Dynamic Signal Acquisition Fundamentals

Was ist Flachheit?

Unter idealen Bedingungen hängt die Genauigkeit einer Amplitudenmessung nicht von der Frequenz des Eingangssignals ab.  Aufgrund der nicht idealen Eigenschaften realer Messgeräte kann die gemessene Amplitude eines Signals jedoch leicht von seiner Frequenz abweichen.  Die Analogeingangs-Flachheit (AI) gibt an, wie unterschiedlich das Messverhalten eines Geräts über seine Bandbreite ist.  Ein perfektes Gerät würde eine 1-Vpk-Sinusschwingung mit genau 1 Vpk messen, unabhängig von der Frequenz der Sinusschwingung, solange sie sich im Durchlassbereich befindet.  Allerdings ist kein Gerät perfekt und Sie werden immer eine Amplitudenänderung mit der Frequenz sehen.  

Die AI-Flachheitsspezifikation für DSA-Produkte von National Instruments zeigt Ihnen, wie stark Sie von der Messung bei 1 kHz erwarten können.  AI-Flachheit ist eine relative Genauigkeit. Es zeigt einen Verstärkungsfehler an, der zusätzlich zur Verstärkungsgenauigkeitsspezifikation (die sich ebenfalls auf 1 kHz bezieht und in unseren Spezifikationsdokumenten enthalten ist) angezeigt wird.  Wenn Sie den absoluten Verstärkungsfehler über die gesamte Messbandbreite wissen möchten, müssen Sie die AI-Flachheit zur Spezifikation "AI Gain Amplitude Accuracy" hinzufügen.

Zur Messung der AI-Flachheit benötigen Sie einen Funktionsgenerator, der eine sehr genaue Sinusamplitude über die gewünschte Bandbreite (20 Hz bis 20 kHz/45 kHz/92,2 kHz) aufrechterhalten kann.  Wenn Sie diesen Funktionsgenerator über die Bandbreite streichen, können Sie erwarten, dass die gleiche Amplitude gemessen wird +/- die angegebene AI-Flachheit in Einheiten von dB bezieht sich auf die Amplitude des Signals bei 1 kHz.

Was ist dynamischer Bereich?

Der Dynamikbereich eines Geräts ist das Verhältnis der größten und kleinsten Signale, die mit einer Schaltung gemessen werden können (normalerweise in dB).  

Dynamischer Bereich in dB = 20 * log10( Vmax / Vmin )

In den meisten Fällen ist der gesamte Eingangsbereich eines Geräts das größte messbare Signal und das Leerlaufkanal-Eingangsrauschen bestimmt das kleinste messbare Signal.  DSA-Geräte von National Instruments geben den dynamischen Bereich, das Leerlaufkanalrauschen und die spektrale Rauschdichte an, mit denen der dynamische Bereich berechnet werden kann.  Die einfachste Möglichkeit, den dynamischen Bereich Ihres Geräts zu messen, besteht darin, eine Rauschmessung im Leerlaufkanal durchzuführen und diese Messung in dB umzuwandeln (siehe KnowledgeBase 4X31Q728): Wie messe ich den Dynamikbereich meines Datenerfassungsgeräts?

Dynamischer Bereich ist eine sehr wichtige Größe bei der Auswahl eines DSA-Geräts.  DSA-Anwendungen erfordern oft Mikrofone und Beschleunigungsmesser – Sensoren mit sehr großen Dynamikbereichen.  Durch Auswahl eines geeigneten Messgeräts können Sie die Vorteile dieser Sensoren und den gesamten Messbereich nutzen.

Hinweis:  Beim Vergleich von Spezifikationen für dynamische Bereiche zwischen Geräten ist es sehr wichtig, sicherzustellen, dass Messbandbreite, Sample-Rate, Eingangsbereich und Eingangsfrequenz identisch sind. Wenn eine davon abweicht, ist der Vergleich des dynamischen Bereichs irreführend.

Beim Umgang mit DSA-Hardware stoßen Sie sehr wahrscheinlich auf eine Reihe verzerrungsbezogener Spezifikationen.  Um diese Messungen zu verstehen, werfen Sie zunächst einen Blick auf einen typischen FFT-Graphen.

^{Abbildung 1: Typischer FFT-Plot mit dem Gerät NI 446x}

Diese FFT wurde mit einem Gerät des Typs NI 446X mit einer Sample-Rate von 51,2 kS/s und einer Amplitudensinusschwingung von -1 dBFS (dB Full Scale) bei 1 kHz aufgenommen.  Bei der Messung von Verzerrungen sind mehrere Merkmale dieser FFT zu beachten:

1. Der Grundton ist der maximale Spitzenwert in der FFT.  In der Abbildung unten ist dies die Eingangsfrequenz bei 1 kHz, in der Abbildung unten grün eingefärbt.
2. Nach dem Grundton können Sie eine Anzahl von Spitzenwerten bei Frequenzen sehen, die ganzzahlige Vielfache des „Grundtons“ sind.  Diese Spitzen werden harmonische Spitzen genannt, da sie ein Vielfaches der Grundschwingung sind und in der folgenden Abbildung rot eingefärbt sind.  Die Spitze bei 2 kHz ist die zweite Harmonische, da sie die Grundfrequenz (1 kHz) mal 2 ist.  In dieser FFT sehen Sie die 2^., 3^., 4^., 5^., 6^., 7^., 9^. und 11^. Harmonische über dem Rauschpegel.
3. Nach Betrachtung der Grundschwingung (höchste Spitze) und der Harmonischen (Frequenzen bei ganzzahligen Vielfachen der Grundschwingung) wird der Rest des Spektrums „Rauschen“ genannt.  Das Rauschen ist in der Abbildung orange gefärbt zu sehen.

^{Abbildung 2: Farbkodierter FFT-Plot}

Verzerrungsmessungen können leicht mit einer FFT wie in Abbildung 2 veranschaulicht werden. THD, THD+N und SINAD sind unterschiedliche Verhältnisse der Leistung in diesen drei dargestellten Signalen (Grundschwingung, Harmonische und Rauschen).

• THD oder Gesamtklirrfaktor
  Dies ist die Gesamtsignalverzerrung durch harmonische Signale. Sie kann definiert werden als das Verhältnis der Leistung in den Harmonischen dividiert durch die Leistung der Grundschwingung.  Beachten Sie, dass das Rauschen bei dieser Messung ignoriert wird.

THD = ∑Leistung (Harmonische) / Leistung (Grundschwingung)

• THD+N 
  Diese Spezifikation entspricht THD, enthält jedoch Rauschen.  Sie können sich THD+N als Gesamtsignalverzerrung durch harmonische Signale und Rauschen vorstellen.

THD + N = ∑Leistung (Oberwellen) + ∑Leistung (Rauschen)) / Leistung (grundlegend)

• SINAD oder Verhältnis von Signal zu Rauschen und Verzerrung
  Die letzte gängige Verzerrungsmessung ist SINAD.  In diesem Fall bezieht sich „Signal“ auf die Summe von Grundschwingungen, Harmonischen und Rauschen und „Verzerrung“ auf die Summe von Harmonischen und Rauschen mit der Grundschwingung.

SINAD = (Leistung (Grundschwingung) + ∑Leistung (Oberschwingungen) + ∑Leistung (Rauschen) )/ (∑Leistung (Oberschwingungen) + ∑Leistung (Rauschen))

Bei der Abtastung von Signalen mit einer gegebenen Frequenz fs werden in einer FFT (<= fs/2) nur Frequenzanteile korrekt dargestellt, die kleiner oder gleich der halben Sample-Rate sind.  Signale mit einer Frequenz größer als fs/2 werden zurück in das Frequenzband zwischen 0 und fs/2 „aliasiert“.  Wenn Signalaliasing auftritt, gibt es keine Möglichkeit, Signale im Band (0 bis fs/2) von Signalen außerhalb des Bandes (größer als fs/2) zu unterscheiden.

Um Signalaliasing zu verhindern und den Frequenzinhalt im Bereich von 0 bis fs/2 genau darzustellen, implementieren DSA-Geräte von National Instruments eine Oversampling-Architektur, die eine von der Sample-Rate abhängige Filterung ermöglicht (da sich die Sample-Rate ändert, ändert sich auch die Grenzfrequenz des Filters).  DSA-Geräte haben daher Spezifikationen für Bandbreite und Aliasunterdrückung, die verhindern, dass Signale aliasiert werden.
Weitere Informationen zu diesen Antialiasing-Filtern finden Sie im Abschnitt Analogeingangsfilter in Kapitel 2 des Benutzerhandbuchs zur dynamischen Signalerfassung.

Eine vollständige Beschreibung des Signalaliasings finden Sie unter Erfassung eines analogen Signals: Bandbreite, Nyquist-Abtasttheorem und Aliasing.

Im Allgemeinen ist die Synchronisation in DSA-Anwendungen wichtig, da sie genaue Phasenvergleiche zwischen Kanälen in Systemen von 2 bis 10.000 Kanälen ermöglicht. Phasenvergleiche sind in vielen Schall- und Schwingungsanwendungen von entscheidender Bedeutung, z. B. beim Noise Mapping.  Mit zunehmender Kanalanzahl werden mehr DSA-Geräte benötigt und die Geräte müssen synchronisiert werden.

Die zur Synchronisation von DSA-Geräten erforderlichen Schritte richten sich nach dem Gerät und der Plattform. Die Synchronisation wird in der Anleitung näher behandelt: Grundlagen zur Synchronisation mit dynamischer Signalerfassung (DSA) und Kapitel 2 des Benutzerhandbuchs zur dynamischen Signalerfassung.