Quelle est la relation entre la plage dynamique, le plancher de bruit et la plage d'entrée?

Compréhension de la Limite Supérieure de Mesure, de la Limite Inférieure et de l'Étendue Éffective dans les Systèmes d'Acquisition de Données

Dans les feuilles de spécifications des cartes d'acquisition de données, des cartes son professionnelles et des analyseurs audio, la plage dynamique, le plancher de bruit et la plage d'entrée sont généralement des spécifications principales. Cependant, lors de la sélection de l'équipement et de la conception des schémas de mesure, la comparaison d'un seul nombre peut souvent conduire à des conclusions incomplètes ou même erronées.

Par exemple, un appareil avec une plage dynamique plus élevée n'est pas nécessairement plus adapté pour mesurer des signaux faibles ; après avoir commuté le même signal vers une plage d'entrée plus petite, le bruit référencée à l'entrée peut diminuer de manière significative ; et même si deux appareils ont la même plage dynamique, leurs limites de mesure absolues supérieure et inférieure peuvent être complètement différentes.

La plage d'entrée détermine la limite supérieure de mesure, le bruit de fond référé à l'entrée limite la limite inférieure de mesure, et la plage dynamique décrit l'écart de ratio entre elles.

Plage d'entrée déterminant le signal mesurable maximum

La plage d'entrée est la plage de tension d'entrée autorisée du canal d'acquisition avant que l'avant analogique ne sature et que l'ADC sature. Les plages courantes incluent ±10 V, ±1 V et ±100 mV, etc. La limite supérieure dans la spécification peut être marquée comme crête, crête-à-crête ou RMS ; celles-ci doivent être unifiées avant la comparaison.

Lorsque le signal d'entrée dépasse la plage autorisée, l'avant analogique ou l'ADC va saturer, entraînant une coupure de la forme d'onde. À ce point, les mesures de valeur de crête, RMS, THD, THD+N et l'analyse du spectre peuvent toutes devenir déformées.

Une plage d'entrée plus grande n'est pas toujours meilleure. Une plage plus grande peut accueillir des signaux plus forts et réduire le risque de surcharge ; dans les systèmes où le gain frontal s'adapte à la plage, une plage plus petite permet aux signaux faibles de mieux exploiter la plage de l'ADC et peut réduire le bruit référencée à l'entrée. Par exemple, en utilisant l'échelle de crête, un signal de 10 mV dans les plages ±10 V et ±100 mV occupe respectivement environ 0,1% et 10% de la limite de plage positive.

Figure 1_ Relation entre la Plage d'Entrée, le Plancher de Bruit Référencé à l'Entrée et la Plage Dynamique

Le plancher de bruit détermine le signal minimum résoluble

Même sans signal effectif à l'entrée de la carte d'acquisition, la sortie ne sera pas absolument nulle. Les amplificateurs analogiques, les résistances, les ADC, les alimentations électriques, les horloges et les circuits de conditionnement du signal génèrent tous du bruit, qui forme collectivement le plancher de bruit du système dans des conditions de test spécifiées.

Le plancher de bruit est généralement exprimé en µV RMS ou nV RMS, nV/√Hz, dBV et dBFS. Parmi ceux-ci, la tension RMS représente le bruit référencée à l'entrée intégré sur une bande passante spécifiée, le nV/√Hz représente la densité spectrale de bruit, et le dBFS représente le niveau de bruit relatif à l'échelle pleine numérique.

Le dBFS est une valeur relative et ne peut pas être compris indépendamment de la tension à pleine échelle. Si deux appareils ont un plancher de bruit de -120 dBFS sous la même bande passante et conditions de test, mais que 0 dBFS correspond à 10 Vrms pour un appareil et 1 Vrms pour l'autre, le bruit référencée à l'entrée du premier est généralement plus élevé.

Par conséquent, voir seulement "-120 dB" n'est pas suffisant pour juger des performances d'un appareil. Vous devez aussi confirmer l'unité, la plage d'entrée, la définition de 0 dBFS, la bande passante de mesure, la méthode de filtrage ou de pondération, la terminaison d'entrée, et si IEPE est activée. Pour un bruit aléatoire large bande, une bande passante d'intégration plus large augmente généralement le bruit total RMS.

La plage dynamique représente l'étendue de mesure

Différents fabricants et normes de test peuvent définir la plage dynamique de manière différente. Une interprétation courante en ingénierie est le ratio du signal maximal non distordu au bruit RMS référencée à l'entrée, mesuré sous la même échelle d'amplitude et dans les mêmes conditions de test :

DR = 20 log₁₀(Vmax / Vnoise)

Supposons qu'un canal ait une entrée effective maximale de 10 Vrms et un bruit référencé à l'entrée de 10 µVrms ; sa plage dynamique est alors de 120 dB, correspondant à un ratio de tension d'environ 1 000 000 fois. Dans le calcul, Vmax et Vnoise doivent utiliser des échelles cohérentes de crête ou RMS et correspondre à la même bande passante, au même filtrage et aux mêmes conditions d'entrée.

Cependant, la plage dynamique est essentiellement un ratio. Elle n'indique que l'écart entre les limites supérieure et inférieure et ne fournit pas indépendamment la limite inférieure de mesure absolue.

Les deux systèmes ont la même plage dynamique, mais le système A a une limite supérieure de mesure plus élevée, adaptée pour des signaux plus grands, tandis que le système B a un plancher de bruit absolu plus bas, le rendant meilleur pour les signaux faibles.

Une même plage dynamique n'implique pas la même capacité de mesure de bruit absolu ou de signal faible.

Figure 2_La Même Plage Dynamique Ne Signifie Pas la Même Capacité de Mesure Absolue

Pourquoi la Plage d'Entrée Affecte le Plancher de Bruit

Les cartes d'acquisition multi-gammes modifient généralement la plage d'entrée en commutant l'atténuation ou le gain en entrée. Lorsque vous passez d'une plage ±10 V à une plage ±1 V, le système réduit généralement l'atténuation ou augmente le gain en entrée, permettant aux signaux plus faibles de mieux utiliser la plage de l'ADC. Si ce gain est placé avant la source de bruit dominante, le bruit référencée à l'entrée diminue généralement.

Ce qui suit sert d'exemple illustratif : Si les références de tension pour 0 dBFS sont 10 V, 1 V et 0,1 V respectivement, et que le bruit relatif est constamment de -120 dBFS, les bruits référencés à l'entrée sont d'environ 10 µV, 1 µV et 0,1 µV. La conversion réelle doit être basée sur la définition du fabricant de 0 dBFS, l'échelle de crête/RMS et la bande passante de mesure.

Le changement dans un appareil réel ne suivra pas parfaitement cette proportion. Les amplificateurs à gain élevé, les circuits de commutation de plage et les dispositifs de protection introduisent également du bruit. Par conséquent, une documentation produit appropriée devrait fournir le bruit référencée à l'entrée, la plage dynamique et le THD+N pour chaque plage dans des conditions de test cohérentes, plutôt que de ne lister qu'une seule meilleure valeur.

Tableau 1_ Comparaison des Niveaux de Plancher de Bruit à Différentes Plages

Figure 3_ Utilisation de l'Amplitude du Même Signal de 10 mV à Différentes Plages d'Entrée (Échelle de Crête)

Une Plage Plus Petite Signifie-t-elle Toujours une Plus Grande Plage Dynamique?

Pas nécessairement. Si la plage est réduite d'un facteur 10, et que le bruit référencée à l'entrée diminue d'un facteur 10 simultanément, le ratio entre le signal maximum et le bruit reste inchangé, et la plage dynamique reste la même.

Par exemple, une entrée maximale effective de 10 Vrms et un bruit référencée à l'entrée de 10 µVrms donne une plage dynamique de 120 dB ; une entrée maximale effective de 1 Vrms et un bruit référencée à l'entrée de 1 µVrms donne également une plage dynamique de 120 dB. Les ratios sont identiques, mais ce dernier a une limite inférieure de mesure absolue plus basse, le rendant plus adapté pour les tests de signaux faibles.

La plage ne peut pas être réduite indéfiniment. Une plage trop petite augmente le risque de surcharge, surtout dans des conditions impliquant des chocs, des événements de démarrage-arrêt, des collisions et des changements de vitesse, où les pics transitoires peuvent être significativement plus élevés que la valeur RMS normale.

Une plage plus petite peut ne pas améliorer la plage dynamique spécifiée, mais avec un front-end correctement conçu, elle peut généralement réduire le bruit référencée à l'entrée et améliorer la capacité de mesure des signaux faibles.

Un ADC 24 bits ne correspond pas à une plage dynamique système de 146 dB

Pour un ADC N bits idéal, sous une entrée sinusoïdale à pleine échelle et en considérant uniquement le bruit de quantification, le rapport signal-sur-bruit de quantification peut être approximé par :

SNR ≈ 6.02N + 1.76 dB

Selon cette formule, un ADC 24 bits a un SNR de quantification théorique d'environ 146 dB. Cependant, un système d'acquisition réel est également affecté par le bruit de l'avant analogique, le bruit thermique de l'ADC, la gigue d'horloge, les interférences de l'alimentation, et les distorsions non linéaires.

Par conséquent, 24 bits est seulement la résolution d'encodage numérique et ne peut pas être directement équivalente à une plage dynamique système de 146 dB. Lors de l'évaluation d'un appareil, on doit distinguer entre le nombre de bits déclaré de l'ADC, les performances de la puce ADC, les performances du module d'entrée, les performances globales du système, et le bruit référencée à l'entrée et le Nombre de Bits Effectif (ENOB) à chaque plage.

Lors de la connexion de capteurs, convertir en unités d'ingénierie

Dans les tests acoustiques et de vibration, la préoccupation ultime n'est pas les quelques microvolts réels de bruit de tension, mais la pression sonore correspondante, l'accélération ou autres unités d'ingénierie qu'ils représentent.

Supposons une sensibilité de microphone de 50 mV/Pa et un bruit référencée à l'entrée de 1 µV pour une carte d'acquisition. Le bruit de pression sonore équivalent contribué uniquement par la carte d'acquisition est de 20 µPa, correspondant à une pression sonore de référence de 0 dB SPL. La limite inférieure réelle du système dépend aussi du bruit propre du microphone, du bruit de l'amplificateur de préampli, et du bruit de fond environnemental, et elle doit être évaluée de manière globale en fonction de la relation de superposition du bruit.

Pour un accéléromètre avec une sensibilité de 100 mV/g, un bruit référencée à l'entrée de 1 µV correspond à environ 10 µg. Cette valeur représente seulement la contribution de bruit de la carte d'acquisition ; la limite inférieure finale de mesure doit être jugée conjointement avec le bruit propre du capteur, le gain de conditionnement du signal, et la bande passante de mesure.

Figure 4_ La Chaîne Complète de Mesures Composée de Capteur, Conditionnement de Signal, ADC et Logiciel

Comment Choisir la Plage d'Entrée Appropriée

Le principe de base pour choisir la plage d'entrée est le suivant : choisissez la plus petite plage qui peut couvrir le signal, tout en veillant à ce que le pic transitoire maximum ne surcharge pas et en maintenant une marge raisonnable.

1. Estimer l'amplitude normale du signal : Convertissez la grandeur physique (pression acoustique, accélération, etc.) en tension d'entrée en fonction de la sensibilité du capteur.
2. Considérer les pics transitoires : Outre la valeur RMS, considérez le rapport pic-à-moyenne, les signaux d'impact, les processus de démarrage-arrêt et les conditions d'exploitation anormales.
3. Réserve de marge de surcharge : Un réglage initial où le pic maximum est de 50 % à 80 % de la plage de pleine échelle peut être utilisé pour des signaux stables et continus. Pour les impacts ou les signaux avec variation d'amplitude significative, réservez une marge plus grande sur la base du rapport pic-à-moyenne et des exigences de sécurité.
4. Vérifier avec un test de pré-acquisition : Effectuez un test de pré-acquisition en observant la forme d'onde temporelle, la valeur du pic, la valeur RMS, les indicateurs de surcharge et le plancher de bruit spectral. Si l'utilisation de la plage par le signal est trop faible, essayez de réduire la plage ; si un écrêtage ou une surcharge est indiqué, augmentez la plage.

Lors de la comparaison d'appareils, ne vous contentez pas de regarder un seul chiffre

Lors de la comparaison de différentes cartes d'acquisition, il est recommandé de vérifier au moins les conditions suivantes :

• Sous quelle plage d'entrée, bande passante et conditions de filtrage a été mesurée la plage dynamique ?
• La spécification du plancher de bruit fait-elle référence à dBFS, au bruit RMS référencé à l'entrée ou à la densité spectrale de bruit ?
• Quelles sont les bandes passantes d'intégration pour le bruit RMS et les bandes passantes de résolution pour le plancher de bruit FFT ?
• Un pondération A, un filtrage ou un autre post-traitement ont-ils été utilisés ?
• L'entrée était-elle court-circuitée, terminée ou connectée à un capteur réel ?
• Le plancher de bruit et la plage dynamique sont-ils fournis pour chaque plage séparément ?
• Le bruit et la distorsion changent-ils après l'activation de l'IEPE ou d'autres alimentations électriques de capteur ?
• La détection de surcharge fiable, la commutation de plage et le filtrage anti-repliement sont-ils pris en charge ?

De plus, notez que la ligne unique du plancher de bruit affichée dans un graphique FFT n'est pas équivalente au plancher de bruit RMS intégré sur une bande passante spécifiée. La taille du FFT, le taux d'échantillonnage, la fonction de fenêtre, la normalisation d'amplitude et la bande passante de résolution influent toutes sur les résultats affichés ; dans des conditions identiques, une bande passante de résolution plus étroite résulte généralement en une amplitude de bruit inférieure par bin. Ainsi, on ne peut pas juger de la plage dynamique ou de la performance absolue de bruit d'un dispositif uniquement sur la base d'une capture d'écran spectrale.

Synthèse

La plage dynamique, le plancher de bruit et la plage d'entrée doivent être compris dans un contexte de mesure unifié : la plage d'entrée détermine la limite supérieure de mesure, le plancher de bruit référencé à l'entrée contraint la limite inférieure de mesure et la plage dynamique décrit l'intervalle de ratio entre eux.

Une grande plage d'entrée convient aux signaux forts ou aux signaux de magnitude inconnue, mais ne convient peut-être pas aux signaux faibles. Une petite plage d'entrée peut réduire le bruit référencé à l'entrée mais diminue la marge de surcharge. Une grande plage dynamique indique une large étendue de mesure, mais ne signifie pas nécessairement un plancher de bruit absolu plus faible.

Par conséquent, lors de l'évaluation d'un système d'acquisition de données, on ne devrait pas seulement demander « Quelle est la plage dynamique ? », mais aussi confirmer : Pour quelle plage d'entrée, échelle d'amplitude, bande passante de mesure, filtrage et conditions d'entrée cette spécification est-elle valable ? Quel est le bruit référencé à l'entrée pour chaque plage ? Lorsque connecté à un capteur réel, quelle est la limite inférieure de mesure correspondante en unités d'ingénierie ?

Ce n'est qu'en unifiant le contexte de mesure et en complétant la conversion de la chaîne de mesure que la plage dynamique dans la fiche technique peut être traduite en une capacité de mesure d'ingénierie fiable, reproductible et pratique.

Pour des solutions de plage de test acoustique sur mesure et de mesure à faible bruit adaptées à vos conditions d'exploitation spécifiques, n'hésitez pas à consulter notre équipe technique d'instruments acoustiques. N'hésitez pas à contacter CRYSOUND pour un support d'expert.