測定ノイズを診断および低減する

信号のノイズ源を特定する際は、まず以下の2つの簡単な診断手順を実行します。 

1. FFTグラフを作成―これにより、信号の周波数成分を視覚化し、突出する周波数ピークを特定することができます。  
2. 設定と環境を調査―近くの機器、信号ソース、使用しているケーブルの種類によってノイズが発生する場合があります。 

FFT解析を設定の物理的な検査と組み合わせることで、信号の動作と潜在的なノイズ源を最も包括的に理解することができます。 周波数スパイクの解釈と一般的な干渉源への対応に関するガイダンス、および環境要因に関する追加情報を紹介します。 

電気AC信号とそれによって生成される磁界が、ケーブル、計測器、または建物のインフラストラクチャを介して信号ワイヤにカプリングすることがあります。  

コモンモードノイズは、差動信号ペアの両方の伝導体に等しく現れるAC干渉の一種です。このノイズは通常、外部の電磁場やグランド電位の差によって発生し、電源線、近くの機器、不適切な接地を介して混入します。 このノイズは両方のラインにまったく同じ影響を与えますが、システムから適切に除去されないと測定確度に影響する可能性があります。 

ノーマルモードノイズとは、信号ペアの2つの伝導体間の電圧差として表れる (そのため、両方のラインではなく信号そのものに影響を与える) 不要なAC信号を指します。このタイプのノイズは通常、外部の電磁干渉または近くの電源や機器からのカプリングによって発生します。コモンモードノイズとは異なり、ノーマルモードノイズは測定信号を直接歪ませ、差動電圧で確認できます。 

上記の信号を周波数に基づいて3つのカテゴリに分類してみましょう。 

低周波数 (50または 60 Hz)

信号のFFTで 50 Hzまたは 60 Hz (あるいは、100 Hzまたは 120 Hz) の位置にスパイクがある場合は、電源から電界や磁界が信号にカプリングしています。これは、電源自体、同期して回転する機器、蛍光灯が原因の可能性があります。 

グランドループによって低周波数スパイクが発生する場合もあります。グランドループは、信号ソースとDAQデバイス間に複数のグランドパスが存在する場合に発生します。 グランドループは、信号ソースとDAQの電源が異なるコンセントや接地方式によって供給されるシステムでよく見られます。 

低周波数ノイズやグランドループの影響を低減するうえで、以下の配線や設定方法が有効な場合があります。

• シールドEPMケーブルは、アナログ信号とデジタル信号が分離されて外部電磁妨害が遮断されることで、耐ノイズ性が向上しています。接地されていれば、信号パスの不要な電流がシールドによって防がれるため、クリーンで正確な測定を維持できます。 

• ツイストペアケーブルでは、両方の導線が外部ノイズの影響を等しく受けることで、電磁干渉が低減します。このコモンモードノイズは差動入力との組み合わせによって除去されるため、信号の整合性が向上し、磁界の混入が最小限に抑えられます。
• 絶縁されたDAQハードウェアや差動入力を使用して、グランド間の電気接続を除去します。この切断によりループが壊れる可能性があります。また、可能であればすべての機器で単一のグランドポイントを共有し、グランドをシステムの複数のポイントに接続することを避けます。

中～高周波数 (1 kHz～数百kHz)

中～高周波数ノイズ (通常は1 kHz～数百kHz) は、エイリアスとして現れることが多く、診断が困難です。その場合、観測した周波数が実際のノイズ源を反映していない可能性があるため、デバッグはより困難になります。サンプリングレートの変更時にノイズがシフトする場合は、エイリアスの可能性が強く疑われます。実際の周波数成分をより正確に理解するため、できるだけ広い帯域幅で信号をキャプチャしてください。

通常、このタイプのノイズはスイッチモード電源 (SMPS) などの高速電子機器によって発生します。そのようなデバイスは、システムに直接接続されていなくても空気を介してエネルギーを放射して信号に干渉する場合があるため、 設定の周辺に置かれているだけで、不要なノイズが混入する十分な理由となります。

このような干渉の影響を軽減するには、近くに接続されていないデバイスでも信号に影響を与える可能性があることに注意してください。

• ノイズを放射するデバイスをシールドして電磁出力を封じ込める。
• 外部ノイズが信号線にカプリングしないようにシールドケーブルを使用する。
• グランドラインにノイズが混入する場合があるので、システムに不要な電流経路がないかを検査する (グランドループや不適切な接地がないかどうかを調べる必要があります)。
• サンプリングレートの調整やフィルタの適用により、真のノイズ源を特定できる場合もある。

超高周波数 (MHz～GHz)

超高周波数 (通常はMHz～GHzのレンジ) のノイズは、制御が非常に困難になる可能性があります (特に、ラボがラジオやテレビの放送アンテナの近くにある場合)。このタイプのRFノイズ干渉は、広いスペクトルのノイズとして現れ、測定の全体的なノイズフロアを上昇させる可能性があります。

高周波数のノイズでもシールドは有効ですが、低周波数のノイズ源と比較して効果が低くなる傾向があります。代わりに、RF干渉を低減する以下の方法を検討してください。 

• ツイストペアのシールドケーブルを使用し、適切な接地を行ってRF干渉をブロックする。
• ケーブルを短くし、電源やノイズの多い電子機器から離れた適切な経路を設定する。
• アナログフィルタを使用して、帯域幅を信号に必要な範囲に制限する。

それでもノイズレベルがデバイスのスペックシートと比較して高い場合は、コンポーネントを1つずつ接続解除するか、DAQデバイス入力をデバイスのグランドに短絡してベースラインを確立してみてください。より高度な方法をすぐに実行する代わりに、この方法で干渉源を特定できる場合があります。

DCカプリングノイズは、期待値と測定値の間のオフセットとして表れます。アプリケーションで平均化を実行する場合は、意図せずにACノイズのソースをマスクしている可能性があるため、シングルポイント測定を行うか、未処理の波形データをそのままプロットすることにより、オフセットを確認することが重要です。そのオフセットを、デバイスの確度および分解能の仕様と比較します。オフセットが仕様範囲内にある場合、外部干渉ではなくハードウェアの制限である可能性があります。

DCカプリングノイズは、コモンモードノイズやノーマルモードノイズの形で発生する場合があることに注意してください。 

DCカプリングノイズの原因には、配線の問題といった環境的な要因も考えられますが、不要な信号が測定システムにカプリングする可能性のある直接的な経路を探すことも役立ちます。

• 信号ソースのタイプ (接地型または浮動型) に合わせてDAQデバイスの入力モードを正しく選択することで、ノイズを減らし、確度を向上させます。
  • 浮動型ソースには差動モードを使用
  • 接地型ソースには、基準化シングルエンドまたは非基準化シングルエンドを使用

• センサが導電性の表面に取り付けられている (加速度計が金属シャーシにネジ留めされている) 場合は、監視対象デバイスが接地されていることを確認します。接地不良によって不要なDCオフセットが混入する可能性もあります。また、センサとDAQデバイスで1つのグランド基準を共有して、グランドループが発生しないようにします。

• ケーブルのリード線やコネクタ (BNCケーブルプラグなど) が露出している場合は、伝導体に触れていないことを確認します。偶発的な接触でもDCバイアスが混入する可能性があります。 

• DAQや計測器が適切に接地されていることを確認します。浮動型または接地が不十分な計測器では、信号ソースとの電位差のためにDCオフセットが発生する場合があります。

• 特に精密なアプリケーションでは、測定を行う前に機器をウォームアップすることで、温度ドリフトを最小限に抑えます。温度が変化すると、電圧レベルの小さなシフトが発生し、それが時間の経過とともにDCオフセットとして表れる場合があります。

• 周波数によってノイズを分類する―低周波数 (50/60 Hz)、中/高周波数 (kHz)、超高周波数 (MHz～GHz)、DCカプリングのいずれのノイズであるかを識別します。それぞれに異なるノイズ源と軽減方法があります。

• 適切な配線と接地を使用する―ツイストペアのシールドケーブル、シングルポイントの接地、グランドループの回避は、ACノイズとDCノイズのどちらを低減するうえでも重要です。 

• 信号ソースに合わせてDAQを構成する―オフセットと干渉を防ぐために、浮動型ソースには差動入力、接地型ソースにはシングルエンドを使用します。

• フィルタを適用する―アナログ/デジタルフィルタを使用して不要な周波数を抑えます。絶縁DAQデバイスは、グランドループとコモンモードノイズの除去に役立ちます。 PXIe-6381には、測定する信号からノイズを除去する40 kHzの選択可能なフィルタがあります。
  
  
  
• 絶縁測定を使用―絶縁DAQデバイスは、グランドループとコモンモードノイズの除去に役立ちます。NI CompactDAQ、NI CompactRIO用のモジュールには、NI-9239（24ビット10 V入力）、NI-9219（ユニバーサルアナログ入力）、NI-9212（熱電対）など絶縁されているものがあります。
   

• 系統的な検査とトラブルシューティング―露出した導線、接地不良、EMIソース、温度ドリフトの有無をチェックします。FFTと未処理データにより、ノイズの問題を切り分けて診断します。