Отношение сигнал/помеха

Отношение сигнал/помеха – это мера того, какой уровень помехи есть в сигнале по сравнению с уровнем самого сигнала. Оно вычисляется как отношение уровня напряжения сигнала к уровню напряжения помехи. Чем больше это отношение, тем лучше.

Ослабление

Ослабление сигнала требуется, когда напряжения, которые необходимо оцифровать, находятся за пределами диапазона входных напряжений АЦП. В результате ослабления амплитуда сигнала уменьшается так, чтобы он попадал в рабочий диапазон АЦП. Такой вид согласования сигналов нужен для измерения высоких напряжений.

Фильтрация

В состав систем согласования сигналов могут входить фильтры, которые подавляют паразитные наводки в определенном частотном диапазоне. Почти во всех измерительных приложениях в той или иной степени имеет место наводка 50 или 60 Гц от питающих линий или промышленного оборудования. Поэтому в большинстве систем согласования сигналов есть фильтры нижних частот (ФНЧ), которые спроектированы так, чтобы как можно лучше подавлять помеху 50 или 60 Гц. Например, в состав модуля SCXI-1125 входит ФНЧ с полосой среза 4 Гц, обеспечивающих большое подавление такой помехи (90 дБ).

В общем случае фильтры делятся на пять типов: фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные (заграждающие) фильтры (ЗФ), многочастотные фильтры (ВЧФ). Здесь приведена классификация по частотному диапазону сигналов, которые фильтр должен пропускать со входа на выход без ослабления. В связи с тем, что в большинстве модулей согласования сигналов производства National Instruments применяются ФНЧ, основное внимание уделяется именно этим фильтрам.

Идеальный ФНЧ не ослабляет никакие спектральные составляющие входного сигнала в полосе пропускания, под которой подразумеваются все частоты ниже частоты среза. Такой ФНЧ полностью подавляет все составляющие в полосе подавления, которая включает в себя все частоты выше частоты среза. Кроме того, идеальный ФНЧ имеет линейную фазо-частотную характеристику (ФЧХ – зависимость фазового сдвига от частоты). Линейность ФЧХ означает, что все спектральные составляющие имеют одну и ту же задержку независимо от частоты, что позволяет полностью сохранить форму сигнала. В реальных фильтрах преобразование входных сигналов описывается математически передаточными функциями, которые аппроксимируют характеристики идеального фильтра. На рис. 7-2 сравнивается ослабление амплитудно-частотной характеристик (АЧХ) идеального и реального фильтров.

Рисунок 7-2. АЧХ идеального и реального фильтров

a. идеальный фильтр, b. реальный фильтр, Gain – коэффициент передачи, Frequency – частота, Passband – полоса пропускания, Stopband – полоса подавления, Transition Region – переходная область

На рис. 7-2 приведена АЧХ реального фильтра с пульсациями (с неравномерным ослаблением в зависимости от частоты) в полосе пропускания, переходной областью между полосой пропускания и полосой подавления, и полосой подавления с конечным ослаблением и пульсациями.

Кроме того, у реальных фильтров имеет место некоторая нелинейность ФЧХ, из-за которой более высокочастотные спектральные составляющие имеют большую задержку, чем низкочастотные. Это приводит к искажению формы сигнала. Такое явление можно наблюдать, пропустив через ФНЧ прямоугольный или ступенчатый сигнал. Идеальный фильтр сглаживает фронты входного сигнала, а в реальном фильтре возникает некоторый дребезг сигнала из-за задержки высокочастотных спектральных составляющих. На рис. 7-3 приведены примеры реакции рассматриваемых фильтров на ступенчатое входное воздействие.

Рисунок 7-3. Реакция фильтра на ступенчатое воздействие

a. входной сигнал, b. реакция идеального фильтра на ступенчатое воздействие, c. реакция реального фильтра на ступенчатое воздействие, Volts – напряжение, Time – время