Максимально допустимый шум входного сигнала АЦП

У меня есть вопрос о расчете максимально допустимого шума для каскада формирования сигнала АЦП.

У меня есть существующий этап формирования сигнала, а также АЦП на микроконтроллере.

Я хотел бы использовать существующий этап и рассчитать максимально допустимый шум на входном сигнале, чтобы сохранить ошибку менее 1 LSB.

Тем не менее, у меня немного проблемы с математикой.

АЦП имеет следующие характеристики:

  • ENOB: 10 бит

  • Отношение сигнал-шум: 60 дБ

  • Диапазон ввода: 0 - 5 В

  • Максимальная частота дискретизации: 1 Мбит/с

Входной сигнал имеет следующие характеристики, но шум зависит от используемого датчика:

  • Полоса пропускания: 150 Гц

  • Амплитуда FS: 9 В пик-пик

Существующий каскад формирования сигнала имеет затухание 0,5.

До сих пор я сделал следующие математические расчеты, используя эту техническую статью Analog Devices:

Семь шагов к успешному преобразованию аналогового сигнала в цифровой

Вход АЦП р М С "=" 4,5 2 2 "=" 883 м В
Шум АЦП р М С "=" 883 м в 10 60 10 "=" 883 мю В

Плотность шума АЦП "=" 883 мю В 1 2 ф с а м п л е "=" 883 мю В 500 К ЧАС г "=" 1,24 мю В ЧАС г

Теперь этап формирования сигнала имеет следующую нелинейную спектральную плотность шума, полученную с помощью моделирования шума LTSpice:

V (шум)

Интегрируя это с полосой пропускания 150 Гц, мы получаем 926,67 нВ.

Отсюда мой вопрос: как я могу связать эти два значения и рассчитать максимально допустимый входной шум?

Могу ли я просто предположить, что входной шум должен быть на порядок выше, чем квадратный корень суммы (RSS) этих двух плотностей шума? Я пропустил что-то критическое?

Если есть какая-либо другая информация, которую я могу предоставить, пожалуйста, дайте мне знать.

Чего здесь явно не хватает, так это вашей цели для полученной информации.
@ChrisStratton Определение требований к шуму для входных сигналов/ступеней обработки при работе с существующим оборудованием.
Но вы не указали требования, а только некоторые проблемы, связанные с достижением неустановленного требования.
Я думаю, что Крис мог бы понять, что вы не сказали, что ваш максимально допустимый шум в АЦП составляет 1 младший бит.
@ChrisStratton Ну, тогда, может быть, я что-то упускаю. Я постарался дать как можно больше информации о шуме в каскаде формирования сигнала и АЦП. Я просто не уверен, как вернуться назад и получить максимально допустимый входной шум, чтобы сохранить целостность преобразования, и есть ли общие рекомендации относительно того, насколько выше минимального уровня шума должен быть входной сигнал.
@Toor Итак, вот чего мне не хватает. Спасибо, что не задели меня расплывчатыми, снисходительными комментариями...
Помогает ли № 2 из этого СПИСКА МИФОВ? Analog.com/ru/technical-articles/…
АЦП, безусловно, имеет шум квантования; АЦП также имеет внутреннюю схему, которая вносит случайный тепловой шум и шум 1/F; АЦП, вероятно, имеет конденсатор выборки/хранения; 10pF SH Cap будет иметь шум 20UV rms. Аналоговые компараторы, используемые в процессе принятия решения, добавляют свой собственный случайный тепловой шум. А POWER SUPPLY TRASH на выводе ADC VDD будет проблемой

Ответы (1)

БАЗОВЫЙ ШУМ

Вопрос в том, хотите ли вы, чтобы уровни шума были достаточно высокими, чтобы переключать младший значащий бит (LSB) между состояниями ON и OFF без подачи управляемого сигнала? Десять бит дают соотношение 1024 от полного ВЫКЛ. до полного ВКЛ. (насыщение). 5 вольт/1024 дает вам 4,88 мВ на LSB, и значение увеличивается на эту величину с увеличением скалярных входных данных. Для цифрового дисплея у вас есть диапазон от 000 до 999. До некоторой степени дополнительные «24» счета действуют как пол, чтобы похоронить базовый шум. Это поможет предотвратить дрожание младшей значащей цифры (LSD), хотя, если значение находится на пороге, LSD может переключаться между двумя значениями. Вот почему важно поддерживать очень низкий базовый уровень шума.

Если у вас есть осциллограф, измерьте величину джиттера на входе АЦП без ввода сигнала в какие-либо буферные/фильтрующие операционные усилители, которые у вас могут быть. Если шум, обычно естественный белый шум от операционных усилителей и их резисторов, превышает 1/2 LSB (2,44 мВ), он может переключать этот бит с некоторой случайной скоростью, вызывая искажение ваших показаний примерно на 0,1%. Для базового уровня шума это не так уж плохо для 10-битного АЦП.

ВНЕПОЛОСНЫЙ ШУМ

Если ошибка 1 из 1024 величин случайного шума вас устраивает, то ваша работа выполнена. Чтобы сократить это значение шума на десять, рассмотрите фильтр нижних частот непосредственно перед АЦП, который отфильтровывает только внеполосный шум, поэтому АЦП не «видит» шум, для которого он никогда не предназначался. Это может включать кабельное телевидение, Wi-Fi, сотовые телефоны, беспроводные телефоны, линии электропередач, низкокачественные приборы, помехи в подаче питания на аналоговую секцию, и это лишь некоторые из них.

ПОЛОСНЫЙ ШУМ

Теперь это оставляет вас с внутриполосным шумом, и некоторое простое скользящее среднее (скажем, от 4 до 16 точек или сэмплов) может фильтровать намного четче, чем аналоговые фильтры, особенно если вы с самого начала пересэмплируете.

Для внутриполосных шумовых всплесков вам могут понадобиться анализаторы спектра, чтобы определить, где находится спектральная плотность шума, и разработать собственный цифровой фильтр для его удаления. В некотором смысле наличие только десятибитного разрешения является преимуществом с точки зрения решения проблем с шумом на базовом уровне или близком к нему.

САМОИНДУЦИРОВАННЫЙ ШУМ

Если вы измеряете непрерывный белый шум, я бы проверил качество используемых операционных усилителей, а также попытался бы использовать малошумящие металлопленочные резисторы, чтобы вы могли сначала отфильтровать самоиндуцированный шум. Если операционный усилитель, управляющий АЦП, имеет высокое качество и очень низкий уровень шума, рассмотрите возможность добавления конденсатора обратной связи емкостью 100 пФ или меньше или вставьте резистор 1 кОм последовательно со входом АЦП и добавьте конденсатор 100 пФ от входа АЦП к сигнальной земле. . Резистор не может быть больше 1 кОм, иначе это может привести к ошибкам (падению) показаний.

СМЕЩЕНИЯ

Сделайте все возможное, чтобы обрезать любые смещения постоянного тока, прежде чем вы начнете охотиться на какой-либо шум. В идеале вы хотите, чтобы вход АЦП был меньше или равен 1/4 LSB, или около 1,22 мВ или меньше. Идеальный ноль не всегда возможен , и при разрешении всего в десять бит тратить много времени на попытки получить ноль вольт на АЦП для ввода нулевого сигнала — это немного похоже на погоню за своей тенью, и это не так важно.

@ Sparky256 Отличное резюме. Подчеркну, что внеполосный фильтр необходим для подавления помех магнитного и электрического полей (а также энергии сотового телефона).
@analogsystemsrf Да, шум может исходить откуда угодно. Если бы OP имела разрешение 18 бит и частоту дискретизации МГц, металлический экран над и под печатной платой был бы обязательным.
Откуда вы берете случайные 0,1% и 1 из 1000?
@Toor Только диапазон 1024: 1 10-битного АЦП. Да, я для простоты округлил 1024 до 1000, но для уровней LSB я использовал в уравнениях 1024. Случайность предполагает, что любой шум не повторяется с определенной частотой, хотя внеполосные шумы могут делать именно это.
Хорошо, я понимаю, что искажение 0,1% связано только с 1 ложным битом из 1024. Когда вы говорите об ошибке «1 из 1000», вы имели в виду частоту переворачивания ложного бита? Или просто величина ошибки? Сначала я прочитал это как частоту ложного флипа, поэтому я задал вопрос, так как не мог понять, откуда он взялся.
@Toor Это была просто величина ошибки. OP не определил допустимую величину или частоту ошибок из-за переключения битов. Мой опыт заключался в том, чтобы получить максимальную отдачу от каждого бита, который у вас есть, но с 18-битными АЦП приходилось допускать некоторый джиттер, даже с 16-точечными фильтрами. Это был случай джиттера наименьших значащих цифр (LSD). Для 10 бит у вас есть диапазон отображения от 000 до 999, поэтому джиттер LSD раздражает. Некоторые инженеры используют дополнительные «24», чтобы спрятать шум вниз.
С полосой пропускания, которую заявляет OP, шум 1/f может быть проблемой; хорошая статья на Analog.com/en/analog-dialogue/articles/…
@Sparky256Sparky256 Спасибо за подробный ответ. Вероятно, мне придется потратить еще некоторое время на изучение этой схемы. Возможно, его даже не стоит спасать.
@PeterSmith Спасибо за рекомендацию этой статьи. Оказывается, один из буферных операционных усилителей уже представляет собой стабилизированный прерывателем усилитель с нулевым дрейфом, но это была отличная статья.
@ Мэтт Остерегайтесь использования операционных усилителей со стабилизацией прерывателя или автоматическим нулем. ЭТО ШУМНЫЕ ЦИФРОВЫЕ ЗВЕРИ, с внутренними переключателями и их шинами VDD на кремнии, которые будут подпрыгивать; этот внутренний отскок шины (и GND) будет соединяться через БОЛЬШИЕ выходные транзисторы с вашим «чистым» сигналом. Вам нужна существенная внешняя фильтрация RC, чтобы гарантировать, что 50-наносекундный звонок (рельсы / земля операционного усилителя) не испортит ваш «чистый» сигнал.
Максимально допустимый шум входного сигнала АЦП
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v