Tóm tắt

Bài viết này cung cấp tổng quan về các phép tính và mô phỏng tham chiếu đầu vào trong các hệ thống độ chính xác cao và cách thu được thông tin chi tiết tối đa từ chúng. Khi thiết kế mạch tín hiệu cho các phép đo tương tự, các lỗi và nhiễu từ các thành phần khác nhau trong mạch tín hiệu phải được thu thập và sử dụng để xác định mức hiệu suất tối ưu. Các thông số kỹ thuật có thể được biểu thị bằng phân số, chẳng hạn như phần trăm, hoặc nếu ở đơn vị tuyến tính, có thể đề cập đến đầu ra hoặc đầu vào. Các phép tính tham chiếu đầu vào thường gây nhầm lẫn nhất, nhưng chúng cung cấp những hiểu biết quan trọng về hiệu suất hệ thống.

Tiếng ồn, lỗi và các tham chiếu đến dữ liệu đầu vào.

Hình 1 thể hiện sơ đồ khối hệ thống điển hình cho phép đo. Mỗi khối có thể chứa nhiều thành phần hoặc bước để thực hiện chức năng đo. Mỗi bước tương tự, từ cảm biến đến bộ chuyển đổi ADC, cũng tạo ra nhiễu và sai số tương tự không mong muốn, làm che khuất giá trị tín hiệu đo được. Dữ liệu ở đầu ra của ADC thể hiện tín hiệu kết hợp với tất cả nhiễu và sai số. Một số nhiễu và sai số có thể được giảm bớt bằng các kỹ thuật hiệu chuẩn, bù trừ và xử lý tín hiệu. Phần còn lại dẫn đến sự không chắc chắn về giá trị thực của đại lượng đo được. Đối với các dụng cụ đo, phân tích độ không chắc chắn giúp xác định các yêu cầu hệ thống quan trọng như độ chính xác và độ tin cậy. ^1,2

Việc quy chiếu nhiễu và sai số trong mạch tín hiệu về đầu vào cho phép so sánh trực tiếp với tín hiệu đầu vào, giúp hiểu rõ hiệu suất đo tổng thể dựa trên các đặc tính và thông số kỹ thuật tín hiệu đã biết. Ví dụ, tính toán tổng nhiễu quy chiếu về đầu vào (RTI) giúp hình dung tín hiệu đầu vào nhỏ nhất có thể phân biệt được với nhiễu. Một cách khác để hiểu về các phép tính quy chiếu đầu vào là dữ liệu được đo bởi ADC thường được hiệu chỉnh bằng phần mềm để biểu thị giá trị của đại lượng vật lý đang được đo. Dữ liệu gốc trước khi hiệu chỉnh chứa sai số và nhiễu; do đó, phiên bản đã hiệu chỉnh có cùng sai số và nhiễu tương đối nhưng được hiệu chỉnh như thể tất cả chúng đều xuất hiện ở đầu vào cùng với tín hiệu.

Kết hợp các nguồn nhiễu RTI và RTO.

Để tính toán tổng nhiễu, các nguồn nhiễu phải được quy chiếu đến cùng một vị trí trước khi cộng chúng lại. Mặc dù nhiễu có thể được quy chiếu đến các vị trí khác trong mạch tín hiệu, nhưng việc tính toán RTI (Chỉ số cường độ tương đối) và RTO (Tỷ lệ nhiễu giảm) là hữu ích nhất để xác định hiệu suất hệ thống. Người thiết kế có thể chọn các điểm trong mạch được gọi là đầu vào và đầu ra, và các đơn vị được sử dụng. Ví dụ, đầu vào có thể là các đại lượng vật lý như nhiệt độ tính bằng °C, và RTI của nhiễu có thể được tính bằng °C, hoặc chúng có thể đề cập đến đầu vào của mạch tín hiệu bằng các đơn vị điện như vôn hoặc ampe. Tương tự, đầu ra có thể được định nghĩa là dữ liệu từ ADC ở các bit thấp nhất hoặc tương đương với vôn, hoặc chúng có thể được định nghĩa là điện áp tại đầu vào của ADC.

Các nguồn nhiễu RTI là các nguồn nhiễu ảo được đặt ở đầu vào, cung cấp tín hiệu nhiễu đo được tương tự như tín hiệu của các nguồn nhiễu thực. Giá trị của mỗi nguồn nhiễu RTI được xác định bằng cách chia giá trị của nguồn nhiễu thực cho độ khuếch đại từ đầu vào đến điểm đó. Mật độ phổ công suất của nhiễu RTI sau đó được cộng lại với nhau để xác định phổ nhiễu tổng thể của hệ thống. Tương tự, các nguồn nhiễu RTO là các nguồn nhiễu ảo ở đầu ra. Đối với mỗi nguồn nhiễu RTO, nhiễu được nhân với độ khuếch đại đến đầu ra và được cộng lại với nhau tại điểm đó. Nếu không có nguồn nhiễu nào sau một đầu ra nhất định, nhiễu RTO sẽ khớp với nhiễu được đo ở đầu ra.

Hình 2 thể hiện mô hình nhiễu RTI và RTO cho một mạch tín hiệu đơn giản bao gồm một bộ khuếch đại không đảo và một bộ lọc thông thấp.

Có sự mất cân bằng giữa hai loại nhiễu này do luồng tín hiệu từ đầu vào đến đầu ra. Nhiễu RTO biểu thị nhiễu sau khi nó đã lan truyền qua toàn bộ mạch tín hiệu, tương ứng với tổng nhiễu trong phép đo. Tuy nhiên, nhiễu RTI biểu thị nhiễu từ các giai đoạn đầu chưa bị giới hạn băng thông bởi các giai đoạn sau trong mạch tín hiệu. Nhiễu ngoài băng thông mà lẽ ra sẽ được lọc bỏ bởi mạch tín hiệu không ảnh hưởng đến giá trị đo được cuối cùng, nhưng nó vẫn xuất hiện trong phổ nhiễu RTI. Đây không phải là vấn đề kỹ thuật và không có nghĩa là nhiễu RTI bị sai. Nhiễu RTI có thể được nhân với đường cong khuếch đại tương ứng với tần số của mạch tín hiệu để thu được nhiễu RTO, và không có thông tin nào bị mất. Tuy nhiên, mục đích của việc tính toán nhiễu RTI là để so sánh nhiễu với tín hiệu đầu vào. Việc bao gồm nhiễu ngoài băng thông không ảnh hưởng đến phép đo có nghĩa là định nghĩa truyền thống của RTI không đơn giản hóa đáng kể việc so sánh tổng nhiễu được tích hợp vào tín hiệu đầu vào.

Một định nghĩa khác cung cấp thêm những hiểu biết về kỹ thuật.

Tín hiệu đầu ra có thể được so sánh trực tiếp với tín hiệu nhiễu RTO. Vì RTO xem xét toàn bộ mạch tín hiệu, câu hỏi đặt ra là: Liệu tín hiệu nhiễu RTO có thể được định nghĩa theo cách dễ dàng so sánh với tín hiệu đầu vào hay không? Câu trả lời phản ánh ứng dụng thực tiễn của dữ liệu đo: Sử dụng cùng một tỷ lệ cho tín hiệu nhiễu RTO như được sử dụng với dữ liệu đầu ra trong phần mềm để biểu diễn nó như tín hiệu đầu vào. Cả hai nên được tính toán ở đầu vào theo cùng một cách. Nói cách khác, chia tín hiệu nhiễu đầu ra cho độ lợi của tín hiệu.

Câu hỏi tiếp theo là làm thế nào để xác định độ khuếch đại tín hiệu, cho dù đó là tín hiệu DC hay AC. Trong hầu hết các mạch tuyến tính điển hình, độ khuếch đại được áp dụng cho tín hiệu là không đổi trong phạm vi băng thông quan tâm được xác định trong thiết kế. Băng thông quan tâm này được gọi là dải tín hiệu. Tín hiệu chứa thông tin có giá trị nằm trong dải tín hiệu cần được thu nhận. Băng thông -3 dB của một mạch được thiết kế rộng hơn dải tín hiệu để tránh các lỗi động đối với các tín hiệu ở rìa dải. Tuy nhiên, ngoại trừ giới hạn đó, băng thông thường được giới hạn ở mức tối thiểu để giảm thiểu nhiễu.

Nếu độ lợi tín hiệu được định nghĩa là độ lợi trong băng tần của tín hiệu và hằng số đó được sử dụng để chuyển đổi nhiễu RTO thành nhiễu RTI, thì nhiễu RTI trở nên đáng kể hơn. Sự khác biệt giữa hai mô hình được thể hiện trong Hình 3. Trong mô hình thay thế, nhiễu RTI đại diện cho nhiễu ảnh hưởng đến phép đo tín hiệu, bao gồm cả việc giảm nhiễu ngoài băng tần. Hình 4 cho thấy sự khác biệt mô phỏng giữa hai phương pháp RTI.

Đường cong nhiễu đầu vào tương tự nhau ở tần số thấp nhưng khác nhau khi độ khuếch đại giảm. Nhiễu RTI thông thường không thể được tổng hợp, trong khi nhiễu RTI ảo thì có thể. Độ khuếch đại tín hiệu có thể được sử dụng để chuyển đổi giữa nhiễu RTI ảo và nhiễu RTI cho cả nhiễu tổng hợp và giá trị mật độ phổ của nhiễu.

Nếu độ lợi không ổn định trong dải tần, hãy xem xét điều chỉnh dải tần hoặc sửa đổi mạch để đạt được băng thông rộng hơn. Điều này sẽ giúp tránh suy giảm hiệu suất ở các cạnh dải tần. Nếu điều này không thể thực hiện được, việc sử dụng độ lợi được chuẩn hóa trong dải tần có thể là lựa chọn phù hợp nhất trong hầu hết các trường hợp và hệ số chuyển đổi phần mềm, nhưng cần kiểm tra lỗi ở các cạnh và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu để đảm bảo chúng đáp ứng hiệu suất mục tiêu.

Tính toán RTI trong LTspice

Tính linh hoạt và độ chính xác của LTspice® ^{làm cho} nó cực kỳ hữu ích cho việc mô phỏng nhiễu. Trong lệnh mô phỏng nhiễu, các nút đầu ra và nguồn đầu vào được chỉ định, và nhiễu đầu ra (RTO) là cách mặc định để xem kết quả phân tích. LTspice cũng tính toán nhiễu đầu vào bằng cách tham chiếu các nguồn đầu vào được chỉ định theo định nghĩa truyền thống của RTI, nhưng như thể hiện trong Hình 4, việc hợp nhất nhiễu RTI truyền thống không mang lại kết quả có ý nghĩa. Hình 5 cho thấy cách thêm một bước vào đầu ra trong LTspice để trình mô phỏng trả về một nhiễu RTI ảo thay thế. Sau khi chạy mô phỏng, với đồ thị được chọn, hãy thêm nhiễu đầu vào vào đồ thị từ Cài đặt đồ thị—Thêm đường cong, sau đó chọn V(nhiễu ). Thao tác này sẽ thêm nhiễu đầu vào vào đồ thị. Hình dạng của đường cong sẽ trùng khớp với nhiễu đầu ra, cho thấy rằng toàn bộ đáp ứng tần số của mạch đã được tính đến. Nhấn Ctrl + nhấp chuột trái vào tên đường cong “V(nhiễu)” trong đồ thị để hợp nhất tất cả nhiễu RTI.

Một công cụ trực tuyến để phân tích nhiễu trong các mạch tín hiệu.

Công cụ Tính toán Nhiễu Chuỗi Tín hiệu, một phần của bộ công cụ trực tuyến ADI Precision Studio, được thiết kế để tính toán nhiễu ở cấp độ chuỗi tín hiệu, bao gồm tổng hợp nhiễu và tính toán nhiễu RTI ảo. Bạn có thể tạo một chuỗi tín hiệu ban đầu từ cảm biến hoặc bắt đầu với một ví dụ. Sau đó, Công cụ Tính toán Nhiễu Chuỗi Tín hiệu sẽ xác định tổng nhiễu và hiệu suất AC của toàn bộ chuỗi tín hiệu từ cảm biến đến ADC. Các mô phỏng trong Công cụ Tính toán Nhiễu Chuỗi Tín hiệu sử dụng tất cả các đường cong nhiễu đo được từ bảng dữ liệu để đạt được độ chính xác ở cấp độ phòng thí nghiệm. Một lợi thế quan trọng của công cụ này là khả năng tăng tốc quá trình thiết kế. Nó cung cấp phản hồi tức thì về tác động của các thay đổi mạch lên hiệu suất nhiễu tổng thể, cho phép cải tiến thiết kế nhanh hơn. Chuỗi tín hiệu hoàn chỉnh có thể được xuất sang LTspice để thực hiện các mô phỏng tùy chỉnh.

Bản tóm tắt

Các phép tính dựa trên dữ liệu đầu vào là công cụ hữu ích để hiểu được hiệu suất dự kiến ​​của hệ thống đo lường, hỗ trợ cải tiến thiết kế và cung cấp thông tin về yêu cầu hệ thống. Phương pháp tạo nhiễu RTI ảo được đề xuất ở đây, dựa trên kiến ​​trúc hệ thống đo lường, có thể là một cải tiến mang lại cái nhìn sâu sắc hơn về kỹ thuật so với một số phương pháp truyền thống. Các công cụ mô phỏng như LTspice và Signal Chain Noise Tool có thể hỗ trợ trong phân tích này.