La aparición del Internet de las cosas (IdC), que aprovecha la informática de alto rendimiento en la nube y en las plataformas perimetrales, ha propiciado un aumento considerable de los datos consumidos por las aplicaciones que utilizamos para monitorizar todo, desde nuestra movilidad y bienestar personal hasta los hogares y las oficinas que ocupamos. Gracias a estos datos, la sociedad se está volviendo más inteligente.

 Monitorizamos los aspectos del entorno físico que nos rodea mediante un número y una variedad de sensores cada vez mayor. Estos generan señales que suelen ser de baja amplitud y ruidosas por naturaleza. A menudo tienen falta de linealidad y, en la mayoría de los casos, deben transformarse de su forma analógica del mundo real a valores digitales aptos para los sistemas informáticos. Cada cadena de señales que depura y transforma esas mediciones sin tratar, actuando a modo de puente entre el sensor y el recurso de computación o procesamiento, juega un papel fundamental en el aumento de la demanda de datos.

Características comunes de la cadena de señales

En términos generales, una cadena de señales se compone de una serie de elementos clave. A saber: el sensor (o el hardware que capta datos), la amplificación y el filtrado de la señal, seguidos finalmente por un conversor analógico-digital (ADC) que toma muestras y digitaliza la señal acondicionada para su posterior procesamiento o almacenamiento.

 Pueden ser necesarias una o varias fases de amplificación, como un amplificador de transinductancia (TIA) seguido de un amplificador de ganancia de tensión. Además, pueden ser precisos varios filtros para aislar la señal dentro de una gama de frecuencias dada, aplicar antisolape a las señales de alta frecuencia y eliminar las señales no deseadas en frecuencias concretas (por ejemplo, las interferencias del suministro de red de CA). Dependiendo de la salida del sensor, puede que resulte conveniente amplificar la señal antes de filtrarla, dado que cualquier ruido también se amplificará. Otra opción es aplicar primero el filtrado.

Un registro de aproximación sucesiva (SAR) o un ADC sigma-delta pueden ser las soluciones más adecuadas para digitalizar la señal filtrada y amplificada. Los ADC SAR suelen tener menor latencia que los dispositivos sigma-delta, aunque la velocidad máxima de muestreo suele ser menor. Entre los puntos fuertes de los ADC sigma-delta cabe destacar su elevada resolución y su gran eficiencia energética, y, a menudo, también incluyen funciones adicionales (como filtros, multiplexores o búferes de entrada).

Figura 1: Componentes básicos de la cadena de señales.

Caso de monitorización de temperatura industrial

Se dice que la temperatura es el elemento más comúnmente monitorizado del mundo físico. Un termopar puede detectar temperaturas extremadamente altas en entornos industriales, pero la tensión de salida es pequeña (normalmente de solo algunos mV). Los componentes de la cadena de señales (tal y como aparecen en la figura 2) deben garantizar una elevada ganancia del amplificador con poco ruido y baja desviación.

También se debe controlar una temperatura de referencia para proporcionar una compensación de unión fría (CUF), a fin de permitir al instrumento generar una tensión de salida que se corresponda con la temperatura detectada en la sonda del termopar. La CUF suele aplicarse con ayuda de un dispositivo detector de temperatura por resistencia (RTD) o de un sensor de temperatura basado en silicio. Un RTD requiere una tensión de excitación que debe proceder del diseño de la cadena de señales utilizado.

Tanto los termopares como los RTD y los termistores presentan una linealidad no uniforme que debe corregirse de alguna manera dentro de la cadena de señales. En lo que respecta a los termopares, la variación de la tensión de salida para una variación de la temperatura dada viene dada por el coeficiente de Seebeck. Pero este coeficiente no es constante en todo el intervalo de temperatura de funcionamiento del termopar, por lo que es mejor elegir un tipo que proporcione la respuesta más lineal posible en el intervalo de temperatura en el que vaya a funcionar. Para ello, los ingenieros de diseño pueden consultar las categorías del IPC que normalizan las propiedades de los distintos tipos de termopares. Como ejemplo, un termopar IPC de tipo S tiene un intervalo de temperatura útil aproximado de 0 °C a 1500 °C y muestra una linealidad razonable aproximada de 900 °C a 1250 °C. Las tablas de referencia para los tipos de termopar estándar, como las publicadas por el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) de los Estados Unidos, permiten corregir la linealidad digitalmente y evitan la complejidad de corregir la linealidad dentro de la propia cadena de señales.

Figura 2: Ejemplo de una cadena de señales de termopar.

Cada conexión eléctrica física del termopar crea inevitablemente una termounión adicional, por lo que hay que asegurarse de que todas las conexiones —salvo la sonda de detección de temperatura y la unión fría— estén a la misma temperatura.

Caso de monitorización médica o de condición física

El creciente afán de autocuantificación, y de modelos de atención sanitaria más rápidos y rentables está potenciando la demanda de sistemas de detección más sencillos de los bioindicadores (como la temperatura corporal, el oxígeno en sangre y la frecuencia cardíaca), ya sea mediante instrumentos de categoría clínica o de dispositivos orientados al consumidor (como las pulseras de actividad). En comparación con los termistores y los sensores de temperatura RTD, que requieren un considerable procesamiento de las señales, los sensores de temperatura basados en silicio son más lineales, estables y fáciles de usar. Aunque su intervalo de temperatura es más reducido (de 55 °C a 150 °C), es más que suficiente para controlar la temperatura corporal mediante dispositivos médicos.

El MAX30208 es un sensor de temperatura digital de categoría clínica optimizado para la medición sencilla y no invasiva de la temperatura corporal. El nivel de temperatura se mide en la parte superior del paquete, que es la más fácil de colocar en la superficie de la piel y la que se ve menos afectada por los problemas de autocalentamiento (debidos a la corriente de alimentación que entra a través de las patillas del CI). La fijación está optimizada para permitir el montaje en un circuito impreso flexible que puede colocarse a distancia del procesador host, y la interfaz I²C permite conectar varios sensores en cadena para obtener datos en varios puntos del cuerpo para una precisión óptima. El MAX30208 mide la temperatura corporal con una precisión de ±0,1 °C y contiene circuitos de cadena de señales integrados y un FIFO de 32 bits para facilitar la interacción con el procesador host.

En lo que respecta a la monitorización de la actividad cardíaca, los monitores de categoría clínica se han basado tradicionalmente en las señales electrocardiográficas (ECG) procedentes de varios sensores colocados en el cuerpo. Recientemente, se ha desarrollado la detección fotopletismográfica (PPG) óptica que proporciona una precisión aceptable a partir de un dispositivo ponible, pequeño y no invasivo, como una pulsera de fitness o un pulsioxímetro de dedo. La detección PPG funciona mediante la transmisión de luz a través de los tejidos corporales y la medición de las señales reflejadas o transmitidas. Se pueden cuantificar los pequeños cambios en el volumen sanguíneo, lo que permite calcular los indicadores (incluida la saturación de oxígeno en sangre, la frecuencia cardíaca y la respiración). También permite extraer conclusiones sobre el estado de los tejidos y la función de los órganos.

La señal de tensión procedente de los sensores ópticos de un instrumento PPG contiene un componente de corriente continua asociado al volumen sanguíneo y a las propiedades ópticas de los huesos y los tejidos, con un componente de corriente alterna producido por los cambios en el volumen sanguíneo que corresponde a los latidos del corazón. También aparecen otras pequeñas señales generadas por la actividad (como la respiración).

El diseño de la cadena de señales de un monitor de la frecuencia cardíaca ponible comienza por el transmisor, que puede ser un LED verde o una combinación de LED rojos e infrarrojos. La longitud de onda y la intensidad de la fuente determinan la profundidad de penetración y la intensidad de la señal recibida, y pueden ajustarse para que la precisión sea óptima. Por otra parte, los controladores de los LED introducen ruido en la señal transmitida, y también debe tenerse en cuenta el consumo de energía.

La cadena de señales de la recepción tiene que tomar muestras de la salida del fotodetector y controlar la cancelación de la luz ambiental, el filtrado y la conversión analógica-digital. La salida del fotodetector es una señal de corriente cuya amplitud puede ser inferior a un nA o alcanzar unas decenas de µAs. Hace falta un TIA para transformar la señal de corriente en tensión, y el diseño de la cadena de señales debe tener en cuenta factores como el rango dinámico de la señal, la relación señal/ruido (SNR), la utilización de la placa y el consumo de energía asociado a elementos como los filtros antisolape y el TIA. Afortunadamente, el amplio y creciente mercado de los monitores del frecuencia cardíaca orientados al consumidor permite a los ingenieros optar por un front end analógico integrado (AFE), como elAFE4405 de Texas Instruments, o el MAX30112 de Maxim, cada uno de los cuales incorpora el controlador LED y una cadena de señales de fotodetectores completa dentro de sus respectivas soluciones de un único chip. Estos dispositivos proporcionan un mecanismo adecuado para superar retos como la manipulación de la corriente del fotodiodo, el filtrado, el almacenamiento, la amplificación y la conversión mediante un ADC sigma-delta.

Caso en obtención y tratamiento de imágenes

Los parámetros como la frecuencia cardíaca del ser humano y las temperaturas de los procesos industriales son relativamente sencillos y estables, y presentan unas exigencias moderadas a la cadena de señales en términos de velocidad y frecuencia de muestreo. El MAX30112 admite una frecuencia de muestreo de hasta 3,2 kSPS para satisfacer las necesidades de una aplicación de pulsioximetría o monitorizar la frecuencia cardíaca. Las velocidades de la señal y las tasas de muestreo en aplicaciones como la detección de imágenes o la visión de máquinas industriales son mucho mayores y requieren una atención especial.

Los sistemas de imagen sencillos, como los equipos de espectroscopia del infrarrojo cercano para la inspección o el análisis de materiales, pueden emplear un fotodiodo lineal que requiere refrigeración para minimizar los efectos del ruido térmico y el acondicionamiento de la señal. El amplificador de precisión con bajo nivel de ruido ADA4807 de Analog Devices tiene un ancho de banda de -3 dB de 180 MHz y resulta particularmente apto para su uso con el sistemaADAQ7980 de obtención de datos de un único chip de la compañía que contiene un SAR ADC de bajo ruido de 1 MSPS, con lo que la potencia se adapta a la velocidad de muestreo, lo que maximiza la eficiencia. La integración en el dispositivo de un controlador ADC de banda ancha con bajo ruido de entrada y una salida carril a carril para minimizar la distorsión evita que los ingenieros de diseño tengan que hacer frente a complicaciones no deseadas, como el diseño del circuito y la selección de los componentes. La arquitectura de energía interna y el suministro de un valor de referencia de tensión externa de precisión también contribuyen a preservar la integridad de la señal al reducir el ruido del sistema.

La visión de máquinas con cámaras de alta velocidad y aplicaciones de videovigilancia exigen todavía más de la adquisición de señales. Un capturador de fotogramas de alta velocidad establece la conexión con la cámara y las interfaces con el PC host (generalmente, a través de PCI o PCI Express) con ayuda de un protocolo de comunicación como Camera Link que define velocidades de procesamiento de vídeo desde 255 Mbps hasta 680 Mbps. El capturador de fotogramas también suele implementar importantes funciones de preprocesamiento de vídeo, como control de ganancia, compensación de píxeles defectuosos y ampliación del rango dinámico. A menudo, debe hacerse a una velocidad de imagen en tiempo real. El diseño de un capturador de fotogramas es un reto de ingeniería considerable, que a menudo se consigue con FPGA que proporcionan el rendimiento de procesamiento de señales requerido y pueden albergar algoritmos de visión de máquina en el mismo dispositivo.

Conclusión

Capturar señales de sensores para obtener datos informativos para cualquier aplicación, ya sea de consumo, industrial o médica, requiere tener un buen conocimiento de cada uno de los componentes de la cadena de señales. Esto abarca todo, desde el sensor hasta el ADC, y en cada caso se deben elegir los elementos correctos e integrarlos adecuadamente. En muchos casos, ya se dispone de un front end de un único chip, lo que puede ayudar de forma efectiva a simplificar el diseño y a reducir el tiempo necesario para la comercialización.