¿Cómo seleccionar la resolución ADC, teniendo en cuenta la señal de entrada SNR y el procesamiento de la señal digital?

Lo que sabía: la selección de la resolución del ADC depende del ruido inherente del ADC y de la señal de entrada SNR.

Nuestra aplicación: Medición de muy alta precisión de señales que van desde 1kHz a 10kHz. Queremos obtener un resultado lo más preciso posible, incluso un resultado de 24 bits.

Sin embargo, la afirmación anterior no tiene en cuenta el procesamiento de la señal digital después del muestreo del ADC.

Dado que las técnicas DSP como FIR, FFT, etc. pueden reducir los ruidos en gran medida, ¿es posible que el aumento de la resolución del ADC también mejore el resultado de la medición cuando se toman en consideración las técnicas DSP?

Una cosa que no mencionó es la frecuencia de las señales que está tratando de medir. Este será un factor clave para determinar qué tipo de ADC va a utilizar.
@Nick, la frecuencia medida será de 1 kHz a 10 kHz. Y mi principal preocupación es "si el DSP es importante al considerar la resolución de adc". Gracias por señalarlo, actualizaré la publicación.
La resolución y la frecuencia de muestreo son interdependientes, por lo que si estuviera tratando de caracterizar señales de frecuencia más alta a una resolución alta, todo lo demás en su sistema tendría que sincronizarse bastante rápido.
Se encuentra en un punto óptimo para la disponibilidad del producto porque se encuentra en el rango de frecuencia audible: no habrá escasez de ADC ΣΔ de 24 bits. Como dije en otro comentario, un problema que puede enfrentar es el ruido térmico / propio de su sensor. He trabajado en proyectos en los que el ruido de fondo del sensor era el factor limitante. Eso es probablemente algo que debería tratar de caracterizar antes de esforzarse mucho en el resto del sistema. Si su sensor no tiene el rango dinámico que necesita, realmente no importa qué tan bueno sea el resto de su hardware de medición.
Otra consideración: si puede usar MUCHOS sensores y muestrear sincrónicamente los ADC, el ruido no correlacionado desaparecerá cuando combine/promedie estas señales. Eso es lo que hicimos en el sistema mencionado anteriormente en el que trabajé (teníamos varios cientos de canales de audio), y eso también se hace comúnmente en el campo de las imágenes médicas: ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2253211

Respuestas (4)

Una regla general es que si desea que algo no contribuya a su presupuesto de ruido, debe ser al menos un factor de SNR 10 más alto que la fuente de ruido dominante en su cadena de señal. Como ejemplo, si tiene una fuente de señal que está en 300: 1 SNR, ejecute su ADC en 3000: 1 y, para todos los efectos, puede ignorar el ADC.

La única manera de hacer esto correctamente es hacer un análisis de ruido.

El procesamiento posterior (a través de DSP, por ejemplo) tiene el potencial de extraer características sobresalientes por encima del ruido, pero debe tener cuidado. Debe tener suficiente profundidad de bits para no introducir errores de redondeo/truncamiento. Debe asegurarse de conservar la naturaleza del ruido (gaussiano/poisson pdf) o, de lo contrario, el ruido de fondo puede aumentar de forma impredecible y no ser compatible con las técnicas DSP. Este tipo de pasos (filtros combinados, etc.) generalmente, en el mejor de los casos, pueden mejorar la SNR por factores de norte y, a menudo, el costo de procesamiento (# de operaciones) a menudo sigue norte 2 por lo tanto, este tipo de pasos a menudo se vuelven muy costosos rápidamente. Pero, de nuevo, un análisis adecuado mostrará esto.

Le advertiría que no asuma que una técnica DSP reducirá automáticamente su ruido. Es muy importante que ubique sus fuentes de ruido a través del análisis de histogramas para asegurarse de que la PDF (función de densidad de probabilidad) se pueda procesar. Es decir, parece bien comportado, Gaussiano o Poisson, no es multivariante y es estacionario

Gracias por su respuesta. ¿Está sugiriendo tratar la resolución ADC como ruidos de cuantificación? También creo que los errores de redondeo/truncamiento son ruidos de cuantización, ¿es correcto? ¿Podría presentar algunos buenos materiales sobre análisis de ruido? Le agradezco que señale que el DSP depende de la naturaleza del ruido, del cual desconozco ... Además, por PDF está hablando del dominio del tiempo; ¿No es correcto decir que todos los ruidos se pueden filtrar en el dominio de la frecuencia, cómo relacionarlos?
Los ADC tienen ruido de cuantificación, la resolución está relacionada pero es algo diferente. El N al que se hace referencia es el número de muestras, no la profundidad de bits. Las acciones en el dominio del tiempo y la frecuencia están inherentemente acopladas y NO todo el ruido se puede cambiar, uno puede introducir artefactos fácilmente.

La resolución de ADC depende de su aplicación. Francamente, si está utilizando algo que va a producir un amplio rango de valores, como sonido o alta frecuencia, necesitará un ADC con una resolución más alta. Si solo está tratando de tomar lecturas de algo como un sensor RTD, es probable que no necesite un dispositivo de alta resolución y pueda ahorrar costos. Una cosa a tener en cuenta también es que, por lo general, los ADC de mayor resolución tienen tiempos de muestreo más lentos. Por lo tanto, obtiene una lectura más precisa, pero no tantas como en el período de tiempo especificado. Si este fuera el caso con el audio, un ADC de mayor resolución aumentaría el ancho de banda, pero disminuiría la tasa de bits. Sus otras preocupaciones pueden abordarse a través de otras opciones de circuitos como filtros y demás. Pero como dije antes, todo está en lo que realmente es su aplicación.

Gracias por su respuesta. Nuestra aplicación es la medición de muy alta precisión, lo más alta posible. La pregunta principal de mayo es "¿Cuál es la influencia de DSP (después del muestreo adc) en la selección de resolución ADC".
@richieqianle: lo que creo que Kyle dice/implica sigue siendo cierto después de su comentario: existen métodos que pueden mejorar mucho la capacidad de resolución de una pequeña señal en una tonelada de ruido, pero no conocemos su aplicación específica y, por lo tanto, no podemos saber si hay alguna. o se aplican algunas de estas técnicas.
Todo lo que hace un DSP es realizar cálculos matemáticos basados ​​en la información que obtiene del ADC. Como acaba de decir Andy, todavía depende de su aplicación directa. Sin embargo, necesitará un ADC de alta resolución para obtener una lectura de alta precisión; típicamente El ruido que pueda obtener dependiendo de su muestreo debe eliminarse tanto como sea posible antes del ADC. El DSP podría limpiarlo, pero no me gusta depender de ellos para eso.
  • Tener un ADC que tenga mejor resolución que el ruido de la señal externa es una pérdida de dinero.
  • Tener un ADC que tiene una resolución deficiente y, por lo tanto, una SNR inherente alta puede contrarrestarse aumentando la frecuencia de muestreo de su proceso e implementando la recuperación de software de la señal a través del filtrado.
  • Si se conoce el ancho de banda de su señal, se puede hacer mucho más en los algoritmos para mejorar la SNR al excluir el ruido; esto es básicamente lo que hace una FFT y una radio de software.

Como no sabemos mucho sobre su aplicación, parece inútil revelar detalles que no se aplican.

Entiendo que la señal SNR externa decide la precisión del ADC cuando no se trata de técnicas DSP. Para el primer punto, ¿quiere decir que una resolución más alta no ayudará ("mejor resolución que el ruido de la señal externa"), incluso si se toman las técnicas DSP en ¿consideración?

Para obtener una precisión de 24 bits, probablemente desee un ΣΔ-ADC (Sigma-Delta ADC). Que es un tipo especial de ADC de 1 bit (con forma de ruido) seguido de filtrado de los valores digitales.

La ventaja del ΣΔ-ADC es que con solo un bit la cuantificación no puede ser no lineal.

Esto no responde a la pregunta y, además, el modulador en un Sigma/Delta no es lineal como cualquier operación de umbral. Lo que es clave es que el DNL es monótono y uniforme en el paso, es decir. es uniformemente no lineal.
Además, un ΣΔ de 24 bits no otorga 24 bits de resolución. Tiene una cantidad N de 'bits efectivos' que dependerán del nivel de ruido de su sistema. Solo quiero descartar esto como precaución: es fácil pensar en esto de la misma manera que un ADC de aproximación sucesiva, pero es un poco diferente.
Además, puede moldear el ruido de cuantificación del ADC, pero moldea otras fuentes de ruido, como el ruido térmico de su sensor. He trabajado en sistemas con ADC de 24 bits en el pasado y el límite del sistema no era el ADC, sino los sensores piezoeléctricos.
¿Cómo seleccionar la resolución ADC, teniendo en cuenta la señal de entrada SNR y el procesamiento de la señal digital?
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