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《振動噪音產學技術聯盟》如何檢查頻譜分析儀(FFT spectrum analyzer) – 6.動態範圍檢查(Dynamic Range Check)–原理(Principle)

 這個單元要來探討的主題是:如何檢查「頻譜分析儀」(FFT spectrum Analyzer)的基本功能(basic functions)正常運作?這是這個系列的第13篇,針對第6項的功能檢查:6.動態範圍檢查(Dynamic Range Check),本單元介紹「動態範圍」(Dynamic Range)的基本原理(Principle)以及相關背景知識。

 

首先,回顧先前單元:#338,【如何進行EMA量測數據之信號處理?】,參閱圖示右上方,EMA量測數據之信號處理流程圖,簡要說明如下:

 

1.      𝒇𝒋 (𝒕)、𝒂𝒊(𝒕):「時間波形」(time waveform),是EMA實驗量測的「原始數據」(raw data)。𝒇𝒋 (𝒕)和𝒂𝒊(𝒕) 分別是敲擊外力和加速度響應的數據。

2.      𝑭𝒋 (𝒇)、𝑨𝒊 (𝒇):「傅立葉頻譜」(Fourier spectrum),是透過FFT分析取得。

3.      𝑮𝒋𝒋 (𝒇)、𝑮𝒊𝒊 (𝒇):「自身功率頻譜」(auto power spectrum, auto PSD),以及 𝑮𝒋𝒊(𝒇)、𝑮𝒊𝒋(𝒇):「交叉功率頻譜」(cross power spectrum, cross PSD),都是透過PSD分析取得。

4.      𝑯𝒊𝒋 (𝒇):「頻率響應函數」(frequency response function, FRF),是透過FRF分析取得。

5.      𝜸𝒊𝒋^𝟐(𝒇):「關聯性函數」(coherence function, COH),是透過COH分析取得。

 

參閱圖片的右邊中間圖示,是典型量測到的FRF「頻率響應函數」之振幅值|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|圖示。其水平軸是頻率,垂直軸就是|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|,典型的單位是g/N,也就是FRF=𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭加速度/𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭外力。

 

這個單元著重在動態範圍檢查(Dynamic Range Check),接下來,就以【4W】心法來思考:

 

1.      What is? 甚麼是「動態範圍」(Dynamic Range)?

2.      Why to do? 為什麼要取得「動態範圍」(Dynamic Range)?

3.      What goal? 取得「動態範圍」(Dynamic Range)要達到甚麼目標?

4.      How to do? 如何取得「動態範圍」(Dynamic Range)?

 

What is? 甚麼是「動態範圍」(Dynamic Range)?以圖片右邊中間圖示的FRF為例,此FRF的「動態範圍」就是:最大值(the largest value)與最小值(the smallest value)的比值(ratio)關係,通常以dB (decibel)表示。圖示案例,最大值=𝟏𝟎^𝟑,最小值=𝟏𝟎^(−𝟏)。

 

要探討此FRF的「動態範圍」是多少dB?先要瞭解dB的定義(definition):dB = 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝑿𝒓𝒎𝒔/𝑿𝒓𝒆𝒇)。要取得一個數值的dB,先取該數值的𝐥𝐨𝐠,再乘以𝟐𝟎。

 

有關物理量的dB值計算,dB = 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝑿𝒓𝒎𝒔/𝑿𝒓𝒆𝒇)。可參考先前單元:#55,【甚麼是dB?】。其中,𝑿𝒓𝒎𝒔以及𝑿𝒓𝒆𝒇,分別代表𝑿物理量的平方平均根(root mean square, 𝒓𝒎𝒔)以及該𝑿物理量的參考值(reference, 𝒓𝒆𝒇)。

 

除了由實際物理量可推算dB值外,參閱圖片中間下方,典型數值的dB轉換表,說明如下:

 

1.      0 dB= 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝟏𝟎^𝟎):數值= 𝟏𝟎^𝟎 = 𝟏,是0 dB。所以,0 dB對應的數值是𝟏。

2.      20 dB= 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝟏𝟎^𝟏):數值= 𝟏𝟎^𝟏 = 𝟏,是20 dB。所以,20 dB對應的數值是𝟏0。

3.      40 dB= 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝟏𝟎^𝟐):數值= 𝟏𝟎^𝟐 = 𝟏,是40 dB。所以,40 dB對應的數值是𝟏00。

4.      −20 dB= 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝟏𝟎^−𝟏):數值= 𝟏𝟎^−𝟏 =𝟎.𝟏,是−20 dB。所以,−20 dB對應的數值是𝟎.𝟏。

5.      −40 dB= 𝟐𝟎 𝐥𝐨𝐠(𝟏𝟎^−𝟐):數值= 𝟏𝟎^−𝟐 = 𝟎. 𝟎𝟏,是−40 dB。所以,−40 dB對應的數值是𝟎. 𝟎𝟏。

6.      餘此類推!可以觀察到:數值相差10倍,則dB值相差20 dB。0 dB對應的數值是𝟏。>𝟏的數值,是 +dB。而 <𝟏的數值,是−dB。

 

以圖片右邊中間圖示的FRF為例,FRF的最大值=𝟏𝟎^𝟑=60 dB,最小值=𝟏𝟎^(−𝟏) =−20 dB,所以,此FRF的「動態範圍」(Dynamic Range),就是:80 dB。

 

本單元所指的「動態範圍」(Dynamic Range),其實是一部數據採集裝置(Data Acquisition device, DAQ),所謂的DAQ裝置之「動態範圍」。讀者可參考先前單元:#104,【甚麼是類比數位轉換器(A/D Converter)?】,其中,圖3的「AD轉換器」產品規格,其「動態範圍」=Dynamic Range=20log(2^24)=144 (dB)。式中,24是DAQ裝置之「位元數」(number of bits),也就是24 bits的DAQ裝置,其「動態範圍」=144 (dB)。

 

參閱圖片右下方圖示,呈現不同「位元數」的DAQ裝置之「理想的動態範圍」= Ideal Dynamic Range=20log(2^ bits) (dB)。帶入bits「位元數」,計算可得「理想的動態範圍」,分別是:24 bits = 144 (dB),16 bits = 96 (dB),12 bits = 72 (dB),8 bits = 48 (dB)。

 

由前述圖示的FRF為例,此FRF的「動態範圍」(Dynamic Range),就是:80 dB。如果,採用24 bits或16 bits,可以順利取得最大與最小範圍的FRF曲線,因為:DAQ裝置之「動態範圍」大於FRF的「動態範圍」。反之,如果採用12 bits或8 bits,則無法完整正確的取得最大與最小範圍的FRF曲線,因為:DAQ裝置之「動態範圍」小於FRF的「動態範圍」。

 

所以,要瞭解DAQ裝置之「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)是至關重要的資訊。

 

Why to do? 為什麼要取得「動態範圍」(Dynamic Range)?就是要瞭解DAQ裝置之「理想的動態範圍」(Ideal Dynamic Range),更重要的是:「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)。

 

What goal? 取得「動態範圍」(Dynamic Range)要達到甚麼目標?當然就是要瞭解DAQ裝置之「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range),也就是一部「頻譜分析儀」(FFT spectrum Analyzer)之最大的「實際的動態範圍」。

 

How to do? 如何取得「頻譜分析儀」的「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)以及驗證呢?動態範圍檢查(Dynamic Range Check)的基本原理(Principle)以及步驟說明如下:

 

1.      令𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭 輸入= 𝑽𝒋(𝒕):在輸入通道,是隨機的(random)信號,而且是白噪音(white noise)的隨機波,令𝑽𝒋(𝒕) 的rms值=𝑽𝒋,𝒓𝒎𝒔=1 Volt。

2.      令𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭 輸出= 𝑽𝒊(𝒕):在輸出通道,接地(grounded)或不接任何信號(opened),也就是𝑽𝒊(𝒕) =0。但是,實際上仍然會有微小電機雜訊(electrical noise),可以說:𝑽𝒊,𝒓𝒎𝒔 ≈ 0,但是𝑽𝒊(𝒕) 或 𝑽𝒊,𝒓𝒎𝒔 不等於0。

3.      取得𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭 輸出= 𝑽𝒊(𝒕)和𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭 輸入= 𝑽𝒋(𝒕),兩者之間的,FRF「頻率響應函數」:𝑯𝟏(𝒇)=𝑯𝒊𝒋 (𝒇)=𝑽𝒋𝒊 (𝒇)/𝑽𝒋𝒋(𝒇)=(≈ 𝟎)/𝟏。

4.      檢查FRF「頻率響應函數」振幅值|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|:由|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|的振幅值是多少 −dB,則此dB,就是「頻譜分析儀」的「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)。

 

綜合一下這個單元的討論,總結如下:

 

1.      回顧先前單元:#338,【如何進行EMA量測數據之信號處理?】,參閱圖示右上方,EMA量測數據之信號處理流程圖,從「時間波形」(time waveform),進行FFT分析,取得「傅立葉頻譜」(Fourier spectrum),再透過PSD分析,可以取得「功率頻譜密度」(Power Spectral Density, PSD)函數,進而由FRF分析,可以得到「頻率響應函數」(frequency response function, FRF)以及「關聯性函數」(coherence, COH)。本單元特別舉例說明了,一個典型的FRF「頻率響應函數」之振幅值|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|圖示。

2.      以【4W】的心法:(1) What is? 甚麼是「動態範圍」(Dynamic Range)?(2) Why to do? 為什麼要取得「動態範圍」(Dynamic Range)?(3) What goal? 取得「動態範圍」(Dynamic Range)要達到甚麼目標?(4) 如何取得「動態範圍」(Dynamic Range)?探討了「動態範圍」(Dynamic Range)定義(definition),有兩種:(1) FRF的「動態範圍」(Dynamic Range),(2) DAQ裝置之「理想的動態範圍」(Ideal Dynamic Range)以及「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)。

3.      介紹了動態範圍檢查(Dynamic Range Check)的基本原理(Principle)以及步驟:(1) 令𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭 輸入= 𝑽𝒋(𝒕) 是白噪音(white noise)的隨機波,(2) 令𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭 輸出= 𝑽𝒊(𝒕)≈ 0:在輸出通道,接地(grounded)或不接任何信號(opened),(3) 取得𝐎𝐮𝐭𝐩𝐮𝐭 輸出= 𝑽𝒊(𝒕)和𝐈𝐧𝐩𝐮𝐭 輸入= 𝑽𝒋(𝒕),兩者之間的,FRF「頻率響應函數」,(4) 檢查FRF「頻率響應函數」振幅值|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|,即可得到「頻譜分析儀」的「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)。

4.      動態範圍檢查(Dynamic Range Check):由FRF「頻率響應函數」|𝑯𝒊𝒋(𝒇)|的振幅值是多少 −dB,則此dB,就是「頻譜分析儀」的「實際的動態範圍」(Practical Dynamic Range)。

 

以上個人看法,請多指教!

 

王栢村

2024.08.05