Riduzione dei rumori nei segnali analogici acquisiti

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I dispositivi di test e misura Digilent, come l’Analog Discovery 3, l’Analog Discovery Pro serie 3000 e l’Eclypse Z7, sono dotati di chip FPGA, particolarmente adatti all’elaborazione flessibile dei segnali digitali, e offrono un luogo unico per l’implementazione di filtri tra l’hardware dei circuiti analogici e il filtraggio software senza compromettere le prestazioni.

Figura 1: Analog Discovery 3. Oscilloscopio USB a doppio canale da 125 MS/s, generatore di forme d’onda, analizzatore logico e alimentatore variabile.

I filtri possono essere implementati in due punti diversi della catena di acquisizione di un oscilloscopio: quelli più vicini all’utente, alla fine della catena, sono implementati nel software e sono generalmente più configurabili. I filtri che sono stati implementati utilizzando circuiti analogici progettati nella scheda del dispositivo possono essere utilizzati per modificare un segnale prima ancora che l’ADC di bordo lo converta, ma sono piuttosto rigidi nella loro configurazione.

Applicazione di filtri senza compromettere le prestazioni

I filtri basati su FPGA consentono di eseguire operazioni sui dati acquisiti, prima che vengano inviati all’applicazione gratuita WaveForms, sul computer host. Queste operazioni sfruttano gli elementi di elaborazione altamente paralleli dell’FPGA e consentono di iniziare l’elaborazione dei dati durante l’acquisizione, risparmiando così tempo prezioso di elaborazione sul computer host. L’elaborazione parallela vicino agli ADC e ai DAC consente anche di inoltrare i dati di ingresso Scope alle uscite AWG attraverso percorsi di loopback nell’FPGA, bypassando completamente il computer host. La latenza tra l’uscita e l’ingresso è minima, poiché i dati non devono essere inviati al software attraverso l’USB, prima di essere elaborati e rinviati. Detto questo, i filtri e le altre elaborazioni basate esclusivamente sul software possono essere più flessibili di quelle basate sull’FPGA, in quanto non dipendono dalle risorse limitate dell’FPGA per l’implementazione, e hanno comunque il loro posto in ogni tipo di misura. Per questo motivo, in WaveForms viene fatta una distinzione tra i canali Math basati sul software e i canali di ingresso dei filtri basati sull’FPGA.

Progettazione di filtri FIR e IIR

L’Analog Discovery 3 offre un filtro FIR integrato per entrambi i canali di ingresso analogici e i dispositivi della serie Analog Discovery Pro 3000, con i loro chip Zynq più grandi, dispongono di filtri FIR e IIR per tutti i canali di ingresso analogici. Entrambi i tipi di filtri possono essere ampiamente personalizzati, compresa l’impostazione di parametri personalizzati per i filtri FIR. La progettazione di questi filtri personalizzati è resa più semplice dall’aggiunta della vista Filter Editor, che può essere utilizzata per visualizzare in anteprima la risposta in frequenza e fase del filtro personalizzato:

Figura 2: Anteprima di un filtro FIR low-pass con numero di coefficienti, frequenza di taglio e tipo di finestra regolabili.

WaveForms: Filtri d’ingresso basati su FPGA e software

A volte, però, è necessario più di uno strato di filtri per raggiungere il livello di qualità desiderato. I dispositivi della serie Analog Discovery Pro 3000 sono dotati di un filtro di ingresso hardware low-pass da 20 MHz per ciascun canale di ingresso analogico, per eliminare le componenti a più alta frequenza dei segnali in ingresso prima che vengano ricevuti dal dispositivo Zynq integrato, e quindi non sono configurabili in alcun modo.

Figura 3: Analog Discovery Pro ADP3450. Oscilloscopio portatile a 4 canali ad alta risoluzione per segnali misti.

I filtri software, come ci si potrebbe aspettare, vengono eseguiti dal software WaveForms in esecuzione sul computer host. Sebbene i risultati del filtro software non possano essere utilizzati per attivare acquisizioni nell’hardware, ciascuno di questi filtri matematici può essere collegato in cascata l’uno all’altro ed eseguire operazioni più complesse, come il calcolo della quantità totale di energia che passa attraverso un valore noto di resistenza tra i due ingressi analogici o la funzione di amplificatore Lock-In. I filtri software possono essere utilizzati anche per elaborare e filtrare le frequenze indesiderate dai segnali in ingresso, come ad esempio per filtrare il rumore della rete elettrica che può essere comunemente osservato su ingressi flottanti.

Modalità Loopback: Utilizzare i dispositivi come filtro regolabile

I percorsi di loopback precedentemente menzionati, recentemente disponibili su molti dispositivi Analog Discovery (serie ADP 3000, Eclypse Z7 e AD3), possono essere utilizzati insieme ai filtri, in modo che il dispositivo possa essere utilizzato come filtro regolabile in un esperimento, con l’aggiunta della possibilità di acquisire simultaneamente i dati. Questo può essere molto utile se si ha la necessità di emettere un segnale pulito in base al segnale rumoroso in ingresso, ma si richiede che l’uscita rientri in un determinato intervallo di tensione.

Analog Discovery 3, Analog Discovery Pro 3000 ed Eclypse Z7 sono disponibili a magazzino presso Farnell, distributore autorizzato di Digilent.