Dithering, Layout und hochwertige Komponenten: Werkzeuge zur Verringerung des Grundrauschens

Das Grundrauschen ist der gemessene Pegel eines Messgeräts, dessen Eingänge geerdet sind.

Üblicherweise wird es entweder als Rauschdichtefunktion mit Einheiten von oder als eine Zahl ausgedrückt, die das Gesamtrauschen darstellt, ausgedrückt in V_rms. Um eine Rauschdichtefunktion in V_eff umzuwandeln, müssen Sie die Rauschdichtefunktion über die gewünschte Bandbreite integrieren. Im Falle von breitbandigem (flachem) Rauschen reduziert sich diese Integration auf eine einfache Multiplikation, wobei gilt:

Im Allgemeinen kann das Effektivrauschen eines Geräts aus der Rauschdichtefunktion abgeleitet werden, aber die Form eines Graphen kann nicht aus einer einzelnen Zahl ermittelt werden. In der folgenden Abbildung sehen Sie eine typische CURVE der Rauschdichte bei niedrigen Frequenzen. Diese Kurve besteht aus den beiden in der Abbildung dargestellten Abschnitten. Der steil abfallende Abschnitt links vom Punkt, der sogenannten -Ecke, wird als -Rauschen bezeichnet. Der flache Rauschpegel rechts neben der -Ecke wird als Breitbandrauschen bezeichnet.

Breitbandrauschen erscheint in der Regel flach im Frequenzbereich, was bedeutet, dass in jedem Hz der Bandbreite die gleiche Energie auftritt. Diese Art von Rauschen kann durch fast alle Komponenten im Messgerät verursacht werden, unabhängig davon, ob sie sich im Signalpfad befinden oder Sie sie als Referenz verwenden. Zu diesen Komponenten gehören Operationsverstärker, Widerstände, Bezugsspannungen und A/D-Wandler. Mit Hilfe von Nachbearbeitungstechniken wie Mittelwertbildung lassen sich die Auswirkungen von Breitbandrauschen auf Ihre Messgenauigkeit minimieren. Wir werden diese Techniken in diesem Artikel weiter besprechen.

ist jedoch komplexer. Es wird als bezeichnet, da seine Spannungsdichte proportional zur Quadratwurzel der Frequenz ist. -Rauschen wird mitunter auch „Funkelrauschen“ genannt, da dadurch das niedrigstwertige Bit eines DMM umkehrt oder „funkelt“. Thermische Gradienten zwischen Leiterplattenkomponenten und Verschmutzungen während IC-Herstellungsprozessen sind die Hauptursachen für dieses Rauschen. Diese Ursachen machen es schwierig, -Rauschen vorherzusagen und zu kontrollieren, und IC-Hersteller spezifizieren die Auswirkungen von -Rauschen im Allgemeinen nicht ausreichend. Für Endanwender von DAQ-Geräten kann dies besonders problematisch sein, da diese Unsicherheit mit Nachbearbeitungsoperationen nicht beseitigt werden kann. Je länger Sie Mittelwerte bilden, desto größer ist beispielsweise die Wahrscheinlichkeit von Drift. Je nach -Steigung nähern Sie sich daher nie dem „wahren“ Wert an, unabhängig davon, wie häufig Sie Mittelwerte bilden. Tatsächlich setzt das -Spektrum, soweit bisher nachgewiesen wurde, seine Steigung nach links fort, nur begrenzt durch die Apertur Ihrer Messung. IC-Hersteller haben eine starke Korrelation zwischen und dem langfristigen Drift der Bezugsspannungen festgestellt.

NI hat Breitbandrauschen bei Datenerfassungsgeräten minimiert, indem es diese mit hochwertigen Verstärkern mit hohem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) entwickelt hat. Das bedeutet, dass die Geräte einen erheblichen Teil des Rauschens an beiden Anschlüssen des Verstärkers unterdrücken, wodurch Ihre Messungen weniger anfällig für Gleichtaktrauschen sind, welches die Messgenauigkeit verringern kann.               

NI konzipiert Multifunktions-Datenerfassungsgeräte mit getrennten Masseebenen, die mit einer einzigen Referenzerdung verbunden sind. Chips von Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern werden üblicherweise mit Analogsignalen auf einer Seite des Chips und Digitalsignalen auf der anderen entwickelt. Indem die Wandlerchips so platziert werden, dass sie die Grenze zwischen den analogen und digitalen Masseebenen überbrücken, beeinflusst das auf der digitalen Seite der Datenerfassungskarte erzeugte Rauschen weder die analoge Seite des Chips noch die Leiterbahnen, die sich um die analoge Masseebene herum befinden.

Thermische Gradienten im Messgerät können häufig Rauschen induzieren. Um dem entgegenzuwirken, hat NI mehrere Funktionen implementiert, um sicherzustellen, dass unsere Messgeräte eine minimale Temperaturdrift erfahren. NI verwendet angepasste, temperaturverfolgbare Schaltungen, und benutzerdefinierte Widerstandsnetzwerke begrenzen den Temperaturdrift bei allen Datenerfassungs-Hardwareprodukten auf 6 ppm/°C. Darüber hinaus verbaut NI hochwertige Komponenten mit und genau definierten Drifteigenschaften. Schließlich nutzt die Selbstkalibrierungsschaltung von NI, die über einen einzigen Funktionsaufruf aufgerufen werden kann, eine hochstabile Spannungsquelle als Referenz, die mit einer Rate von nur 0,6 ppm/°C driftet.

Manche Arten von Rauschen resultieren aus fehlerhaften ICs oder Umgebungseinflüssen wie der Temperatur, aber die Auflösung der Karte kann ebenfalls Rauschen verursachen. Dies wird als Quantisierungsfehler bezeichnet.

Mit dem Treiber von NI können Sie das Dithering über Software aktivieren. Wenn Sie die Software aktivieren, fügt sie dem Eingangssignal etwa 0,5 LSB_eff gaußsches weißes Rauschen hinzu. Dieses Rauschen wird vor dem Eingang des A/D-Wandlers zum Signal addiert. Daher springt ein Signal, das in den kleinsten Spannungsunterschied fallen könnte, den die Karte erkennen kann (bekannt als Code-Breite und definiert durch die Formel ), zufällig über und unter die Grenzen dieses Codes. Bei der Abtastung werden nun Punkte sowohl an der Ober- als auch an der Untergrenze angezeigt und die Anzahl der Punkte an der Ober- oder Untergrenze der Code-Breite wird basierend auf der Position des tatsächlichen Signals gewichtet. Sie können dann die Mittelwertbildung verwenden, um über die angegebene Auflösung der Karte hinaus hineinzuzoomen und genauere Messungen zu erhalten, die weniger von Breitbandrauschen beeinflusst werden. Eine 12-Bit-Karte kann beispielsweise bei aktiviertem Dithering mit 14-Bit-Auflösung arbeiten. Bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen, die keine Mittelwertbildung verwenden, kann Dithering deaktiviert werden.

Diese Techniken reduzieren nicht nur Rauschen, das durch nicht ideale Komponenten des Messgeräts verursacht wird, sondern helfen auch, durch andere Komponenten des Messsystems erzeugtes Rauschen zu reduzieren. Darüber hinaus kann -Rauschen auf Systemebene durch den Sensor verursacht werden. Daher sollen Sie einen hochwertigen Sensor auswählen, um einen geringeren Rauschpegel für Ihr Gesamtsystem zu gewährleisten. Die Umgebung, lange Drähte, elektromagnetische Felder in der Nähe und andere Quellen können ebenfalls Rauschen im System verursachen. Um das Rauschen von externen Quellen zu reduzieren, sollten Sie Ihr System ordnungsgemäß erden und abgeschirmte Kabel verwenden. Weitere Informationen zu diesen Themen finden Sie unter den weiter unten aufgeführten Links.