کاهش نویز در داده برداری

وجود نویز در سیستمهای جمع آوری داده مبتنی بر کامپیوتر (PC Based DAQ systems) اجتناب‌ناپذیر است. از جمله این نویز‌ها، نویزهای ناشی از بوردهای الکترونیکی است. همچنین در طول مسیر سیم‌های انتقال دهنده سیگنال، نویزهای ناشی از EMI (تداخلات الکترومغناطیسی) و RFI (تداخلات فرکانس رادیویی) می‌توانند نمایان شوند. و در نهایت خود منبع سیگنال نیز می‌تواند عامل نویز باشد. همه این منابع نویز با هم ترکیب می‌شوند و گستره‌ای از عدم اطمینان به مقدار سیگنال بدست آمده از DAQ را ایجاد می‌کنند. هدف ما در اینجا کشف منابع نویز و بحث در مورد روش‌های کاهش آن است.

اولین منبع نویز بورد الکتریکی کارت داده برداری است. تولیدکنندگان بوردهای A/D مشخصات المان‌های الکترونیکی بکار رفته داخل بورد را در دیتاشیت‌های محصولات اعلام می‌کنند. اما بندرت پیش می‌آید که مشخصات میزان نویز کل سیستم را اعلام کنند. زیرا وقتی المان‌های الکترونیکی در کنار هم قرار گرفته و یک مجموعه را تشکیل می‌دهند نویز‌هایی که هر المان ایجاد می‌کند متفاوت است با میزان نویز در حالتی که المان‌ها به تنهایی کار می‌کنند. از طرف دیگر محیطی که میزان نویز سیستم توسط سازنده در آن اندازه‌گیری شده باید اعلام شود. این به معنای مشخصات کامپیوتر، منبع تغذیه کامپیوتر و نوع اتصالات است.

بنابراین  دقت یک بورد از نظر میزان نویز پذیری تنها برای یک PC معین و یک مکان مشخص معنی دارد. با تغییر هریک از کامپیوتر متصل به DAQ یا محل داده‌ برداری میزان نویز دستگاه مجدد باید اندازه‌گیری شود.

برای اندازه‌گیری نویز یک بورد DAQ کافی است یکی از کانال‌های ورودی را با زمین اتصال کوتاه کرده و 10،000 بار داده برداری کرده و داده‌ها را ثبت کنیم. با انجام اینکار شما خواهید فهمید چه میزان نویز در سیستم دارید. اگر داده‌های ثبت شده را بر روی یک نمودار رسم کنیم در حالت ایده آل، شما یک خط مستقیم خواهید دید. اما در واقعیت چنین نخواهد بود و در نمودار نوساناتی مشاهده خواهید کرد.

سیم‌های انتقال دهنده سیگنال، به ویژه سیگنال‌های Single ended input، تحت تاثیر EMI و RFI هستند. یک سیگنال Single ended input اختلاف ولتاژ بین یک منبع تولیدکننده سیگنال (مثل سنسور) با زمین است. خوشبختانه، نویز ناشی از سیم انتقال دهنده سیگنال اغلب محلی است و می توان با جابجایی سیم آن را کاهش داد.

برای بررسی نویز سیم انتقال دهنده سیگنال، ابتدا کانال ورودی آنالوگ را با زمین اتصال کوتاه کنید. اگر ورودی Single Ended است، کافی است یک قطعه سیم را از ورودی کانال به زمین وصل کنید. اگر ورودی دیفرانسیل (Differential Ended) است یک قطعه سیم را از کانال (+) به کانال (-) و سپس سیم دیگری را از (-) به زمین وصل کنید. سپس، 10 هزار نمونه (Sample) بردارید و نمودار هیستوگرام آنرا رسم کنید. این بهترین سیگنالی است که می‌توانید داشته باشد. درواقع این سیگنال همان چیزی است که می‌خواهید با استفاده از سیم‌های انتقال دهنده سیگنال به آن دست پیدا کنید.

پس از داشتن یک هیستوگرام حالت ایده آل، اتصال کوتاه بین ورودی آنالوگ و زمین را بردارید. سپس سیم‌های انتقال دهنده سیگنال را که از بورد به سنسور می‌روند متصل کنید. انتهای دیگر را هنوز به سنسور متصل نکنید. بلکه به سادگی سیم‌های نزدیک سنسور را کوتاه کرده و پایه (-) را به زمین متصل کنید. با استفاده از سیم‌کشی جدید داده برداری کنید و با این داده‌ها یک هیستوگرام جدید رسم کنید. نتایج را با هیستوگرام حالت ایده‌آل که قبلا رسم کردید مقایسه نمایید. اگر نتایج وجود نویز را نشان میدهد، می‌توانید با انجام موارد زیر نویز را از بین ببرید:
سیم‌های سیگنال را حرکت دهید، سعی کنید یک نقطه‌ی “آرام” یعنی با حداقل نویز را پیدا کنید. یا از سیم‌های شیلد دار به عنوان سیم سیگنال استفاده کنید.

وقتی سیم‌های انتقال دهنده سیگنال از نظر کیفیت انتقال سیگنال آزمایش و مشخص شدند، سنسور را متصل کنید. سپس یک ورودی مشخص به سنسور اعمال کنید. مثلا برای یک سنسور فشار مقدار مشخصی فشار اعمال کنید. در این مرحله برای رسم یک نمودار هیستوگرام داده‌ برداری کنید. اگر نویز اضافی توسط سنسور وارد شده است که بیش از مشخصات ذکر شده در دیتاشیت سنسور است، می‌توانید کمی سنسور را حرکت دهید. گاهی اوقات، لازم است سنسور را به طور الکتریکی از محیط اندازه‌گیری ایزوله (جدا) کنید. کاهش نویز ناشی از سنسور‌ها یکی از پارامتر‌هایی است که باید توجه ویژه‌ای به آن داشت.

دستگاه‌های مطلوب‌سازی سیگنال کاربردهای زیادی دارند. مانند خطی‌سازی خروجی سنسور، فیلتر کردن، تقویت و جداسازی الکتریکی. می‌توان از آنها برای اصلاح حلقه‌های زمینی و کاهش سر و صدا استفاده کرد. دستگاه‌های مطلوب‌ساز سیگنال برای انواع سنسورها با ورودی مختلف در دسترس هستند، از جمله ترموکوپل، RTD، فشارسنج کرنشی، سنسور‌هایی با خروجی ولتاژ، جریان و فرکانس و غیره. استفاده از دستگاه‌های مطلوب‌سازی سیگنال برای هر سنسور به صورت جداگانه خیلی بصرفه نیست. متوسط هزینه مطلوب‌سازی سیگنال تقریباً 200 دلار برای هر ورودی است. با این حال، استفاده از آنها بسیار ساده است و معمولاً بیشتر مشکلات نویزی را حل میکنند. بسیاری از مدل‌های دستگاه‌های مطلوب‌ساز سیگنال از سیستم‌های عایق‌ ولتاژ بالا، محافظت از تجهیزات گران قیمت و همچنین محافظت اپراتور برخوردار هستند.