동적 신호 수집의 기본 사항

평탄도란?

이상적인 조건에서 진폭 측정의 정확도는 입력 신호의 주파수에 의존하지 않습니다.  그러나 실제 측정 디바이스의 이상적이지 않은 특성 때문에, 측정된 신호 진폭은 주파수에 따라 약간 달라질 수 있습니다.  아날로그 입력(AI) 평탄도는 디바이스의 측정 응답이 대역폭에서 어떻게 변하는지 측정한 것입니다.  완벽한 인스트루먼트는 사인파가 통과 대역 내에 있는 한 사인파의 주파수에 상관없이 1 Vpk 사인파를 정확히 1 Vpk로 측정합니다.  그러나 어떤 인스트루먼트도 완벽하지 않으며 주파수에 따라 항상 진폭 변화가 나타납니다.  

National Instruments DSA 제품에 대한 AI 평탄도 스펙은 1 kHz에서의 디바이스 측정값과 비교하여 어느 정도의 변동이 예상되는지 알려줍니다.  AI 평탄도는 상대적인 정확도 스펙입니다. 이는 게인 정확도 스펙(또는 1 kHz에 상대적이며 스펙 문서에서 제공됨) 외에 보일 수 있는 게인 에러를 나타냅니다.  전체 측정 대역폭에서 절대 게인 에러를 알고 싶으면, AI 게인 진폭 정확도 스펙에 AI 평탄도를 추가해야 합니다.

AI 평탄도를 측정하려면, 관심있는 대역폭(20 Hz ~ 20 kHz/45kHz/92.2kHz)에서 매우 정확한 사인파 진폭을 유지할 수 있는 함수 생성기가 필요합니다.  이 함수 생성기를 대역폭 전체에 맞추면, 같은 진폭 +/-을 측정할 수 있습니다. 지정된 AI 평탄도(dB 단위)는 1 kHz의 신호 진폭을 참조합니다.

다이나믹 범위란?

디바이스의 다이나믹 범위는 회로로 측정할 수 있는 가장 큰 신호와 가장 작은 신호의 비율이며, 일반적으로 dB로 표시됩니다.  

다이나믹 범위(dB = 20 * log10( Vmax / Vmin )

대부분의 경우, 디바이스의 전체 스케일 입력은 측정할 수 있는 가장 큰 신호이며 유휴 채널 입력 노이즈는 측정할 수 있는 가장 작은 신호를 결정합니다.  National Instruments DSA 디바이스는 다이나믹 범위, 유휴 채널 노이즈, 스펙트럼 노이즈 밀도를 지정하며, 모두 다이나믹 범위를 계산하는데 사용할 수 있습니다.  디바이스의 동적 범위를 측정하는 가장 쉬운 방법은 유휴 채널 노이즈 측정을 수행하고 기술지원 데이터베이스 4X31Q728에 설명된 대로 해당 측정값을 dB 전체 스케일로 변환하는 것입니다. 데이터 수집 디바이스의 동적 범위를 어떻게 측정합니까?

다이나믹 범위는 DSA 디바이스를 선택할 때 고려해야 할 매우 중요한 요소입니다.  DSA 어플리케이션에서는 매우 큰 다이나믹 범위를 가진 마이크와 가속도계(센서)를 사용해야 하는 경우가 많습니다.  적절한 측정 디바이스를 선택하면 이러한 센서와 그 범위 전체를 활용할 수 있습니다.

참고:  디바이스 간의 다이나믹 범위 스펙을 비교할 때, 측정 대역폭, 샘플 속도, 입력 범위 및 입력 톤이 서로 같아야 합니다. 이들 중 하나라도 달라지면, 다이나믹 범위 비교가 잘못되게 됩니다.

DSA 하드웨어를 다루는 경우, 다수의 왜곡 관련 스펙이 발생할 수 있습니다.  이러한 측정을 이해하려면, 일반적인 빠른 푸리에 변환(FFT) 그래프를 살펴보십시오.

^{그림 1: NI 446x 디바이스의 일반적인 FFT 플롯}

이 FFT는 1 kHz의 -1 dBFS (dB Full Scale) 진폭 사인파에서 51.2 kS/s의 샘플 속도로 NI 446X 디바이스와 함께 수집되었습니다.  왜곡 측정에 대해 설명할 때 이 FFT의 몇 가지 특징은 다음과 같습니다.

1. “기본적인” 톤은 FFT의 최대 피크입니다.  아래 그림에서, 이것은 아래 그림에서 녹색으로 표시된 1 kHz의 입력 톤입니다.
2. 기본 톤 이후에는 “기본”의 정수배인 주파수에서 여러 개의 피크가 나타납니다.  이러한 피크는 기본값의 배수이기 때문에 하모닉 피크라고 하며, 아래 그림에서 빨간색으로 표시됩니다.  2 kHz에서의 피크는 기본 (1 kHz) 2배이기 때문에 두번째 하모닉입니다.  이 FFT에서, 노이즈 레벨보다 2^번, 3번^, 4번^, 5번^, 6번^, 7번^, 9번^, 11번^, 하모닉을 볼 수 있습니다.
3. 기본(최고 피크)과 하모닉(기본의 정수 배수에서 주파수)을 보면 나머지 스펙트럼을 “노이즈”라고 합니다.  노이즈는 아래 그림에서 주황색으로 표시됩니다.

^{그림 2: 색 코드화된 FFT 플롯}

왜곡 측정은 그림 2와 같은 FFT를 사용하여 쉽게 설명할 수 있습니다. THD, THD+N 및 SINAD는 그림의 세 가지 신호(기본, 하모닉, 노이즈)에서 파워의 서로 다른 비율입니다.

• THD 또는 전체 하모닉 왜곡
  이것은 하모닉 신호로 인한 전체 신호 왜곡입니다. 이는 하모닉의 거듭제곱을 기본의 거듭제곱으로 나눈 값의 비율로 정의할 수 있습니다.  이 측정은 노이즈를 무시합니다.

THD = ∑파워 (하모닉) / 파워 (기본)

• THD + N 
  이 사양은 THD와 동일하지만 노이즈를 포함합니다.  THD+N을 하모닉 신호와 노이즈로 인한 전체 신호 왜곡으로 간주할 수 있습니다.

THD + N = ∑파워 (하모닉) + ∑파워 (노이즈)) / 파워 (기본)

• 신호 대 노이즈 및 왜곡 비율 (SINAD)
  일반적인 왜곡 측정 중 마지막은 SINAD입니다.  이 경우, “신호”는 기본, 하모닉, 노이즈의 합을 나타내며, “ 왜곡”은 기본과 함께 하모닉과 노이즈의 합을 나타냅니다.

SINAD = (파워 (기본) + ∑파워 (하모닉) + ∑파워 (노이즈) )/ (∑파워 (하모닉) + ∑파워 (노이즈))

주어진 주파수 fs에서 신호를 샘플링할 때, 샘플 속도의 절반보다 작거나 같은 주파수 성분만 FFT (<= fs/2)로 올바르게 나타납니다.  주파수가 fs/2보다 큰 신호는 0과 fs/2 사이의 주파수 대역으로 다시 앨리어스됩니다.  신호 앨리어스가 발생하는 경우, 대역 (0 ~ fs/2)에서 대역 외(fs/2보다 큰) 신호의 신호를 알 수 있는 방법은 없습니다.

신호 앨리어스를 방지하고 0 ~ fs/2 대역에서 주파수 내용을 정확하게 나타내기 위해, National Instruments DSA 디바이스는 샘플 속도에 따라 필터링을 허용하는 오버샘플링 구조를 구현합니다(샘플 속도가 변경될수록 필터의 컷오프 주파수도 변경됩니다).  따라서 DSA 디바이스에는 신호가 앨리어스되는 것을 방지하는 대역폭 및 앨리어스 제거 스펙이 있습니다.
이러한 앨리어스 제거 필터에 대한 자세한 내용은 다이나믹 신호 수집 사용자 매뉴얼의 2장 아날로그 입력 필터 섹션을 참조하십시오.

신호 앨리어스에 대한 자세한 내용은 아날로그 신호 수집하기를 참조하십시오. 대역폭, 나이퀴스트 샘플링 정리 및 앨리어싱

일반적으로 동기화는 2개에서 10,000개 채널 범위의 시스템에서 채널 사이의 정확한 위상 비교를 가능하므로 DSA 어플리케이션에서 중요합니다. 위상 비교는 노이즈 맵핑을 포함한 많은 사운드 및 진동 어플리케이션에서 매우 중요합니다.  채널 카운트가 증가할수록 더 많은 DSA 디바이스가 필요하며, 이러한 디바이스를 동기화해야 합니다.

DSA 디바이스를 동기화하는데 필요한 단계는 특정 디바이스와 플랫폼에 따라 다릅니다. 동기화는 튜토리얼에서 자세히 설명합니다. 동적 신호 수집(DSA) 동기화 기초 및 동적 신호 수집 사용자 매뉴얼의 2장.