Convertoarele A/D (ADC) sunt parte integrantă a plăcilor de achiziție de date (DAQ). Unul dintre cei mai importanți parametri ai unui sistem de intrare analogică este rata la care placa DAQ eșantionează un semnal de intrare. Rata de eșantionare determină cât de des are loc conversia analogic-digitală (A/D). O rată de eșantionare rapidă achiziționează mai multe puncte într-un timp dat și formează o reprezentare mai bună a semnalului original decât o rată de eșantionare lentă. Eșantionarea prea lentă poate duce la o reprezentare slabă a semnalului dvs. analogic. Figura 1-2 prezintă un semnal de eșantionare adecvat, precum și efectele sub-eșantionării. Efectul sub-eșantionării este că semnalul apare ca și cum ar avea o frecvență diferită de cea reală. Această reprezentare greșită a unui semnal este numită alias (dedublare).

Figura 1-2. Efectele aliasing ale unei rate de eșantionare necorespunzătoare

Conform teoremei Nyquist, pentru a evita aliasing trebuie să eșantionați la o rată mai mare decât dublul componentei de frecvență maximă din semnalul pe care îl achiziționați. Pentru o rată de eșantionare dată, frecvența maximă care poate fi reprezentată cu acuratețe, fără aliasing, este cunoscută ca frecvența Nyquist. Frecvența Nyquist este o jumătate din frecvența de eșantionare. Semnale cu componente de frecvență deasupra frecvenței Nyquist vor apărea dedublate între DC și frecvența Nyquist. Frecvența alias este valoarea absolută a diferenței dintre frecvența semnalului de intrare și cel mai apropiat multiplu întreg de rata de eșantionare. Figurile 1-3 și 1-4 ilustrează acest fenomen. De exemplu, presupuneți că fs, frecvența de eșantionare, este de 100 Hz. De asemenea, presupuneți că semnalul de intrare conține următoarele frecvențe - 25 Hz, 70 Hz, 160 Hz și 510 Hz. Aceste frecvențe sunt prezentate în figura următoare.

Figura 1-3. Componentele de frecvență ale semnalului real

În figura 1-4, frecvențele sub frecvența Nyquist (fs/2 = 50 Hz) sunt eșantionate corect. Frecvențele deasupra frecvenței Nyquist apar ca dubluri. De exemplu, F1 (25 Hz) apare la frecvența corectă, dar F2 (70 Hz), F3 (160 Hz) și F4 (510 Hz) au alias la 30 Hz, 40 Hz și respectiv 10 Hz. Pentru a calcula frecvența alias, utilizați următoarea ecuație:

Alias ​​Freq. = ABS (cel mai apropiat multiplu întreg de frecvența de eșantionare - frecvența de intrare)

unde ABS înseamnă "valoarea absolută".

De exemplu,

Alias ​​F2 = |100 - 70| = 30 Hz

Alias ​​F3 = |(2)100 - 160| = 40 Hz

Alias ​​F4 = |(5)100 - 510| = 10 Hz

Figura 1-4. Componentele de frecvență ale semnalului și alias-uri (dedublări)

O întrebare pusă adesea este: "Cât de repede ar trebui să eșantionez?" Primul dvs. gând este să eșantionați la rata maximă disponibilă la placa DAQ. Dar, dacă eșantionați foarte repede pe perioade lungi de timp, este posibil să nu aveți suficient spațiu de memorie sau spațiu pe hard disk pentru a păstra datele. Figura 1-5 prezintă efectele diferitelor rate de eșantionare. În cazul A, unda sinus de frecvență f este eșantionată la aceeași frecvență f. Forma de undă reconstruită apare ca un alias la DC. Dar, dacă creșteți rata de eșantionare la 2f, forma de undă digitalizată are frecvența corectă (același număr de cicluri), dar apare ca o formă de undă triunghiulară. Crescând rata de eșantionare cu mult peste f, de exemplu 5f, puteți reproduce cu mai multă acuratețe forma de undă. În cazul C, rata de eșantionare este de 4f/3. Deoarece în acest caz frecvența Nyquist este sub f (4f/3 * 1/2 = 2f/3), această rată de eșantionare reproduce o formă de undă alias de frecvență și formă incorecte.

Figura 1-5. Efectele eșantionării la diferite rate

Teorema Nyquist vă oferă un punct de pornire pentru o rată adecvată de eșantionare - mai mare de două ori decât cea mai mare componentă de frecvență din semnal. Din păcate, această rată este deseori inadecvată pentru scop practic. Semnalele din lumea reală conțin adesea componente de frecvență care se află deasupra frecvenței Nyquist. Aceste frecvențe sunt dublate în mod eronat și adăugate la componentele semnalului care sunt eșantionate cu acuratețe, producând date eșantionate distorsionat. Prin urmare, pentru scopuri practice, eșantionarea se face de obicei la câteva ori frecvența maximă - de cinci până la de zece ori este tipică în industrie.

Notă: Eșantionarea trebuie făcută cel puțin la frecvența Nyquist, dar de obicei mult mai mare.

1.3 Filtre anti-aliasing