動態訊號擷取基本原理

什麼是平度?

在理想條件下,振幅量測的準確度將不受輸入訊號的頻率影響。 不過,由於實際量測裝置的特性並非理想特性,訊號的量測振幅可能會因其頻率而略有不同。 類比輸入 (AI) 平度是量測裝置在不同頻寬下的量測響應變化程度。 完美的儀器會將 1 Vpk 正弦波量測為確切 1 Vpk,無論正弦波在通帶內的頻率為何。 然而,儀器並非完美,而且頻率會隨著振幅而有所變化。 

針對 National Instruments DSA 產品提供的 AI 平度規格，説明了相對於該裝置在 1 kHz 下的量測值，您所能預期的變化程度。 AI 平度是相對準確度的規格。它表示除了增益準確度規格之外，您可能會看到的增益誤差 (同樣是相對於 1 kHz，並於我們的規格文件中提供)。 若要知道完整量測頻寬的絕對增益誤差，就需要將 AI 平度與 AI 增益振幅準確度規格相加。

若要量測 AI 平度,就需要一個能在相關頻寬 (20 Hz 到 20 kHz/45kHz/92.2 kHz) 中,維持極為準確的正弦波振幅的函式產生器。 若將此函式產生器掃頻穿過頻寬,則可預期量測相同的振幅 +/-,且指定的 AI 平度 (以 dB 的單位為單位) 參考 1 kHz 的訊號振幅。

什麼是動態範圍?

裝置的動態範圍是電路可量測最大與最小訊號的比率，通常以 dB 表示。 

動態範圍 (以 dB 為單位) = 20 * log10 (Vmax / Vmin )

在多數情況下,裝置的全幅輸入會是可量測的最大訊號,而閒置通道輸入雜訊則會決定可量測的最小訊號。 National Instruments DSA 裝置會指定動態範圍、閒置通道雜訊與頻譜雜訊密度，這些都可用來計算動態範圍。 若要量測裝置的動態範圍,最簡單的方法是量測閒置通道雜訊,並將量測轉換為 dB 全幅,如同在 KnowledgeBase 4X31Q728 中所述:我要如何量測資料採集裝置的動態範圍?

選擇 DSA 裝置時,動態範圍是相當重要的量測值。 DSA 應用通常需要使用麥克風與加速規,這是具有極大動態範圍的感測器。 選擇合適的量測裝置就能充分運用這些感測器及其範圍。

注意： 比較裝置間的動態範圍規格時，請務必確保量測頻寬、取樣率、輸入範圍與輸入音調均相同。若其中有任何變化,則動態範圍比較會造成誤導。

處理 DSA 硬體時,您很可能會遇到許多與失真相關的規格。 要了解這些量測結果,首先要查看典型的快速傅利葉轉換 (FFT) 圖。

^{圖 1： NI 446x 裝置}的一般 FFT 圖

使用 NI 446X 裝置以 51.2 kS/s 的取樣率,以 1kHz 的 -1 dBFS (dB Full Scale) 振幅正弦波進行了此 FFT 取樣。 談到失真量測時,此 FFT 有幾項特色需要考量:

1. 「基本」音調是 FFT 的最大峰值。  在下圖中,這是 1 kHz 的輸入音調 (圖中為綠色)。
2. 完成基本音調後,即可看到頻率的多峰值為「基本」的整數倍數。  這些峰值稱為諧波峰值,因為這些峰值是基本值的倍數,在下圖中具紅色。  2 kHz 的峰值是第二個諧波,因為其是基本 (1 kHz) 倍為 2。  在這個 FFT 中,您可以看到高於雜訊位準的第 2^次、3^次、4^次、5^次、6^次、7^次、9^次和11^次諧波。
3. 查看基本 (最高峰值) 與諧波 (以基本數的整數倍數為單位的頻率) 之後,該頻譜的其他部分稱為「雜訊」。  下圖所示為橙色雜訊。

^{圖 2：彩色編碼 FFT 圖}

使用如圖 2 所示的 FFT,即可輕鬆說明失真量測。THD、THD+N 與 SINAD 是這些 3 個示意訊號 (基本訊號、諧波與雜訊) 的不同功率比。

• THD (總諧波失真)
  這是諧波訊號所造成的總訊號失真。諧波可定義為諧波內功率除以基本功率的比率。  請注意,這項量測作業會忽略雜訊。

THD = ∑功率 (諧波) /功率 (基本)

• THD + N 
  此規格與 THD 相同,但包含雜訊。  您可將 THD+N 想像為諧波訊號與雜訊所造成的整體訊號失真。

THD + N= ∑功率 (諧波) + ∑功率 (雜訊) /功率 (基本)

• 訊噪與失真比 (SINAD)
  最後一個常見的失真量測是 SINAD。  在此情況下,「訊號」指的是基本、諧波與雜訊的總和,而「失真」則是指只有諧波與雜訊的總和,以及基本。

SINAD = (功率 (基本) + ∑功率 (諧波) + ∑功率 (雜訊) )/ (∑功率 (諧波) + ∑功率 (雜訊))

以特定頻率 fs 取樣訊號時,只會在 FFT 中正確呈現低於或等於取樣率的一半的頻率成分 (<= fs/2)。 頻率大於 fs/2 的訊號將「失真」回傳至 0 與 fs/2 之間的頻帶。 如果發生失真訊號,則無法從頻外 (大於 fs/2) 訊號中判斷頻帶內 (0 至 fs/2) 的訊號。

為了避免訊號失真,並準確呈現 0 至 fs/2 頻帶中的頻率內容,NI 的 DSA 裝置實作了多倍取樣架構,可進行取樣率相關濾波 (隨著取樣率的變化,濾波器截頻也會變化)。 因此，DSA 裝置具有頻寬與失真拒斥規格，可避免訊號失真。
如需這些反失真濾波器的詳細資訊,請參閱《動態訊號取得使用者手冊》第 2 章的「類比輸入濾波器」一節。

如需完整的訊號失真說明,請參閱「取得類比訊號:頻寬、奈奎斯特取樣定理與失真。

一般而言,同步化對於 DSA 應用而言非常重要,因為同步化可在 2 至 10,000 個通道的系統中準確比較相位。相位比較對許多聲音與振動應用而言至關重要,包括雜訊對應。 隨著通道數增加,需要更多 DSA 裝置,且必須同步這些裝置。

同步化 DSA 裝置所需的步驟,會因特定裝置與平台而有所不同。教學課程將進一步說明同步化:Dynamic Signal Acquisition (DSA) Synchronization Basics 與《Dynamic Signal Acquisition User Manual》第 2 章。