Для большинства приложений сбора данных необходимо измерить сигнал, произведенный датчиком с определенной скоростью.
Во многих случаях сигнал датчика является уровнем напряжения, который пропорциональен интересующим физическим явлениям (для примера, температуры, давления или ускорения). Если вы измеряете медленно изменяющиеся (квазистатические) явления, такие как температура, медленной частоты дискретизации обычно достаточно. Если вы измеряете быстро изменяющиеся (динамические) явления, такие как вибрация или акустические измерения, требуется быстрая частота дискретизации.
Для проведения качественных измерений необходимо соблюдать следующие правила:
Максимизируйте точность и точность
Минимизируйте шум
Соответствие области значений датчиков области значений A/D
Всякий раз, когда вы получаете измеренные данные, вы должны приложить все усилия, чтобы максимизировать его точность и точность. Качество вашего измерения зависит от точности и точности всей системы сбора данных и может быть ограничено такими факторами, как разрешение платы или шум окружающей среды.
В общих чертах точность измерения определяет, насколько близко измерение достигает истинного значения. Поэтому это указывает на правильность результата. Точность измерения отражает, как именно результат определяется без ссылки на то, что означает результат. Относительная точность указывает на неопределенность в измерении как на долю результата.
Для примера предположим, что вы измеряете таблицу верхней части с метровой палочкой и находите ее длину равной 1,502 метра. Это число указывает, что метровая палочка (и ваши глаза) могут разрешить расстояния до по крайней мере миллиметра. В большинстве случаев это считается довольно точным измерением с относительной точностью около 1/1500. Однако предположим, что вы снова выполните измерение и получите результат 1,510 метра. После тщательного фактора, вы обнаруживаете, что ваш начальный метод для чтения палки счетчика был неисправен, потому что вы не читали его непосредственно выше. Поэтому первое измерение было неточным.
Точность и точность показаны ниже.
Для аналоговых входных подсистем точность обычно ограничивается ошибками калибровки, в то время как точность обычно ограничивается A/D-преобразователем. Точность и точность обсуждаются более подробно ниже.
Точность определяется как согласие между измеренной величиной и истинным значением этой величины. Каждый компонент, который появляется в пути аналогового сигнала, влияет на точность и эффективность системы. Общая точность системы задается компонентом с наихудшей точностью.
Для оборудования сбора данных точность часто выражается как процент или часть наименее значимого бита (LSB). В идеальных условиях точность платы обычно составляет ± 0,5 LSB. Поэтому 12-битный конвертер имеет только 11 полезных биты.
Многие платы включают программируемый усилитель усиления, который расположен непосредственно перед входом преобразователя. Чтобы предотвратить ухудшение точности системы, точность и линейность усиления должны быть лучше, чем у A/D конвертера. Заданная точность платы также зависит от частоты дискретизации и времени урегулирования усилителя. Это время урегулирования определяется как время, необходимое для того, чтобы усилитель инструментирования установился с заданной точностью. Чтобы сохранить полную точность, выход усилителя должен установиться на уровне, заданном амплитудой 0,5 LSB перед следующим преобразованием, и находится в порядке нескольких десятых миллисекунды для большинства плат.
Время урегулирования является функцией частоты дискретизации и значения усиления. Высокая скорость, высокий коэффициент усиления строений требуют больших времен урегулирования в то время как низкая скорость, низкий коэффициент усиления строений требуют более коротких времен урегулирования.
Количество бит, используемых для представления аналогового сигнала, определяет точность (разрешение) устройства. Чем больше бит обеспечивает ваша плата, тем точнее будет ваше измерение. Высокоточное устройство высокого разрешения делит входную область значений на больше делений, таким образом позволяя получить меньшее обнаруживаемое значение напряжения. Низкоточное устройство низкого разрешения делит входную область значений на меньшее количество делений, таким образом увеличивая обнаруживаемое значение напряжения.
Общая точность вашей системы сбора данных обычно определяется A/D конвертером и определяется количеством бит, используемых для представления аналогового сигнала. Большинство плат используют 12 или 16 бит. Точность вашего измерения определяется:
Точность в вольтах определяется:
Для примера, если вы используете 12 биты A/D конвертер, настроенный для 10-вольтовой области значений, то
Это означает, что конвертер может обнаружить различия напряжений на уровне 0,00244 В (2,44 мВ).
Когда вы конфигурируете вход области значений и коэффициент усиления вашей подсистемы аналогового входа, конечный результат должен максимизировать разрешение измерения и минимизировать вероятность сверхобласти значений условия. Фактическая входная область значений задаётся формулой:
Отношение между усилением, фактической входной областью значений и точностью для однополярного и биполярного сигнала, имеющего входную область значений 10 В, показано ниже.
Отношение между входной областью значений, усилением и точностью
Входная область значений | Выгода | Фактическая входная область значений | Точность (12 Биты A/D) |
|---|---|---|---|
От 0 до 10 В | 1.0 | От 0 до 10 В | 2,44 мВ |
2.0 | от 0 до 5 В | 1,22 мВ | |
5.0 | от 0 до 2 В | 0,488 мВ | |
10.0 | от 0 до 1 В | 0,244 мВ | |
От -5 до 5 В | 0.5 | От -10 до 10 В | 4,88 мВ |
1.0 | От -5 до 5 В | 2,44 мВ | |
2.0 | от -2,5 до 2,5 В | 1,22 мВ | |
5.0 | от -1,0 до 1,0 В | 0,488 мВ | |
10.0 | от -0,5 до 0,5 В | 0,244 мВ |
Как показано в таблице, коэффициент усиления влияет на точность вашего измерения. Если вы выбираете коэффициент усиления, который уменьшает фактическую входную область значений, то точность увеличивается. И наоборот, если вы выбираете коэффициент усиления, который увеличивает фактическую входную область значений, то точность уменьшается. Это связано с тем, что фактическая входная область значений изменяется, но количество бит, используемых A/D конвертером, остается фиксированным.
Примечание
С помощью программного обеспечения Data Acquisition Toolbox™ вы не должны задавать область значений и коэффициент усиления. Вместо этого вы просто задаете фактическую желаемую входную область значений.
Шум рассматривается как любое измерение, которое не является частью интересующих явлений. Шум может генерироваться внутри электрических компонентов усилителя входа (внутренний шум), или он может добавляться к сигналу, когда он перемещается по входу проводам к усилителю (внешний шум). Методы, которые можно использовать, чтобы уменьшить эффекты шума, описаны ниже.
Внутренний шум возникает из-за термальных эффектов в усилителе. Усилители обычно генерируют несколько микровольт внутреннего шума, что ограничивает разрешение сигнала этим уровнем. Количество шума, добавляемого к сигналу, зависит от полосы пропускания входа усилителя.
Чтобы уменьшить внутренний шум, необходимо выбрать усилитель с пропускной способностью, которая тесно совпадает с пропускной способностью спектра входного сигнала.
Внешний шум возникает из многих источников. Для примера многие эксперименты по сбору данных подвержены шуму 60 Гц, генерируемому схемами степени переменного тока. Этот тип шума упоминается как датчик или гул и появляется как синусоидальный сигнал интерференции в схеме измерения. Другим распространенным источником интерференции является флуоресцентная подсветка. Эти огни генерируют дугу на двойной частоте линии степени (120 Гц).
Шум добавляется к схеме приема из этих внешних источников, потому что вводы сигнала выступают в качестве антенн, улавливающих электрическую активность окружающей среды. Большая часть этого шума является общим для обоих сигнальных проводов. Чтобы удалить большую часть этого напряжения общего режима, вы должны
Сконфигурируйте входные каналы в дифференциальном режиме. Дополнительные сведения о Строении каналов см. в разделе строения каналов.
Используйте сигнальные провода, которые скручиваются вместе, а не разделяются.
Держите сигнальные провода как можно короче.
Держите сигнальные провода как можно дальше от экологической электрической активности.
Фильтрация также уменьшает шум сигнала. Для многих приложений сбора данных полезен lowpass. Как предполагает имя, lowpass фильтр проходит нижние частотные составляющие, но ослабляет более высокие частотные составляющие. Частота отключения фильтра должна быть совместима с частотами, присутствующими в интересующем сигнале, и частотой дискретизации, используемой для A/D-преобразования.
Lowpass, который используется, чтобы предотвратить более высокие частоты от введения искажений в оцифрованный сигнал, известен как фильтр сглаживания, если отключение происходит на частоте Найквиста. То есть фильтр удаляет частоты, больше половины частоты дискретизации. Эти фильтры обычно имеют более резкое отключение, чем нормальный lowpass, используемый для формирования сигнала. Сглаживающие фильтры заданы в соответствии со частотой дискретизации системы, и должен быть один фильтр на входной сигнал.
Когда данные о датчике оцифровываются A/D конвертером, вы должны знать об этих двух проблемах:
Ожидаемая область значений данных, полученных вашим датчиком. Эта область значений зависит от физических явлений, которые вы измеряете, и выходной области значений датчика.
Область значений вашего A/D конвертера. Для многих устройств аппаратная область значений задается усилением и полярностью.
Следует выбрать датчик и оборудование областей значений таким образом, чтобы была получена максимальная точность, и покрыта полная динамическая область значений входного сигнала.
Для примера предположим, что вы используете микрофон с динамической области значений от 20 дБ до 140 дБ и выхода чувствительностью 50 мВ/Па. Если вы измеряете уличный шум в своем приложении, то можно ожидать, что уровень звука никогда не превышает 80 дБ, что соответствует величине звукового давления 200 мПа и выходу напряжения от микрофона 10 мВ. В этих условиях следует установить вход области значений карты сбора данных на максимальную амплитуду сигнала 10 мВ или немного больше.
Всякий раз, когда непрерывный сигнал дискретизируется, некоторая информация теряется. Ключевой целью является выборка с такой скоростью, чтобы интересующий сигнал был хорошо охарактеризован и количество потерянной информации было сведено к минимуму.
Если вы дискретизируете со скоростью, которая слишком медлена, то может произойти сглаживание сигнала. Сглаживание может происходить как для быстро изменяющихся сигналов, так и для медленно изменяющихся сигналов. Например, предположим, что вы измеряете температуру один раз в минуту. Если ваша система сбора собирает 60-Hz гул от источника степени переменного тока, то этот гул будет выглядеть как постоянный уровень шума, если вы делаете выборку на частоте 30 Гц.
Сглаживание происходит, когда дискретизированный сигнал содержит частотные составляющие, больше половины частоты дискретизации. Частотные составляющие могут возникнуть из интересующего сигнала, в этом случае вы недостаточно дискретизируете и должны увеличить частоту дискретизации. Частотные составляющие также могут возникнуть из-за шума, в этом случае вам может потребоваться настроить сигнал с помощью фильтра. Правило, используемое для предотвращения сглаживания, задано теоремой Найквиста, которая утверждает, что
Аналоговый сигнал может быть уникально восстановлен, без ошибок, из выборок, взятых с равными временными интервалами.
Частота дискретизации должна быть равна или больше, чем в два раза больше самой высокой частотной составляющей в аналоговом сигнале. Частота половины частоты дискретизации называется частотой Найквиста.
Однако, если ваш входной сигнал поврежден шумом, то сглаживание все равно может произойти.
Для примера предположим, что вы конфигурируете свой A/D конвертер для выборки со скоростью 4 дискретизации в секунду (4 С/с или 4 Гц), и интересующий сигнал является синусоидой 1 Гц. Поскольку частота сигнала составляет одну четвертую частоту дискретизации, то согласно теореме Найквиста она должна быть полностью охарактеризована. Однако, если синусоида 5 Гц также присутствует, тогда эти два сигнала не могут быть различимы. Другими словами, синусоида 1 Гц производит те же выборки что и синусоида 5 Гц, когда частота дискретизации составляет 4 С/с. Следующая схема иллюстрирует это условие.
В реальном окружении сбора данных вам, возможно, потребуется сконфигурировать сигнал, отфильтровав компоненты высокой частоты.
Несмотря на то, что выборки, по-видимому, представляют синусоиде с частотой в одну четвертую частоту дискретизации, фактический сигнал может быть любой синусоидой с частотой:
где n меньше нуля или любое положительное целое число. В данном примере фактический сигнал мог быть на частоте 3 Гц, 5 Гц, 7 Гц, 9 Гц и так далее. Отношение 0,25 × (частота дискретизации) называется псевдонимом сигнала, который может быть на другой частоте. Другими словами, сглаживание происходит, когда одна частота принимает тождества другой частоты.
Если вы дискретизируете входной сигнал, по крайней мере, в два раза быстрее, чем самая высокая частотная составляющая, то этот сигнал может быть уникально охарактеризован, но эта скорость не будет очень близко имитировать форму волны. Как показано ниже, чтобы получить точное изображение формы волны, вам нужна частота дискретизации, приблизительно в 10-20 раз превышающая самую высокую частоту.
Как показано на верхнем рисунке, низкая частота дискретизации генерирует дискретизированный сигнал, который, по-видимому, является треугольной формой волны. Как показано на нижнем рисунке, дискретизированный сигнал более высокой точности формируется, когда частота дискретизации выше. В последнем случае дискретизированный сигнал на самом деле выглядит как синусоида.
Основными факторами, связанными с сглаживанием, являются частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя и частоты, присутствующие в выборочных данных. Чтобы исключить сглаживание, вы должны
Установите полезную пропускную способность измерения.
Выберите датчик с достаточной пропускной способностью.
Выберите lowpass антиалифицирующий аналоговый фильтр, который может исключить все частоты, превышающие эту полосу пропускания.
Дискретизируйте данные со скоростью, по крайней мере, в два раза больше, чем у верхней частоты отключения фильтра.
