다이나믹 신호 이해하기

다이나믹 신호 측정 장치는 매우 높은 동적 범위를 가진 신호의 주파수 성분을 정확하게 측정하도록 설계되었습니다. 또한 일반적으로 채널 간 긴밀한 동기화가 필요한 높은 채널 수와 위상 측정이 포함됩니다.

 

Accuracy and Flatness

 

Flatness 평탄도란 무엇입니까?

이상적인 조건에서 진폭 측정의 정확도는 입력 신호의 주파수에 의존하지 않습니다. 그러나 실제 측정 장치의 이상적이지 않은 특성으로 인해 신호의 측정 진폭은 주파수에 따라 약간 다를 수 있습니다. 아날로그 입력(AI) 평탄도는 디바이스의 측정 응답이 대역폭에 따라 어떻게 달라지는지를 측정한 것입니다.

완벽한 기기는 통과 대역 내에있는 한 사인파의 주파수에 관계없이 1Vpk 사인파를 정확히 1Vpk로 측정합니다. 그러나 완벽한 기기는 없으며 항상 주파수에 따라 약간의 진폭 변화를 볼 수 있습니다.

 

내쇼날인스트루먼트의 DSA 제품에 제공되는 아날로그 입력 평탄도 스펙은 1 kHz에서 디바이스의 측정과 비교하여 얼마나 많은 변동을 볼 수 있는지 알려줍니다. 아날로그 입력 평탄도는 상대적 정확도 사양입니다. 이는 게인 정확도 사양(1kHz와 관련이 있으며 사양 문서에 제공됨) 외에 볼 수 있는 게인 오류를 나타냅니다.

전체 측정 대역폭에서 절대 게인 오류를 알고 싶다면 아날로그 입력 게인 진폭 정확도 사양에 AI 평탄도를 추가해야 합니다.

아날로그 입력 평탄도를 측정하려면 관심 대역폭(20Hz에서 20kHz/45kHz/92.2kHz)에서 매우 정확한 사인파 진폭을 유지할 수 있는 함수 발생기가 필요합니다.

대역폭에서 이 함수 생성기를 스윕하면 1kHz에서 신호의 진폭을 참조하는 dB 단위의 지정된 AI 평탄도와 동일한 진폭 +/- 를 측정할 것으로 예상할 수 있습니다.

 

Dynamic Range

다이내믹 레인지란?

장치의 동적 범위는 일반적으로 dB로 표시되는 회로로 측정 할 수있는 가장 큰 신호와 가장 작은 신호의 비율입니다.

dB 단위의 동적 범위 = 20 * log10 (Vmax / Vmin)

대부분의 경우 장치의 풀 스케일 입력은 측정할 수 있는 가장 큰 신호이며 유휴 채널 입력 노이즈는 측정할 수 있는 가장 작은 신호를 결정합니다.

내쇼날인스트루먼트의 DSA 디바이스는 다이나믹 범위, 유휴 채널 노이즈 및 스펙트럼 노이즈 밀도를 지정하며, 모두 다이나믹 레인지 계산에 사용됩니다. 디바이스의 다이내믹 레인지를 측정하는 가장 쉬운 방법은 유휴 채널 노이즈를 측정하고 해당 측정값을 dB 풀 스케일로 변환하는 것입니다.

다이내믹 레인지는 DSA 장치를 선택할 때 고려해야 할 매우 중요한 양입니다. 종종 DSA 애플리케이션은 매우 큰 동적 범위를 가진 마이크와 가속도계 센서를 사용해야 합니다. 적절한 측정 장치를 선택하면 이러한 센서와 해당 범위의 충만 함을 활용할 수 있습니다.

장치 간의 동적 범위 사양을 비교할 때 측정 대역폭, 샘플 속도, 입력 범위 및 입력 톤이 동일한지 확인하는 것이 매우 중요합니다. 이들 중 하나라도 다를 경우 동적 범위 비교가 오해의 소지가 있습니다.

 

Distortion Specifications (THD, THD+N, SINAD)

DSA 하드웨어를 다룰 때 여러 왜곡 관련 사양이 발생할 가능성이 매우 높습니다.

이러한 측정값을 이해하려면 먼저 일반적인 FFT(고속 푸리에 변환) 그래프를 살펴보십시오.

그림 1: NI 446x 디바이스의 일반적인 FFT 플롯

 

FFT는 NI 446X 디바이스에서 51.2 kS/s의 샘플 속도로 1kHz에서 -1 dBFS (dB 풀 스케일) 진폭 사인파로 촬영되었습니다. 왜곡 측정에 대해 이야기 할 때이 FFT에는 고려해야 할 몇 가지 기능이 있습니다.

1. "기본"톤은 FFT의 최대 피크입니다. 아래 그림에서 이것은 1kHz의 입력 톤이며 아래 그림에서는 녹색으로 표시됩니다.
2. 기본 톤 후에는 "기본"의 정수 배수 인 주파수에서 여러 피크를 볼 수 있습니다. 이 피크는 기본의 배수이기 때문에 고조파 피크라고하며 아래 그림에서 빨간색으로 표시됩니다. 2kHz의 피크는 기본(1kHz) 곱하기 2이므로 두 번째 고조파입니다. 이 FFT에서 2nd, 3rd, 4th, 5th, 6th, 7th, 9th, and 11th 소음 수준 이상의 고조파.
3. 기본(최고 피크)과 고조파(기본의 정수배의 주파수)를 살펴본 후 나머지 스펙트럼을 "노이즈"라고 합니다. 소음은 아래 그림에서 주황색으로 표시됩니다.

그림 2: Color Coded FFT Plot

 

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

 

• THD 또는 총 고조파 왜곡
  이것은 고조파 신호로 인한 총 신호 왜곡입니다. 고조파의 전력을 기본의 전력으로 나눈 비율로 정의할 수 있습니다. 이 측정은 노이즈를 무시합니다.

THD = ∑ 전력 (고조파) / 전력 (기본)

 

• THD + N
  이 사양은 THD와 동일하지만 노이즈를 포함합니다. THD+N은 고조파 신호와 노이즈로 인한 총 신호 왜곡으로 생각할 수 있습니다.

THD + N = ∑전력(고조파) + ∑전력(노이즈)) / 전력(기본)

 

• SINAD 또는 신호 대 잡음 및 왜곡 비율
  일반적인 왜곡 측정의 마지막은 SINAD입니다. 이 경우 "신호"는 기본, 고조파 및 잡음의 합을 의미하고 "왜곡"은 기본과 함께 고조파와 잡음의 합을 나타냅니다.

SINAD = (전력 (기본) + ∑전력 (고조파) + ∑전력 (노이즈)) / (∑전력 (고조파) + ∑전력 (노이즈))

 

Signal Aliasing

주어진 주파수 fs에서 신호를 샘플링할 때 샘플 속도의 절반보다 작거나 같은 주파수 성분만 FFT(<= fs/2)에서 올바르게 표시됩니다. 주파수가 fs/2보다 큰 신호는 0과 fs/2 사이의 주파수 대역으로 다시 "앨리어싱"됩니다. 신호 앨리어싱이 발생하면 대역 외(fs/0보다 큼) 신호와 대역 내(2에서 fs/2까지) 신호를 구분할 방법이 없습니다.

신호 앨리어싱을 방지하고 0에서 fs/2 대역의 주파수 내용을 정확하게 표현하기 위해 내쇼날인스트루먼트의 DSA 디바이스는 샘플 속도 종속 필터링을 허용하는 오버샘플링 아키텍처를 구현합니다 (샘플 속도가 변경되면 필터의 차단 주파수도 변함). 따라서 DSA 장치에는 신호가 앨리어싱되지 않도록 하는 대역폭 및 별칭 제거 사양이 있습니다.

 

Synchronization

일반적으로 동기화는 2개에서 10,000개 채널 범위의 시스템에서 채널 간의 정확한 위상 비교를 허용하기 때문에 DSA 애플리케이션에서 중요합니다. 위상 비교는 노이즈 매핑을 포함한 많은 소음 및 진동 응용 분야에서 중요합니다. 채널 수가 증가함에 따라 더 많은 DSA 장치가 필요하며 이러한 장치를 동기화해야 합니다.