa passare o blocca segnali entranti in un sistema in accordo con i requisiti specifici di quel sistema.

Amplificatore. Per “amplificatore” si intende un dispositivo che aumenta l’ampiezza di un segnale in ingresso relativamente piccolo senza alterarne le sue caratteristiche. Un amplificatore è caratterizzato particolarmente dal valore del suo “guadagno” cioè dal rapporto tre le ampiezze del segnale in uscita ed in ingresso.

Multiplexer. Per “Multiplexer” (detto anche multiplatore o selettore ed abbreviato nel seguito con l’acronimo MUX) si intende un generico dispositivo che selezioni in uscita uno dei canali che riceve in ingresso.

Buffer. Per “Buffer” (detto anche memoria tampone o memoria di transito) si intende un generico dispositivo, o vettore di un algoritmo di programmazione, che immagazzini temporaneamente dati ricevuti in ingresso e li restituisca in uscita eventualmente ricombinati tra loro.

Convertitore Analogico-Digitale (o ADC) Per “convertitore analogicodigitale” si intende un dispositivo che converte un segnale analogico continuo in valori digitali discreti.

Range dinamico. Per “range dinamico” si intende un intervallo di ampiezze di un segnale sul quale un dispositivo (ad esempio amplificatore o convertitore analogico-digitale) è capace di operare producendo un’uscita adeguata.

Integrazione (o Somma o Σ). Per “integrazione o somma” si intende un processo di coordinamento che consiste nel combinare azioni o elementi differenti in un’unica funzione.

Spettro. Intervallo di frequenze (o di lunghezze d’onda) in un dato sistema aventi una caratteristica comune assegnata.

FT. Per “FT” si intende la trasformata di Fourier F di una funzione reale, o complessa, f di una variabile reale t, definita dalla relazione:

La transizione da f ad F è detta Trasformazione di Fourier. Generalmente F è complessa anche per f reali.

FFT. Per “FFT” si intende una trasformata veloce di Fourier, cioè un algoritmo per calcolare rapidamente la Trasformata di Fourier (FT) DFT. Con “DFT” si intende un qualunque algoritmo di calcolo esatto o approssimato della Trasformata di Fourier discreta (Discrete Fourier Transform). Tuttavia nel seguito e negli allegati le abbreviazioni FT, FFT o DFT saranno usate indifferentemente.

Feeback o retroazione. Per “feedback” o “retroazione” si intende il ritorno di parte dell’uscita di un sistema sull’ingresso del sistema stesso.

CPU. Per “CPU” si intende l’acronimo dell’espressione Central Processing Unit, ossia unità centrale di processamento.

DSP. Per “DSP” si intende l’acronimo dell’espressione Digital Signal Processor, ossia elaboratore di segnali digitali.

FPGA. Per “FPGA” ci si riferisce all’acronimo dell’espressione Field Programmable Gate Array.

Arte nota.

Di un segnale analogico è possibile in generale fare o l’acquisizione della forma d’onda in funzione del tempo o l’analisi spettrale delle componenti armoniche. Il sistema oggetto della presente invenzione consente di effettuare in modo veloce e continuo la calibrazione delle amplificazioni nell’acquisizione della forma d’onda di un generico segnale analogico.

Le tecniche e gli strumenti per l’acquisizione digitale dei segnali ed i relativi sistemi di condizionamento e gestione digitale dei dati ad oggi noti e disponibili, con particolare riferimento ai limiti di impiego, si possono suddividere in strumenti di laboratorio (per usi generali) e dispositivi di processo (realizzati per specifiche esigenze). Gli strumenti di laboratorio sono costituiti da sistemi di acquisizione che pur consentendo ricostruzioni della forma d’onda molto sofisticate (ridondanti rispetto all’uso specifico cui è destinata la presente invenzione) non sono adatti ai campi di applicazione della tecnica e relativo sistema secondo l’invenzione, essendo strumenti ingombranti e con consumo rilevante. Si tratta quindi di sistemi sovradimensionati rispetto alle necessità applicative in questione. Rispetto ai dispositivi di processo esistenti (quelli realizzati per esigenze specifiche, anche non di laboratorio) la tecnica e relativo sistema secondo l’invenzione risultano nettamente superiori in originalità con particolare riferimento all’efficienza e velocità del metodo di calibrazione.

Riguardo a sistemi noti in grado di effettuare l’analisi spettrale di un generico segnale analogico, lo stesso depositante e gli stessi inventori del sistema oggetto della presente invenzione hanno presentato domanda di brevetto industriale secondo il riferimento:

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal TITOLO:

“Metodo a feedback variabile di condizionamento di segnali e relativo sistema di acquisizione, analisi spettrale e gestione digitale dei dati”, Verbale di Deposito Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale presso l’Ufficio Brevetti e Marchi del CCIAAdi Roma, numero domanda: RM2008A000688.

Riguardo a sistemi noti in grado di effettuare la ricostruzione della forma d’onda di un generico segnale analogico, lo stesso depositante e gli stessi inventori del sistema oggetto della presente invenzione hanno presentato domanda di brevetto industriale secondo il riferimento:

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal TITOLO:

“Tecnica di ricostruzione della forma d’onda di segnali con selezione multicanale ed amplificazione differenziale variabile a retroazione”,

Verbale di Deposito Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale presso l’Ufficio Brevetti e Marchi del CCIAAdi Roma, numero domanda: RM2009A000001.

Il sistema oggetto della presente invenzione ed i dispositivi di cui ai verbali RM2008A000688 e RM2009A000001 condividono il medesimo “Modulo di Condizionamento” rappresentato in figura 1 allegata alla presente descrizione. Il sistema oggetto della presente invenzione e la tecnica di cui al verbale RM2009A000001 condividono il medesimo “Modulo di Acquisizione” rappresentato in figura 1 allegata alla presente descrizione. Il “Modulo di Elaborazione” dello schema della presente invenzione descritto in figura 1 ed il “Modulo di Elaborazione” del sistema di cui al verbale RM2009A000001 differiscono totalmente sia per il diverso algoritmo dell’ “Unità di calibrazione” (rappresentata in figura 2 allegata alla presente domanda), sia per il diverso funzionamento del “blocco controllore” (descritto in seguito) sia per il diverso procedimento di calibrazione. In particolare a differenza di altri sistemi di acquisizione con calibrazione basata sull’analisi spettrale (come è appunto quello di cui al verbale di deposito RM2009A000001) il sistema di calibrazione oggetto della presente invenzione effettua la determinazione delle amplificazioni senza richiedere l’analisi spettrale del segnale e quindi con maggiore velocità, semplicità di esecuzione e robustezza dell’algoritmo. Di particolare pregio sono inoltre le alte prestazioni del procedimento oggetto della presente invenzione, il minimo consumo in energia, i bassi costi, pesi ed ingombri.

Sommario dell’invenzione.

Costituisce oggetto della presente invenzione un sistema per la calibrazione in continuo di dell’acquisizione con guadagno differenziale a feedback variabile di segnali analogici. Il metodo di calibrazione si applica a sistemi modulari (modulo di condizionamento, modulo di acquisizione e modulo di elaborazione), è particolarmente adatto per l’acquisizione in ambienti diversi (a terra, nello spazio ed in laboratorio) di segnali analogici di cui siano ignote a priori le caratteristiche generali di ampiezza e frequenza (anche fortemene variabili) e che necessitino pertanto di una ricalibrazione continua e veloce dei guadagni differenziata per ciascuna delle diverse componenti spettrali del segnale. Tale schema progettuale permette di determinare con grande accuratezza la forma d’onda di un qualsiasi segnale analogico. La tecnica consiste nel suddividere in diverse bande di frequenza (canali) un segnale analogico rivelato da un apposito sensore. L’unità di calibrazione consente di rendere paragonabili tra loro, con un opportuno processo numerico, le ampiezze dei vari canali, assegnando a ciascuno di questi i relativi pesi. Il sistema gestisce l’acquisizione con un unico convertitore analogico-digitale in modo da utilizzare in modo ottimale l’ADC perché se ne massimizza il range dinamico. L’unità di calibrazione, oggetto della presente invenzione, effettua la calibrazione necessaria a determinare i pesi relativi tra le componenti spettrali del segnale in uscita dal convertitore analogico-digitale, attraverso semplici e veloci operazioni algebriche sulle ampiezze delle componenti senza ricorrere all’analisi spettrale. In uscita dal modulo di elaborazione vi sarà la forma d’onda digitalizzata del segnale analogico in ingresso al modulo di condizionamento. L’unità di calibrazione permette di sfruttare appieno la tecnica a feedback variabile per stimare separatamente i guadagni da attribuire a ciascun canale e conseguentemente regolare l’amplificazione della componente del segnale in ciascun canale di frequenza. L’invenzione ha numerosi pregi. Tra essi vanno annoverati la velocità del metodo di calibrazione che consente di calibrare l’acquisizione di segnali anche a frequenze molto elevate e la possibilità di sfruttare la suddetta massimizzazione nell’uso del range dinamico del convertitore analogicodigitale. Inoltre grazie ad una sola unità di calibrazione è possibile l’uso di un solo convertitore analogico-digitale per più bande di frequenza. Inoltre contribuiscono all’originalità dell’invenzione e ne costituiscono uno dei pregi fondamentali, la possibilità di gestire contemporaneamente più segnali di diversa natura e una molteplicità di bande di frequenza per ciascun segnale.

Altra peculiarità dell’invenzione è la possibilità di caratterizzare in modo quantitativo (multiparametrico) i diversi ambienti dove i vari segnali vengono misurati. Questo è reso possibile dalla flessibilità e velocità della suddetta unità di calibrazione che consente di avere per ogni ambiente una grande articolazione di informazioni (diversi campi e parametri, diversi segnali, diverse bande di frequenza per ciascun segnale). Infine la tecnica di calibrazione si applica a sistemi di acquisizione a prescindere dal tipo e dalla natura del segnale da gestire. Così ad esempio la tecnica consente di analizzare la forma d’onda di un segnale acustico, ottico, meccanico, elettrico, magnetico, ecc., una volta trasformatolo in segnale elettromagnetico analogico.

Breve descrizione delle figure.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, in Figura 1 viene mostrato uno schema dell’invenzione. La Figura 1 è uno schema a blocchi costituito da tre moduli tra di loro interconnessi detti: “Modulo di condizionamento”, “Modulo di acquisizione” e “Modulo di elaborazione”. Il “Modulo di elaborazione” include il blocco denominato “Unità di calibrazione” il cui schema funzionale è mostrato in Figura 2. Tale schema è relativo ad una unità secondo l’invenzione per la calibrazione in continuo delle amplificazioni di un sistema a feedback variabile basato sul condizionamento e l’acquisizione digitale della forma d’onda di un segnale analogico in ingresso al sistema. Il “Modulo di condizionamento” di Figura 1 è il medesimo modulo funzionale, ugualmente denominato “Modulo di condizionamento”, facente parte dell’invenzione di cui ai verbali di deposito RM2008A000688 e RM2009A000001. Il “Modulo di acquisizione” di Figura 1 è il medesimo modulo funzionale, ugualmente denominato “Modulo di acquisizione”, facente parte dell’invenzione di cui al verbale di deposito RM2009A000001. L’”Unità di calibrazione” schematizzata in Figura 2, allegata alla presente descrizione, e l’ “Unità di calibrazione” rappresentata nella figura denominata “Figura 2” del verbale di deposito RM2009A000001 differiscono sostanzialmente in: metodo di funzionamento, algoritmo e componenti. In particolare l’ “Unità di calibrazione” di cui al verbale di deposito RM2009A000001 è basata sull’analisi spettrale mentre il sistema di calibrazione oggetto della presente invenzione effettua il calcolo dei guadagni solo con operazioni algebriche senza richiedere l’analisi spettrale. Quanto illustrato nelle figure è meramente esemplificativo e una persona esperta nel ramo può effettuare variazioni o modifiche che non dipartano dallo spirito e dall’ambito dell’invenzione. Si intende che tali variazioni e modifiche sono incluse nello scopo della descrizione e delle rivendicazioni.

Descrizione dettagliata dell’invenzione.

La tecnica oggetto della presente invenzione si applica ad un segnale S(t) analogico in ingresso e consente di calibrare la ricostruzione della forma d’onda in uscita digitalizzata in funzione del tempo.

Il principio di funzionamento del metodo è basato sull’ottimizzazione continua dell’amplificazione per ciascuna singola banda di frequenze del segnale S(t) in ingresso in modo che tutte le componenti spettrali delle varie bande di frequenze siano confrontabili tra loro. Una volta fissati i coefficienti ottimali di amplificazione (in generale variabili nel tempo), la forma d’onda del segnale in ingresso viene quindi ricostruita ed inviata in uscita. La possibilità di variare separatamente il guadagno di ciascun canale in frequenza (in modo che le ampiezze spettrali in tutte le bande siano confrontabili) consente di sfruttare totalmente la risoluzione del convertitore Analogico Digitale (ADC). La variazione delle amplificazioni attraverso la procedura di calibrazione consente di ottimizzare la risoluzione dinamica del campionamento del segnale S(t) in tutte le bande senza “sprecare bits”. Questa flessibilità risulta particolarmente utile per segnali in cui il contenuto spettrale vari fortemente da una banda di frequenze all’altra. Ne segue che la risoluzione dinamica effettiva di digitalizzazione garantita dalla tecnica in oggetto è superiore a quella statica dell’ADC.

Configurazione e modularità

La tecnica è articolata in tre moduli: “Modulo di condizionamento”, “Modulo di acquisizione” e “Modulo di elaborazione”. La suddivisione del metodo in moduli, descritta nel seguito e schematizzata in Figura 1, va intesa a solo titolo esemplificativo giacché le unità funzionali possono essere collocate e raggruppate in diverse configurazioni a seconda delle necessità applicative o tecnologiche.

Lo schema funzionale descritto per ciascun modulo è realizzato sia attraverso dispositivi fisici (hardware) che con algoritmi di elaborazione e controllo (software). Tutti i moduli di seguito descritti posso essere installati su un'unica scheda elettronica o su schede distinte collegate tra loro. Nello schema di base (descritto nel seguito) la tecnica oggetto della presente invenzione si applica ad un segnale analogico in ingresso e restituisce in uscita la sua forma d’onda digitalizzata, è tuttavia possibile sfruttare la modularità della tecnica per realizzare diverse architetture. In particolare, nel caso si vogliano analizzare contemporaneamente più segnali analogici in ingresso, è possibile un’architettura costituita da un unico modulo di elaborazione che gestisca contemporaneamente tanti sottosistemi quanti sono i segnali analogici in ingresso. Ciascun sottosistema sarà costituito da: 1 modulo di condizionamento ed 1 modulo di acquisizione e sarà in grado di acquisire e calibrare separatamente un segnale analogico. Il modulo di elaborazione processerà contemporaneamente i vari segnali e restituirà parallelamente in uscita tutte le forme d’onda dei segnali in ingresso.

Modulo di condizionamento

Il modulo di condizionamento (vedi Figura 1) è costituita da: un amplificatore (K), un divisore ad N uscite, N filtri (F1,….,FN), N blocchi di amplificazione (A1,…,AN). Il modulo di condizionamento è collegato funzionalmente al modulo di acquisizione ed al modulo di elaborazione. Il modulo indicato nelle Figura 1 come “Modulo di condizionamento” della presente domanda di brevetto ed il modulo ugualmente denominato “Modulo di condizionamento” dei verbali di deposito RM2008A000688 e RM2009A000001, si riferiscono, descrivono e rappresentano il medesimo blocco funzionale.

Il segnale analogico S(t) in ingresso al modulo di condizionamento viene amplificato dall’amplificatore K nel modulo di condizionamento. L’amplificatore K è ad uno o più stadi, di tipo variabile con guadagno programmabile su uno o più livelli. Il suo guadagno è indicato con K. Il segnale in uscita da K viene diviso dal blocco divisore in N segnali distinti di eguale ampiezza e di identico contenuto in frequenza.

Gli N segnali vengono inviati in parallelo e separatamente ciascuno ad uno degli N filtri (F1,….,FN). La funzione di trasferimento dell’i-esimo filtro è Fi.

Ciascun filtro è scelto in modo da selezionare un determinato intervallo di frequenze per il relativo segnale in ingresso. I segnali in uscita dei filtri sono detti canali (canale 1,…, canale N). Il numero N dei filtri dipende dal numero di intervalli di frequenza in cui si vuole suddividere ed analizzare il segnale S(t) analogico in ingresso. La situazione limite di N=1 è possibile e corrisponde ad una realizzazione del procedimento con un solo intervallo di frequenze analizzato. Gli N filtri hanno caratteristiche diverse tra loro, possono essere ad elementi passivi o attivi con parametri caratteristici (frequenze caratteristiche, fattore di attenuazione, banda passante, ecc.) fissi o variabili a seconda della configurazione desiderata. Ciascun filtro può essere costituito da diversi stadi a seconda delle necessità di selezione delle frequenze e della qualità del filtraggio. Gli N filtri operano in parallelo, ciascuno su un canale. Una possibile scelta per l’insieme degli N filtri è costituita da N filtri passa banda centrati su bande adiacenti e consecutive in modo da coprire l’intero intervallo di frequenze del segnale S(t) in ingresso al modulo di condizionamento. Un’altra possibilità è scegliere filtri che sopprimano specifici intervalli di frequenze indesiderate nel segnale in ingresso.

Ciascuno degli N canali è inviato separatamente ad uno degli N blocchi di amplificazione (A1,…,AN). Il guadagno dell’i-esimo blocco di amplificazione è detto Ai. Ciascun blocco amplificatore può in generale essere composto da uno o più stadi. Gli amplificatori sono di tipo variabile con guadagno programmabile su uno o più livelli. Il segnale Siin uscita dall’i-esimo blocco di amplificazione è dato da S<~>

i(t) = S(t) ×K×Fi× Ai. I guadagni variabili (A1,…,AN) degli N blocchi di amplificazione sono impostati e variati (come di seguito descritto) durante la fase di calibrazione dall’ Unità di calibrazione del modulo di elaborazione. Una volta terminata la fase di calibrazione i blocchi di amplificazione mantengono le loro impostazioni fino alla successivo ciclo di calibrazione. Il processo di calibrazione viene attivato in fase di avvio dell’acquisizione e può essere ripetuto ciclicamente durante l’acquisizione. Gli N segnali S<~>

i(t) (i=1,…,N) in uscita dagli N blocchi di amplificazione (detti “segnali condizionati”) vengono inviati dal modulo di condizionamento al modulo di acquisizione.

Modulo di acquisizione

Il modulo di acquisizione (vedi Figura 1) è costituito da: un muliplexer (MUX) ed un ADC (Analog to Digital Converter). Il modulo di acquisizione è connesso al modulo di condizionamento ed a quello di elaborazione ed è gestito dal modulo di elaborazione. Gli N segnali analogici S<~>

i(t) (i=1,…,N) condizionati uscenti dal modulo di condizionamento sono inviati parallelamente al MUX comandato dal controllore del modulo di elaborazione. Il multiplexer restituisce in uscita uno degli N segnali S<~>

i(t) in ingresso secondo le istruzioni impartite dal blocco controllore del modulo di elaborazione. Il segnale in uscita dal MUX viene mandato in ingresso all’ADC per il campionamento. Le caratteristiche dell’ADC quali: frequenza di campionamento, risoluzione, eventuale trigger esterno, tipo di ADC (seriale, parallelo, ecc.) sono scelte conformemente alla tipologia di segnale analogico S(t) in ingresso ed alle necessità di analisi richieste dall’applicazione. Il controllore opera sul MUX selezionando in uscita uno degli N canali in ingresso al MUX stesso. In generale il controllore varia nel tempo il canale selezionato in uscita dal MUX e in particolare può definire la “sequenza” dei canali mandati in successione al campionamento. Il modulo di acquisizione acquisisce in sequenza R campioni per il primo canale, R campioni per il secondo e così via fino ad R campioni per il canale N-esimo,ossia: Una“sequenza” di acquisizioni costituisce un ciclo che viene in generale ripetuto in continuazione durante il funzionamento del sistema. Ciascun ciclo dura R× N tempi/passi.

Il numero R di campioni è un parametro variabile a seconda delle esigenze di processamento del segnale e può essere scelto dal modulo di elaborazione. La differenza minima Δt= τi-τjtra due istanti τie τjqualunque di un ciclo di acquisizione è fissata dalla frequenza di campionamento dell’ADC. Scegliendo la frequenza di campionamento opportunamente maggiore della più alta frequenza caratteristica del segnale in ingresso S(t) e di 1/(N×R×Δt), si può trascurare la differenza temporale tra t1e tNe considerare come se tutti i campioni siano acquisiti allo stesso istante t.

La gestione e l’impostazione dei parametri di acquisizione sono eseguiti dal controllore del modulo di elaborazione. Il segnale S<~>

i(t) (condizionato e digitalizzato), in uscita dal modulo di acquisizione, viene inviato al modulo di elaborazione.

Modulo di elaborazione

Il modulo di elaborazione (vedi Figura 1) è costituito da: un “controllore”, l’ “Unità di calibrazione”, un blocco che effettua la ricostruzione del segnale Si(t ) , un buffer ed un sommatore che ricostruisce la forma d’onda del segnale originale S(t).

Il modulo di elaborazione può essere realizzato/installato su un unico processore per l’elaborazione di dati digitali o su dispositivi distinti quali CPU, DSP, FPGA o su un adeguato processore dedicato. Il blocco “controllore” gestisce e sincronizza gli altri blocchi del modulo di elaborazione (calibrazione, ricostruzione segnale, riempimento/svuotamento dei buffers, ecc.). Il controllore comanda anche il multiplexer, pilotando la “sequenza” dei canali selezionati in uscita dal MUX, e sincronizza l’ADC del modulo di acquisizione con eventuali segnali esterni di trigger. Il controllore inoltre sovrintende ai cicli di avvio/arresto dell’ Unità di calibrazione e del Modulo di acquisizione; gestisce le condizioni di armo/disarmo dell’intero sistema dei tre moduli, funge da interfaccia con l’ambiente esterno, ecc. Il controllore è programmabile e riprogrammabile. Il controllore opera sul MUX selezionando in uscita uno degli N canali in ingresso al MUX stesso. Il controllore varia nel tempo il canale selezionato in uscita dal MUX definendo<la “sequenza”>

dei canali

<mandati in successione al campionamento. Una “sequenza”>

di acquisizioni

costituisce un ciclo che viene in generale ripetuto in continuazione durante il funzionamento del sistema. Ad ogni istante t, il segnale digitale<~>Si( t ) in uscita dal modulo di acquisizione, rappresenta il valore, al tempo t, della forma d’onda del canale i-esimo condizionato, amplificato e digitalizzato. In ingresso al modulo di elaborazione il segnale<~>Si( t ) viene inviato congiuntamente all’unità di calibrazione ed al blocco di ricostruzione “ ×(KFiAi)<− 1>”. All’avvio del processamento il controllore inibisce il blocco “ ×(KFiAi)<− 1>” e l’unità di calibrazione avvia il calcolo dei guadagni K e (A1,…,AN). Terminata la calibrazione, dopo il necessario numero di cicli di acquisizione, e determinati i guadagni, il controllore attiva il blocco di ricostruzione “ ×(KFiAi)<− 1>” per la ricostruzione della forma d’onda del singolo segnale Si(t ) .

Unità di calibrazione

L’unità di calibrazione è costituita da: un buffer, un sommatore, un blocco che calcola il guadagno Aiper il canale i-esimo ed un blocco che ottimizza il guadagno K in funzione dei guadagni (A1,…,AN). Lo schema a blocchi dell’ “Unità di calibrazione” è rappresentato in Figura 2.

L’unità di calibrazione serve a calcolare ed impostare il guadagno K (applicato all’intero segnale S(t) in ingresso al modulo di calibrazione) ed i guadagni (A1,…,AN) (di ciascuno degli N blocchi di amplificazione del modulo di condizionamento) in modo da ottimizzare la risoluzione dinamica effettiva della tecnica di acquisizione. A differenza dell’unità di calibrazione descritta nel verbale di deposito RM2009A000001, l’unità di calibrazione oggetto della presente invenzione effettua la calibrazione senza l’ausilio dell’analisi spettrale del segnale.

La calibrazione può essere eseguita una tantum all’avvio dell’acquisizione o ripetuta ciclicamente durante il funzionamento dell’intero apparato in funzione della natura e del grado di variabilità del segnale S(t) nel tempo, delle condizioni ambientali di acquisizione ed a seconda delle applicazioni. Ripetendo con continuità il ciclo di calibrazione si può ottimizzare in continuo l’amplificazione di ciascun canale di frequenza e quindi il range dinamico dell’acquisizione in ciascun canale. Alla fine del ciclo di calibrazione i guadagni vengono aggiornati e l’acquisizione prosegue con la nuova impostazione.

Il segnale ~

Sidel canale i-esimo (condizionato, selezionato dal MUX e digitalizzato dall’ADC) in ingresso al modulo di elaborazione viene inviato all’unità di calibrazione dove viene immagazzinato nel buffer interno all’unità. Dopo R acquisizioni dello stesso canale i-esimo il buffer conterrà gli R campioni Viene quindi calcolata la media < S<~>

i( t ) > del segnale del canale i-esimo per i campioni acquisiti ai tempi {τ1,...,τM} . Noto il valor medio<~><Si( t ) > del canale i-esimo si calcola il guadagno Aidel relativo amplificatore in modo che il valore<~>< Si( t ) > sia al centro del range di digitalizzazione dell’ADC. Il valore Aiè inviato al blocco “Ottimizzazione”. L’intera procedura (R acquisizioni, media sugli R campioni e calcolo del guadagno) viene ripetuta per ciascuno degli N canali calcolando di volta in volta il guadagno relativo a ciascun canale. Il blocco Ottimizzazione provvede quindi a variare congiuntamente sia il guadagno K che i guadagni (A1,…,AN) in modo da ottimizzare il range dinamico dell’ADC per ciascun canale. L’unità di calibrazione restituisce in uscita i valori dei guadagni K e (A1,…,AN) che vengono inviati agli amplificatori relativi ed al blocco funzionale “ ×(KF<1>

iAi)<−>” del modulo di elaborazione per la ricostruzione del canale i-esimo. Il processo di calibrazione consente di determinare i guadagni attraverso semplici operazioni algebriche sulle ampiezze delle componenti senza ricorrere all’analisi spettrale. La rapidità della calibrazione permette di applicare il metodo anche all’acquisizione di segnali ad alta frequenza.

Ricostruzione della forma d’onda del segnale S(t)

La ricostruzione della forma d’onda del segnale originale S(t) in ingresso al sistema avviene in due passi. Prima viene ricostruito il segnale Si(t ) di ciascun canale eliminando l’effetto del condizionamento e delle amplificazioni, poi viene ricostruita la forma d’onda del segnale complessivo S(t) sommando i contributi dei diversi canali. In dettaglio la procedura è la seguente. Il segnale digitale<~>Si( t ) in uscita dal modulo di acquisizione rappresenta la forma d’onda, al tempo t, del canale i-esimo condizionato,amplificato e digitalizzato. Al termine della fase di calibrazione (dopo il necessario numero di cicli di acquisizione) vengono determinati i guadagni e il controllore attiva il blocco denominato “×(KF<− 1>

iAi) ” per la ricostruzione della forma d’onda del singolo segnale Si(t ) . Noti la forma d’onda<~>Si( t ) dell’i-esimo canale condizionato, il guadagno K, le funzioni di trasferimento dei filtri (F1,…, FN) ed i guadagni (A1,…,AN) è possibile ricostruire la forma d’onda del canale originaleSi(t ) (senza condizionamento) usando la formula:

Tale operazione viene svolta dal blocco moltiplicatore “ ”. A quel punto i segnali Si(t ) per (i=1,…,N) ottenuti vengono accumulati nel buffer del buffer di elaborazione e quindi inviati al sommatore. Note le forme d’onda di ciascun canale Si(t ) , la forma d’onda del segnale originale S(t ) in ingresso al modulo di condizionamento è data dalla somma dei vari canali secondo la formula:

Si sottolinea che in generale i guadagni K ed (A1,…,AN) varieranno ad ogni ciclo di calibrazione per ottimizzare di volta in volta l’acquisizione, quindi anche la ricostruzione della forma d’onda spettro varia dinamicamente nel tempo. La forma d’onda del segnale originale digitalizzato S(t ) così ricostruito costituisce l’uscita del modulo di elaborazione.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema ad alta efficienza per la calibrazione dei guadagni nell’acquisizione di segnali analogici ove sia richiesta un’amplificazione a feedback variabile differenziata per le diverse bande di frequenza (canali) del segnale in ingresso secondo la procedura seguente: (i) effettuare, mediante l’uso di moduli interconnessi la preamplificazione del segnale analogico in ingresso, prima che questo venga suddiviso in canali, nel numero desiderato, ciascuno dei quali subisce un’amplificazione diversa e regolabile in base ai pesi stabiliti dal processo di calibrazione; (ii) selezionare ciclicamente, mediante un multiplexer, una sequenza di campioni per ciascun canale, digitalizzarla attraverso un unico convertitore analogico-digitale (ADC), che serve ad acquisire in successione tutte le bande di frequenza, ed inviare la sequenza dei campioni all’unità di calibrazione; (iii) effettuare la calibrazione, determinando il guadagno separatamente per ogni canale, per mezzo di sole operazioni algebriche sull’ampiezza senza ricorrere all’analisi spettrale, ed ottimizzare ciascuna amplificazione in modo che ciascuna ampiezza sia al centro del range di digitalizzazione dell’ADC; (iv) moltiplicare il segnale condizionato digitale per l’inverso della funzione di trasferimento così da ricostruire la forma d’onda del segnale analogico originale in ingresso.
2. 2) Metodo, secondo la rivendicazione 1, che non richiede l’analisi spettrale, per la calibrazione ciclica dei guadagni nei sistemi di acquisizione con amplificazione multicanale a retroazione.
3. 3) Tecnica per la calibrazione secondo la riv.1 e 2 che massimizza separatamente per ciascun canale il range dinamico (risoluzione) di un unico convertitore analogico-digitale usato per l’acquisizione di un qualsiasi segnale analogico, suddiviso in più bande di frequenza.
4. 4) Sistema di cui alla riv. 1-3 che permette di calibrare simultaneamente e in modo particolarmente rapido un numero variabile di segnali nelle diverse bande di frequenza in cui è suddiviso il segnale analogico in ingresso.
5. 5) Procedimento secondo le riv. 1-4 che consente la continua ricalibrazione dei sistemi per la ricostruzione della forma d’onda del segnale in ingresso a prescindere dal tipo e dalla natura del segnale da investigare.
6. 6) Sistema secondo le riv.1-5 che consente di variare ciclicamente la calibrazione nei dispositivi atti allo studio esplorativo di segnali analogici di cui non siano note a priori le caratteristiche generali di ampiezza e frequenza.
7. 7) Tecnica di cui alle riv.1-6 che consente la calibrazione veloce nell’acquisizione anche di segnali ad alta frequenza.
8. 8) Metodo secondo le riv. 1-7 per la calibrazione di sistemi di acquisizione in condizioni di basso consumo in potenza.
9. 9) Metodo di calibrazione cui alla riv. 1-8 che consente la realizzazione di dispositivi di massima semplicità, stabilità ed efficienza dell’algoritmo di calibrazione. 0) Metodo di calibrazione secondo le riv. 1-9 che consente l’acquisizione ad alta efficienza della forma d’onda di un segnale analogico in dispositivi portatili in condizioni di minimo ingombro e minimo costo.