ダイナミック信号集録の基礎

フラットネスとは?

理想的な状態では、振幅測定の確度は入力信号の周波数に依存しません。 ただし、実際の測定デバイスの特性上、信号の振幅は周波数によって多少異なる場合があります。 アナログ入力 (AI) フラットネスは、デバイスの測定応答が帯域幅全体でどのように変化するかを示す尺度です。 完璧な計測器では、パスバンド内にある限り、正弦波の周波数に関係なく、1 Vpkの正弦波を1 Vpkとして正確に測定します。 しかし、どの計測器も完璧なものではなく、常に周波数によって振幅が変化します。 

ナショナルインスツルメンツのDSA製品に付属のAIフラットネス仕様は、1 kHzでのデバイスの測定に対して予想される変動を示します。 AIフラットネスは相対確度仕様です。これは、ゲイン確度仕様（1 kHzを基準とし、仕様書に記載されています）の他に発生するゲイン誤差を示します。 測定帯域幅全体の絶対ゲイン誤差を知りたい場合は、AIゲイン振幅確度仕様にAIフラットネスを追加する必要があります。

AIフラットネスを測定するには、対象の帯域幅（20 Hz～20 kHz/45 kHz/92.2 kHz）で非常に正確な正弦波振幅を維持できる関数発生器が必要です。 この関数発生器を帯域幅でスイープすると、1 kHzでの信号の振幅をdB単位で基準として、指定されたAIフラットネスの±±同じ振幅を測定することができます。

ダイナミックレンジとは

デバイスのダイナミックレンジとは、回路で測定可能な最大信号と最小信号の比率で、通常dB単位で表されます。 

ダイナミックレンジ (dB = 20 * log10( Vmax / Vmin ))

ほとんどの場合、デバイスのフルスケール入力は測定可能な最大信号で、アイドルチャンネル入力ノイズは測定可能な最小信号を決定します。 ナショナルインスツルメンツのDSAデバイスは、ダイナミックレンジ、待機チャンネルノイズ、スペクトルノイズ密度を指定します。これらはすべてダイナミックレンジの計算に使用できます。 デバイスのダイナミックレンジを測定する最も簡単な方法は、技術サポートデータベース 4X31Q728 で説明されているように、待機状態のチャンネルノイズを測定し、その測定値をdBフルスケールに変換することです。データ収集デバイスのダイナミックレンジを測定する

ダイナミックレンジは、DSAデバイスを選択する際に考慮すべき非常に重要な量です。 DSAアプリケーションでは、ダイナミックレンジが非常に大きいマイクロホンや加速度計などのセンサを使用することがよくあります。 適切な測定デバイスを選択することで、これらのセンサとそのレンジを最大限に活用することができます。

メモ: デバイス間でダイナミックレンジ仕様を比較する場合、測定帯域幅、サンプリングレート、入力レンジ、および入力トーンが同じであることを確認することは非常に重要です。これらのいずれかが異なると、ダイナミックレンジの比較は誤解を招きます。

DSAハードウェアを扱う場合、多くの歪みに関連する仕様が発生する可能性があります。 これらの測定を理解するには、まず一般的な高速フーリエ変換 (FFT) グラフを見てみましょう。

^{図1: NI 446xデバイスでの一般的なFFTプロット}

このFFTは、サンプリングレート51.2 kS/s、振幅-1 dBFS（dBフルスケール）正弦波（1kHz時）でNI 446Xデバイスを使用して撮影されました。 このFFTには、歪み測定に関するいくつかの注意事項があります。

1. 「基本」トーンはFFTの最大ピークです。  以下の図では、これは1 kHzでの入力トーンで、以下の図では緑色に表示されています。
2. 基本トーンの後、基本トーンの整数倍の周波数でいくつかのピークが見られます。  これらのピークは基本波の倍数であるため高調波ピークと呼ばれ、以下の図では赤で示されています。  2 kHzのピークは基本波（1 kHz）x 2であるため、第2高調波です。  このFFTでは、2番目、3番目、4番目、5番目、6番目、7番目、9番目、11番目の高調波がノイズレベルを超えています。
3. 基本波（最高ピーク）と高調波（基本波の整数倍の周波数）を見た後、残りのスペクトルは「ノイズ」と呼ばれます。  以下の図では、ノイズがオレンジ色に表示されています。

^{図2:カラーコードFFTプロット}

歪み測定は、図2のようなFFTを使用して簡単に示すことができます。THD、THD+N、およびSINADは、これら3つの図示された信号（基本波、高調波、およびノイズ）における電力の異なる比率です。

• THDまたは全高調波歪み
  これは、高調波信号による信号歪みの合計です。これは、高調波のパワーを基本波のパワーで割った比率として定義できます。  この測定はノイズを無視します。

THD = ∑電力（高調波） / 電力（基本）

• THD + N 
  この仕様はTHDと同じですが、ノイズが含まれています。  THD+Nは、高調波信号とノイズによる信号歪みの合計と考えることができます。

THD + N = ∑電力（高調波） + ∑電力（ノイズ） / 電力（基本）

• SINADまたは信号対ノイズ+歪み比
  一般的な歪み測定の最後がSINADです。  この場合、「信号」は基本波、高調波、およびノイズの合計を示し、「歪み」は基本波と高調波およびノイズの合計のみを示します。

SINAD = (電力 (基本波) + ∑電力 (高調波) + ∑電力 (ノイズ) / (∑電力 (高調波) + ∑電力 (ノイズ))

特定の周波数fsで信号をサンプリングする場合、FFT (<= fs/2) ではサンプリングレートの半分以下の周波数成分のみが正しく表示されます。 fs/2を超える周波数を持つ信号は、0～fs/2の周波数帯域に「エイリアス」されます。 信号エイリアスが発生した場合、帯域内（0～fs/2）信号と帯域外（fs/2以上）信号を識別する方法はありません。

信号エイリアスを防止し、0～fs/2帯域の周波数成分を正確に表現するために、ナショナルインスツルメンツのDSAデバイスは、サンプリングレート依存フィルタ処理（サンプリングレートが変化すると、フィルタのカットオフ周波数も変化する）を可能にするオーバーサンプリングアーキテクチャを実装しています。 その結果、DSAデバイスには、信号のエイリアスを防ぐ帯域幅およびエイリアス除去の仕様があります。
これらのアンチエイリアスフィルタの詳細については、『ダイナミック信号集録ユーザマニュアル』の第2章の「アナログ入力フィルタ」セクションを参照してください。

信号エイリアスの詳細については、「アナログ信号を集録する:帯域幅、ナイキストサンプリング理論、およびエイリアシング

一般的に、同期は2～10,000チャンネルのシステムのチャンネル間で正確な位相比較を可能にするため、DSAアプリケーションで重要です。位相比較は、ノイズマッピングを含む多くの音響/振動アプリケーションで重要です。 チャンネル数が増えると、より多くのDSAデバイスが必要になり、これらのデバイスの同期が必要になります。

DSAデバイスを同期するために必要な手順は、特定のデバイスとプラットフォームによって異なります。同期の詳細については、「チュートリアル:ダイナミック信号集録（DSA）同期の基礎および『ダイナミック信号集録ユーザマニュアル』の第2章。