1. Introducere în Noise Floor (prag de zgomot)

În achiziția datelor și procesarea semnalelor Noise Floor este o însumare a tuturor surselor de zgomot și a semnalelor nedorite generate în întregul sistem de achiziție a datelor și de procesare semnale.

Noise Floor limitează cele mai mici măsurări care pot fi făcute cu certitudine, deoarece orice amplitudine măsurată nu poate, pe medie, să fie mai mică decât Noise Floor.

Pe scurt, Noise Floor este nivelul zgomotului de fundal dintr-un semnal, sau nivelul de zgomot introdus de sistem, sub care semnalul care trebuie achiziționat nu poate fi izolat de zgomot.

Pragul de zgomot (Noise Floor) al unui dispozitiv de măsurare este nivelul măsurat al zgomotului, cu intrările sale legate la masă.

Veți vedea, de obicei, că se exprimă fie ca o funcție de densitate a zgomotului cu unități V/√Hz, fie ca un număr unic reprezentând zgomotul total, exprimat în Vrms. Pentru o conversie a funcției de densitate a zgomotului la Vrms, trebuie să integrați funcția de densitate a zgomotului peste lățimea benzii de interes. În cazul zgomotului cu bandă largă (plat), această integrare se încadrează într-o simplă multiplicare unde

Vrms = √ (Lățimea de bandă) x densitatea de zgomot

În general, puteți obține zgomotul RMS al unui dispozitiv din funcția de densitate a zgomotului, dar nu puteți obține forma unui grafic dintr-un singur număr. Figura de mai jos ilustrează o curbă a densității unui zgomot tipic unui dispozitiv de măsurare la frecvențe joase. Această curbă este formată din două secțiuni în figură. Partea înclinată abruptă din stânga punctului, cunoscut drept colț 1/f, este denumită zgomot 1/f. În partea dreaptă a colțului 1/f, nivelul zgomotului se aplatizează și se numește zgomot de bandă largă.

2. Componente ale Noise Floor

Zgomotul cu bandă largă apare plat, în general, în domeniul frecvență, ceea ce înseamnă că aceeași energie apare în fiecare Hz al lățimii de bandă. Acest tip de zgomot poate rezulta din aproape fiecare componentă din dispozitivul de măsurare, indiferent dacă se află în calea semnalului sau dacă este utilizat pentru referință. Aceste componente includ op amps, rezistoare, referințe de tensiune și convertoare analogic-digitale (ADC-uri). Utilizarea tehnicilor post-procesare, cum ar fi medierea, ajută la minimizarea efectelor zgomotului de bandă largă asupra preciziei măsurătorilor.

Vom discuta aceste tehnici mai târziu în acest articol. Zgomotul 1/f este, totuși, mai complex. Este denumit zgomot 1/f deoarece densitatea de tensiune este proporțională cu rădăcina pătrată a frecvenței. Puteți auzi, de asemenea, zgomotul 1/f numit "zgomot de flicker" deoarece cauzează ca cel mai puțin semnificativ bit de pe un DMM să pâlpâie sau să fluctueze "flicker". Gradienții termici între componentele plăcii și contaminarea în procesul de fabricare a IC sunt principalele cauze ale acestui zgomot. Aceste cauze fac ca zgomotul 1/f să fie dificil de prevăzut și de controlat, iar producătorii IC, în general, nu specifică în mod corespunzător impactul zgomotului 1/f. Utilizatorii finali ai dispozitivelor de achiziție de date (DAQ) pot considera acest lucru deosebit de dificil, deoarece nu pot elimina această incertitudine cu nici o operație de postprocesare.De exemplu, cu cât mediați mai mult, cu atât mai mult apare posibilitatea de a avea o deviație în placă. Prin urmare, în funcție de panta 1/f, nu veți putea niciodată converge spre valoarea "adevărată", indiferent de cât de mult mediați. De fapt, în măsura în care s-a dovedit, spectrul 1/f continuă pantă ascendentă spre stânga, limitată doar de deschiderea măsurătorilor. Producătorii de IC au observat o puternică corelație între nivelele de zgomot 1/f și deviația pe termen lung a tensiunilor de referință pe care le produc.

3. Minimizarea Noise Floor

NI a redus la minim zgomotul de bandă largă pe dispozitivele de achiziție a datelor, proiectând-le cu amplificatoare de înaltă calitate, cu un înalt CMRR (Common Mode Rejection Ratio). Acest lucru înseamnă că dispozitivele rejectează o parte semnificativă a zgomotului experimentat pe ambele terminale ale amplificatorului, făcând măsurătorile dvs. mai puțin sensibile la zgomotul de mod-comun care poate scădea precizia.

NI proiectează plăcile DAQ Seria M și Seria S cu plane de masă separate care se conectează la o singură referință de masă.Convertoarele analogic-digitale și digital-analogice sunt în mod obișnuit proiectate cu semnale analogice pe o parte a cipului și semnale digitale pe cealaltă parte. Prin așezarea cipurilor de conversie astfel încât să se împrăștie bariera între planele de masă analogice și digitale, zgomotul generat pe partea digitală a plăcii de achiziție a datelor nu afectează partea analogică a cipului sau traseele situate în jurul planului de masă analogic.

Gradienții termici din dispozitivul de măsurare pot adesea să inducă zgomot 1/f. Pentru a combate acest lucru, NI a implementat mai multe caracteristici pentru a ne asigura că dispozitivele noastre de măsurare înregistrează o deviație de temperatură minimă. NI utilizează circuite potrivite, de cale a temperaturii și rețelele de rezistori personalizate care restricționează devierea temperaturii la 6 ppm/°C pe toate componentele de achiziție date. În plus, NI folosește componente de înaltă calitate cu caracteristici 1/f și de deviere care au fost bine caracterizate. În cele din urmă, circuitele de autocalibrare NI, accesibile prin intermediul unei singure funcții de apel, se referă la o foarte stabilă sursă de tensiune, care deviază cu o rată de numai 0,6 ppm/°C.

4. Reducerea suplimentară a nivelului de zgomot

În timp ce unele tipuri de zgomot rezultă din imperfecțiunile IC sau factorii de mediu, cum ar fi temperatura, rezoluția plăcii poate, de asemenea, crea zgomot. Acesta se numește eroare de cuantizare. Pentru a minimiza acest tip de eroare, plăcile din seria E de 12 biti NI pot îmbunătăți rezoluția dincolo de specificații, cu o tehnică hardware numită dithering.

Software-ul pentru drivere NI vă permite să aplicați dithering prin software. Când activați software-ul, acesta adaugă semnalului de intrare aproximativ 0,5 LSBrms de zgomot alb Gaussian. Acest zgomot este adăugat la semnal înainte de intrarea în ADC. În consecință, un semnal care ar putea cădea undeva în cele mai mici diferențe de tensiune pe care placa le poate detecta (cunoscută ca lățime a codului și definită de formula Range/# of codes) acum sare peste și sub limitele limitele acelui cod. Când se eșantionează, punctele apar acum pe ambele limite superioară și inferioară, iar numărul de puncte de pe partea superioară sau inferioară a lățimii de cod este ponderat în funcție de locația de pe semnalul real. Apoi, puteți utiliza medierea pentru o rezoluție mai mare a plăcii, oferind măsurători mai precise, care sunt mai puțin influențate de zgomotul de bandă largă. De exemplu, o placă pe 12 biți poate funcționa cu o rezoluție pe 14 biți, cu activarea ditheringului.De asemenea, puteți dezactiva dithering pentru aplicații de mare viteză care nu utilizează mediere.

Plăcile NI de 16 biți din seria E nu necesită dithering datorită diminuării semnificative a lățimii codului. Cu toate acestea, puteți utiliza oversampling și mediere pentru a reduce efectul zgomotului de bandă largă asupra preciziei măsurătorilor.

Aceste tehnici nu numai că reduc zgomotul cauzat de componentele neideale din dispozitivul de măsurare, dar contribuie, de asemenea, la reducerea zgomotului produs de alte componente ale sistemului de măsurare. În plus, zgomotul 1/f la nivel de sistem poate rezulta din senzor, deci trebuie să alegeți un senzor de calitate superioară pentru a vă asigura un prag mai scăzut de zgomot pentru sistemul dvs. global. Mediul, firele lungi, câmpurile electro-magnetice din apropiere și alte surse pot, de asemenea, să inducă zgomot în sistem. Pentru a reduce zgomotul cauzat de sursele externe, trebuie să legați corect sistemul la masă și să utilizați cabluri ecranate. Pentru mai multe informații despre aceste subiecte, consultați linkurile aferente de mai jos.

A se vedea și:

Considerații privind cablarea în câmp și zgomot pentru semnalele analogice

5. Produse NI relevante

• Mediul de programare grafică LabVIEW

• Digitizoare

• Achiziția datelor (DAQ)