ЖУРНАЛ «СТА» 1/2016

является динамический диапазон, сво- бодный от паразитных составляющих (SFDR, Spurious Free Dynamic Range). SFDR определяется как отношение среднеквадратичного значения (RMS- Root Mean Square) амплитуды полезно- го сигнала к среднеквадратичному зна- чению следующей наибольшей спек- тральной составляющей на выходе (ча- сто называемой паразитной, или по- бочной). Идеальный спектр, показан- ный на рис. 9, имеет SFDR около 81 дБ. Минимизация эффектов шума и искажений Минимизация воздействия искаже- ний в первую очередь зависит от кон- струкции дигитайзера. Нелинейность, гармонические искажения и другие причины должны быть сведены к ми- нимуму уже на этапе разработки. Поль- зователь, кроме контроля перегрузки дигитайзера, имеет мало возможностей для минимизации искажений и может лишь незначительно повлиять на мини- мизацию воздействия шума. Тем не ме- нее, вот несколько простых советов. 1. Получите максимальный исследуе- мый сигнал в соответствии со вход- ным диапазоном дигитайзера. Это создаст максимальное отношение сигнал–шум. Для дигитайзеров с не- сколькими диапазонами это сделать легче, но убедитесь, что шум не мас- штабировался вместе с входным зату- ханием. Используйте минимальную пропускную способность измерения в соответствии с приложением. Уро- вень шума пропорционален пропуск- ной способности. Это может быть реализовано с помощью ограниче- ния пропускной способности на вхо- де или при помощи цифровой фильт- рации. 2. Используйте усреднение сигнала, снижающее уровень шума пропор- ционально количеству усреднённых измерений. Однако имейте в виду, что эта методика требует повторяющего- ся сигнала и нескольких выборок. 3. Чтобы усилить сигнал и получить максимальную величину отношения сигнал/шум, для низкоуровневых сигналов используйте внешние уси- лители с низким уровнем шума. 4. Используйте надлежащее терминаль- ное окончание в цепи прохождения сигнала. Для обеспечения широкой полосы пропускания правильным выбором является терминатор 50 Ом. Требуется терминирование сигналь- ной линии и дигитайзера. Критерии качества для сравнения дигитайзеров по шумам и искажениям Общие показатели качества, объ- ективно определяющие достоинства из- мерительной системы, приведены в табл. 2. Все эти характеристики, кроме базового шума, основаны на анализе частотной диаграммы на выходе диги- тайзера для синусоидального входного сигнала. Они определены в стандартах IEEE 1057 и IEEE 1241. Большинство производителей дигитайзеров указы- вают эти значения в описаниях своих изделий. При сравнении показателей качества убедитесь, что они приведены для одинаковых входной частоты и ам- плитуды сигнала, частоты дискретиза- ции и полосы пропускания. Приложения, требующие дигитайзеров с широким динамическим диапазоном Приложениями, которым необходи- мы дигитайзеры с большим динамиче- ским диапазоном и, следовательно, бо- лее высоким разрешением, являются те, в которых измеряемые сигналы вклю- чают в себя как высокие, так и низкие амплитудные составляющие. К ним от- носятся: ● эхолокация – измерения на основе отражённого эхо-сигнала, такие как радар, эхолот, лидар, УЗИ и рентгено- графия. В этих применениях мощный излучаемый импульс сопровождается более слабым обратным эхо и диги- тайзер должен точно обрабатывать сигналы обеих амплитуд; ● измерения пульсаций требуют изме- рения высокоамплитудных сигналов с небольшими изменениями на вер- шине, при этом оба компонента сиг- нала должны быть учтены; ● анализ модуляции – сигналы с ам- плитудной модуляцией (АМ, SSB, QAM и т.д.), имеющие большие ам- плитудные диапазоны; ● масс-спектрометрия – приложения, где существует необходимость обна- ружения частиц, существенно отли- чающихся соотношением масса/за- 34 СТА 1/2016 ОБ ЗОР / АППА РАТ НЫЕ С Р Е ДС Т В А www.cta.ru Рис. 9. Сравнение спектров сигнала неискажённой формы и сигнала с гармоническими искажениями Идеальный сигнал Сигнал + искажения –120 0 500 000 000 1e+09 1,5e+09 2e+09 2,5e+09 3e+09 –100 –80 –60 –40 –20 0 Частота, Гц Амплитуда спектра, дБ Эффект шума на спектральной диаграмме Таблица 2 Характеристики, объективно определяющие достоинства измерительной системы Характеристика Обозначение Описание Базовый шум RMS Уровень шума при отсутствии сигнала. Выражается в В Суммарные гармонические искажения THD Отношение RMS суммы наиболее значительных гармоник сигнала к значению RMS основного сигнала. Выражается в дБ Отношение сигнал/шум SNR Отношение амплитуды основного сигнала к RMS суммы всех других его спектральных компонентов, кроме искажения и ошибки смещения. Выражается в дБ Отношение сигнал/шум+искажения SINAD THD+N Отношение амплитуды основного сигнала к RMS суммы всех других его спектральных компонентов, включая гармоники, за исключением составляющей постоянного тока. Выражается в дБ Эффективное количество разрядов ENOB Количество разрядов дигитайзера, имеющего значение SINAD, как и система, в которой присутствует единственный источник шума в виде собственного шума квантования Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих SFDR Отношение RMS амплитуды полезного сигнала к RMS следующей наибольшей гармоники. Выражается в дБ