ダイナミック信号収集デバイス絶対確度計算する

概要

この記事では、NI ダイナミック信号集録(DSA)ボードの絶対確度の計算方法について説明します。

内容

概要

絶対確度は、測定の全体的な不確定性を定義するために使用されます。DSAモジュールでは、以下の式で計算できます。

絶対確度 = ゲイン誤差 + オフセット誤差 + フラットネス

 

この公式は、システムの3つの主要なエラー入力ソースを使用します。

  • ゲイン誤差
    理想ゲインからのアンプゲインの偏差測定。dBまたは読み取り値の%で表され、mx+bの電圧伝達関数からの偏差mとしてみなされます。
  • オフセット誤差
    伝達曲線全体において測定値に追加される定誤差。mx+bでは、オフセット誤差はbです。
  • フラットネス
    ある周波数範囲で信号の振幅が変化するリミットをdB単位で指定します。ボードの「周波数応答」を測定します。1 kHz信号の測定を基準とします。DC信号には適用されません。波形トーンにのみ適用されます。


たとえば、NI 4461の絶対確度は、以下のアナログ入力とアナログ出力の両方で計算されます。アナログ入力では、10 V振幅の1 kHz正弦波を集録していると仮定します。アナログ出力では、同じ周波数信号を生成すると仮定します。

メモ: この記事で使用されている値は、標準仕様値であり、最大エラー仕様値ではありません。 これらの値は、デバイスが適切にセットアップされていれば適切です。特に、デバイスが正確な時間ウォームアップされ、測定後24時間以内にセルフキャリブレーションが実行されていることが重要です。 これらの各要因の理由を以下に説明します。

  • ウォームアップ時間
    NI DSAデバイスが使用する高線形A/D変換器(ADC)はシグマデルタ型変換器です。 このタイプのADCは、温度変化に非常に敏感です。 カードを定常状態の温度にすることで、この感度を下げることができます。
  • セルフキャリブレーション
    NI DSAデバイスが安定した温度状態になったら、セルフキャリブレーションを実行して前回のキャリブレーションからの差異を排除する必要があります。 これは、前回のキャリブレーションから一定の誤差源が若干異なる可能性があるため重要です。 以下の仕様は、セルフキャリブレーションが24時間以内に実行され、測定の±5℃以内であることを前提としています。詳細については、『NI 4461/4462 キャリブレーション手順』を参照してください。

アナログ入力

AIゲイン振幅確度、AIオフセット、AIフラットネスについては、『NI 4461/4462 仕様』を参照してください。

振幅が10 Vの1 kHz正弦波では、以下の値が適用されます。


AIゲイン振幅確度 = ±0.03 dB(最大)
AIオフセット(ゲインを適用しない場合) = ±0.7 mV(最大)
AIフラットネス(ゲインを適用しない場合) = ±0.003 dB(標準)


ゲイン誤差は、1kHz入力トーンのこのゲイン振幅確度に基づいて計算されます。


ゲイン振幅確度 = ±0.03 dB(最大)
ゲイン振幅確度(dB) = 20 log (1 + (ゲイン誤差 (%)/100))
±0.03 dB = 20 log (1 + (ゲイン誤差 (%)/100)
ゲイン誤差 (%) = 0.3460
ゲイン誤差(V) = 入力電圧 x ゲイン誤差(%) = 10 x 0.003460 = 34.60 mV


入力電圧はデバイスが構成されている電圧レンジです。

フラットネスは同じ方法で電圧に変換されます。


フラットネス = ±0.003 dB(最大)
フラットネス(dB) = 20 log (1 + (フラットネス(%)/100))
±0.003 dB = 20 log (1 + (フラットネス(%)/100)
フラットネス (%) = 0.0345
フラットネス(V) = 入力電圧 x フラットネス(%) = 10 x 0.000345 = 3.45 mV


これらの2つの計算から、合計AI確度は以下のように計算されます。


AI確度 = AIゲイン + AIオフセット + AIフラットネス
AI確度 = 34.60 mV + 0.7 mV + 3.45 mV
AI確度(±38.75 mV)

 

アナログ出力

アナログ出力確度も同様に計算できます。以下のサンプル計算を参照してください。


AOゲイン振幅確度 = ±0.04 dB(最大)
AOオフセット = ±1 mV(最大)
AOフラットネス = ±0.008 dB(最大)

ゲイン誤差(上記の式を使用して計算) = 46.16 mV
フラットネス(上記の式を使用して計算) = 9.21 mV


アナログ出力確度の最終計算は以下のとおりです。


AO確度 = AOゲイン + AOオフセット + AOフラットネス
AO確度 = 46.16 mV + 1 mV + 9.21 mV
AO確度(±56.37 mV)

メモ:これらの確度の数値は劣っているように思われるかもしれませんが、ダイナミック信号集録モジュールの目的である、必ずしも時間的な確度ではなく、高確度のスペクトル成分を取得するという観点から考えることが重要です。信号の周波数は2つの方法で計算できます。最初の最も明らかなのは周期の逆数です。この方法は信号の繰り返しには適していますが、変化やダイナミック信号には適していません。2つ目の方法は、信号の瞬時スロープ(立ち上がりオーバーラン)を調べる方法です。立ち上がり(振幅変化、dV)と実行(時間変化、dt)で除算し、瞬時周波数を計算します。DSAモジュールは非常に正確なdtを提供する優れたクロック信号を備えています。このdtも、DSAアーキテクチャのオーバーサンプリングの性質により非常に小さい値です。電圧の違いを見ると、絶対確度は重要ではありません。

 

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