Las mediciones de ruido ADC brindan una distribución bimodal (doble joroba) en los valores de salida

Diseñé un circuito de medición de corriente que mide el voltaje a través de una resistencia de derivación. El voltaje se mide básicamente con un amplificador de instrumentación y la salida está conectada a las entradas de un convertidor de analógico a digital de 18 bits.

Para tener una idea de cuánto ruido hay en las muestras, hice que el ADC convirtiera muchas muestras (65536 muestras para ser precisos) cuando no fluye corriente a través de la resistencia. Esperaba que la distribución de las muestras fuera como una distribución normal. Sin embargo, el resultado se veía así (figura 1):

Distribución de los valores de salida del ADC con corriente de entrada cero

La media es 131085 (cerca de 131072, que es la mitad del rango de escala completa), por lo que está bien (los amplificadores de interfaz tienen errores de compensación, etc.). Pero la desviación estándar es 22,05, que no es muy buena. Lo peor es que la distribución tiene dos jorobas (descubrí que esto se llama distribución bimodal). No soy ni mucho menos un experto en estadística y me gustaría saber desde un punto de vista más "electrónico", ¿a qué se puede deber esta distribución? ¿Filtrado inadecuado? ¿Corrientes de polarización en las entradas del amplificador de instrumentación?

El circuito es parte de un circuito más grande que también incluye una interfaz de medición de voltaje. Esta interfaz utiliza el mismo ADC y el mismo buen diseño de PCB y ambos ADC tienen el almacenamiento en búfer y el filtrado adecuados del voltaje de referencia. Hice un experimento similar con este circuito muy similar, y el resultado es más de lo que esperaba (figura 2):

Distribución de los valores de salida del ADC con voltaje de entrada cero

En este caso, la media es 131090 y la desviación estándar es 2,52837. Mucho mejor.

La única diferencia real en los dos circuitos sería el amplificador de instrumentación en el circuito de medición de corriente que no está presente en el circuito de medición de voltaje. El amplificador es un amplificador de instrumentación regular basado en 3 opamp ajustado a una ganancia de voltaje de 10. ¿Podría ser esta la fuente de la distribución "extraña"? La distribución parece bastante simétrica aunque es bimodal. Me temo que el filtrado solo reducirá la desviación pero mantendrá la forma de distribución.

¿Es esto normal con los amplificadores de instrumentación o podría estar el problema en otra parte?

Gracias de antemano por cualquier idea sobre lo que podría estar mal.

(Por cierto, no voy a publicar ningún esquema ya que esta es una pregunta más general y espero ideas sobre dónde podría estar el problema, no una solución completa. Gracias :-)

La distribución sugiere que hay dos conjuntos de condiciones. El conjunto uno produce el pico de la izquierda y el conjunto dos produce el pico de la derecha. Dices que está midiendo corriente. Puede ser que a veces la corriente sea alta ya veces sea baja. Otra posibilidad es que alguna otra señal esté ingresando de alguna manera al nodo ADC o la referencia. No me apresuraría a culpar al amplificador, aunque ciertamente es posible.
Por cierto, la desviación estándar es una estadística que se aplica a las distribuciones normales. Una vez que SABES que la distribución no es normal, la desviación estándar no es significativa para predecir la probabilidad de un valor atípico. Solo para tu información. En una distribución normal, el promedio es el resultado más probable. En su distribución bimodal, el promedio es relativamente improbable. Es posible que desee utilizar el rango (máximo - mínimo) en lugar de la desviación estándar.
¿Error de no linealidad integral en el ADC?
Una onda sinusoidal ligeramente distorsionada (con picos aplanados) tendría una distribución similar a esta. Además tendría una explicación relativamente sencilla, sobre todo si su frecuencia resulta ser 50 o 60Hz...

Respuestas (2)

¿A qué tipo de fuente de voltaje está conectada su resistencia? Mi primera suposición sería que la fuente a la que se encuentra su resistencia tiene alguna señal de onda cuadrada presente.

¿Estás desacoplando correctamente tu fuente de alimentación? ¿La fuente de alimentación es la misma en los dos experimentos que describiste?

Quizás su amplificador de instrumentación no tenga un buen rechazo de ruido de la fuente de alimentación.

¿Cuál es la referencia de voltaje de su ADC?

¿Tiene acceso a un osciloscopio? Sería interesante observar la salida de su amplificador operacional de instrumentación para ver si hay algún ruido en la señal.

¿Ha intentado cambiar el nivel de voltaje (a algo que no sea la mitad del suministro)? Eso no debería cambiar sus resultados, pero si lo hiciera, sería interesante y sería una información muy útil.

Entiendo que no vas a publicar ningún esquema; Estoy totalmente en desacuerdo con la decisión.

Editar:

Sube la ganancia de tu amplificador de instrumentación. Si ve una distribución más amplia , esto podría implicar que la señal bimodal está ingresando a su medición antes o en su amplificador de instrumentación. Si no ve un cambio en la distribución, puede concluir que el error está ingresando su medición en o después del amplificador.

Sí, una onda cuadrada en algún lugar parece una buena explicación. La amplitud de voltaje de la onda cuadrada en la entrada del ADC puede deducirse de la separación de los dos picos. Definitivamente colocaría una sonda de osciloscopio en la entrada ADC, la configuraría en acoplamiento de CA y vería lo que podía ver.
Ver ruido ADC de 18 bits con un osciloscopio puede ser difícil, pero en lugar de mirar solo las estadísticas de las muestras, tal vez trazarlas a lo largo del tiempo ya podría dar una idea, o hacer una FFT y ver qué tipo de frecuencias hay (FFT puede ser bastante impresionante incluso cuando el ojo ya no ve ninguna frecuencia).
Arsenal hace un muy buen punto. Si la distribución está siendo causada por algún oscilador en su circuito, entonces debería poder ver el oscilador (o al menos algún alias de él) en sus datos. Esto supone que el oscilador y su reloj digital son estables entre sí, pero eso no es un acto de fe demasiado grande.
Su salida ADC parece parecerse un poco a la de la Fig. 3 aquí . Él usa uno similar, pero no exactamente el mismo para obtener la distribución correcta.
Muchas gracias por tus ideas. Creo que mi fuente de voltaje conectada a la resistencia de derivación podría ser el problema. Tendré que hacer algunas mediciones más a diferentes voltajes y ver cómo se ven las distribuciones.

Algunas causas posibles.

  1. un problema de lectura. Por ejemplo, una lectura de bits aleatoria debido a que no está conectado correctamente, un intercambio de bits en el cableado del ADC o un problema de tiempo en una interfaz serial que provoca lecturas erróneas ocasionales de un bit en particular. Si sus picos están separados por una potencia de 2, estaría sospechando esto.
  2. una señal de interferencia no aleatoria en el lado analógico. Puede ser interesante mirar una gráfica de tiempo de las muestras o incluso hacer una transformada de Fourier y mirar una gráfica de frecuencia.
  3. un ADC defectuoso.
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