Fundamentos de la adquisición de señales dinámicas

¿Qué es la planeidad?

En condiciones ideales, la precisión de una medición de amplitud no dependerá de la frecuencia de la señal de entrada.  Sin embargo, debido a las características no ideales de los dispositivos de medición reales, la amplitud medida de una señal puede variar ligeramente según su frecuencia.  La planicidad de entrada analógica (IA) es una medida de cómo varía la respuesta de medición de un dispositivo en su ancho de banda.  Un instrumento perfecto mediría una onda sinusoidal de 1 Vpk exactamente como 1 Vpk independientemente de la frecuencia de la onda sinusoidal, siempre y cuando estuviera dentro de la banda de paso.  Sin embargo, ningún instrumento es perfecto y siempre verá alguna variación de amplitud con la frecuencia.  

La especificación de planeidad de la entrada analógica proporcionada para los productos DSA de National Instruments le indica cuánta variación puede esperar ver en relación con la medición del dispositivo a 1 kHz.  AI Flatness es una especificación de precisión relativa. Indica el error de ganancia que puede ver además de la especificación de precisión de ganancia (que también es relativa a 1 kHz y se proporciona en nuestros documentos de especificación).  Si desea saber el error absoluto de ganancia en todo el ancho de banda de medición, necesitaría agregar la planicidad de la IA a la especificación de precisión de amplitud de ganancia de IA.

Para medir la planicidad de la IA, necesitaría un generador de funciones capaz de mantener una amplitud de onda sinusoidal muy precisa a través del ancho de banda de interés (20 Hz a 20 kHz/45 kHz/92,2 kHz).  Si barre este generador de funciones a través del ancho de banda, podría esperar medir la misma amplitud +/- la planitud de IA especificada en unidades de dB referencia a la amplitud de la señal a 1 kHz.

¿Qué es el rango dinámico?

El rango dinámico de un dispositivo es la relación entre las señales más grandes y más pequeñas que se pueden medir por circuito, normalmente expresada en dB.  

Rango dinámico en dB = 20 * log10( Vmax / Vmin )

En la mayoría de los casos, la entrada a escala completa de un dispositivo es la señal más grande que se puede medir y el ruido de entrada del canal inactivo determina la señal más pequeña que se puede medir.  Los dispositivos DSA de National Instruments especifican el rango dinámico, el ruido del canal inactivo y la densidad espectral de ruido, y todos ellos se pueden utilizar para calcular el rango dinámico.  La forma más fácil de medir el rango dinámico de su dispositivo es tomar una medición de ruido de canal inactivo y convertir esa medición a escala completa de dB, como se describe en KnowledgeBase 4X31Q728: ¿Cómo mido el rango dinámico de mi dispositivo de adquisición de datos?

El rango dinámico es una cantidad muy importante a tener en cuenta al elegir un dispositivo DSA.  A menudo, las aplicaciones DSA requieren el uso de micrófonos y acelerómetros, sensores que tienen rangos dinámicos muy grandes.  Elegir un dispositivo de medición adecuado le permitirá aprovechar estos sensores y la plenitud de su alcance.

Nota:  Al comparar las especificaciones de rango dinámico entre dispositivos, es muy importante asegurarse de que el ancho de banda de medición, la frecuencia de muestreo, el rango de entrada y el tono de entrada sean idénticos. Si alguno de ellos varía, la comparación del rango dinámico será engañosa.

Cuando se trata de hardware DSA es muy probable que encuentre una serie de especificaciones relacionadas con la distorsión.  Para comprender estas mediciones, comience echando un vistazo a un gráfico típico de Transformada Rápida de Fourier (FFT).

^{Figura 1: Típico gráfico FFT con el dispositivo NI 446x}

Esta FFT fue tomada con un dispositivo NI 446X a una frecuencia de muestreo de 51.2 kS/s con una onda sinusoidal de amplitud de -1 dBFS (dB Full Scale) a 1kHz.  Hay varias características de este FFT a considerar cuando se habla de mediciones de distorsión:

1. El tono “fundamental” es el pico máximo en el FFT.  En la figura de abajo, este es el tono de entrada a 1 kHz, coloreado de verde en la figura de abajo.
2. Después del tono fundamental, puede ver una serie de picos en frecuencias que son múltiplos enteros de lo “fundamental”.  Estos picos se llaman picos armónicos porque son múltiplos de la fundamental, y están coloreados de rojo en la figura siguiente.  El pico a 2 kHz es el segundo armónico porque es el fundamental (1 kHz) por dos.  En este FFT, puede ver los armónicos 2^°, 3^°, 4^°, 5^°, 6^°, 7^°, 9^° y 11^° por encima del nivel de ruido.
3. Después de observar la fundamental (pico más alto) y los armónicos (frecuencias en múltiplos enteros de la fundamental), el resto del espectro se llama “ruido”.  El ruido se puede ver de color naranja en la figura de abajo.

^{Figura 2: Plot FFT codificado por colores}

Las mediciones de distorsión se pueden ilustrar fácilmente usando un FFT como el de la Figura 2. THD, THD+N y SINAD son relaciones diferentes de la potencia en estas tres señales ilustradas (Fundamental, Armónicos y Ruido).

• THD o distorsión armónica total
  Es la distorsión total de la señal debida a señales armónicas. Se puede definir como la relación de la potencia en los armónicos dividida por la potencia de la fundamental.  Tenga en cuenta que esta medición ignora el ruido.

THD = ∑Potencia (armónicos) / Potencia (fundamental)

• THD + N 
  Esta especificación es la misma que THD, pero incluye ruido.  Puedes pensar en THD+N como la distorsión total de la señal debido a señales armónicas y ruido.

THD + N = ∑Potencia (armónicos) + ∑Potencia (ruido)) / Potencia (fundamental)

• SINAD o la relación señal/ruido y distorsión
  La última de las mediciones de distorsión comunes es SINAD.  En este caso, la “Señal” se refiere a la suma de la fundamental, armónicos y ruido y la “Distorsión” se refiere a la suma de solo los armónicos y ruido, con la fundamental.

SINAD = (Potencia (fundamental) + ∑Potencia (armónicos) + ∑Potencia (ruido) )/ (∑Potencia (armónicos) + ∑Potencia (ruido))

Al muestrear señales a una frecuencia dada, fs, solo las componentes de frecuencia menores o iguales a la mitad de la frecuencia de muestreo se representarán correctamente en una FFT (<= fs/2).  Las señales con una frecuencia superior a fs/2 serán “aliased” de vuelta a la banda de frecuencia entre 0 y fs/2.  Si se produce aliasing de señal, no hay manera de distinguir en banda (0 a fs/2) señales de señales fuera de banda (mayores que fs/2).

Con el fin de evitar el solapamiento de la señal y representar con precisión el contenido de frecuencia en la banda 0 a fs/2, los dispositivos DSA de National Instruments implementan una arquitectura de sobremuestreo que permite el filtrado dependiente de la frecuencia de muestreo (a medida que cambia la frecuencia de muestreo, también lo hará la frecuencia de corte del filtro).  Como resultado, los dispositivos DSA tienen especificaciones de ancho de banda y rechazo de alias que evitan que las señales se sellen.
Para obtener más información sobre estos filtros antisolapamiento, consulte la sección Filtros de entrada analógicos en el capítulo 2 del Manual del usuario de adquisición dinámica de señales.

Para una descripción completa del aliasing de señales, consulte Adquiring an Analog Signal: ancho de banda, teorema de muestreo de Nyquist y aliasing.

En términos generales, la sincronización es importante en aplicaciones DSA porque permite comparaciones de fase precisas entre canales en sistemas que van de 2 a 10.000 canales. Las comparaciones de fase son críticas en muchas aplicaciones de sonido y vibración, incluido el mapeo de ruido.  A medida que aumenta el número de canales, se requerirán más dispositivos DSA y se hace necesaria la sincronización de estos dispositivos.

Los pasos necesarios para sincronizar dispositivos DSA varían según el dispositivo y la plataforma específicos. La sincronización se cubre con más detalle en el Tutorial: Conceptos básicos de sincronización de la adquisición dinámica de señales (DSA) y capítulo 2 del Manual del usuario.