Labormesstechnik
Was hohe Digitizer-Auflösung bringt
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Rauschen und Verzerrung minimieren
Die Minimierung der Verzerrungen ist die Hauptaufgabe eines Digitizer-Entwicklers. Nichtlinearität, harmonische Verzerrung und andere Ursachen von Verzerrungen müssen bereits bei der Entwicklung reduziert werden. Der Anwender hat wenig Einfluss auf die Minimierung von Verzerrungen. Einzig kann er eine Übersteuerung des Digitizer vermeiden.
Hier einige einfache Tipps für den Anwender:
- Maximieren Sie das zu analysierende Signal im Eingangsbereich des Digitizer. Dadurch wird der Signal-Rausch-Abstand maximiert. Digitizer mit mehreren Eingangsbereichen erleichtern dies. Stellen Sie jedoch sicher, dass der Rauschpegel nicht mit der Eingangsverstärkung skaliert.
- Verwenden Sie die kleinste Mess-Bandbreite, die mit der Anwendung vereinbar ist. Der Rauschpegel verhält sich proportional zur Bandbreite. Dies kann durch eine Beschränkung der Eingangsbandbreite oder durch digitales Filtern erreicht werden.
- Verwenden Sie Signalverarbeitungsverfahren wie Signalmittlung, um den Rauschpegel proportional zur Zahl der gemittelten Messungen zu verringern. Bedenken Sie, dass dazu ein wiederholbares Signal und mehrere Erfassungen nötig sind.
- Verwenden Sie für Signale mit niedrigem Pegel externe rauscharme Verstärker, um den Signalpegel zu verstärken und den Signal-Rausch-Abstand zu maximieren.
- Verwenden Sie den richtigen Abschlusswiderstand für den gesamten Signalpfad. Für eine hohe Bandbreite ist ein Abschlusswiderstand von 50 Ω für Signalquelle, Verkabelung und Digitizer eine gute Wahl.
Leistungskennzahlen bei Rauschen und Verzerrung
Kennzahlen sind Messungen, für die allgemein gültige Definitionen existieren, so dass numerische Werte direkt die Qualität des beschriebenen Messsystems widerspiegeln. Tabelle 2 beschreibt in diesem Zusammenhang häufige Kennzahlen, die für Digitizer angewendet werden.
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| Kennzahl | Abkürzung | Beschreibung |
|---|---|---|
| Grundrauschen | RMS-Rauschpegel ohne angelegtes Signal, ausgedrückt in Volt. | |
|
Gesamte harmonische Verzerrung (Total Harmonic Distortion) |
THD | Das Verhältnis der Effektivwert-Summe der signifikanten harmonischen Oberwellen zum Effektivwert der Grundfrequenz, ausgedrückt in dB |
| Signal-Rausch-Abstand (Signal to Noise Ratio) | SNR |
Das Verhältnis der Effektivwert-Signalamplitude zur Effektivwert-Summe aller anderen spektralen Komponenten, abgesehen von Verzerrungen und Offset-Fehlern, ausgedrückt in dB. |
| Signal-Rausch- und Verzerrungsabstand (Signal to Noise and Distortion Ratio) | SINAD THD+N | Das Verhältnis des Effektivwert-Signals zur Effektivwert-Summe aller anderen spektralen Komponenten, einschließlich der harmonischen Oberwellen, unter Ausschluss der Gleichstrom-Komponenten, ausgedrückt in dB. |
| Effektive Anzahl von Bits (Effective Number of Bits) | ENOB | ENOB ist die Anzahl der Bits in einem Digitizer, die denselben SINAD-Wert erzeugen wie ein System, dessen einzige Rauschquelle die Quantisierung selbst ist. |
| Störungsfreier Dynamikbereich (Spurious Free Dynamic Range) | SFDR | Das Verhältnis der Effektivwert-Signalfrequenzkomponenten zum Effektivwert der nächstgrößeren spektralen Komponente, ausgedrückt in dB. |
Tabelle 2. Häufige Kennzahlen, die für Digitizer angewendet werden
Abgesehen vom Grundrauschen basieren diese Kennzahlen auf der Analyse des Frequenzbereichs des Digitizer-Output bei sinusförmigem Eingang. Diese Kennzahlen werden in den IEEE-Normen 1057 und 1241 definiert. Die meisten Hersteller von Digitizern spezifizieren diese Werte in ihren Datenblättern. Beim Vergleichen der Kennzahlen muss sichergestellt werden, dass sie für dieselbe Eingangsfrequenz, Eingangsamplitude, Abtastrate und Bandbreite spezifiziert sind.
Anwendungen mit großem Dynamikbereich
Anwendungen für Digitizer mit großem Dynamikbereich und folglich auch einer größeren Auflösung zeichnen sich dadurch aus, dass die vorliegenden Signale sowohl Anteile mit hoher als auch mit niedriger Amplitude umfassen. Typische Anwendungen sind
- Echomessung – Echomessverfahren wie Radar, Sonar, Lidar, Ultraschall und bildgebende Verfahren in der Medizin. Bei diesen Anwendungen folgt auf einen starken gesendeten Puls ein sehr viel schwächeres Echo. Hier muss der Digitizer fähig sein, beide Amplitudensignale genau zu verarbeiten.
- Messung der Welligkeit – Diese erfordert die Messung von Signalen mit hohen Offset-Werten und kleinen Variationen auf dem Offset. Beide Effekte müssen dargestellt werden.
- Modulationsanalyse – Diese Signale mit Amplitudenmodulation (AM, SSB, QAM usw.) weisen eine große Variation von Signalamplituden auf.
- Massenspektrometrie – Hier müssen Partikel mit deutlich unterschiedlichen Masse-zu-Ladung-Verhältnissen erfasst werden oder die Empfindlichkeit des Massenspektrometers muss verbessert werden.
- Phasenmessungen – Hier ist die Messung von sehr geringen Amplitudenunterschieden erforderlich, um zwischen geringen Phasenunterschieden unterscheiden zu können.
- Ausbreitungsuntersuchungen – Die Messung der Signalpfaddämpfung über verschiedene Pfade und durch verschiedene Medien führt hier häufig zu einer großen Bandbreite bei den Amplitudenwerten.
- Komponententests – Hier müssen oft große Spannungs- oder Stromabfälle dargestellt werden.
- Was hohe Digitizer-Auflösung bringt
- Einschränkungen bei maximaler Auflösung
- Rauschen und Verzerrung minimieren
- Messbeispiel
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