Precisión Absoluta de los Dispositivos de Adquisición de Señales Dinámicas

Hardware: Modular Instruments>>Dynamic Signal Acquisition and Analysis (DSA)

Problema:
¿Cómo Puedo Calcular la Precisión de una Tarjeta de Adquisición de Señales Dinámicas (DSA) de NI?

Solución:
La precisión absoluta es usada para definir incertidumbres generales de una medición. Para un módulo DSA, puede obtenerse con la siguiente fórmula:

• Error de Ganancia
  Una medida de la desviación de ganancia de un amplificador, con respecto a la ganancia ideal. Es expresada en dB o % de una medición, puede ser visualizado como la desviación m de la función de transferencia mx+b.
  
• Error de Compensación
  Una constante de error agregada a la medición a lo largo de la curva de transferencia. En mx+b, el error de compensación es b. En Inglés se le conoce como Offset.
  
• Flatness
  Término expresado en dB para especificar los limites dentro de los cuales la amplitud de una señal varía a través de un ámbito de frecuencia dado. Mide la “respuesta en frecuencia” de la tarjeta. Es referenciado a la medida de una señal de 1kHz. No aplica para señales DC. Aplica únicamente para tonos de onda.

Como ejemplo, la precisión absoluta para el NI 4461 es calculada para ambas Entradas Analógicas (AI, por sus siglas en inglés) y Salidas Analógicas (AO, por sus siglas en inglés) a continuación. Para las Entradas Analógicas, se asume que estamos adquiriendo una señal senoidal a 1kHz con 10V de amplitud. Para las Salidas Analógicas, se asume que estamos generando una señal a la misma frecuencia.

Nota: Los valores usados en este Documento de Soporte son especificaciones típicas, no la especificación máxima de error. Estos valores deberían ser razonables si el dispositivo ha sido configurado de manera adecuada. Específicamente, es importante que al dispositivo se le haya permitido calentar por el tiempo indicado en el manual del dispositivo así como también que haya sido calibrado en las últimas 24 horas antes de tomar las mediciones. La justificación para esto se encuentra explicada en los siguientes puntos:

• Tiempo de Calentamiento:
  Los dispositivos NI DSA utilizan un Conversor Analógico Digital (ADC por sus siglas en inglés) altamente linear, tipo Sigma-Delta. Una propiedad inherente de este tipo de ADC es que son muy sensibles a los cambios de temperatura. Al permitir que la tarjeta alcance su punto estable de temperatura, la sensibilidad puede ser reducida. Para ver el valor necesitado de tiempo de calentamiento, haga click en las especificaciones para su dispositivo DSA en  Productos y Servicios: Analizadores de Señales Dinámicas.
• Auto Calibración
  Una vez que el dispositivo ha llegado a un punto estable de temperatura, debe efectuarse la prueba de auto calibración (Self-Calibrate en Inglés) para eliminar cualquier diferencia con respecto a la calibración anterior. Esto es importante porque las constantes fuentes de error pueden ser un poco diferentes con respecto a la última calibración efectuada. Las especificaciones utilizadas abajo asumen que la calibración fue efectuada entre 24 horas y a ± 5°C de la medida. Referirse al Procedimiento de Calibración NI 4461/4462 (En Inglés) para mayor información.

Entradas Analógicas

Para encontrar la precisión de la ganancia de amplitud, la compensación y el valor de flatness de las entradas analógicas refiérase a las Especificaciones de NI 4461/4462 (En Inglés).

Para una señal sinusoidal de 1 kHz con una amplitud de 10V, aplican los siguientes valores:

Precisión de la Ganancia de Amplitud para AI = ±0.03 dB max
Compensación de AI (sin ganancia aplicada) = ±0.7 mV max
Flatness de AI (sin ganancia aplicada) = ±0.003 dB típica

El error de ganancia es calculado basándose en la siguiente precisión de ganancia de amplitud para un tono de entrada de 1kHz.

Precisión de la Ganancia de Amplitud = ±0.03 dB max
Precisión de la Ganancia de Amplitud (dB) = 20 log (1 + (Ganancia de Error r(%)/100))
±0.03 dB = 20 log (1 + (Ganancia de Error (%)/100))
Ganancia de Error r(%) = 0.3460
Ganancia de Error (V) = Tensión de Entrada x Ganancia de Error (%) = 10 x 0.003460 = 34.60 mV

Donde la entrada de tensión se refiere al ámbito de tensión para el que el dispositivo esté configurado.

El valor de Flatness es convertido a tensión de la misma manera.

Flatness = ±0.003 dB max
Flatness (dB) = 20 log (1 + (Flatness(%)/100))
±0.003 dB = 20 log (1 + (Flatness(%)/100))
Flatness(%) = 0.00345
Flatness (V) = Tensión de Entrada x Flatness (%) = 10 x 0.000345 = 3.45 mV

De estos dos cálculos, el total de la presición para entradas analógicas se calcula de la siguiente manera:

Precisión de AI = Ganancia de AI + Compensación de AI+ Flatness
Precisión de AI = 34.60 mV + 0.7 mV + 3.45 mV
Precisión de AI = ± 38.75 mV

Salidas Analógicas

La precisión para las salidas analógicas puede ser calculada de la misma manera. Ver el siguiente ejemplo de cálculo:

Precisión de la Ganancia de Amplitud para AO = ±0.04 dB max
Compensación de AO= ±1 mV max
Flatness de AO = ±0.008 dB max

Ganancia de Error (calculado usando la fórmula de arriba) = 46.16 mV
Flatness (calculado usando la fórmula de arriba) = 9.21mV

El cálculo final para la precisión de las salidas analógicas es el siguiente:

Precisión de AO = Ganancia de AO + Compensación de AO+ Flatness
Precisión de AO = 46.16 mV + 1 mV + 9.21 mV
Precisión de AI = ± 56.37 mV

Nota: Estos valores de precisión pueden parecer pobres, pero es importante tener en cuenta el contexto del propósito de los dispositivos de Adquisición de Señales Dinámicas: obtener contenido espectral de alta precisión, no necesariamente contenido temporal. La frecuencia de una señal puede ser calculada de dos formas. La primera y la más evidente, el valor recíproco del período. Método útil pare señales repetitivas, sin embargo, no es una muy buena idea para señales cambiantes o dinámicas . El siguiente método es observando la pendiente instantanea (subida de la señal sobre tiempo transcurrido) de la señal. Podemos tomar la subida (cambio de amplitud, dV) y dividirlo entre el tiempo transcurrido (cambio de tiempo, dt) y calcular la frecuencia instantanea. Los módulos DSA tienen excelentes señales de reloj para obtener datos precisos de dt. Este dt es también muy pequeño debido a la naturaleza de sobre-muestreo de la arquitectura DSA. Cuando miramos a la diferencia de tensión, la precisión absoluta se vuelve menos importante.

Ligas Relacionadas:
Productos y Servicios: Analizadores de Señales Dinámicas
Product Manuals: NI 4461/4462 Specifications (en inglés)
Product Manuals: NI 4461/4462 Calibration Procedure (en inglés)


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Día del Reporte: 11/23/2015
Última Actualización: 02/25/2016
Identificación del Documento: 3IHCT5LE