ELETTRONICA ANALOGICA E DIGITALE

L’elettronica analogica e l’elettronica digitale hanno a che fare con segnali elettrici differenti: la prima con segnali tempo-continui, la seconda con segnali tempo-discreti, ovvero con segnali che possono assumere solo 2 valori ben precisi (“0” oppure “1”). Il mondo analogico e quello digitale non sono a sè stanti, anzi! La loro unione costituisce un ottimo mezzo per gestire sistemi complessi. Si passa dai segnali analogici in output a numerosi sensori, fino a giungere a macchine digitali combinatorie o sequenziali che rappresentano funzioni “booleane” con particolari scopi. I microcontrollori a loro volta possono gestire, tramite porte Input/Output, determinati segnali, effettuare operazioni e attivare degli attuatori. I circuiti elettronici PCB o integrati appositamente progettati con software CAD possono essere utili perchè uniscono l’alta personalizzazione all’alta miniaturizzazione. Oltre alla conoscenza della teoria dei campi elettromagnetici e dell’elettronica analogica e digitale, risulta importante saper utilizzare gli strumenti di misura da laboratorio (oscilloscopio, multimetro, analizzatore di spettro, ecc.), nonchè strumenti di progettazione CAD elettronica analogica (es. Cadence Allegro) o digitale per descrizione dell’hardware su FPGA (es. Quartus con linguaggio Verilog HDL), nonchè linguaggi di programmazione (es. C) per la programmazione dei firmware dei microcontrollori.

Il progetto ha come finalità quella di misurare le pulsazioni cardiache a partire dal polpastrello, posto su un apposito sensore. Per poter fare una stima delle pulsazioni medie è opportuno misurare quanti battiti avvengono in un intervallo di tempo fissato, per poi farne una proporzione relativa ai 60 secondi. Il segnale cardiaco analogico misurato da un apposito sensore, viene convogliato nel circuito di elaborazione del segnale, per poi essere convertito in digitale, in maniera tale da renderlo idoneo all’elaborazione da parte di un microcontrollore. Lo step finale non è altro che la visualizzazione del valore in “bpm” su un display collegato al microcontrollore stesso. Come è noto da numerosi studi, ad ogni pulsazione cardiaca il polpastrello subisce una lievissima sollecitazione. Per poter fare una stima numerica accurata delle pulsazioni nell’arco di un minuto (bpm), è opportuno prima di tutto conoscere il segnale scaturito dal battito del cuore. Esso può essere ottenuto utilizzando un apposito sensore costituito da un led ed un fotorivelatore. Il led non fa altro che illuminare il polpastrello, mentre il fotorivelatore ne cattura la luce riflessa. Ponendo il dito sul sensore, a causa delle sollecitazioni subite dal polpastrello ad ogni pulsazione, la luce riflessa sul fotorivelatore cambia di intensità nel tempo. Per questo motivo il segnale in output al fotorivelatore avrà un andamento molto simile a quello del segnale tipicamente elettrocardiografico. Poiché il sensore è un componente integrato, al suo interno è presente un circuito elettronico di pre-amplificazione e filtraggio. Tuttavia, è stato realizzato un circuito elettronico discreto su una basetta mille fori sperimentale, il cui obiettivo è quello di amplificare e filtrare nuovamente ed in maniera più accurata il segnale analogico in uscita dal sensore, per poi trasformarlo in un segnale digitale tramite un comparatore a soglia. L’obiettivo è quello di ottenere un valore logico alto in corrispondenza di ogni picco, in maniera tale da calcolare il numero di valori logici alti nell’arco di un intervallo di tempo prefissato, per poi farne la proporzione relativa a 60 secondi. Il calcolo di questo valore viene effettuato dal microcontrollore “Arduino uno”, dopo averne programmato il firmware in linguaggio C (vedi sezione informatica) e visualizzato su un display retroilluminato.