Composants Dithering, Layout et de haute qualité : outils de réduction du bruit de fond

Le bruit de fond d’un périphérique de mesure est le niveau de bruit mesuré avec ses entrées mises à la masse.

Il est généralement exprimé comme une fonction de densité de bruit avec des unités de , ou comme un nombre unique représentant le bruit total, exprimé en V_eff. Pour convertir une fonction de densité de bruit en V_eff, vous devez intégrer la fonction de densité de bruit sur la bande passante qui vous intéresse. Dans le cas d'un bruit large bande (plat), cette intégration se décompose en multiplication simple, où

En général, vous pouvez dériver le bruit RMS d’un périphérique à partir de la fonction de densité de bruit, mais pas obtenir la forme d’un graphe à partir d’un seul nombre. La figure ci-dessous illustre la CURVE typique de densité de bruit d'un périphérique de mesure à basse fréquence. Cette courbe comprend les deux sections de la figure. La partie à forte pente située à gauche du point appelé coude , est appelée bruit en. À droite du coude , le niveau de bruit s'aplatit et est connu sous le nom de bruit à large bande.

Le bruit à large bande apparaît généralement plat dans le domaine fréquentiel, ce qui signifie qu'une énergie égale se produit dans chaque Hz de bande passante. Ce type de bruit peut résulter de presque tous les composants du périphérique de mesure, qu’ils se trouvent dans le chemin du signal ou que vous les utilisiez comme référence. Ces composants comprennent les amplificateurs opérationnels, les résistances, les références de tension et les convertisseurs analogiques-numériques (C A/N). L'utilisation de techniques de post-traitement telles que le moyennage permet de minimiser les effets du bruit à large bande sur l'exactitude de vos mesures. Nous aborderons ces techniques plus avant dans cet article.

Le bruit est, quant à lui, plus complexe. On parle de bruit car sa densité de tension est proportionnelle à la racine carrée de fréquence. Vous pouvez également entendre du bruit appelé « bruit de scintillation » parce qu'il fait basculer ou « scintiller » le bit de poids faible d'un DMM. Les gradients thermiques entre les composants de la carte et la contamination pendant les processus de fabrication de CI sont les principales causes de ce bruit. Ces causes rendent le bruit difficile à prévoir et à contrôler, et les fabricants de CI ne spécifient généralement pas correctement l’impact du bruit . Les utilisateurs finaux de périphériques d'acquisition de données (DAQ) peuvent trouver cela particulièrement gênant, car il est impossible de lever cette incertitude avec des opérations de post-traitement. Par exemple, plus la moyenne est longue, plus il y a de possibilités de dérive. Par conséquent, selon la pente , vous pourriez ne jamais converger vers la valeur « vraie », quelle que soit la moyenne. En fait, pour autant que cela ait été prouvé, le spectre continue sa pente montante vers la gauche, limitée uniquement par l'ouverture de votre mesure. Les fabricants de circuits intégrés ont observé une forte corrélation entre les niveaux de bruit et la dérive à long terme des références de tension qu’ils fabriquent.

NI a minimisé le bruit à large bande sur les périphériques d'acquisition de données en les concevant avec des amplificateurs de haute qualité avec un taux de réjection de mode commun (CMRR) élevé. Cela signifie que les périphériques rejettent une partie importante du bruit ressenti sur les deux bornes de l’amplificateur, rendant vos mesures moins sensibles au bruit de mode commun qui peut diminuer l’exactitude.               

NI conçoit des périphériques d'acquisition de données multifonctions avec des plans de masse séparés qui se connectent à une seule référence à la masse. Les puces de convertisseur numérique-analogique et analogique-numérique sont généralement conçues avec des signaux analogiques d’un côté de la puce et des signaux numériques de l’autre. En plaçant les puces de sorte qu’elles chevauchent la barrière entre les plans de masse analogique et numérique, le bruit généré sur le côté numérique de la carte d’acquisition de données n’affecte pas le côté analogique de la puce ou les traces résidant autour du plan de masse analogique.

Les gradients thermiques dans le périphérique de mesure peuvent souvent induire du bruit. Pour lutter contre cela, NI a implémenté plusieurs fonctionnalités pour garantir que nos périphériques de mesure subissent une dérive de température minimale. NI utilise des Circuits adaptés de suivi de température et des réseaux de résistances personnalisés pour limiter la dérive de température à 6 ppm/°C sur tout le matériel d'acquisition de données. En outre, NI utilise des composants de haute qualité avec des caractéristiques de et de dérive bien définies. Enfin, le circuit d’auto-étalonnage NI, accessible via un seul appel de fonction, fait référence à une source de tension hautement stable qui dérive à un taux de seulement 0,6 ppm/°C.

Bien que certains types de bruit résultent d'imperfections dans les circuits intégrés ou de facteurs environnementaux tels que la température, la résolution de la carte peut également créer du bruit. Ceci est appelé « erreur de quantification ».

Le logiciel de drivers NI vous permet d'activer le dithering via le logiciel. Lorsque vous activez le logiciel, il ajoute environ 0,5 LSB_eff de bruit blanc gaussien au signal en entrée. Ce bruit est ajouté au signal avant l’entrée au C A/N. Par conséquent, un signal qui pourrait se trouver quelque part dans la plus petite différence de tension que la carte peut détecter (appelée largeur de code et définie par la formule ) rebondit maintenant aléatoirement au-dessus et au-dessous des limites de ce code. Lorsqu’ils sont échantillonnés, les points apparaissent maintenant sur les limites supérieure et inférieure, et le nombre de points sur la largeur supérieure ou inférieure du code est pondéré en fonction de l’emplacement du signal réel. Vous pouvez alors utiliser le moyennage pour zoomer au-delà de la résolution spécifiée de la carte, fournissant des mesures plus exactes qui sont moins influencées par le bruit à large bande. Par exemple, une carte 12 bits peut fonctionner avec une résolution de 14 bits avec le dithering activé. Vous pouvez aussi désactiver le dithering pour les applications haute vitesse qui n’utilisent pas de moyennage.

Ces techniques réduisent non seulement le bruit causé par des composants du périphérique de mesure qui ne seraient pas idéals, mais elles aident également à réduire le bruit provenant d’autres composants du système de mesure. En outre, le bruit au niveau du système peut résulter du capteur, choisissez donc un capteur de haute qualité pour aider à garantir un bruit de fond plus faible pour votre système global. L'environnement, les fils longs, les champs électromagnétiques à proximité et d'autres sources peuvent également induire du bruit sur le système. Pour réduire le bruit provenant de sources externes, mettez votre système correctement à la masse et utilisez des câbles blindés. Pour en savoir plus sur ces sujets, veuillez consulter les liens ci-dessous.