Calidad de las muestras analógicas: Exactitud, sensibilidad, precisión y ruido

Cuando se trata de la calidad de la muestra, probablemente deba evaluar la exactitud y la precisión de su medida. Sin embargo, es importante primero comprender la sensibilidad de su osciloscopio. La sensibilidad es el cambio más pequeño en una señal de entrada que puede hacer que el dispositivo de medidas responda. En otras palabras, si una señal de entrada cambia en cierta cantidad, por cierta sensibilidad, entonces usted puede ver un cambio en los datos digitales.

No confunda la sensibilidad con la resolución y el ancho del código. La resolución define el ancho del código; este es el nivel discreto en el que el instrumento muestra los valores. Sin embargo, la sensibilidad define el cambio de voltaje necesario para que el instrumento registre un cambio de valor. Por ejemplo, un instrumento con un rango de medida de 10 V puede detectar señales con una resolución de 1 mV, pero el voltaje detectable más pequeño que puede medir puede ser de 15 mV. En este caso, el instrumento tiene una resolución de 1 mV pero una sensibilidad de 15 mV.

En algunos casos, la sensibilidad es mayor que el ancho del código. Al principio, esto puede parecer contradictorio, ¿no significa esto que el voltaje cambia en una cantidad que puede visualizarse pero no registrarse? Sí Para comprender el beneficio, piense en un voltaje DC constante. Aunque sería genial si ese voltaje fuera realmente constante sin desviaciones, siempre hay una ligera variación en una señal, que se representa en la Figura 1. La sensibilidad se indica con líneas rojas y también se representa el ancho del código. En este ejemplo, debido a que el voltaje nunca supera el nivel de sensibilidad, está representado por el mismo valor digital, aunque sea mayor que el ancho del código. Esto es beneficioso porque no capta ruido y representa con mayor precisión la señal como un voltaje constante.

^{Figura 1: La sensibilidad que es mayor que el ancho del código puede ayudar a suavizar una señal ruidosa.}

Una vez que la señal comienza a aumentar, cruza el nivel de sensibilidad y luego se representa con un valor digital diferente. Ver la figura 2. Tenga en cuenta que su medida nunca puede ser más precisa que la sensibilidad.

^{Figura 2: Una vez que la señal cruza el nivel de sensibilidad, se representa con un valor digital diferente.}

También existe cierta ambigüedad en cómo se define la sensibilidad de un instrumento. A veces, se puede definir como una cantidad constante como en el ejemplo anterior. En este caso, en cuanto la señal de entrada cruza el nivel de sensibilidad, la señal se representa con un valor digital diferente. Sin embargo, a veces se define como un cambio de señal. Una vez que la señal ha cambiado por la cantidad de sensibilidad especificada, se representa con una señal diferente. En este caso, no importa el voltaje absoluto sino el cambio de voltaje. Además, algunos instrumentos definen la sensibilidad alrededor de cero. 

No solo la definición exacta del término sensibilidad cambia de una compañía a otra, sino que diferentes productos en la misma compañía pueden usarlo para significar algo ligeramente diferente también. Es importante que verifique las especificaciones de su instrumento para ver cómo se define la sensibilidad; si no está bien documentado, comuníquese con la compañía para obtener una aclaración.

La exactitud se define como una medida de la capacidad del instrumento para indicar fielmente el valor de la señal medida. Este término no está relacionado con la resolución; sin embargo, la exactitud nunca puede ser mejor que la resolución del instrumento.

Dependiendo del instrumento o digitalizador, existen diferentes expectativas de exactitud. Por ejemplo, en general, se espera que un multímetro digital (DMM) tenga mayor exactitud que un osciloscopio. La forma en que se calcula la exactitud también cambia según el dispositivo, pero siempre verifique las especificaciones de su instrumento para ver cómo su instrumento en particular calcula la exactitud. 

Exactitud de un osciloscopio

Los osciloscopios definen la exactitud del sistema horizontal y vertical por separado. El sistema horizontal se refiere a la escala de tiempo o al eje X; la exactitud del sistema horizontal es la exactitud de la base de tiempo. El sistema vertical es el voltaje medido o el eje Y; la exactitud del sistema vertical es la exactitud de ganancia y compensación. Normalmente, la exactitud del sistema vertical es más importante que la horizontal.

La exactitud vertical normalmente se expresa como un porcentaje de la señal de entrada y un porcentaje de la escala completa. Algunas especificaciones descomponen la señal de entrada en exactitud de desfase y ganancia vertical. La ecuación 1 muestra dos maneras diferentes en que usted puede ver la exactitud definida. 

^{Ecuación 1: Calcular la exactitud vertical de un osciloscopio.}

Por ejemplo, un osciloscopio puede definir la exactitud vertical de la siguiente manera: 

Con una señal de entrada de 10 V y utilizando el rango de 20 V, puede calcular la exactitud: 

Exactitud de un multímetro digital y fuente de alimentación

Los multímetros digitales y las fuentes de alimentación generalmente especifican la exactitud como un porcentaje de la lectura. La ecuación 2 muestra tres maneras diferentes de expresar la exactitud de un multímetro digital o fuente de alimentación.

^{Ecuación 2: Calcular la exactitud vertical de un multímetro digital o fuente de alimentación.}

El término ppm significa partes por millón. La mayoría de las especificaciones también tienen varias tablas para determinar la exactitud. La exactitud depende del tipo de medida, el rango y el tiempo transcurrido desde la última calibración. Verifique sus especificaciones para ver cómo se calcula la exactitud. 

Por ejemplo, un multímetro digital está configurado en el rango de 10 V y está funcionando 90 días después de la calibración a 23 °C ± 5 °C, y espera una señal de 7 V. Las especificaciones de exactitud para estas condiciones indican ±(20 ppm de lectura + 6 ppm de rango). A continuación, puede calcular la exactitud:

En este caso, la lectura debe estar dentro de los 200 μV del voltaje de entrada real.  

Exactitud de un dispositivo DAQ

Las tarjetas DAQ a menudo definen la exactitud como la desviación de una función de transferencia ideal. La Ecuación 3 muestra un ejemplo de cómo una tarjeta DAQ podría especificar la exactitud.

^{Ecuación 3: Calcular la exactitud de un dispositivo DAQ.}

Luego define los términos individuales: 

La mayoría de estos términos se definen en una tabla y se basan en el rango nominal. Las especificaciones también definen el cálculo de la incertidumbre del ruido. La incertidumbre del ruido es la incertidumbre de la medida debido al efecto del ruido en la medida y se tiene en cuenta para determinar la exactitud.

Además, puede haber varias tablas de exactitud para su dispositivo, dependiendo de si usted está buscando la precisión de la entrada o salida analógica o si un filtro está habilitado o deshabilitado.

La exactitud y la precisión a menudo se usan indistintamente, pero hay una sutil diferencia. La precisión se define como una medida de la estabilidad del instrumento y su capacidad de dar como resultado la misma medida una y otra vez para la misma señal de entrada. Mientras que la exactitud se refiere a qué tan cerca está un valor medido del valor real, la precisión se refiere a qué tan cerca coinciden las medidas individuales y repetidas entre sí. 

^{Figura 3: La precisión y la exactitud están relacionadas pero no son lo mismo.}

La precisión se ve más afectada por el ruido y la derivación a corto plazo en el instrumento. La precisión de un instrumento por lo general no se proporciona directamente, pero debe inferirse de otras especificaciones, como la especificación de la relación de transferencia, el ruido y la derivación de temperatura. Sin embargo, si tiene una serie de medidas, usted puede calcular la precisión.

^{Ecuación 4: Calcular la precisión.}

Por ejemplo, si está monitoreando un voltaje constante de 1 V y observa que su valor medido cambia en 20 µV entre una medida y otra, entonces la precisión de su medida se puede calcular de la siguiente manera: 

Por lo general, la precisión se expresa como un porcentaje. En este ejemplo, la precisión es del 99.998%.

La precisión es significativa principalmente cuando es necesario tomar medidas relativas (relativas a una lectura anterior del mismo valor), como la calibración del dispositivo.

No confunda la sensibilidad con la resolución y el ancho del código. La resolución define el ancho del código; este es el nivel discreto en el que el instrumento muestra los valores. Sin embargo, la sensibilidad define el cambio de voltaje necesario para que el instrumento registre un cambio de valor. Por ejemplo, un instrumento con un rango de medida de 10 V puede detectar señales con una resolución de 1 mV, pero el voltaje detectable más pequeño que puede medir puede ser de 15 mV. En este caso, el instrumento tiene una resolución de 1 mV pero una sensibilidad de 15 mV.

Ruido térmico

Un circuito electrónico ideal no produce ruido por sí solo, por lo que la señal de salida del circuito ideal contiene solo el ruido que estaba en la señal original. Pero los circuitos y componentes electrónicos reales producen un cierto nivel de ruido inherente por sí mismos. Incluso la resistencia simple de valor fijo es ruidosa. 

^{Figura 4: Una resistencia ideal se refleja en A, pero, prácticamente, las resistencias tienen ruido térmico interno como se representa en B.}

La Figura 4A muestra el circuito equivalente para una resistencia ideal sin ruido. El ruido inherente está representado en la Figura 4B por una fuente de voltaje de ruido Vn en serie con la resistencia ideal, libre de ruido, Ri. A cualquier temperatura por encima del cero absoluto (0 °K o -273 °C aprox.), los electrones de cualquier material están en constante movimiento aleatorio. Sin embargo, debido a la aleatoriedad inherente de ese movimiento, no hay corriente detectable en ninguna dirección. En otras palabras, la deriva de los electrones en una sola dirección se cancela durante cortos períodos de tiempo por una derivación igual en la dirección opuesta. Por tanto, los movimientos de electrones no están correlacionados estadísticamente. Sin embargo, existe una serie continua de pulsos de corriente aleatorios generados en el material, y el mundo exterior ve esos pulsos como una señal de ruido. Esta señal tiene varios nombres: Ruido de Johnson, ruido de agitación térmica o ruido térmico. Este ruido aumenta con la temperatura y la resistencia, pero como una función de raíz cuadrada. Esto significa que debe cuadriplicar la resistencia para duplicar el ruido de esa resistencia.

Parpadeo o ruido ¹/_F 

Los dispositivos semiconductores tienden a tener un ruido que no es plano con la frecuencia. Incrementa en el límite inferior. Esto se denomina ruido ¹/_F , ruido rosa, ruido excesivo o ruido de parpadeo. Este tipo de ruido también se produce en muchos otros sistemas físicos además de los sistemas eléctricos. Algunos ejemplos son las proteínas, los tiempos de reacción de los procesos cognitivos e incluso la actividad sísmica. La siguiente tabla muestra la fuente más probable del ruido, dependiendo de la frecuencia con la que se produce el ruido para un voltaje en particular; conocer la causa del ruido contribuye en gran medida a reducirlo.

^{Figura 4: Una resistencia ideal se refleja en A, pero, prácticamente, las resistencias tienen ruido térmico interno como se representa en B.}

Aunque el ruido es un problema grave para el diseñador, especialmente cuando hay niveles bajos de señal, varios enfoques de sentido común pueden minimizar los efectos del ruido en un sistema. A continuación, se muestran algunas estrategias para ayudar a reducir el ruido:

• Mantenga la resistencia de la fuente y la resistencia de entrada del amplificador lo más bajas posible. El uso de resistencias de alto valor aumenta proporcionalmente el ruido térmico.
• El ruido térmico total también es una función del ancho de banda del circuito. Por lo tanto, reducir el ancho de banda del circuito al mínimo también minimiza el ruido. Pero este trabajo debe hacerse con atención porque las señales tienen un espectro de Fourier que debe conservarse para una medida precisa. La solución es hacer coincidir el ancho de banda con la respuesta de frecuencia requerida para la señal de entrada.
• Evite que el ruido externo afecte el rendimiento del sistema mediante el uso adecuado de la conexión a tierra, el blindaje, el cableado, la colocación física cuidadosa de los cables y el filtrado.
• Utilice un amplificador de bajo ruido en la etapa de entrada del sistema.
• Para algunos circuitos semiconductores, use el potencial de fuente de alimentación de DC más bajo que haga el trabajo.

• La sensibilidad es el cambio más pequeño en una señal de entrada que hace que el dispositivo de medida responda.
• La exactitud se define como una medida de la capacidad del instrumento para indicar fielmente el valor de la señal medida.
• La exactitud y la sensibilidad están documentadas en las especificaciones; debido a que las compañías y los productos de la misma compañía pueden usar estos términos de manera diferente, siempre verifique la documentación y comuníquese con la compañía para obtener aclaraciones si es necesario.
• La precisión se define como una medida de la estabilidad del instrumento y su capacidad de dar como resultado la misma medida una y otra vez para la misma señal de entrada.
• El ruido es cualquier señal no deseada que interfiere con la señal deseada.
• Existen diferentes tipos de ruido y diferentes estrategias para ayudar a reducir el ruido.

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