Die Faustregel für die Auswahl der Abtastfrequenz … von Signalen in Datenerfassungssystemen.
Informationen, die sich im Laufe der Zeit ständig ändern, sind analoge Informationen. Computer sind digitale Geräte. Um mit Informationen arbeiten zu können, müssen sie Informationen empfangen, die vom analogen in das digitale Format konvertiert wurden.
Das Konzept der Analog-Digital-Wandlung ist im Prinzip einfach: Ein Analog-Digital-Wandler (ADC) tastet die analogen Eingangssignale mit einer bestimmten Frequenz ab und wandelt jede Probe in einen digitalen Code um und überträgt diese Codes dann an einen Computer zur Darstellung eines zeitlich variierenden analogen Signals. Signal.
Ein ähnlicher Prozess wird in Hardwaredatenerfassungs- und -steuersystemen verwendet, bei denen analoge Signale auf der physikalischen Schicht isoliert werden müssen. Eine Signalisolation ist häufig erforderlich, um Erdungs- und Rauschprobleme zu beseitigen. In solchen Situationen wird “Abtastung” (Signalabtastung) verwendet, um das analoge Signal über eine physikalische Barriere zu übertragen.
Unabhängig davon, wo die Probenahme verwendet wird, müssen Sie die richtige Abtastrate auswählen. Die aus diesen Abtastwerten rekonstruierten Signale müssen das ursprüngliche analoge Signal angemessen darstellen. Offensichtlich kann eine zu langsame Abtastung (z. B. ein 10-Hz-Signal, das alle 30 Minuten abgefragt wird) zum Verlust wertvoller Informationen führen, während eine zu schnelle Abtastung (ein 10-Hz-Signal, das bei 300 MHz abgefragt wird) zu ernsthaften Schaltkreisen führt. Probleme. Glücklicherweise gibt es eine Antwort auf die Frage nach der Abtastrate. Abbildung 1 zeigt einen typischen Probenahmevorgang.
Unabhängig von ihren ursprünglichen Eigenschaften werden Daten in modernen Sammelsystemen digital gespeichert. Daher müssen die analogen Informationen zuerst mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) in ein digitales Format konvertiert werden. Bei diesem Systemtyp MUSS die Abtastfrequenz höher sein als die höchste im Eingangssignal enthaltene Frequenz. Dies ist kein Wunsch, sondern ein Gesetz! Tatsächlich erfordert der Nyquist-Test (Teil des Gesetzes), dass wir mit einer Rate abtasten, die mindestens doppelt so hoch ist wie die höchste Frequenz des dem ADC zugeführten Signals. Dies soll verhindern, dass Aliase erstellt werden, die schwerwiegende Fehler verursachen können.
(Originalsignal (a), Abtastsignale (b), Eingangssignalabtastungen (c))
Das Nyquist-Kriterium definiert die minimale Abtastfrequenz, die erforderlich ist, um aussagekräftige Informationen über den Inhalt der Frequenzeigenschaften des Signals zu erhalten. Die Fourier-Analyse liefert die Werkzeuge, die erforderlich sind, um die Beziehung zwischen der Amplitude jeder Frequenzkomponente und einer gegebenen Wellenform zu erhalten. Aufgrund dieser Informationen und der korrekten Verarbeitung des Signals ist es möglich, die Wiederherstellung der ursprünglichen Amplitude und Form des ursprünglichen Signals in der Zeit (Zeitbereich) sicherzustellen.
In der Regel werden Softwareprodukte so konzipiert, dass Zeitbereichsdaten in ihrer ursprünglichen Rohform angezeigt werden. Infolgedessen können sinusförmige Wellenformen durch dreieckige Formen verzerrt werden. Dies ist ein Präsentationsproblem, kein Rohdatenproblem. In diesen Fällen kann die Genauigkeit der Darstellung verbessert werden, indem eine Abtastrate verwendet wird, die das Nyquist-Kriterium nicht erfüllt.
Manchmal bestimmen die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Eingangswandlers seinen maximalen Frequenzgang. In anderen Anwendungen wird das Nyquist-Kriterium implementiert, indem ein Tiefpassfilter auf den Eingang des ADC angewendet wird, um unerwünschte hohe Frequenzen auszublenden. In jedem Fall müssen alle Signalfrequenzen über der Hälfte der Abtastrate so gedämpft werden, dass sie unter dem ADC-Quantisierungsschritt liegen.