Γενικές έννοιες

Με την ανάπτυξη των υπολογιστικών συστημάτων δόθηκε η δυνατότητα της ψηφιακής επεξεργασίας δεδομένων τα οποία αναπαριστούν φυσικές παραμέτρους (μεγέθη) όπως θερμοκρασία, πίεση, κλπ.  Συστήματα ελέγχου (control systems) και συλλογής δεδομένων (data acquisition), τα οποία βασίζονταν σε αναλογικά ηλεκτρονικά, αντικαθίστανται σε μεγάλο βαθμό από ψηφιακά συστήματα (digital systems). 

Τα αναλογικά συστήματα (analog systems) χαρακτηρίζονται από το ότι τα σήματα τα οποία αναπαριστούν κάποια φυσική ποσότητα μπορούν να πάρουν οποιαδήποτε τιμή σε μια περιοχή τιμών. Στα ψηφιακά συστήματα (digital systems), τα σήματα τα οποία αναπαριστούν κάποια φυσική ποσότητα εκφράζονται με αριθμούς περιορισμένου μεγέθους και επομένως μπορούν να πάρουν μόνο συγκεκριμένες τιμές σε μια περιοχή τιμών. Ένα παράδειγμα αναλογικού συστήματος αποτελεί ένα μονοπάτι σε ένα ύψωμα, όπου υπάρχει άπειρος αριθμός σημείων που μπορεί κανείς να πατήσει για να ανέβει. Αντίθετα, μια σκάλα είναι ένα ψηφιακό διακριτό σύστημα, αφού υπάρχει συγκεκριμένος αριθμός θέσεων που μπορεί κανείς να πατήσει.

Στα ψηφιακά συστήματα δύο είναι τα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα για τη μετατροπή των σημάτων από αναλογικά σε ψηφιακά και αντίστροφα, ο μετατροπέας αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (Analog to Digital Converter ή ADC ή A/D) και ο μετατροπέας ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (Digital to Analog
Converter ή DAC ή D/A). Οι τεχνικές ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (digital signal processing) βασίζονται σε υπολογιστικά συστήματα και δίνουν επιδόσεις οι οποίες είναι δύσκολο ή αδύνατο να προσεγγισθούν με τα αναλογικά συστήματα με αποτέλεσμα τα ψηφιακά συστήματα να εκτοπίζουν τα αναλογικά με γοργούς
ρυθμούς. Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι η ραγδαία επικράτηση του CD για την αναπαραγωγή ήχου, συγκριτικά με τα αναλογικά συστήματα των μαγνητοφώνων και των δίσκων ″πικάπ″.

Οι μετατροπείς A/D και D/A αποτελούν τα ηλεκτρονικά κυκλώματα με τα οποία συνήθως γίνεται η  διασύνδεση (interface) του αναλογικού φυσικού κόσμου και ενός ψηφιακού συστήματος. Η φυσική παράμετρος (ποσότητα) η οποία θέλουμε να μετρηθεί (για παράδειγμα η θερμοκρασία του περιβάλλοντος) θα πρέπει πρώτα να μετατραπεί σε ένα αναλογικό ηλεκτρικό μέγεθος (ρεύμα ή τάση). Αυτή η μετατροπή γίνεται με το διαμετατροπέα (transducer) ο οποίος συνήθως περιέχει έναν αισθητήρα (sensor) και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά κυκλώματα. 

Ο αισθητήρας είναι συνήθως ένα στοιχείο του οποίου μεταβάλλεται κάποιο από τα ηλεκτρικά του χαρακτηριστικά (ηλεκτρική αντίσταση, χωρητικότητα, αυτεπαγωγή) με τη μεταβολή κάποιου φυσικού μεγέθους (πίεση, θερμοκρασία, υγρασία κλπ.). Αισθητήρες για τη μέτρηση ενός φυσικού μεγέθους υπάρχουν σε μεγάλη ποικιλία και παρουσιάζουν πλεονεκτήματα ή μειονεκτήματα ανάλογα με την εφαρμογή. Παραδείγματα αισθητήρων αποτελούν τα φωτοκύτταρα (photocells), οι φωτοδίοδοι (photodiodes), τα thermistors, τα θερμοζεύγη (thermocouples), τα μικρόφωνα (microphones).

Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας χρησιμοποιείται αισθητήρας πλατίνας του οποίου η ηλεκτρική αντίσταση μεταβάλλεται ανάλογα με τη θερμοκρασία. Με την χρησιμοποίηση κατάλληλων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων
κατασκευάζεται διαμετατροπέας με τον οποίο η μεταβολή της αντίστασης του αισθητήρα μετατρέπεται σε μεταβολή ηλεκτρικής τάσης (ή ρεύματος). Η έξοδος του διαμετατροπέα είναι μια αναλογική τάση ανάλογη της
θερμοκρασίας. Αν η θερμοκρασία μεταβάλλεται από τους 0° C έως τους 40° C, η αντίσταση του αισθητήρα θα μεταβάλλεται από 500Ω μέχρι 1500Ω και η έξοδος του διαμετατροπέα θα είναι μια τάση από 0-50 mV.

Το επόμενο στάδιο του συστήματος συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων είναι τα ηλεκτρονικά κυκλώματα προσαρμογής του σήματος (signal conditioning) του διαμετατροπέα. Με τα κυκλώματα προσαρμογής τα χαρακτηριστικά του αναλογικού σήματος εξόδου του διαμετατροπέα (εύρος πλάτους, περιοχή συχνοτήτων, κλπ.) προσαρμόζονται στα χαρακτηριστικά του σήματος που μπορεί να μετατρέψει ο μετατροπέας A/D. Για παράδειγμα η περιοχή της τάσης που μπορεί να μετατρέψει ένας μετατροπέας A/D είναι σταθερή και εξαρτάται από τον κατασκευαστή του Ο.Κ. του μετατροπέα A/D, π.χ. ο μετατροπέας A/D μετατρέπει τάσεις στην περιοχή από 0-5V. Το κύκλωμα προσαρμογής θα πρέπει να ενισχύσει το σήμα εξόδου του διαμετατροπέα επί 100, ώστε να ταιριάζει με την περιοχή των τάσεων που ο μετατροπέας A/D μπορεί να μετατρέψει. Συνήθως το κύκλωμα προσαρμογής περιλαμβάνει και ένα φίλτρο απόρριψης υψηλών συχνοτήτων, το οποίο έχει επικρατήσει να ονομάζεται φίλτρο αποφυγής αναδίπλωσης (anti-aliasing filter).

Το επόμενο στάδιο είναι ο αναλογικός πολυπλέκτης (analog multiplexer AMUX) σήματος. Η λειτουργία του είναι παρόμοια με αυτήν του ψηφιακού πολυπλέκτη με τη διαφορά ότι τα σήματα είναι αναλογικά και παίρνουν οποιαδήποτε τιμή σε μία περιοχή τιμών. Με την εφαρμογή της διεύθυνσης επιλογής καναλιού του πολυπλέκτη επιλέγουμε ένα μόνο από τα σήματα εισόδου να εμφανιστεί στην έξοδό του και να ψηφιοποιηθεί από τον μετατροπέα A/D. Χρησιμοποιείται για να αυξήσουμε τον αριθμό των αναλογικών εισόδων τις οποίες μπορούμε να ψηφιοποιήσουμε με ένα μετατροπέα A/D.

Το επόμενο στάδιο είναι το κύκλωμα δειγματοληψίας και συγκράτησης (Sample and Hold - S/H). To κύκλωμα S/H μπορούμε να το φανταστούμε σαν ένα πυκνωτή του οποίου το ένα άκρο είναι σταθερά συνδεδεμένο στη γείωση του συστήματος, ενώ το άλλο του άκρο συνδέεται πότε στο αναλογικό σήμα που θα ψηφιοποιηθεί και πότε στην είσοδο του μετατροπέα A/D. Το αποτέλεσμα αυτής της μεταγωγής είναι ο μετατροπέας A/D να έχει στην είσοδό του πάντα ένα αναλογικό σήμα που δεν μεταβάλλεται και που αντιπροσωπεύει το αναλογικό σήμα που θέλουμε να ψηφιοποιηθεί σε κάποια χρονική στιγμή.

Ο μετατροπέας A/D στην είσοδό του δέχεται ένα αναλογικό σήμα και στην έξοδό του παράγει ένα ψηφιακό σήμα, δηλαδή μία ψηφιακή λέξη. Η ψηφιακή λέξη που παράγεται αποτελείται πάντα από ένα συγκεκριμένο αριθμό bits. Ο αριθμός των bits κατά τη μετατροπή, το πλάτος του εφαρμοζόμενου αναλογικού σήματος, καθώς και ο απαιτούμενος χρόνος για τη μετατροπή του αναλογικού σήματος σε ψηφιακό αποτελούν τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά ενός μετατροπέα A/D.

Στη συνέχεια ο επεξεργαστής του συστήματος θα επεξεργαστεί ή/και θα αποθηκεύσει τα ψηφιακά δεδομένα, ανάλογα με το πρόγραμμα λειτουργίας του. Σε πολλές περιπτώσεις, κυρίως συστημάτων ελέγχου, ψηφιακά δεδομένα χρησιμοποιούνται από τον επεξεργαστή με μία ακριβώς συμμετρική διαδικασία παραγωγής ψηφιακού σήματος σε αναλογικό. Οι διατάξεις εξόδου συνήθως ελέγχουν διαδικασίες, όπως η λειτουργία κινητήρων, η παραγωγή κυματομορφών κλπ. 

Το πρώτο στάδιο μετά τη μετατροπή του σήματος από ψηφιακό σε αναλογικό είναι ο αναλογικός αποπολυπλέκτης (Analog DEMUltiplexer - ADEMUX), ο οποίος μεταφέρει στην επιλεγμένη έξοδο το σήμα του μετατροπέα D/Α. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε να ελέγξουμε περισσότερες από μία διατάξεις με έναν μόνο μετατροπέα D/A. 

Το επόμενο στάδιο είναι το κύκλωμα S/Η με το οποίο η αναλογική έξοδος του παραμένει σταθερή για το χρονικό διάστημα που η έξοδος του μετατροπέα D/A δεν έχει ακόμη σταθεροποιηθεί. Χρησιμοποιούμε στη συνέχεια κυκλώματα προσαρμογής σήματος με τα οποία τα χαρακτηριστικά του σήματος εξόδου προσαρμόζονται σ’ αυτά της διάταξης εξόδου την οποία θα οδηγήσουν. Συνήθως το κύκλωμα προσαρμογής περιλαμβάνει και ένα φίλτρο απόρριψης υψηλών συχνοτήτων (που οφείλονται στην μετατροπή D/Α), το οποίο έχει επικρατήσει να ονομάζεται φίλτρο ανακατασκευής (reconstruction filter).

Σε ένα μεγάλο πλήθος συστημάτων ελέγχου το σύστημα λήψης και επεξεργασίας και το σύστημα επεξεργασίας και διανομής, συνδυάζονται σε ένα σύστημα ελέγχου κλειστού βρόγχου (closed loop control systems). Ένα
τέτοιο παράδειγμα αποτελεί ένα σύστημα κλιματισμού ενός χώρου. Το σύστημα αυτό μετρά τη θερμοκρασία με τη χρήση κατάλληλου αισθητήρα. Η αναλογική έξοδος του συστήματος είναι ανάλογη της θερμοκρασίας. Στη συνέχεια γίνεται ψηφιοποίηση του σήματος εξόδου του αισθητήρα με τη χρήση ενός μετατροπέα A/D και η μέτρηση της θερμοκρασίας αναπαρίσταται πλέον ψηφιακά ως ένας δυαδικός αριθμός.

Η ψηφιακή τιμή της θερμοκρασίας μπορεί να επεξεργαστεί από ένα υπολογιστικό σύστημα με βάση ένα συγκεκριμένο πρόγραμμα λειτουργίας. Σύμφωνα με το πρόγραμμα αυτό, η θερμοκρασία του χώρου συγκρίνεται με δύο τιμές οι οποίες έχουν δοθεί από το χρήστη και έχουν αποθηκευθεί στη μνήμη του υπολογιστή. Η μία θερμοκρασία ορίζει την ελάχιστη θερμοκρασία και η δεύτερη τη μέγιστη θερμοκρασία που θέλουμε να έχει ο κλιματιζόμενος χώρος. Αν η θερμοκρασία του χώρου είναι μικρότερη από την ελάχιστη επιθυμητή, τότε θα πρέπει να ξεκινήσει η διαδικασία θέρμανσης του χώρου, ενώ αν είναι μεγαλύτερη από τη μέγιστη επιθυμητή, τότε θα πρέπει να ξεκινήσει η διαδικασία ψύξης.

Το σύστημά μας για τον έλεγχο των διαδικασιών διαθέτει μετατροπείς D/Α οι οποίοι είναι συνδεδεμένοι με κατάλληλα ηλεκτρονικά κυκλώματα με τα συστήματα θέρμανσης και ψύξης. Ο υπολογιστής του συστήματος δίνει τα κατάλληλα ψηφιακά δεδομένα στους μετατροπείς D/Α, ώστε ανάλογα με τη μετρούμενη θερμοκρασία να ενεργοποιείται η κατάλληλη διαδικασία (θέρμανση ή ψύξη) και στην κατάλληλη ένταση. Σ’ αυτό το παράδειγμα γίνεται κατανοητό ότι το σύστημά μας μετρά συνεχώς το αποτέλεσμα των διαδικασιών τις οποίες ελέγχει ή όπως συνήθως λέγεται υπάρχει ανατροφοδότηση (feedback) από το ελεγχόμενο σύστημα.