一種使用Python來(lái)分析混合模式信號(hào)鏈中噪聲的簡(jiǎn)單方法
簡(jiǎn)介
混合模式信號(hào)鏈無(wú)處不在。簡(jiǎn)單地說(shuō),任何將真實(shí)世界的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子表示(然后數(shù)字化)的系統(tǒng)都可以被歸類(lèi)為混合模式信號(hào)鏈。在信號(hào)鏈的每個(gè)點(diǎn)上,信號(hào)都以各種方式降級(jí),從特征來(lái)看,可能是出現(xiàn)一定程度的失真,或是出現(xiàn)相加噪聲。在進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域之后,對(duì)數(shù)字化數(shù)據(jù)的處理也不是完美的,但至少,實(shí)際上可以不受許多影響模擬信號(hào)的因素的影響——部件公差、溫度漂移、鄰近信號(hào)的干擾或電源電壓變化。
隨著行業(yè)不斷擴(kuò)展物理限制,有一點(diǎn)是肯定的:儀器儀表的模擬和混合信號(hào)部件始終存在可改進(jìn)的空間。如果市場(chǎng)上出現(xiàn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)在速度、噪音、功率、精度或價(jià)格方面都表現(xiàn)出色,制造商會(huì)很樂(lè)意用其來(lái)解決現(xiàn)有問(wèn)題,然后要求進(jìn)行更多改進(jìn)。但是,為了給客戶(hù)應(yīng)用提供最佳的采集系統(tǒng),就必須了解每種部件的限制,然后做出相應(yīng)選擇。
本教程ADI將側(cè)重介紹單個(gè)信號(hào)鏈元件的噪聲,(可視作轉(zhuǎn)換器連接教程的續(xù)篇1,2),并使用Python/SciPy3和LTspice?來(lái)模擬這些噪聲。然后,使用Python,通過(guò)libm2k和Linux?工業(yè)輸入輸出(IIO)框架來(lái)驅(qū)動(dòng)ADALM2000多功能測(cè)試儀器來(lái)驗(yàn)證模擬結(jié)果。關(guān)于源代碼和更多討論,請(qǐng)參見(jiàn)配套的主動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室練習(xí)。
一種通用的混合模式信號(hào)鏈
圖1顯示了在精密儀器應(yīng)用中很典型的一種通用信號(hào)鏈,提供物理輸入和數(shù)字輸出。目前有許多關(guān)于ADC的背景參考資料4,大部分讀者都知道,ADC會(huì)在某個(gè)時(shí)點(diǎn)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣(或測(cè)量某個(gè)觀察時(shí)間段內(nèi)信號(hào)的平均值),并生成該信號(hào)的數(shù)值表示,通常是二進(jìn)制數(shù)值,其值介于0和2(N – 1)之間,N表示輸出字的位數(shù)。
圖1 在混合模式信號(hào)鏈中,會(huì)將一些物理現(xiàn)象(例如溫度、光強(qiáng)度、pH值、力或扭矩)轉(zhuǎn)換為電氣參數(shù)(電阻、電流或直接轉(zhuǎn)換為電壓)。然后,該信號(hào)被放大,受到低通濾波,然后被ADC數(shù)字化,ADC中可能包含內(nèi)部數(shù)字濾波
ADC噪聲源
雖然圖1中有多個(gè)噪聲源,但有一個(gè)經(jīng)常被忽略,或是被過(guò)分強(qiáng)調(diào),即ADC數(shù)字輸出的位數(shù)。以前,人們將ADC的位數(shù)視為評(píng)斷品質(zhì)的終極指標(biāo),認(rèn)為16位轉(zhuǎn)換器比14位轉(zhuǎn)換器好出4倍。5但在現(xiàn)在的高分辨率轉(zhuǎn)換器中,位數(shù)幾乎可以忽略。注意,信號(hào)鏈設(shè)計(jì)要奉行一條一般原則:“某一級(jí)的輸入噪聲應(yīng)在一定程度上低于前一級(jí)的輸出噪聲。”
與信號(hào)鏈一樣,ADC內(nèi)部通常也有一個(gè)噪聲源占主導(dǎo)。所以,如果對(duì)N位ADC應(yīng)用無(wú)噪聲信號(hào):
■ 要么得出單個(gè)輸出代碼,要么得出兩個(gè)相鄰的輸出代碼,然后量化噪聲占主導(dǎo)地位。信噪比(SNR)不會(huì)大于(6.02N + 1.76)dB。6
■ 多個(gè)輸出代碼呈高斯分布,熱噪聲源占主導(dǎo)地位。SNR不會(huì)大于:
其中:VIN(p-p)表示滿(mǎn)量程輸入信號(hào)。α表示以電壓為單位的輸出代碼的標(biāo)準(zhǔn)偏差。
分辨率很高的轉(zhuǎn)換器(例如AD7124-8,稍后會(huì)用作示例)很少受量化噪聲限制;在所有增益/帶寬設(shè)置中,熱噪聲占主導(dǎo)地位,短路輸入始終會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生按高斯分布分布的輸出代碼。圖2顯示24位Σ-Δ ADC AD7124-8的接地輸入直方圖,內(nèi)部可編程增益放大器(PGA)分別設(shè)置為1和128。
圖2 在PGA增益為1時(shí)(左側(cè)),AD7124輸出噪聲中顯示13個(gè)代碼,標(biāo)準(zhǔn)偏差為約2.5個(gè)代碼。當(dāng)量化噪聲可見(jiàn)時(shí),熱噪聲更為顯著。在PGA增益為128時(shí)(右側(cè)),顯示187個(gè)代碼,量化噪聲是無(wú)關(guān)緊要的。截?cái)嘁粋€(gè)或兩個(gè)最低有效位(雙倍或四倍量化噪聲)不會(huì)導(dǎo)致信息丟失
模擬和測(cè)量ADC噪聲
模擬熱噪聲受限的ADC的噪聲是很簡(jiǎn)單的。如果噪聲“表現(xiàn)正?!保ㄈ鐖D2所示,呈高斯分布),且在ADC的輸入范圍內(nèi)保持恒定,即可使用NumPy7的隨機(jī)正常函數(shù)來(lái)模擬ADC的時(shí)域噪聲,然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證,如圖3所示。
圖3 使用NumPy模擬高斯噪聲
圖4 ADALM2000是一款多功能USB測(cè)試儀器,具有兩個(gè)通用模擬輸入和兩個(gè)輸出,采樣率分別為100 MSPS和150 MSPS。它可以作為簡(jiǎn)單的信號(hào)源,用于測(cè)量ADC噪聲帶寬和濾波器響應(yīng)。運(yùn)行支持AD7124器件驅(qū)動(dòng)器支持的內(nèi)核的樹(shù)莓派4作為AD7124和主機(jī)之間的簡(jiǎn)單橋梁
AD7124設(shè)備驅(qū)動(dòng)器在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IIO框架之內(nèi),該框架具有完善的軟件API(包括Python捆綁)。應(yīng)用代碼可以在本地(在樹(shù)莓派上)運(yùn)行,也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、串行或USB連接在遠(yuǎn)程機(jī)器上運(yùn)行。此外,pyadi-iio8抽象層負(fù)責(zé)與IIO器件進(jìn)行連接所需的大部分樣板的設(shè)置,極大地簡(jiǎn)化了軟件接口。圖5顯示如何打開(kāi)AD7124-8的連接,進(jìn)行配置,捕捉一個(gè)數(shù)據(jù)塊,然后關(guān)閉連接。
圖5 AD7124-8基本數(shù)據(jù)捕捉
建立與AD7124-8的通信之后,可以執(zhí)行非常簡(jiǎn)單,但非常有用的測(cè)試:直接測(cè)量輸入噪聲。簡(jiǎn)單地讓ADC的輸入短路,然后查看ADC代碼的分布,這是確定信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的一個(gè)非常有用的步驟。AD7124的輸入模式設(shè)置為單極性,所以只有正值是有效的;圖6所示的測(cè)試電路確保輸入始終為正值。
圖6 使用一個(gè)電阻分壓器在AD7124-8的輸入中生成1.25mV偏置,克服15μV最大失調(diào)電壓,確保ADC的讀數(shù)始終為正
圖7顯示兩個(gè)1024點(diǎn)的測(cè)量值。下方的(藍(lán)色)線條是在初次通電后立即獲取的。
圖7 兩次AD7124-8數(shù)據(jù)捕捉是在采用1.25mV偏置的情況下進(jìn)行的。下面的線條顯示在通電后,電路升溫時(shí)的初始漂移。上面的線條顯示在半個(gè)小時(shí)升溫后,讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定
“漂移”可能是由許多因素造成的——內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源升溫、外部電阻升溫(因此漂移),或者是因?yàn)榧纳鸁犭娕?,在熱電偶中,稍微不同的金屬?huì)在存在熱梯度的情況下產(chǎn)生電壓。升溫后測(cè)量到的噪聲為約565nV rms,與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的噪聲規(guī)格相當(dāng)。
用密度表示ADC噪聲
如果所有元件都包括噪聲密度規(guī)格(大部分明確規(guī)定的傳感器和幾乎所有的放大器都如此要求),模擬信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的一般原則(某一級(jí)的輸入噪聲應(yīng)在一定程度上低于前一級(jí)的輸出噪聲)將是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的計(jì)算。
與放大器和傳感器不同,ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)通常不包括噪聲密度規(guī)格。用密度表示ADC的噪聲之后,可以直接與模擬信號(hào)鏈的最后一個(gè)元件的輸出噪聲進(jìn)行比較,它可能是ADC驅(qū)動(dòng)器級(jí),是增益級(jí),或是傳感器本身。
ADC的內(nèi)部噪聲必然會(huì)出現(xiàn)在DC和采樣率的一半之間。理想情況下,該噪聲是扁平的,或者至少是可預(yù)測(cè)的形狀。事實(shí)上,由于ADC的總噪聲分布在已知帶寬上,所以可以將其轉(zhuǎn)換成噪聲密度,然后直接與信號(hào)鏈的其他元件進(jìn)行比較。精密轉(zhuǎn)換器的總噪聲通常會(huì)直接給出,單位為Vrms:
其中eRMS表示總有效值噪聲,根據(jù)代碼的接地輸入直方圖的標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行計(jì)算。
用正弦信號(hào)測(cè)試和表征的更高速度的轉(zhuǎn)換器通常包含SNR規(guī)格。如果提供,可使用以下公式計(jì)算總有效值噪聲:
其中ADCp-p是ADC的峰峰值輸入范圍??梢允褂靡韵鹿接?jì)算等效噪聲密度:
其中fS表示ADC采樣速率,單位為樣本/秒。
在128SPS的數(shù)據(jù)速率下,在升溫后圖7的總噪聲為565nV。噪聲密度約為:
ADC現(xiàn)在可以直接納入信號(hào)鏈噪聲分析中,為優(yōu)化信號(hào)鏈增益提供了指導(dǎo)。
■ 增加增益,只要到達(dá)“ADC之前的最后一個(gè)級(jí)的噪聲密度比ADC的噪聲密度高一位”的點(diǎn),即停止。切勿再增加信號(hào)鏈增益——這只會(huì)放大噪聲,并減小允許的輸入范圍。
這與“填補(bǔ)”ADC的輸入范圍的傳統(tǒng)智慧背道而馳。如果ADC的轉(zhuǎn)換函數(shù)中存在步進(jìn)或斷續(xù),超出ADC的輸入范圍可能會(huì)有好處,但對(duì)于“表現(xiàn)正常”的ADC(大多數(shù)Σ-Δ ADC和現(xiàn)代的高分辨率逐次逼近寄存器(SAR) ADC)來(lái)說(shuō),通過(guò)噪聲進(jìn)行優(yōu)化是首選方法。
測(cè)量ADC濾波器響應(yīng)
AD7124-8是一個(gè)Σ-Δ ADC,其中調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生高采樣率,但噪聲大(低分辨率),表示模擬輸入。這些噪聲很大的數(shù)據(jù)然后被內(nèi)部數(shù)字濾波器過(guò)濾,產(chǎn)生更低速率、更低噪聲的輸出。濾波器的類(lèi)型因ADC而異,具體由預(yù)期的最終應(yīng)用決定。AD7124-8是針對(duì)精密應(yīng)用的通用器件。因此,數(shù)字濾波器響應(yīng)和輸出數(shù)據(jù)速率是高度可配置的。雖然數(shù)據(jù)手冊(cè)中明確定義了濾波器響應(yīng),但有時(shí)可能需要測(cè)量濾波器對(duì)給定信號(hào)的影響。AD7124-8濾波器響應(yīng)代碼塊(參見(jiàn)圖9)通過(guò)將正弦波應(yīng)用到ADC輸入并分析輸出來(lái)測(cè)量濾波器響應(yīng)。該方法適用性高,可用于測(cè)量其他波形——子波和模擬的物理事件。ADALM2000連接至AD7124-8電路,如圖8所示。
圖8 ADALM2000波形發(fā)生器用于生成一定范圍的正弦波頻率,以直接測(cè)量AD7124-8的濾波器響應(yīng)。雖然腳本將正弦波幅度和偏移設(shè)置為安全水平,1kΩ電阻可以在功能故障時(shí)保護(hù)AD7124-8。(ADALM2000的輸出電壓范圍為–5V至+5V,而AD7124-8的絕對(duì)最大限值為-0.3V和+3.6V。)
AD7124-8濾波器響應(yīng)代碼塊(參見(jiàn)圖9)將設(shè)置ADALM2000的波形發(fā)生器,生成10Hz正弦波,捕捉1024個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),計(jì)算rms值,然后將結(jié)果附加到列表中。send_sinewave和capture_data是實(shí)用函數(shù),分別用于發(fā)送一個(gè)正弦波到ADALM2000和接收來(lái)自AD7124的數(shù)據(jù)塊。2 接著,它將頻率步進(jìn)增加,直到達(dá)到120Hz,然后給出圖10所示的結(jié)果。
圖9 ADALM2000的濾波器響應(yīng)框圖
圖10 在64 SPS、sinc4模式下測(cè)量AD7124濾波器的響應(yīng),顯示濾波器的通帶、第一個(gè)波瓣和前兩個(gè)零位
當(dāng)測(cè)量高衰減值需要一個(gè)更安靜和更低失真的信號(hào)發(fā)生器時(shí),在此設(shè)置下,前幾個(gè)主要波瓣的響應(yīng)是明顯的。
模擬ADC濾波器
測(cè)量ADC的濾波器響應(yīng)的能力是一項(xiàng)實(shí)用的平臺(tái)驗(yàn)證工具。但是,要完全模擬信號(hào)鏈,需要濾波器的模型。關(guān)于這一點(diǎn),許多轉(zhuǎn)換器(包括AD7124-8)沒(méi)有明確指明,但可以根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的信息逆向設(shè)計(jì)得出可用的模型。
注意,以下只是AD7124-8濾波器的模型;不是位精準(zhǔn)的表示。請(qǐng)參考AD7124-8數(shù)據(jù)手冊(cè)查看所有保證參數(shù)。
AD7124的濾波器都具有由各種sinc函數(shù)組成的頻率響應(yīng)(頻率響應(yīng)與(sin{f}/f)N成正比)。這些濾波器易于構(gòu)建,在零位已知的情況下可以逆向設(shè)計(jì)。
圖11顯示AD7124-8的10Hz陷波濾波器。還提供高階sinc3和sinc4濾波器的各種組合。
濾波器的脈沖(時(shí)域)形狀如圖14所示。濾波器系數(shù)(tap)值被標(biāo)準(zhǔn)化,以得出零頻率時(shí)的單位(0dB)增益。
圖11 AD7124-8 10 Hz陷波濾波器具有sinc1幅度響應(yīng);濾波器的脈沖響應(yīng)只是100 ms時(shí)間間隔內(nèi)樣本的未加權(quán)(矩形)平均值
圖12中顯示的同步50Hz/60Hz拒波濾波器是一個(gè)重要示例。此濾波器用于強(qiáng)烈抑制來(lái)自交流電源線的噪聲,可能是50Hz(與歐洲一樣),或者是60Hz(與美國(guó)一樣)。
圖12 AD7124-8 50Hz/60Hz拒波濾波器響應(yīng)是50Hz sinc3濾波器和60Hz sinc1濾波器的組合
可以通過(guò)對(duì)sinc1濾波器進(jìn)行卷積來(lái)生成更高階的sinc濾波器。例如,將兩個(gè)sinc1濾波器(在時(shí)間上有一個(gè)矩形脈沖響應(yīng))進(jìn)行卷積將得到一個(gè)三角脈沖響應(yīng)和一個(gè)相應(yīng)的sinc2頻率響應(yīng)。AD7124濾波器代碼塊(參見(jiàn)圖13)生成一個(gè)sinc3濾波器,在50Hz時(shí)為零,然后添加第四個(gè)濾波器,在60Hz時(shí)為零。
圖13 適用于50Hz/60Hz sinc濾波器的AD7124-8代碼示例
濾波器的脈沖(時(shí)域)形狀如圖14所示。濾波器系數(shù)(tap)值被標(biāo)準(zhǔn)化,以得出零頻率時(shí)的單位(0dB)增益。
圖14 對(duì)矩形脈沖響應(yīng)進(jìn)行反復(fù)卷積,得到三角形響應(yīng),然后是類(lèi)高斯脈沖響應(yīng)
最后,可以使用NumPy的freqz函數(shù)計(jì)算頻率響應(yīng),如圖16所示。響應(yīng)如圖15所示。
圖15 將sinc3 50Hz陷波濾波器與sinc1 60Hz濾波器進(jìn)行卷積,將產(chǎn)生強(qiáng)烈抑制50Hz和60Hz的復(fù)合響應(yīng)
圖16 AD7124-8代碼示例,適用于帶sinc 60Hz濾波器的sinc3 50Hz陷波濾波器
無(wú)可避免:傳感器的基本限制
所有傳感器,無(wú)論多么完美,都有最大輸入值(和對(duì)應(yīng)的最大輸出,可能是電壓、電流、電阻,甚至是刻度位置)和一個(gè)有限的本底噪聲——即使輸入完全靜止,輸出也存在“波動(dòng)”。在有些情況下,提供電力輸出的傳感器可能包含具有有限電阻(更廣泛一點(diǎn),阻抗)的元件,在圖17中,RSENSOR表示該電阻。這代表一個(gè)無(wú)法改善的基本噪聲限值,此電阻會(huì)生成en(RMS)噪聲電壓,最小值為:
其中:eN (RMS)表示總噪聲。K表示波爾茲曼常數(shù)(1.38e-23 J/K)。T表示電阻的絕對(duì)溫度(開(kāi)氏度)。F2和F1表示相關(guān)頻段的上限和下限。將帶寬標(biāo)準(zhǔn)化至1Hz,以V/√Hz為單位表示噪聲密度。
傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)可能給出低輸出電阻(通常接近0Ω),但這可能是個(gè)緩沖級(jí),可以簡(jiǎn)化與下游電路之間的連接,但無(wú)法消除信號(hào)鏈前面部分的電阻導(dǎo)致的噪聲。
圖17 傳感器通常包括一個(gè)內(nèi)部緩沖器,用于簡(jiǎn)化與下游電路的連接。當(dāng)輸出阻抗很低(通常接近0 Ω)時(shí),來(lái)自高阻抗檢測(cè)元件的噪聲與信號(hào)一起被緩沖
還有許多其他的傳感器限制——機(jī)械的、化學(xué)的、光學(xué)的,每個(gè)傳感器都有自己的理論限制,我們可以模擬其影響,之后再進(jìn)行補(bǔ)償。但噪聲是唯一無(wú)法彌補(bǔ)的缺陷。
評(píng)論