В течение последнего десятилетия или более разработчики электронных устройств, использующих датчики MEMS, отдавали предпочтение цифровым версиям вместо аналоговых, которые считались менее технологически продвинутыми. То же самое происходит и сегодня, и эта тенденция является результатом большей доступности цифровых датчиков, их функциональности, возможностей интеграции и стоимости.
Для инерциальных датчиков, таких как акселерометры, также необходимо учитывать характеристики полосы пропускания датчика, чтобы избежать ненужных наложений в цепочке сигналов. В статье будут обсуждаться основы наложения сигналов в сенсорных системах и конструктивные компромиссы, которые появляются в некоторых методах, используемых для устранения ошибок, возникающих в результате этого явления.
Акселерометры MEMS стали идеальным решением для обнаружения вибрации в таких приложениях, как:
- прогнозирующий мониторинг состояния оборудования;
- снижение шума, вызванного вибрацией в механических системах.
По сравнению с предыдущими решениями на основе пьезоэлектрических датчиков и аналоговых детекторов цифровые акселерометры имеют множество ключевых преимуществ применения, таких как низкое энергопотребление, низкая стоимость и небольшой размер корпуса.
Эти функции позволяют разработчикам систем часто использовать несколько акселерометров в одной системе и размещать их близко к физической точке, где возникают вибрации. Это позволяет системе работать с максимальной эффективностью за счет локального обнаружения инерционного движения для анализа вибрации в реальном времени.
Цифровые версии из-за полной интеграции схем в одну систему требуют учета при проектировании таких параметров, как полоса пропускания датчика и частотная характеристика. Это особенно важно в приложениях анализа вибрации, где появление наложений может испортить точность измерений датчика.
Теорема Найквиста
Наложение сигналов в системах на основе акселерометра происходит, когда сигнал, обрабатываемый датчиком, дискретизируется со слишком низкой скоростью, чтобы точно воспроизвести все изменения во входном сигнале. Согласно теореме Найквиста, известной из теории сигналов, частота дискретизации должна быть как минимум в 2 раза выше верхней частоты полосы анализируемого сигнала.
Частота дискретизации менее чем в 2 раза превышает верхнюю частоту, определяющую полосу сигнала, что приводит к перекрытию составляющих спектра. Можно сказать, что таким образом создаются артефакты, т.е. компоненты, не существующие в реальности, возникающие в результате недостаточно быстрой дискретизации вибросигнала. Эффект заключается в иной форме оболочки, чем та, которая соответствует механическим колебаниям.
Чтобы избежать этого негативного эффекта, вибрации частотой 100 Гц необходимо измерять на частоте не менее 200 Гц. Фактический сигнал вибрации правильно регистрируется, когда он дискретизируется на частоте, намного превышающей минимальную частоту.
Наличие быстрых АЦП побуждает нас установить очень высокую частоту выборки, значительно превышающую критерий Найквиста. Таким образом, можно выполнить передискретизацию, чтобы отфильтровать шум и улучшить битовое разрешение на следующем этапе с помощью прореживания. Конечно, передискретизация является общепризнанным методом фильтрации цифрового сигнала. Однако следует помнить, что нежелательный сигнал все равно может просачиваться в сигнальную цепь на высоких тактовых частотах.
Недостаток использования передискретизации, как метода уменьшения наложения спектров и улучшения разрешения преобразования заключается в том. Что энергопотребление будет намного выше из-за частого преобразования и передачи данных. В большинстве датчиков частота дискретизации или скорость выходных данных (ODR) коррелирует с энергопотреблением. Потребление энергии значительно увеличивается при более высоких скоростях.
Потребляемую мощность можно снизить, снизив частоту дискретизации ближе к критерию Найквиста. В этом случае частота дискретизации снижена до 500 Гц, что примерно в 2,5 раза превышает верхнюю частоту полосы сигнала.
Как установить частоту дискретизации
Одним из наиболее распространенных вопросов, касающихся использования акселерометров, является выбор подходящей частоты дискретизации для конкретного приложения. Часто это компромисс между производительностью и временем автономной работы. Но высокая частота дискретизации также может привести к созданию огромных файлов данных, которыми будет сложно манипулировать, затруднить связь и снизить энергоэффективность.
С другой стороны, слишком медленная выборка может вызвать наложение спектров во время нормальной работы. Или привести к невозможности анализа переходных процессов. Хорошей новостью является то, что существуют устоявшиеся рекомендации по выбору минимальной частоты дискретизации.
В приложениях, где энергопотребление не ограничено, частоту дискретизации можно установить кратной частоте событий. Однако даже при более высоких частотах дискретизации цифровая фильтрация может вызвать наложение спектров из-за аналогового характера данных вибрации и присутствия шума.
Читайте также: Операционные усилители: со связью по току или по напряжению
