¿El ruido de fondo dominará la resolución del ADC?

Question

Una tarjeta de adquisición de datos de 16 bits El rango de entrada se puede ajustar a varios rangos como +/-10V o +/-0.5V ect.

Si el rango de nuestra señal de entrada es de +/-0,3V con un ruido de fondo de 1mV, ¿tiene sentido ajustar el rango a +/-0,5V en lugar de +/-10V?

Para el rango de +/-10V la resolución del ADC se convierte en 20/(2^16)=0,3mV. Y para el rango de +/-0,5V la resolución del ADC es de 0,015mV. Pero nuestro suelo de ruido es de 1mV.

¿Podemos decir que el rango de entrada del DAQ no tiene ningún efecto en la resolución global?

Answer 1

La forma de determinarlo es calcular la SNR o relación señal/ruido.

\$ SNR = \frac{signal}{noise}\$

La SNR debe determinarse en el mismo punto en el circuito. Es decir, si la señal de entrada tiene un rango de ±0,3V con 1mV de ruido en la entrada. Eso le daría una SNR de 0,6V/1mV o una SNR de 600:1

No hay forma de aumentar la SNR de una señal de entrada simplemente ganando (que es esencialmente lo que hace el cambio de rango). Si la señal tiene un ancho de banda diferente al del ruido, entonces se puede filtrar (por ejemplo, si la señal fuera de 0 a 10kHz, se podría utilizar un filtro de paso bajo para reducir parte del ruido con un polo de filtro a 10kHz).

La resolución es diferente ganancia cambia la resolución en el ADC. La resolución se determina tomando el rango total del convertidor y dividiéndolo por el número de bits. Si el convertidor es de 2^16 bits hay 65536 valores, el rango sigue así:

±0,5V/65536 = 15,25uV
±10V/65536 = 152,5uV

A continuación, calcule el número de bits ruidosos.

1mV/15,25uV=1000uV/15,25uV=65,5 o 2^6 bits
1mV/305uV=1000uV/305uV=3 o 2^1,5 bits

A fin de cuentas, tienes más rango dinámico con los ±10V, y menos bits ruidosos. Se podría pensar que menos bits con ruido es mejor. En realidad, depende de lo que quieras hacer con la señal, ya que los bits ruidosos a veces se pueden promediar juntos para proporcionar una mayor SNR (especialmente si tu señal está cerca de DC). Pero la SNR de la señal de entrada determina la SNR del sistema si no hay filtrado.

Answer 2

La respuesta corta es que, en la adquisición de datos, normalmente se debe utilizar el rango completo más pequeño que se adapte a su señal + ruido. El ruido RMS debe ser siempre mucho mayor que el tamaño del bit menos significativo (LSB).

Lo que usted discierne como "ruido de 1 mV" puede contener una gran cantidad de información que podría perderse por los efectos de la discretización si utilizara un tamaño de LSB mayor. El comentario de DKNguyen lo sugiere. Dado que la señal es estable a lo largo del tiempo y el ruido es blanco, se puede utilizar el promedio o la modulación Delta-Sigma para obtener una lectura con una precisión prácticamente infinita, siempre que la señal útil esté lo suficientemente vacilada por el ruido.

Cuanto más ruido se vea, mejor será la precisión. Si el ruido RMS se acerca al tamaño del LSB, se empieza a ver el aliasing y esto alterar su lectura y parece, por ejemplo, una compensación falsa. El límite en el que los espolones se convierten en una seria preocupación es un ruido de 1 LSB. Si el ruido es menor que eso, tu señal ya no está correctamente interpuesta por su propio ruido. Incluso con un ruido ligeramente superior, este efecto no desaparece instantáneamente, sino que decae exponencialmente (si el ruido sigue una distribución gaussiana).

Se pidió matemáticas:

El error de redondeo blanco dev. est. introducido por la digitalización es siempre \$LSB/2/\sqrt3\$ . Este ruido se añade a la señal cuando se digitaliza, reduciendo así la SNR. La digitalización nunca puede mejorar la SNR, sólo puede reducirla. Si la desviación estándar del ruido es, por ejemplo \$2 LSB\$ para empezar, terminas con \$ \sqrt{2^2+1/12} = 2.02 LSB\$ de ruido, una reducción del 1% de la SNR. Cuantos más bits con ruido, más débil es la reducción de la SNR.

Es un efecto pequeño, pero como es completamente evitable, es decir, utilizando la gama completa más pequeña que se adapte a la señal+ruido, hay que tenerlo en cuenta.

En el caso de los convertidores lentos y de baja resolución, el ruido RMS de la señal medida puede ser fácilmente incluso inferior a 1 LSB si no se utiliza la ganancia previa. En este caso, el redondeo puede constituir la mayor parte del ruido de la señal digitalizada.

Answer 3

El ruido no suele ser lo que determina su escala de entrada. El objetivo es condicionar la señal de entrada (sea cual sea) de forma que se adapte a la aplicación (sea cual sea) y, al hacerlo, hacerla coincidir con el rango elegido de su ADC. El análisis de la relación señal/ruido y la resolución del ADC forman parte de ello y deben considerarse desde el punto de vista del sistema.

Mientras mantengas la parte de "información" de tu señal por encima de cualquier ruido presente, y tu DAC tenga suficiente resolución para preservarla, has hecho lo que necesitas. A menudo ocurre que los 12 o 16 bits de un DAC son mucho más de lo que se necesita para la aplicación de todos modos, y el ruido del sistema es mayor que un LSB - pero eso puede no ser un problema.

También influyen otros factores (como las fuentes de alimentación disponibles y su calidad).

Por ejemplo, si estás haciendo un DAC de audio de alta gama, tienes un conjunto de objetivos y limitaciones totalmente diferentes en comparación con un diseñador de un amplificador de galgas extensométricas para mediciones mecánicas.