Материал компании Crystal Instruments под редакцией руководителя сервисной службы испытательного оборудования Олега Туркалова, turkalov@dipaul.ru
Перевод Артема Вахитова
Одной из уникальных особенностей устройств, производимых компанией Crystal Instruments, является их выдающийся динамический диапазон — 150 дБ относительно максимального уровня сигнала. Такие высокие характеристики впервые достигнуты в столь компактных и недорогих устройствах. Главное преимущество широкого динамического диапазона — отсутствие необходимости настраивать чувствительность и амплитудный диапазон входного усилителя, что упрощает процесс подготовки и выполнения измерений. Сигналы, различающиеся по уровню на порядки — от максимума в 10 вольт до нескольких микровольт, — измеряются одновременно без перенастройки. Благодаря этому подготавливать и выполнять измерения оказывается значительно проще, чем при использовании приборов с более узким динамическим диапазоном. В данной статье мы разъясним понятие «динамический диапазон» и опишем различные методы его оценки, в том числе и тот, который применяет компания Crystal Instruments.
Динамический диапазон в динамических измерениях
Динамический диапазон — одна из важнейших характеристик системы динамических измерений. Если он слишком узок, сильные сигналы будут ограничиваться и искажаться, а слабые потонут в собственном шуме системы. Шум является неотъемлемым атрибутом электронных схем, предназначенных для усиления и формирования сигналов от первичных измерительных преобразователей. Максимальное расширение динамического диапазона — задача первоочередной важности в приборостроении, поскольку от этого зависит возможность точного одновременного измерения как слабых, так и сильных сигналов.
Восприятие данной характеристики осложняется тем, что производители определяют и измеряют ее по-разному. Их можно понять, ведь общепринятой технической формулировки, раскрывающей содержание динамического диапазона, не существует. В общем случае он расплывчато характеризуется как отношение наибольшего и наименьшего значений сигнала, которые система способна точно измерить в один и тот же момент времени. Такое определение вызывает несколько вопросов:
1. Что значит «в один и тот же момент времени»? Сравниваем ли мы слабый сигнал, наложенный на сильный, с самим этим сильным сигналом — или же отдельно слабый и сильный сигналы, которые зафиксированы на одной временной отметке, но в разные периоды?
2. Что значит «наибольшее значение сигнала»? Есть три общеупотребительные меры наибольшего значения сигнала, и каждая из них уместна в определенном контексте:
• размах амплитуды (peak-to-peak, full-scale range) — разность между двумя крайними значениями сигнала;
• амплитуда (zero-to-peak) — разность между средним и амплитудным значениями сигнала;
• действующее значение (RMS full-scale) — среднеквадратичное значение сигнала (для синусоидального сигнала это 0,707 от его амплитуды).
3. Что значит «наименьшее значение сигнала»? Имеется ли в виду уровень шума? Рассматривается ли некоторая узкая фиксированная полоса частот или же вся полоса пропускания устройства? Это важно, поскольку измеренный среднеквадратичный уровень шума будет зависеть от полосы частот, в которой он измеряется.
Для правильной интерпретации паспортного значения динамического диапазона необходимо разобраться в этих вопросах и выяснить, как производитель измеряет величину, чтобы можно было сравнивать между собой разные устройства.
Динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS)
При испытаниях своих приборов — анализатора сигналов CoCo-80 и виброконтроллеров Spider 81/81b/80x — компания Crystal Instruments применяет одно из наиболее распространенных определений — динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS), измеряемый в децибелах (дБ). Это отношение максимального размаха амплитуды измеряемого сигнала (VFS) к действующему значению напряжения собственного шума системы (VN). VN обычно измеряется с заглушенным входом и заземлением.
В системе регистрации данных dBFS представляет собой частотно-зависимую переменную величину: чем шире полоса пропускания прибора, тем уже динамический диапазон (меньше значение dBFS). Это связано с тем, что шум обычно имеет равномерное распределение спектральной плотности мощности. А потому чем шире участок спектра, на котором рассчитывается действующее значение напряжения шума VN, тем больше это значение. Соответственно, можно искусственно завысить dBFS, сузив полосу частот, в которой выполняется измерение.
Параметр dBFS измеряется либо во временной, либо в частотной области, при этом результаты измерений будут неодинаковыми. При измерении во временной области знаменатель формулы dBFS представляет собой среднеквадратичное значение шумового сигнала в некоторой широкой полосе частот, а в частотной области — мощность шумового сигнала на конкретных частотах. Если распределение спектральной плотности мощности шума в системе равномерное, то в частотной области значение VN будет ниже, а dBFS — выше.
Измерение dBFS во временной области
На рис. 1 показана длительная сигналограмма во временной области, полученная на частоте дискретизации 1 кГц. Сначала на вход прибора CoCo-80 было подано синусоидальное напряжение амплитудой 10 В, что соответствует максимальному уровню входного сигнала. Во время регистрации этого сигнала вход прибора был отсоединен, и на него была установлена заглушка. Соответственно, во второй части сигналограммы регистрировался только собственный шум системы.
С помощью программного обеспечения было определено действующее значение шума — 1,81 мкВ. Следовательно, для динамического диапазона получаем:
Описанное выше измерение было повторено на различных частотах дискретизации. В результате получены следующие значения dBFS:
Измерение dBFS в частотной области
Как видно из предыдущей таблицы, dBFS зависит от частоты дискретизации, поэтому рассмотрим уровень собственного шума прибора в частотной области. В этом режиме мы можем воспользоваться функцией автоматического измерения спектральной плотности мощности с градуировкой отсчетной шкалы в децибелах относительно максимального уровня сигнала. Поскольку максимальная амплитуда входного сигнала CoCo-80 составляет 10 В, по этой шкале синусоидальный сигнал амплитудой 10 В даст пик с уровнем 0 дБ.
На рис. 2 показано, что при установленной на входе прибора 50-омной заглушке уровень собственных шумов прибора оказывается ниже — 150 дБ. Автоматическое измерение спектральной плотности мощности выполнено методом БПФ по 4096 точкам с 64-кратным усреднением спектра. Таким образом, измерив очень слабый синусоидальный сигнал амплитудой 1 мкВ, мы можем заявить, что динамический диапазон равен 150 дБ!
Как можно видеть, при измерении в частотной области значение dBFS оказывается выше, чем во временной области, потому что в первом случае синусоидальный сигнал максимальной амплитуды сравнивается с собственным шумом на отдельных частотах, а не с суммарным шумом во всей полосе пропускания. Кроме того, при усреднении спектра снижается дисперсия оценки шумового спектра. Во временной области синусоидальный сигнал амплитудой 1 мкВ полностью потонул бы в шуме, а в частотной области он оказывается виден после усреднения.
Подводя итоги, можно сказать, что динамический диапазон — понятие расплывчатое и числовое значение этой характеристики будет различаться в зависимости от метода ее измерения. Для CoCo-80 динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS) при измерении во временной области составляет 130 дБ, а в частотной области — 150 дБ.
Как достигается столь широкий динамический диапазон в устройствах Crystal lnstruments?
В устройствах компании Crystal Instruments столь широкий динамический диапазон достигается за счет применения уникальной патентованной технологии с использованием двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в каждом измерительном канале (рис. 4).
Эта уникальная технология предусматривает использование двух АЦП, установленных параллельно в каждом измерительном канале. В ходе регистрации информации потоки данных во временной области с обоих АЦП поступают на цифровой сигнальный процессор (ЦСП). ЦСП выбирает соответствующие потоки.
При столь широком динамическом диапазоне каждого входа необходимость в настройке чувствительности (диапазона входных напряжений) практически отпадает.
Справка
В настоящее время на рынке присутствует множество компаний, предлагающих комплексные решения для управления вибросистемами, измерения вибрации и анализа данных. Одна из таких компаний — Crystal Instruments Corporation. Компания была основана в 1996 году доктором физических наук Джеймсом Чжугэ (James Zhuge, Ph. D.) и Джастином Тангом (Justin Tang) и располагается в центре высоких технологий — Кремниевой долине.
Первым продуктом CI стал анонсированный в 1996 году самый маленький на тот момент анализатор сигналов, использующий сигма-дельта АЦП — Type II PCMCIA Dynamic Signal Analyzer (платы AQ204 производятся и востребованы по сей день). После успешной разработки систем сбора и анализа данных создатели CI обратили внимание на рынок вибрации и внесли свой вклад в создание компании DACTRON в том же, 1996 году. Успех не заставил себя долго ждать — на рынке появились виброконтроллеры DACTRON Laser и DACTRON Comet. В 2003 году компания LDS взяла под крыло успешный DACTRON, который за семь лет существования выпустил на рынок более 20 различных продуктов. В 2006 году Bruel & Kjaer выкупают DACTRON у LDS, а Джеймс Чжугэ и Джастин Танг возвращаются к своему первоначальному проекту — Crystal Instruments. Уже в 2007-м они предлагают уникальный ручной сборщик и анализатор данных CoCo-80. Crystal Instruments признали лидером и инноватором рынка.
За последующие четыре года компания выпускает на рынок семейство контроллеров 4-го поколения Spider (Spider 80 в 2009,Spider 81/81b в 2010, Spider 80x в 2013).
На данный момент Crystal Instruments работает в следующих направлениях:
• мониторинг машин;
• структурный анализ;
• шумо- и виброметрия;
• акустический анализ;
• техническое обслуживание продукции;
• системы управления электродинамическими вибростендами.
Перевод Артема Вахитова
Одной из уникальных особенностей устройств, производимых компанией Crystal Instruments, является их выдающийся динамический диапазон — 150 дБ относительно максимального уровня сигнала. Такие высокие характеристики впервые достигнуты в столь компактных и недорогих устройствах. Главное преимущество широкого динамического диапазона — отсутствие необходимости настраивать чувствительность и амплитудный диапазон входного усилителя, что упрощает процесс подготовки и выполнения измерений. Сигналы, различающиеся по уровню на порядки — от максимума в 10 вольт до нескольких микровольт, — измеряются одновременно без перенастройки. Благодаря этому подготавливать и выполнять измерения оказывается значительно проще, чем при использовании приборов с более узким динамическим диапазоном. В данной статье мы разъясним понятие «динамический диапазон» и опишем различные методы его оценки, в том числе и тот, который применяет компания Crystal Instruments.
Динамический диапазон в динамических измерениях
Динамический диапазон — одна из важнейших характеристик системы динамических измерений. Если он слишком узок, сильные сигналы будут ограничиваться и искажаться, а слабые потонут в собственном шуме системы. Шум является неотъемлемым атрибутом электронных схем, предназначенных для усиления и формирования сигналов от первичных измерительных преобразователей. Максимальное расширение динамического диапазона — задача первоочередной важности в приборостроении, поскольку от этого зависит возможность точного одновременного измерения как слабых, так и сильных сигналов.
Восприятие данной характеристики осложняется тем, что производители определяют и измеряют ее по-разному. Их можно понять, ведь общепринятой технической формулировки, раскрывающей содержание динамического диапазона, не существует. В общем случае он расплывчато характеризуется как отношение наибольшего и наименьшего значений сигнала, которые система способна точно измерить в один и тот же момент времени. Такое определение вызывает несколько вопросов:
1. Что значит «в один и тот же момент времени»? Сравниваем ли мы слабый сигнал, наложенный на сильный, с самим этим сильным сигналом — или же отдельно слабый и сильный сигналы, которые зафиксированы на одной временной отметке, но в разные периоды?
2. Что значит «наибольшее значение сигнала»? Есть три общеупотребительные меры наибольшего значения сигнала, и каждая из них уместна в определенном контексте:
• размах амплитуды (peak-to-peak, full-scale range) — разность между двумя крайними значениями сигнала;
• амплитуда (zero-to-peak) — разность между средним и амплитудным значениями сигнала;
• действующее значение (RMS full-scale) — среднеквадратичное значение сигнала (для синусоидального сигнала это 0,707 от его амплитуды).
3. Что значит «наименьшее значение сигнала»? Имеется ли в виду уровень шума? Рассматривается ли некоторая узкая фиксированная полоса частот или же вся полоса пропускания устройства? Это важно, поскольку измеренный среднеквадратичный уровень шума будет зависеть от полосы частот, в которой он измеряется.
Для правильной интерпретации паспортного значения динамического диапазона необходимо разобраться в этих вопросах и выяснить, как производитель измеряет величину, чтобы можно было сравнивать между собой разные устройства.
Динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS)
При испытаниях своих приборов — анализатора сигналов CoCo-80 и виброконтроллеров Spider 81/81b/80x — компания Crystal Instruments применяет одно из наиболее распространенных определений — динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS), измеряемый в децибелах (дБ). Это отношение максимального размаха амплитуды измеряемого сигнала (VFS) к действующему значению напряжения собственного шума системы (VN). VN обычно измеряется с заглушенным входом и заземлением.
В системе регистрации данных dBFS представляет собой частотно-зависимую переменную величину: чем шире полоса пропускания прибора, тем уже динамический диапазон (меньше значение dBFS). Это связано с тем, что шум обычно имеет равномерное распределение спектральной плотности мощности. А потому чем шире участок спектра, на котором рассчитывается действующее значение напряжения шума VN, тем больше это значение. Соответственно, можно искусственно завысить dBFS, сузив полосу частот, в которой выполняется измерение.
Параметр dBFS измеряется либо во временной, либо в частотной области, при этом результаты измерений будут неодинаковыми. При измерении во временной области знаменатель формулы dBFS представляет собой среднеквадратичное значение шумового сигнала в некоторой широкой полосе частот, а в частотной области — мощность шумового сигнала на конкретных частотах. Если распределение спектральной плотности мощности шума в системе равномерное, то в частотной области значение VN будет ниже, а dBFS — выше.
Измерение dBFS во временной области
На рис. 1 показана длительная сигналограмма во временной области, полученная на частоте дискретизации 1 кГц. Сначала на вход прибора CoCo-80 было подано синусоидальное напряжение амплитудой 10 В, что соответствует максимальному уровню входного сигнала. Во время регистрации этого сигнала вход прибора был отсоединен, и на него была установлена заглушка. Соответственно, во второй части сигналограммы регистрировался только собственный шум системы.
С помощью программного обеспечения было определено действующее значение шума — 1,81 мкВ. Следовательно, для динамического диапазона получаем:
Описанное выше измерение было повторено на различных частотах дискретизации. В результате получены следующие значения dBFS:
Измерение dBFS в частотной области
Как видно из предыдущей таблицы, dBFS зависит от частоты дискретизации, поэтому рассмотрим уровень собственного шума прибора в частотной области. В этом режиме мы можем воспользоваться функцией автоматического измерения спектральной плотности мощности с градуировкой отсчетной шкалы в децибелах относительно максимального уровня сигнала. Поскольку максимальная амплитуда входного сигнала CoCo-80 составляет 10 В, по этой шкале синусоидальный сигнал амплитудой 10 В даст пик с уровнем 0 дБ.
На рис. 2 показано, что при установленной на входе прибора 50-омной заглушке уровень собственных шумов прибора оказывается ниже — 150 дБ. Автоматическое измерение спектральной плотности мощности выполнено методом БПФ по 4096 точкам с 64-кратным усреднением спектра. Таким образом, измерив очень слабый синусоидальный сигнал амплитудой 1 мкВ, мы можем заявить, что динамический диапазон равен 150 дБ!
Как можно видеть, при измерении в частотной области значение dBFS оказывается выше, чем во временной области, потому что в первом случае синусоидальный сигнал максимальной амплитуды сравнивается с собственным шумом на отдельных частотах, а не с суммарным шумом во всей полосе пропускания. Кроме того, при усреднении спектра снижается дисперсия оценки шумового спектра. Во временной области синусоидальный сигнал амплитудой 1 мкВ полностью потонул бы в шуме, а в частотной области он оказывается виден после усреднения.
Подводя итоги, можно сказать, что динамический диапазон — понятие расплывчатое и числовое значение этой характеристики будет различаться в зависимости от метода ее измерения. Для CoCo-80 динамический диапазон относительно максимального уровня сигнала (dBFS) при измерении во временной области составляет 130 дБ, а в частотной области — 150 дБ.
Как достигается столь широкий динамический диапазон в устройствах Crystal lnstruments?
В устройствах компании Crystal Instruments столь широкий динамический диапазон достигается за счет применения уникальной патентованной технологии с использованием двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в каждом измерительном канале (рис. 4).
Эта уникальная технология предусматривает использование двух АЦП, установленных параллельно в каждом измерительном канале. В ходе регистрации информации потоки данных во временной области с обоих АЦП поступают на цифровой сигнальный процессор (ЦСП). ЦСП выбирает соответствующие потоки.
При столь широком динамическом диапазоне каждого входа необходимость в настройке чувствительности (диапазона входных напряжений) практически отпадает.
Справка
В настоящее время на рынке присутствует множество компаний, предлагающих комплексные решения для управления вибросистемами, измерения вибрации и анализа данных. Одна из таких компаний — Crystal Instruments Corporation. Компания была основана в 1996 году доктором физических наук Джеймсом Чжугэ (James Zhuge, Ph. D.) и Джастином Тангом (Justin Tang) и располагается в центре высоких технологий — Кремниевой долине.
Первым продуктом CI стал анонсированный в 1996 году самый маленький на тот момент анализатор сигналов, использующий сигма-дельта АЦП — Type II PCMCIA Dynamic Signal Analyzer (платы AQ204 производятся и востребованы по сей день). После успешной разработки систем сбора и анализа данных создатели CI обратили внимание на рынок вибрации и внесли свой вклад в создание компании DACTRON в том же, 1996 году. Успех не заставил себя долго ждать — на рынке появились виброконтроллеры DACTRON Laser и DACTRON Comet. В 2003 году компания LDS взяла под крыло успешный DACTRON, который за семь лет существования выпустил на рынок более 20 различных продуктов. В 2006 году Bruel & Kjaer выкупают DACTRON у LDS, а Джеймс Чжугэ и Джастин Танг возвращаются к своему первоначальному проекту — Crystal Instruments. Уже в 2007-м они предлагают уникальный ручной сборщик и анализатор данных CoCo-80. Crystal Instruments признали лидером и инноватором рынка.
За последующие четыре года компания выпускает на рынок семейство контроллеров 4-го поколения Spider (Spider 80 в 2009,Spider 81/81b в 2010, Spider 80x в 2013).
На данный момент Crystal Instruments работает в следующих направлениях:
• мониторинг машин;
• структурный анализ;
• шумо- и виброметрия;
• акустический анализ;
• техническое обслуживание продукции;
• системы управления электродинамическими вибростендами.
