Optimizando el rango dinámico para la adquisición de señales ruidosas

Su señal tiene un rango dinámico (máximo al nivel de ruido). Su ADC tiene un rango dinámico (escala completa a nivel de ruido).

Digamos que su ADC tiene un rango dinámico más grande que su señal. Enhorabuena, tiene una opción de ganancias para usar. La ganancia máxima utilizable es la relación de la escala máxima y completa, utilice más y sobrecargará su ADC. La ganancia mínima útil es la relación de sus niveles de ruido. Usar menos ganancia degradará aún más el nivel de ruido en su señal. Elige una ganancia en algún lugar de ese rango y regocíjate. Es posible que desee pensar si hay alguna forma de mejorar el ruido de la señal en la fuente.

Digamos que su señal tiene un rango dinámico más grande que su ADC. El rango de ganancias sugerido anteriormente se ha desvanecido a nada. Lo único que puede hacer es establecer la ganancia en la relación de los niveles máximos de señal, ya que un ADC sobrecargado es un ADC que no funciona. Tiene que sufrir el hecho de que el ADC limita su ruido, y tal vez quiera pensar en obtener una mejor o promediar las lecturas para mejorar el ruido.

A menos que - la señal no esté en su máximo todo el tiempo, pero solo algunas veces. Entonces puedes usar ganancia conmutada para mejorar las cosas. Establezca la ganancia en la relación entre el máximo de la señal presente y su escala completa de ADC. Si se sobrecarga, gire la ganancia hacia abajo. Si la lectura está persistentemente por debajo de algún umbral, digamos media escala, aumente la ganancia para mejorar el ruido. Si puede tolerar el tiempo de inactividad de la sobrecarga ocasional, esto funciona. Hay variaciones en esto, por ejemplo, usar dos ADC con diferentes ganancias. Elija la señal más grande que no esté sobrecargada.

  

¿Cuánta amplificación debo aplicar antes del ADC para que pueda   aumentar mi SNR a través de sobremuestreo.

Al menos lo suficiente para leer el ruido (incluido el ruido interno en el ADC). Si el ruido total es de 100 nV, entonces necesita amplificarlo a 31 uV. Luego tiene una muestra de 1 bit que se puede "muestrear en exceso" para extraer una señal que está por debajo de la resolución del ADC.

Esto proporcionará el mayor rango dinámico. Si no necesita tanto este rango, amplifique la señal hasta que la señal más grande + el ruido sea ligeramente inferior a 1V. Evite el recorte porque esto perderá información y distorsionará la señal durante los picos de ruido.

Hace algunos años implementé el receptor de posicionamiento de baliza magnética, utilizando 600,000X (ganancia de 116dB) en la región de 80Khz a 150KHz. Con el uso considerable de la energía de la "batería local" a los diversos módulos de ganancia, no hubo inestabilidad de la oscilación. La salida máxima, utilizando una batería de linterna de 6 voltios fue de aproximadamente 1 voltio de RMS "aleatorio" de ruido, con algunos recortes obvios. ¿Fue eso un problema? No sé. Por diversas razones, el proyecto quedó en suspenso. Sin embargo ...........

La ganancia fue conmutable en pasos de 6dB, de 20X a 600,000X: se usó un módulo de 1x / 2x / 4x / 8x por adelantado seguido de 8x / 8x y 64x. El propósito era mantener el ADC cargado entre -12dB y -6dB, para permitir siempre la propagación del ruido, de modo que el filtrado FFT posterior obtendría una versión lineal (ruido del motor del refrigerador, etc.) de cualquier interferencia de Hfield que perturbara la antena de cuadro.