Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak wykorzystać szum termiczny w pomiarze na naszą korzyść?

ghost666 18 Paź 2013 15:20 3456 1
  • Szum termiczny w pomiarach analogowych jest zazwyczaj wartością pasożytniczą, wpływającą negatywnie na pomiar. W związku z tym powinno się go unikać za wszelką cenę w naszych urządzeniach. Filtrowanie wejścia, odpowiednie projektowanie płytki drukowanej i schematu prowadzenia masy to krytyczne czynności które trzeba wykonać aby zaprojektować poprawny układ analogowy. Mimo wszystko zawsze w sygnale otrzymamy pewną wartość szumu termicznego o rozkładzie Johnsona-Nyquista oraz szumu migotania (szum różowy) i jest to prawdziwe dla każdego układu analogowego.

    Dodatkowym źródłem szumów w wielu systemach jest szum kwantyzacji który bardzo często przewyższa swoją amplitudą szum termalny i pochodzący z innych źródeł. Sygnał ulega kwantyzacji podczas konwersji analogowo-cyfrowej w układzie. Poniższy wykres prezentuje szum kwantyzacji w ekstremalnym przypadku wykorzystania przetwornika analogowo-cyfrowego o rozdzielczości 4 bitów na wejście którego podano przebieg sinusoidalny.

    Jak wykorzystać szum termiczny w pomiarze na naszą korzyść?


    Kiedy do pomiaru odległości wykorzystujemy linijkę, to w zasadzie odczytując odległość liczymy ilość działek na linijce odpowiadającą konkretnej długości. A co jeżeli mierzony przedmiot kończy się pomiędzy dwoma działkami? Musimy dokonać decyzji do której działki mu bliżej i taki wynik podać. Błąd który wnosimy do pomiaru zaokrąglając pomiar do pełnych działek jest dobrą fizyczną interpretacją szumu kwantyzacji powstającego w przetworniku ADC.

    Wszystkie układy ADC robią tak z napięciem wejściowym. Zaokrąglają one napięcie wejściowe do skończonej liczby poziomów. Liczba tych poziomów zależna jest od rozdzielczości wykorzystanego przetwornika. Charakterystyki przetworników ADC delta-sigma generalnie wykazują się minimalnym szumem termicznym i szumem migotania. W większości układów o rozdzielczości 16 bitów i mniejszej szum termiczny ma znacznie mniejszą amplitudę niż szum wynikający z zaokrąglania (czyli kwantyzacji) sygnału wejściowego.

    W przypadku takich przetworników dla niewielkich częstotliwości przebiegu danych niemalże nie obserwuje się zmiany wartości cyfrowej. W zasadzie całą zmienność w sygnale wyjściowym (cyfrowym) takiego układu wynika z szumu kwantyzacji przebiegu. W większości aplikacji taka dokładność jest zupełnie wystarczająca. Jednakże możemy poprawić działanie układu, a nawet osiągnąć wyższą niż 16 bitowa rozdzielczość, nawet pomimo tego że korzystamy z układu o teoretycznej rozdzielczości 16 bitów. Jak? dodając szum do sygnału!

    Poprzez dodanie do sygnału szumu losowego o rozkładzie normalnym LSB wyjścia zacznie migotać. Proces ten nazywa się ditherem. Jeśli uśrednimy migotanie wartości wyjściowej ADC w czasie, po szeregu pomiarów, rezultat uśredniania zbliży się do rzeczywistej wartości napięcia wejściowego. Tak otrzymany rezultat będzie dokładniejszy niż wartość pojedynczego pomiaru bez dodanego szumu na wejściu, który powodować będzie migotanie wyjścia.





    Doskonałym sposobem na zrealizowanie tego wykorzystując 16 bitowy przetwornik ADC jest zwiększenie częstotliwości próbkowania do takiego poziomu przy którym zaobserwujemy migotanie LSB. Poniższy wykres obrazuje przykład danych otrzymanych w ten właśnie sposób. Zwiększenie szumów w układzie poprzez zwiększenie częstotliwości próbkowania pozwala na otrzymanie większej dokładności pomiaru przy jednoczesnym utrzymaniu takiej samej częstotliwości próbkowania (efektywnej, to jest po uśrednianiu).

    Jak wykorzystać szum termiczny w pomiarze na naszą korzyść?


    Wykonywanie uśredniania jest bardzo proste. Na przykład, korzystając z 16 bitowego przetwornika ADS1118 przy próbkowaniu z prędkością ośmiu próbek na sekundę w większości przypadków otrzymamy stabilny sygnał cyfrowy na wyjściu, bez migotania kodu wyjściowego. W takim przypadku błąd pomiaru zdominowany jest przez szum kwantyzacji. Jeśli natomiast ADC pracować będzie z prędkością 128 próbek na sekundę jest dostatecznie dużo szumu który wygeneruje pożądane migotanie wyjścia i po uśrednieniu da nam dokładniejszy pomiar. Wykorzystując prosty mikrokontroler możemy uśredniać po 15 próbek z przetwornika, akumulując poszczególne próbki. Dzielenie jest bardzo proste, gdyż liczba próbek jest potęgą dwójki, zatem dzielenie wymaga prostych operacji bitowych - przesunięcia wyniku o cztery bity w prawo. Dodatkowo daje nam to 4 bity użytecznej rozdzielczości gratis. Wszystko dzięki odrobinie szumu w sygnale.
    Źródła:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/precisiondesignshu...w-to-use-thermal-noise-to-your-advantage.aspx


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 28 Paź 2013 00:22
    alagner
    Poziom 25  

    [quoute]15 próbek [/quoute]
    chyba 16 ;)

  Szukaj w 5mln produktów