Sensibilitatea măsurătorii

Când ne referim la calitatea eșantionării, trebuie să evaluăm acuratețea și precizia măsurătorii. Totuși, este important să înțelegem mai întâi sensibilitatea osciloscopului.

Sensibilitatea este cea mai mică modificare întrun semnal de intrare care poate produce un răspuns al dispozitivului de măsurare. Cu alte cuvinte, dacă un semnal de intrare se schimbă cu o anumită cantitate - cu o anumită sensibilitate - atunci puteți vedea o schimbare în datele digitale.

Nu confundați sensibilitatea cu rezoluția și lățimea codului. Rezoluția definește lățimea codului; aceasta este nivelul discret la care instrumentul afișează valorile.

Totuși, sensibilitatea definește modificarea în tensiune necesară pentru ca instrumentul să înregistreze o schimbare a valorii. De exemplu, un instrument cu o gamă de măsurare de 10 V poate fi capabil să detecteze semnale cu o rezoluție de 1 mV, dar cea mai mică tensiune detectabilă pe care o poate măsura este de 15 mV. In acest caz, instrumentul are o rezoluție de 1 mV dar o sensibilitate de 15 mV.

În unele cazuri, sensibilitatea este mai mare decât lățimea codului. În primul rând, acest lucru poate părea contraintuitiv - nu înseamnă că tensiunea se modifică cu o valoare care poate fi afișată și nu poate fi înregistrată? Da! Pentru a înțelege avantajul, gândiți-vă la o tensiune DC constantă. Deși ar fi grozav dacă această tensiune a fost într-adevăr exact constantă fără deviații, există întotdeauna o ușoară variație a unui semnal, care este reprezentat în Figura 1.

Sensibilitatea este marcată cu linii roșii, iar lățimea codului este reprezentată, de asemenea. În acest exemplu, deoarece tensiunea nu trece niciodată deasupra nivelului de sensibilitate, ea este reprezentată de aceeași valoare digitală - chiar dacă este mai mare decât lățimea codului. Acest lucru este benefic prin faptul că nu captează zgomotul și reprezintă cu mai multă acuratețe semnalul ca o tensiune constantă.

Figura 1. Sensibilitatea care este mai mare ca lăţimea codului poate ajuta la netezirea unui semnal de zgomot.

Odată ce semnalul începe să crească, trece peste nivelul de sensibilitate și apoi este reprezentat de o valoare digitală diferită. Vezi Figura 2. Țineți minte că măsurarea dvs. nu poate fi niciodată mai exactă decât sensibilitatea.

Figura 2. Odată ce semnalul depăşeşte nivelul sensibilităţii, el este reprezentat de o valoare digitală diferită.

Există o anumită ambiguitate în modul în care este definită sensibilitatea unui instrument. Uneori, aceasta poate fi definită ca o cantitate constantă, ca în exemplul de mai sus. În acest caz, imediat ce semnalul de intrare depășește nivelul de sensibilitate, semnalul este reprezentat de o valoare digitală diferită. Însă, uneori este definită ca o variație a semnalului. După ce semnalul s-a schimbat cu valoarea sensibilității specificată, acesta este reprezentat de un semnal diferit. În acest caz, nu contează tensiunea absolută, ci variația tensiunii. În plus, unele instrumente definesc sensibilitatea în jurul valorii de zero.

Nu numai că definiția exactă a termenului sensibilitate se schimbă de la o companie la alta, dar diferite produse ale aceleiași companii care le pot folosi pot însemna ceva ușor diferit. Este important să verificați specificațiile instrumentului pentru a vedea cum este definită sensibilitatea; dacă nu este bine documentat, contactați compania pentru clarificare.

Acurateţea

Acuratețea este definită ca o măsură a capacității instrumentului de a indica fidel valoarea semnalului măsurat. Acest termen nu este legat de rezoluție; cu toate acestea, acuratețea nu poate fi niciodată mai bună decât rezoluția instrumentului.

În funcție de instrument sau digitizor, există așteptări diferite pentru acuratețe. De exemplu, în general, este de așteptat ca un multimetru digital (DMM) să aibă o precizie mai mare decât un osciloscop. Cum este calculată acuratețea, de asemenea, variază cu dispozitivul, dar întotdeauna verificați specificațiile instrumentului pentru a vedea cum instrumentul dvs. calculează acuratețea.

a. Acurateţea unui osciloscop

Osciloscoapele definesc acuratețea sistemului orizontal și vertical separat. Sistemul orizontal se referă la scala de timp sau la axa X; acuratețea sistemului orizontal este acuratețea bazei de timp. Sistemul vertical este tensiunea măsurată sau axa Y; acuratețea sistemului vertical este acuratețea amplificării si a offset-ului. În mod tipic, acuratețea sistemului vertical este mai importantă decât cea orizontală.

Precizia verticală este în mod tipic exprimată ca procent din semnalul de intrare și un procent din scala maximă. Unele specificații defalcă semnalul de intrare în câștigul vertical și acuratețea offset-ului. Ecuația 1 prezintă două moduri diferite de a vedea acuratețea definită.

Ecuaţia 1. Calcularea acurateţei verticale a unui osciloscop

De exemplu, un osciloscop poate defini acuratețea verticală în maniera următoare:

Cu un semnal de intrare de 10 V și utilizând gama de 20 V, puteți apoi calcula acuratețea:

b. Acurateţea unui DMM şi a sursei de putere

DMM-urile și sursele de putere specifică uzual acuratețea ca un procentaj din citire. Ecuația 2 prezintă trei moduri diferite de exprimare a acurateței unui DMM sau sursă de putere.

Ecuația 2. Trei moduri diferite de exprimare a acurateței

Termenul ppm înseamnă părți per million. Majoritatea specificațiilor au multiple tabele pentru determinarea acurateței. Acuratețea depinde de tipul de măsurătoare, gama și timpul de la ultima calibrare. Verificați specificațiile pentru a vedea cum este calculată acuratețea.

Ca un exemplu, un DMM este setat pentru gama de 10 V și funcționează 90 de zile după calibrare la 23°C ±5°C, și se anticipează un semnal de 7 V. Specificațiile de acuratețe pentru aceste condiții sunt (±20 ppm din citire + 6 ppm din gamă). Puteți apoi calcula acuratețea:

In acest caz, citirea ar trebui să fie până în 200 μV din tensiunea de intrare curentă.

c. Acurateţea unui dispozitiv DAQ

Plăcile DAQ definesc adesea acuratețea ca abaterea de la o funcție de transfer ideală. Ecuația 3 prezintă un exemplu despre modul în care o placă DAQ ar putea specifica acuratețea.

Ecuaţia 3. Calcularea acurateţei unui dispozitiv DAQ

Apoi definește termenii individuali:

Majoritatea acestor termeni sunt definiți într-un tabel și pe baza gamei nominale. Specificațiile definesc, de asemenea, calculul pentru incertitudinea de zgomot. Incertitudinea în zgomot este incertitudinea măsurării din cauza efectului zgomotului în măsurare și este luată în considerare pentru determinarea acurateței.

În plus, pot exista mai multe tabele pentru acuratețea dispozitivului dvs., în funcție de cazul în care căutați acuratețea semnalului analogic de intrare sau analogic de ieșire sau dacă un filtru este activat sau dezactivat.

Precizia

Acuratețea și precizia sunt adesea folosite interschimbabil, dar există o diferență subtilă. Precizia este definită ca o măsură a stabilității instrumentului și a capacității sale de a conduce la aceeași măsurătoare din nou și din nou pentru același semnal de intrare. În timp ce acuratețea se referă la cât de apropiată este o valoare măsurată față de valoarea reală, precizia se referă la măsura în care măsurătorile individuale, repetate, sunt de acord între ele.

Figura 3. Precizia şi acurateţea sunt legate dar nu aceleaşi.

Precizia este cea mai afectată de zgomot și de deriva pe termen scurt a instrumentului. Precizia unui instrument nu este adesea furnizată direct, dar trebuie dedusă din alte specificații, cum ar fi specificația raportului de transfer, zgomotul și deviația de temperatură. Cu toate acestea, dacă aveți o serie de măsurători, puteți calcula precizia.

Ecuaţia 4. Calcularea preciziei

De exemplu, dacă monitorizați o tensiune constantă de 1 V și observați că valoarea măsurată se modifică cu 20 μV între măsurători, atunci precizia dvs. de măsurare poate fi calculată după cum urmează:

În mod tipic, precizia este exprimată ca procent. În acest exemplu, precizia este de 99,998%.

Precizia are semnificație în primul rând atunci când trebuie luate măsurători relative (față de o citire anterioară a aceleiași valori), cum ar fi calibrarea dispozitivului.

Zgomotul şi sursele de zgomot

Nu confundați sensibilitatea cu rezoluția și lățimea codului. Rezoluția definește lățimea codului; acesta este nivelul discret la care instrumentul afișează valori.

Cu toate acestea, sensibilitatea definește modificarea tensiunii necesare pentru ca instrumentul să înregistreze o modificare a valorii. De exemplu, un instrument cu un domeniu de măsurare de 10 V poate fi capabil să detecteze semnale cu o rezoluție de 1 mV, dar cea mai mică tensiune detectabilă pe care o poate măsura poate fi de 15 mV. În acest caz, instrumentul are o rezoluție de 1 mV, dar o sensibilitate de 15 mV.

a. Zgomotul termic

Un circuit electronic ideal nu produce nici un zgomot propriu, astfel încât semnalul de ieșire din circuitul ideal conține doar zgomotul care a fost în semnalul original. Dar circuitele electronice reale și componentele produc un anumit nivel de zgomot inerent propriu. Chiar și rezistorul simplu cu valoare fixă ​​este zgomotos.

Figura 4. Un rezistor ideal este arătat în A, dar, practic, rezistoarele au zgomot termic intern cum este reprezentat în B.

Figura 4A prezintă circuitul echivalent pentru un rezistor ideal, fără zgomot. Zgomotul inerent este reprezentat în figura 4B de către o sursă de tensiune de zgomot Vn în serie cu rezistența ideală, fără zgomot, Ri. La orice temperatură peste zero absolut (0° K sau aproximativ -273° C), electronii din orice material sunt în mișcare aleatorie constantă. Datorită caracterului inerent al acestei mișcări, totuși, nu există nici un curent detectabil în nici o direcție. Cu alte cuvinte, driftul de electroni în orice direcție este anulat pe perioade scurte de timp, prin deviație egală în direcția opusă. De aceea, mișcările de electroni sunt decorelate statistic. Există totuși o serie continuă de impulsuri de curent aleatoare generate în material și acele impulsuri sunt văzută de lumea exterioară ca un semnal de zgomot. Acest semnal este numit prin câteva nume: zgomot Johnson, zgomot de agitație termică sau zgomot termic. Acest zgomot crește cu temperatura și rezistența, dar ca o funcție rădăcină pătrată. Aceasta înseamnă că trebuie să cvadruplezi rezistența la dublarea zgomotului acelei rezistențe.

b. Zgomot Flicker sau 1/F

Dispozitivele semiconductoare tind să aibă zgomot care nu este plat cu frecvență. El crește la capătul inferior. Acesta se numește zgomot, zgomot roz, zgomot excesiv sau zgomot flicker. Acest tip de zgomot apare și în multe sisteme fizice, altele decât cele electrice. Exemple sunt proteinele, timpii de reacție ai proceselor cognitive și chiar activitatea seismică. Diagrama de mai jos prezintă sursa cea mai probabilă de zgomot, în funcție de frecvența la care apare zgomotul pentru o anumită tensiune; știind cauza zgomotului se merge mult în reducerea lui.

Figura 5.

Strategii pentru reducerea zgomotului

Deși zgomotul reprezintă o problemă serioasă pentru proiectant, mai ales atunci când sunt prezente niveluri scăzute de semnal, o serie de abordări comune pot minimiza efectele zgomotului asupra unui sistem. Iată câteva strategii pentru reducerea zgomotului:

■ Țineți cât mai mici rezistența sursei și rezistența de intrare a amplificatorului. Utilizarea rezistențelor de înaltă valoare crește proporțional zgomotul termic.

■ Zgomotul termic total este, de asemenea, o funcție de lățimea de bandă a circuitului. Prin urmare, reducerea la minimum a lățimii de bandă a circuitului minimizează și zgomotul. Dar acest lucru trebuie făcut cu grijă deoarece semnalele au un spectru Fourier care trebuie păstrat pentru măsurători exacte. Soluția este să corespundă lățimea de bandă cu răspunsul în frecvență necesar pentru semnalul de intrare.

■ Preveniți ca zgomotul extern să afecteze performanța sistemului prin utilizarea adecvată a împământării, a ecranării, a cablării, a plasării fizice atente a firelor și a filtrării.

■ Utilizați un amplificator cu zgomot redus în faza de intrare a sistemului.

■ Pentru unele circuite semiconductoare, utilizați cel mai mic potențial de alimentare DC posibil.

Rezumat

■ Sensibilitatea este cea mai mică modificare într-un semnal de intrare care cauzează un răspuns al dispozitivului de măsurare.

■ Acuratețea este definită ca o măsură a capabilității instrumentului pentru a indica cu fidelitate valoarea semnalului măsurat.

■ Acuratețea și sensibilitatea sunt prezentate în documentul de specificații; deoarece companiile și produsele de la aceeași companie pot utiliza acești termeni în mod diferit, verificați întotdeauna documentația și contactați companiile pentru clarificările necesare.

■ Precizia este definită ca o măsură a stabilității unui instrument și a capabilității sale de a prezenta mereu aceeași măsurătoare pentru același semnal de intrare.

■ Zgomotul este orice semnal nedorit care interferează cu semnalul dorit.

■ Există diferite tipuri de zgomot și strategii diferite pentru reducerea lui.