Diagnóstico y reducción del ruido de medición

Cuando intente determinar la fuente de ruido en su señal, comience con dos pasos de diagnóstico rápido: 

1. Crear un gráfico FFT: este paso le ayuda a visualizar el contenido de frecuencia de su señal e identificar cualquier pico de frecuencia que pueda destacar.  
2. Examine su configuración y entorno: el equipo cercano, las fuentes de señal o incluso el tipo de cable que está utilizando pueden introducir ruido.  

Al combinar el análisis FFT con una inspección física de su configuración, obtendrá la comprensión más completa de su comportamiento de señal y posibles fuentes de ruido. Continúe leyendo para encontrar orientación sobre cómo interpretar los picos de frecuencia y abordar las fuentes comunes de interferencia, junto con información adicional sobre los factores ambientales.  

Las señales de CA eléctrica y los campos magnéticos que generan pueden acoplarse a los cables de señal a través de cables, instrumentos o incluso la infraestructura de su edificio.  

El ruido de modo común es un tipo de interferencia de CA que aparece por igual en ambos conductores de un par de señales diferenciales. Normalmente surge de campos electromagnéticos externos o diferencias en el potencial de tierra, y a menudo se introduce a través de líneas eléctricas, equipos cercanos o puesta a tierra incorrecta. Aunque afecta a ambas líneas de manera idéntica, todavía puede afectar la precisión de la medición si no es rechazada adecuadamente por el sistema. 

El ruido en modo normal se refiere a señales de CA no deseadas que aparecen como una diferencia de voltaje entre los dos conductores de un par de señales, afectando esencialmente a la señal en sí misma en lugar de a ambas líneas. Este tipo de ruido es introducido típicamente por interferencia electromagnética externa o acoplamiento de fuentes de energía y equipos cercanos. A diferencia del ruido de modo común, el ruido de modo normal distorsiona directamente la señal medida y es visible en la tensión diferencial. 

Dividamos estas señales en tres categorías según su frecuencia. 

Baja frecuencia (50 o 60 Hz)

Un FFT de su señal que muestra un pico a 50 Hz o 60 Hz (o incluso 100 Hz o 120 Hz) es un indicador de que los campos eléctricos o magnéticos de las líneas eléctricas se están acoplando a su señal. Este acoplamiento podría ser desde las propias líneas eléctricas, equipos rotativos síncronos, o incluso iluminación fluorescente. 

Los bucles de tierra también pueden ser una causa de picos de baja frecuencia. Los bucles de tierra ocurren cuando existen varias rutas de tierra entre la fuente de señal y el dispositivo de adquisición de datos (DAQ). Los bucles de tierra son un problema común en sistemas donde la fuente de señal y el DAQ se alimentan desde diferentes tomas de corriente o esquemas de tierra. 

Dependiendo de la fuente, estas técnicas de cableado y configuración pueden ser eficaces para reducir el impacto del ruido de baja frecuencia y los bucles de tierra:

• Los cables EPM blindados mejoran la inmunidad al ruido al separar las señales analógicas y digitales y bloquear la interferencia electromagnética externa. Cuando se conecta a tierra, el escudo evita que la corriente no deseada fluya a través de la trayectoria de la señal, lo que ayuda a mantener mediciones limpias y precisas. 

• Los cables de par trenzado reducen la interferencia electromagnética al garantizar que ambos conductores se vean igualmente afectados por el ruido externo. Cuando se combina con entradas diferenciales, este ruido de modo común se cancela, mejorando la integridad de la señal y minimizando la captación de campo magnético.
• Utilice hardware DAQ aislado o entradas diferenciales para eliminar la conexión eléctrica entre tomas de tierra. Esta desconexión puede romper el bucle. Además, asegúrese de que todo el equipo comparta una conexión a tierra de un solo punto siempre que sea posible, y evite conectar la conexión a tierra a varios puntos del sistema.

Frecuencia media a alta (1 kHz a cientos de kHz)

El ruido de frecuencia media a alta, típicamente en el rango de 1 kHz a varios cientos de kHz, puede ser difícil de diagnosticar porque a menudo aparece como un alias. En estos casos, la frecuencia que observa puede no reflejar la fuente real del ruido, lo que hace que la depuración sea más difícil. Si notas que el ruido cambia cuando cambias tu frecuencia de muestreo, eso es un fuerte indicio de que se está produciendo un alias. Para comprender mejor el contenido de frecuencia real, intente capturar la señal con el mayor ancho de banda posible.

Este tipo de ruido es comúnmente emitido por la electrónica de alta velocidad, como las fuentes de alimentación en modo interruptor (SMPS). Incluso si estos dispositivos no están conectados directamente a su sistema, todavía pueden interferir con sus señales al irradiar energía a través del aire. Su presencia en las proximidades de su configuración puede ser suficiente para introducir ruido no deseado.

Para reducir el impacto de este tipo de interferencia, considere tomar las siguientes acciones, teniendo en cuenta que incluso los dispositivos no conectados cercanos pueden afectar su señal:

• Blindar el dispositivo que emite el ruido para contener su salida electromagnética.
• Utilice cables blindados para evitar que el ruido externo se acople a sus cables de señal.
• Inspeccione su sistema en busca de rutas de corriente no deseadas, ya que puede inducirse ruido en la línea de tierra, por lo que es posible que tenga que verificar si hay bucles de tierra o conexión a tierra incorrecta.
• Ajuste su frecuencia de muestreo o la aplicación de filtros también puede ayudar a aislar e identificar la verdadera fuente del ruido.

Frecuencia muy alta (MHz a GHz)

El ruido de muy alta frecuencia, generalmente en el rango de MHz a GHZ, puede ser especialmente difícil de manejar, particularmente si su laboratorio se encuentra cerca de una antena de radiodifusión de radio o televisión. Este tipo de interferencia de ruido de RF podría aparecer como ruido de amplio espectro, elevando el nivel de ruido general de sus mediciones.

El blindaje puede ayudar, pero tiende a ser menos efectivo a estas frecuencias más altas en comparación con las fuentes de ruido de frecuencia más baja. En su lugar, considere las siguientes técnicas para reducir la interferencia de RF: 

• Utilice cables blindados de par trenzado y conéctelos a tierra correctamente para bloquear la captación de RF.
• Mantenga los cables cortos y bien encaminados, lejos de las líneas eléctricas y la electrónica ruidosa.
• Prueba el filtrado analógico para limitar el ancho de banda a lo que tu señal necesita.

Si sigues viendo niveles de ruido elevados, especialmente en comparación con la hoja de especificaciones de tu dispositivo, prueba a desconectar los componentes de uno en uno o a cortocircuitar la entrada del dispositivo DAQ a tierra para establecer una línea de base. Esta técnica puede ayudarte a aislar la fuente de interferencia sin sumergirte en técnicas más avanzadas de inmediato.

El ruido acoplado a CC aparecerá como un desplazamiento entre el valor esperado y el valor medido. Si la aplicación realiza el promedio, es posible que esté enmascarando involuntariamente una fuente de ruido de CA, por lo que es importante confirmar el desplazamiento tomando mediciones de un solo punto o trazando datos de forma de onda sin procesar. Compara el desplazamiento con las especificaciones de precisión y resolución de tu dispositivo. Si el desplazamiento está dentro de las especificaciones, puede ser una limitación del hardware en lugar de interferencia externa.

Tenga en cuenta que el ruido acoplado a CC también podría verse en forma de ruido de modo común o modo normal. 

Para el ruido acoplado a CC, aunque puede haber causas ambientales como problemas de cableado, podría ser más útil buscar rutas directas donde una señal no intencionada podría acoplarse a su sistema de medición:

• ¿Su fuente de señal está conectada a tierra o flotando? Compárelo con el modo de entrada correcto del dispositivo DAQ para reducir el ruido y mejorar la precisión.
  • Modo diferencial para fuentes flotantes
  • Conexión de un solo extremo referenciada o no referenciada para fuentes conectadas a tierra

• Si su sensor está montado en una superficie conductora, como un acelerómetro atornillado a un chasis metálico, asegúrese de que el dispositivo monitorizado tenga una trayectoria sólida a tierra. Una conexión a tierra deficiente puede introducir desplazamientos de CC no deseados. Además, evite crear bucles de tierra asegurándose de que el sensor y el dispositivo DAQ compartan una sola referencia de tierra.

• Si su cable tiene cables o conectores expuestos, como el enchufe de un cable BNC, compruebe que no haya nada conductor que lo toque. Incluso el contacto incidental puede introducir una polarización de CC. 

• Compruebe que el dispositivo DAQ o la medición están correctamente conectados a tierra. Los instrumentos flotantes o mal conectados a tierra pueden causar desplazamientos de CC debido a las diferencias de potencial entre el dispositivo y la fuente de señal.

• Minimice la deriva térmica permitiendo que el equipo se caliente antes de tomar medidas, especialmente en aplicaciones de precisión. Los cambios de temperatura pueden causar pequeños cambios en los niveles de voltaje que aparecen como desplazamientos de CC con el tiempo.

• Clasifique el ruido por frecuencia: identifique si el ruido es bajo (50/60 Hz), medio/alto (kHz), muy alto (MHz-GHz) o acoplado a CC; cada uno tiene distintas fuentes y estrategias de mitigación.

• Utilice cableado y conexión a tierra adecuados. Utilice cables blindados de par trenzado y conexión a tierra de un solo punto junto con evitar bucles de tierra para reducir el ruido de CA y CC. 

• Configure el dispositivo DAQ para que coincida con la fuente de señal.—Utilice entradas diferenciales para fuentes flotantes y de un solo extremo para las conectadas a tierra para evitar desplazamientos e interferencias.

• Aplicar filtrado.—Utilice filtros analógicos/digitales para suprimir frecuencias no deseadas. Los dispositivos DAQ aislados ayudan a eliminar los bucles de tierra y el ruido de modo común. El PXIe-6381 tiene un filtro seleccionable de 40 kHz para eliminar el ruido de la señal que está midiendo.
  
  
  
• Utilice mediciones aisladas: los dispositivos DAQ aislados ayudan a eliminar los bucles de tierra y el ruido de modo común. Están aislados varios módulos para NI CompactDAQ, NI CompactRIO incluyendo el NI-9239 (entrada de 24 bits 10V) , NI-9219 (entrada analógica universal) y NI-9212 (termopar).
   

• Inspeccione y solucione problemas sistemáticamente: compruebe si hay conductores expuestos, conexión a tierra deficiente, fuentes de EMI y deriva térmica. Utilice FFT y datos sin procesar para aislar y diagnosticar problemas de ruido.