เชิงนามธรรม

บทความนี้ให้ภาพรวมของการคำนวณและการจำลองแบบอ้างอิงอินพุตในระบบที่มีความแม่นยำสูง และวิธีการที่จะได้รับข้อมูลเชิงลึกสูงสุดจากสิ่งเหล่านี้ เมื่อออกแบบวงจรสัญญาณสำหรับการวัดแบบอนาล็อก ข้อผิดพลาดและสัญญาณรบกวนจากส่วนประกอบต่างๆ ในวงจรสัญญาณจะต้องถูกรวบรวมและใช้เพื่อกำหนดประสิทธิภาพระดับสูงสุด ข้อมูลจำเพาะสามารถแสดงเป็นเศษส่วน เช่น เปอร์เซ็นต์ หรือหากอยู่ในหน่วยเชิงเส้น ก็สามารถอ้างอิงเอาต์พุตหรืออ้างอิงอินพุตได้ การคำนวณแบบอ้างอิงอินพุตมักก่อให้เกิดความสับสนมากที่สุด แต่ก็ให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญเกี่ยวกับประสิทธิภาพของระบบ

เสียงรบกวน ข้อผิดพลาด และการอ้างอิงถึงข้อมูลป้อนเข้า

รูปที่ 1 แสดงแผนภาพบล็อกระบบทั่วไปสำหรับการวัด แต่ละบล็อกอาจมีส่วนประกอบหรือขั้นตอนหลายอย่างเพื่อทำหน้าที่วัด ทุกขั้นตอนอนาล็อกตั้งแต่เซ็นเซอร์ไปจนถึง ADC ยังก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนและข้อผิดพลาดอนาล็อกที่ไม่ต้องการ ซึ่งบดบังค่าของสัญญาณที่วัดได้ ข้อมูลที่เอาต์พุตของ ADC แสดงถึงสัญญาณที่รวมกับสัญญาณรบกวนและข้อผิดพลาดทั้งหมด สัญญาณรบกวนและข้อผิดพลาดบางส่วนสามารถลดลงได้ด้วยเทคนิคการสอบเทียบ การชดเชย และการประมวลผลสัญญาณ ส่วนที่เหลือส่งผลให้เกิดความไม่แน่นอนในค่าที่แท้จริงของปริมาณที่วัดได้ สำหรับเครื่องมือวัด การวิเคราะห์ความไม่แน่นอนช่วยกำหนดข้อกำหนดระบบที่สำคัญ เช่น ความถูกต้องและความเที่ยงตรง^1,2

การอ้างอิงสัญญาณรบกวนและข้อผิดพลาดในวงจรสัญญาณไปยังอินพุต ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบกับสัญญาณอินพุตได้โดยตรง ซึ่งจะช่วยให้เข้าใจประสิทธิภาพการวัดโดยรวมโดยอิงจากลักษณะและข้อกำหนดของสัญญาณที่ทราบ ตัวอย่างเช่น การคำนวณสัญญาณรบกวนทั้งหมดที่อ้างอิงถึงอินพุต (RTI) จะช่วยให้เห็นภาพสัญญาณอินพุตที่เล็กที่สุดที่สามารถแยกแยะออกจากสัญญาณรบกวนได้ อีกวิธีหนึ่งในการคิดเกี่ยวกับการคำนวณที่อ้างอิงถึงอินพุตคือ ข้อมูลที่วัดโดย ADC มักจะถูกปรับขนาดในซอฟต์แวร์เพื่อแสดงค่าของปริมาณทางกายภาพที่กำลังวัด ข้อมูลดั้งเดิมก่อนการปรับขนาดประกอบด้วยข้อผิดพลาดและสัญญาณรบกวน ดังนั้น เวอร์ชันที่ปรับขนาดแล้วจึงมีปริมาณข้อผิดพลาดและสัญญาณรบกวนสัมพัทธ์เท่าเดิม แต่ถูกปรับขนาดราวกับว่าทั้งหมดปรากฏที่อินพุตพร้อมกับสัญญาณ

การรวมแหล่งกำเนิดเสียงรบกวน RTI และ RTO

สำหรับการคำนวณสัญญาณรบกวนโดยรวม แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจะต้องถูกอ้างอิงไปยังตำแหน่งเดียวกันก่อนที่จะนำมารวมกันได้ แม้ว่าสัญญาณรบกวนจะสามารถอ้างอิงไปยังตำแหน่งอื่น ๆ ในวงจรสัญญาณได้ แต่การคำนวณค่า RTI ของสัญญาณรบกวนและค่า RTO ของสัญญาณรบกวนนั้นมีประโยชน์มากที่สุดในการกำหนดประสิทธิภาพของระบบ ผู้ออกแบบสามารถเลือกจุดในวงจรที่จะเรียกว่าอินพุตและเอาต์พุต และหน่วยที่จะใช้ได้ ตัวอย่างเช่น อินพุตอาจเป็นปริมาณทางกายภาพ เช่น อุณหภูมิในหน่วย °C และสามารถคำนวณค่า RTI ของสัญญาณรบกวนได้ในหน่วย °C หรืออาจอ้างอิงถึงอินพุตของวงจรสัญญาณในหน่วยทางไฟฟ้า เช่น โวลต์หรือแอมป์ ในทำนองเดียวกัน เอาต์พุตอาจกำหนดเป็นข้อมูลจาก ADC ในบิตที่มีนัยสำคัญน้อยที่สุดหรือเทียบเท่ากับโวลต์ หรืออาจกำหนดเป็นแรงดันไฟฟ้าที่อินพุตของ ADC ก็ได้

แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน RTI คือแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนเสมือนที่วางไว้ที่อินพุต ซึ่งให้สัญญาณรบกวนในการวัดเหมือนกับแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจริง ค่าของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน RTI แต่ละแหล่งจะถูกกำหนดโดยการหารค่าของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจริงด้วยอัตราขยายจากอินพุตไปยังจุดนั้น ความหนาแน่นสเปกตรัมกำลังของสัญญาณรบกวน RTI จะถูกนำมารวมกันเพื่อกำหนดสเปกตรัมสัญญาณรบกวนโดยรวมของระบบ ในทำนองเดียวกัน แหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน RTO คือแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนเสมือนที่เอาต์พุต สำหรับสัญญาณรบกวน RTO แต่ละแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนจะถูกคูณด้วยอัตราขยายไปยังเอาต์พุตและรวมเข้าด้วยกัน ณ จุดนั้น หากไม่มีแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวนหลังจากเอาต์พุตที่กำหนดไว้ สัญญาณรบกวน RTO จะตรงกับสัญญาณรบกวนที่จะวัดได้ที่เอาต์พุต

รูปที่ 2 แสดงแบบจำลองสัญญาณรบกวน RTI และ RTO สำหรับวงจรสัญญาณอย่างง่ายที่ประกอบด้วยภาคขยายแบบไม่กลับเฟสและตัวกรองความถี่ต่ำ

มีความไม่สมดุลระหว่างทั้งสองเนื่องจากสัญญาณไหลจากอินพุตไปยังเอาต์พุต สัญญาณรบกวน RTO แสดงสัญญาณรบกวนหลังจากที่มันแพร่กระจายผ่านวงจรสัญญาณทั้งหมด ซึ่งตรงกับสัญญาณรบกวนทั้งหมดในการวัด แต่สัญญาณรบกวน RTI แสดงสัญญาณรบกวนจากช่วงแรกๆ ที่ยังไม่ถูกจำกัดแบนด์วิดท์โดยช่วงต่อๆ ไปในวงจรสัญญาณ สัญญาณรบกวนนอกแบนด์วิดท์ที่จะถูกกรองออกโดยวงจรสัญญาณจะไม่ส่งผลกระทบต่อค่าที่วัดได้ในท้ายที่สุด แต่จะปรากฏในสเปกตรัมสัญญาณรบกวน RTI นี่ไม่ใช่ปัญหาทางเทคนิคและไม่ได้หมายความว่าสัญญาณรบกวน RTI ผิด สัญญาณรบกวน RTI สามารถคูณด้วยเส้นโค้งอัตราขยายเทียบกับความถี่ของวงจรสัญญาณเพื่อให้ได้สัญญาณรบกวน RTO และไม่มีข้อมูลใดสูญหาย อย่างไรก็ตาม จุดประสงค์ของการคำนวณสัญญาณรบกวน RTI คือการเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนกับสัญญาณอินพุต การรวมสัญญาณรบกวนนอกแบนด์วิดท์ที่ไม่ส่งผลกระทบต่อการวัด ทำให้คำจำกัดความแบบดั้งเดิมของ RTI ไม่ได้ทำให้การเปรียบเทียบสัญญาณรบกวนทั้งหมดที่รวมเข้ากับสัญญาณอินพุตง่ายขึ้นมากนัก

คำจำกัดความทางเลือกที่ให้ข้อมูลเชิงลึกด้านวิศวกรรมมากขึ้น

สัญญาณเอาต์พุตสามารถเปรียบเทียบกับสัญญาณรบกวน RTO ได้โดยตรง เนื่องจาก RTO พิจารณาทั้งวงจรสัญญาณ ดังนั้นคำถามคือ: สามารถกำหนดสัญญาณรบกวน RTI ในลักษณะที่สามารถเปรียบเทียบกับสัญญาณอินพุตได้ง่ายหรือไม่? คำตอบสะท้อนถึงการใช้งานจริงของข้อมูลการวัด: ใช้การปรับขนาดเดียวกันกับสัญญาณรบกวน RTO ที่จะใช้กับข้อมูลเอาต์พุตในซอฟต์แวร์เพื่อแสดงเป็นสัญญาณอินพุต ทั้งสองควรคำนวณที่อินพุตในลักษณะเดียวกัน กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ หารสัญญาณรบกวนเอาต์พุตด้วยอัตราขยายของสัญญาณ

คำถามต่อไปคือจะกำหนดอัตราขยายของสัญญาณได้อย่างไร ไม่ว่าจะเป็นการต่อแบบ DC หรือ AC ในวงจรเชิงเส้นทั่วไปส่วนใหญ่ อัตราขยายที่ใช้กับสัญญาณจะคงที่ในช่วงแบนด์วิดท์ที่สนใจตามการออกแบบ เราจะเรียกแบนด์วิดท์ที่สนใจนี้ว่าแบนด์สัญญาณ สัญญาณมีข้อมูลที่มีค่าอยู่ในช่วงแบนด์สัญญาณที่จำเป็นต้องจับเอาไว้ แบนด์วิดท์ –3 dB ของวงจรถูกออกแบบให้กว้างกว่าแบนด์สัญญาณเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดแบบไดนามิกสำหรับสัญญาณที่ขอบของแบนด์ แต่ยกเว้นข้อจำกัดนั้นแล้ว โดยทั่วไปแบนด์วิดท์จะถูกจำกัดให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดสัญญาณรบกวน

หากกำหนดอัตราขยายสัญญาณเป็นอัตราขยายภายในย่านความถี่ของสัญญาณ และใช้ค่าคงที่นั้นในการแปลงสัญญาณรบกวน RTO เป็น RTI สัญญาณรบกวน RTI ก็จะมีความหมายมากขึ้น ความแตกต่างระหว่างสองแบบจำลองแสดงในรูปที่ 3 ในแบบจำลองทางเลือก สัญญาณรบกวน RTI แสดงถึงสัญญาณรบกวนที่ส่งผลกระทบต่อการวัดสัญญาณ รวมถึงการลดลงของสัญญาณรบกวนนอกย่านความถี่ รูปที่ 4 แสดงความแตกต่างที่จำลองขึ้นระหว่างวิธีการ RTI ทั้งสองวิธี

เส้นโค้งสัญญาณรบกวนขาเข้าจะเหมือนกันที่ความถี่ต่ำ แต่จะแตกต่างกันเมื่ออัตราขยายลดลง สัญญาณรบกวน RTI แบบดั้งเดิมไม่สามารถหาค่ารวมได้ ในขณะที่สัญญาณรบกวน RTI เสมือนสามารถหาค่ารวมได้ อัตราขยายของสัญญาณสามารถใช้ในการแปลงระหว่างสัญญาณรบกวน RTI เสมือนและสัญญาณรบกวน RTO สำหรับทั้งค่าสัญญาณรบกวนแบบรวมและค่าความหนาแน่นสเปกตรัมของสัญญาณรบกวน

หากอัตราขยายสัญญาณไม่คงที่ภายในย่านความถี่สัญญาณ ให้พิจารณาปรับย่านความถี่สัญญาณหรือแก้ไขวงจรเพื่อให้มีแบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้น วิธีนี้จะช่วยหลีกเลี่ยงประสิทธิภาพที่ลดลงสำหรับสัญญาณที่ขอบย่านความถี่สัญญาณ หากทำไม่ได้ การใช้อัตราขยายตามค่าปกติภายในย่านความถี่สัญญาณน่าจะตรงกับกรณีทั่วไปและปัจจัยการแปลงของซอฟต์แวร์มากที่สุด แต่ควรตรวจสอบข้อผิดพลาดและอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ขอบย่านความถี่สัญญาณเพื่อให้แน่ใจว่าอยู่ในเป้าหมายประสิทธิภาพที่กำหนดไว้

การคำนวณ RTI ใน LTspice

ความอเนกประสงค์และความแม่นยำของLTspice ^® ​​ทำให้มีประโยชน์อย่างมากสำหรับการจำลองสัญญาณรบกวน ในคำสั่งจำลองสัญญาณรบกวน จะระบุโหนดเอาต์พุตและแหล่งอินพุต และสัญญาณรบกวนเอาต์พุต (RTO) เป็นวิธีเริ่มต้นในการดูผลการวิเคราะห์ LTspice ยังคำนวณสัญญาณรบกวนอินพุตที่อ้างอิงถึงแหล่งอินพุตที่ระบุตามคำจำกัดความดั้งเดิมของ RTI แต่ดังที่แสดงในรูปที่ 4 การรวมสัญญาณรบกวน RTI แบบดั้งเดิมไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่มีความหมาย รูปที่ 5 แสดงวิธีการเพิ่มขั้นตอนให้กับเอาต์พุตใน LTspice เพื่อให้โปรแกรมจำลองส่งคืนสัญญาณรบกวน RTI เสมือนทางเลือก หลังจากเรียกใช้การจำลองแล้ว โดยเลือกกราฟ ให้เพิ่มสัญญาณรบกวนอินพุตลงในกราฟจากการตั้งค่ากราฟ—เพิ่มร่องรอยจากนั้นเลือกV(inoise ) การทำเช่นนี้จะเพิ่มสัญญาณรบกวนอินพุตลงในกราฟ รูปร่างของเส้นโค้งจะตรงกับสัญญาณรบกวนเอาต์พุต ซึ่งบ่งชี้ว่าได้คำนึงถึงการตอบสนองความถี่ของวงจรทั้งหมดแล้ว กด Ctrl + คลิกซ้ายที่ชื่อร่องรอย “V(inoise)” ในกราฟเพื่อรวมสัญญาณรบกวน RTI ทั้งหมด

เครื่องมือบนเว็บสำหรับการวิเคราะห์สัญญาณรบกวนในวงจรสัญญาณ

เครื่องมือ Signal Chain Noise Toolซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของชุดเครื่องมือบนเว็บ ADI Precision Studio ได้รับการออกแบบมาเพื่อคำนวณสัญญาณรบกวนในระดับวงจรสัญญาณ รวมถึงการรวมสัญญาณรบกวนทั้งหมดและการคำนวณสัญญาณรบกวน RTI เสมือน สร้างวงจรสัญญาณเริ่มต้นจากเซ็นเซอร์ หรือเริ่มต้นด้วยตัวอย่าง จากนั้นเครื่องมือ Signal Chain Noise Tool จะกำหนดสัญญาณรบกวนทั้งหมดและประสิทธิภาพ AC ของวงจรสัญญาณทั้งหมดตั้งแต่เซ็นเซอร์ไปจนถึง ADC แบบจำลองการจำลองในเครื่องมือ Signal Chain Noise Tool ใช้เส้นโค้งสัญญาณรบกวนที่วัดได้ทั้งหมดจากเอกสารข้อมูลเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำระดับห้องปฏิบัติการ ข้อดีที่สำคัญอย่างหนึ่งของเครื่องมือเช่นนี้คือการเร่งกระบวนการออกแบบ เครื่องมือนี้ให้ข้อเสนอแนะทันทีเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงวงจรต่อประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนโดยรวม ทำให้สามารถปรับปรุงการออกแบบได้เร็วขึ้น วงจรสัญญาณที่เสร็จสมบูรณ์สามารถส่งออกไปยัง LTspice เพื่อการจำลองแบบกำหนดเองได้

บทสรุป

การคำนวณโดยอ้างอิงอินพุตเป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าในการทำความเข้าใจประสิทธิภาพที่คาดหวังของระบบการวัด ช่วยในการปรับปรุงการออกแบบและให้ข้อมูลเกี่ยวกับข้อกำหนดของระบบ วิธีการสร้างสัญญาณรบกวน RTI เสมือนที่เสนอในที่นี้โดยอิงตามสถาปัตยกรรมของระบบการวัด สามารถเป็นการปรับปรุงที่ช่วยให้ได้ข้อมูลเชิงลึกทางวิศวกรรมมากขึ้นเมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิมบางวิธี เครื่องมือจำลองเช่น LTspice และ Signal Chain Noise Tool สามารถช่วยในการวิเคราะห์นี้ได้