디더링, 레이아웃 및 고품질 컴포넌트: 노이즈 플로어 감소 도구

측정 디바이스의 노이즈 플로어는 입력이 접지된 상태에서 측정된 노이즈 레벨입니다.

일반적으로 단위가 인 노이즈 밀도 함수로 표현되거나, 총 노이즈를 나타내는 단일 수치로 V_rms로 표현됩니다. 노이즈 밀도 함수를 V_rms로 변환하려면, 원하는 대역폭에 노이즈 밀도 함수를 적분해야 합니다. 광대역 (플랫) 노이즈의 경우, 이 적분은 다음과 같이 단순한 곱셈으로 계산됩니다

일반적으로 노이즈 밀도 함수에서 디바이스의 RMS 노이즈를 구할 수 있지만, 하나의 숫자만으로는 그래프의 모양을 알 수 없습니다. 아래 그림은 낮은 주파수에서 일반적인 측정 디바이스의 노이즈 밀도 CURVE를 보여줍니다. 그림에서 이 곡선은 두 섹션으로 구성되어 있습니다. 해당 지점의 왼쪽에 가파르게 기울어진 부분은 코너로 알려져 있으며, 노이즈라고 합니다. 코너의 오른쪽에서는 노이즈 레벨이 평탄해지며, 이를 광대역 노이즈라고 합니다.

광대역 노이즈는 주파수 영역에서 평탄하게 나타납니다. 즉, 대역폭의 모든 Hz마다 같은 에너지가 발생한다는 의미입니다. 이러한 타입의 노이즈는 구성요소가 신호 경로에 있는지, 참조용으로 사용되는지와 관계없이, 측정 디바이스의 거의 모든 구성요소에서 발생할 수 있습니다. 이러한 구성요소는 연산 증폭기, 저항, 전압 참조, 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함합니다. 평균값 연산과 같은 후처리 기법을 사용하면 광대역 노이즈가 측정 정확도에 미치는 영향을 최소화할 수 있습니다. 이 기법에 대해 더 자세히 설명하겠습니다.

그러나 노이즈는 더욱 복잡합니다. 이것을 노이즈라고 부르는 이유는 전압 밀도가 주파수의 제곱근에 비례하기 때문입니다. 또한 노이즈는 DMM의 최하위 비트를 전환하거나 "깜박이게" 하기 때문에 "플리커 노이즈"라고도 합니다. 이 노이즈의 주요 원인은 보드 구성요소 사이의 온도 경사와 IC 제조 과정 중의 오염입니다. 이러한 원인으로 인해 노이즈는 예측 및 제어가 어려우며, 따라서 IC 제조업체에서는 일반적으로 노이즈의 영향을 적절히 명시하지 않습니다. 후처리로 이러한 불확실성을 해결할 수 없다는 점은 DAQ 디바이스 최종 사용자에게는 특히 문제가 될 수 있습니다. 예를 들어, 평균값 연산 시간이 길어질수록 편차가 발생할 가능성이 커집니다. 그러므로 기울기에 따라 평균을 얼마나 많이 하더라도 "참" 값에 수렴하지 못할 수 있습니다. 실제로 증명된 바에 따르면, 스펙트럼은 기울기가 왼쪽으로 계속해서 상승하며, 이는 측정의 애퍼처에 의해서만 제한됩니다. IC 제조업체는 노이즈 레벨과 자사가 제조하는 전압 기준 전원의 장기 드리프트 사이에 강한 상관관계가 있음을 확인했습니다.

NI는 공통 모드 제거율 (CMRR)이 높은 고품질 증폭기를 사용하여 데이터 수집 디바이스의 광대역 노이즈를 최소화했습니다. 이는 디바이스가 증폭기의 양 터미널 모두에 발생하는 노이즈의 상당 부분을 제거하도록 하여, 측정값이 정확도를 저하시킬 수 있는 공통 모드 노이즈에 덜 취약하도록 합니다.               

NI는 다기능 데이터 수집 디바이스를 설계할 때 단일 접지 참조에 연결된 별도의 접지 평면을 사용합니다. 아날로그-디지털 변환기 및 디지털-아날로그 변환기 칩은 일반적으로 칩의 한쪽에는 아날로그 신호를, 다른 쪽에는 디지털 신호를 배치하여 설계됩니다. 변환기 칩을 아날로그 및 디지털 접지 평면 사이의 경계에 걸쳐 배치함으로써 데이터 수집 보드의 디지털 측에서 생성되는 노이즈가 칩의 아날로그 측이나 아날로그 접지 평면 주변의 트레이스에 영향을 미치지 않도록 합니다.

측정 디바이스의 온도 경사는 종종 노이즈를 유발할 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 NI는 측정 디바이스가 최소한의 온도 편차를 경험하도록 몇 가지 기능을 구현했습니다. NI는 매칭된 온도 추적 회로와 사용자 정의 저항 네트워크를 사용하여 모든 데이터 수집 하드웨어에서 온도 편차를 6 ppm/°C로 제한합니다. 또한 NI는 및 편차 특성이 잘 정의된 고품질 구성요소를 사용합니다. 마지막으로, 단일 함수 호출로 접근할 수 있는 NI 자기 교정 회로는 편차율이 0.6ppm/°C에 불과한 매우 안정적인 전압 소스를 참조합니다.

일부 타입의 노이즈는 IC의 불완전성, 또는 온도와 같은 환경 요인으로 인해 발생하지만, 보드의 분해능에서도 노이즈가 발생할 수 있습니다. 이것을 양자화 에러라고 합니다.

NI 드라이버 소프트웨어를 사용하면 소프트웨어를 통해 디더링을 활성화할 수 있습니다. 소프트웨어를 활성화하면, 입력 신호에 대략 0.5 LSB_rms의 가우스 화이트 노이즈가 추가됩니다. 이 노이즈는 ADC 입력 전에 신호에 추가됩니다. 그 결과 보드가 감지할 수 있는 가장 작은 전압 차이 (코드 폭으로 알려져 있으며 수식 으로 정의됨) 중 어느 곳에 떨어질 수 있는 신호는 이 코드의 경계 위와 아래에서 무작위로 바운스됩니다. 샘플링 시, 포인트는 이제 위쪽과 아래쪽 경계 모두에 나타나며, 코드 폭의 위쪽 또는 아래쪽의 포인트 개수는 실제 신호의 위치에 따라 가중됩니다. 그 후 평균값 연산을 사용하면 보드의 지정 분해능 이상으로 더욱 정밀하게 살펴볼 수 있어, 광대역 노이즈의 영향을 덜 받으면서 더욱 정확하게 측정할 수 있습니다. 예를 들어, 12비트 보드의 디더링을 활성화하면 14비트 분해능으로 작동할 수 있습니다. 또한 평균값 연산을 사용하지 않는 고속 어플리케이션의 경우 디더링을 비활성화할 수 있습니다.

이러한 기술은 측정 디바이스의 비이상적 구성요소로 인해 발생하는 노이즈를 줄일 뿐만 아니라 측정 시스템의 다른 구성요소에서 발생하는 노이즈도 줄일 수 있습니다. 또한 시스템 레벨의 노이즈는 센서로 인해 발생할 수 있으므로, 전체 시스템의 노이즈 플로어를 낮추는 데 도움이 되도록 고품질 센서를 선택해야 합니다. 환경적 요소, 긴 와이어, 주변의 전자기장, 기타 소스도 시스템에 노이즈를 유발할 수 있습니다. 외부 소스로 인한 노이즈를 줄이려면 시스템을 올바르게 접지하고 차폐 케이블을 사용하십시오. 이러한 토픽에 대한 더 자세한 정보는 아래의 관련 링크를 참조하십시오.