A/D変換器のサンプリング周期誤差について

質問

A/D変換器のサンプリング周期誤差について

簡易FFTアナライザーの作成を考えております。
そこで、A/D変換に考えている装置が1msでのサンプリング周期で
±10usのサンプリング周期誤差があります。
この装置からの入力データで簡易FFTアナライザーの作成は可能でしょうか。
（たとえは、300Hzぐらいの波形を測定する時に、サンプリング ノイズでスペクトル
　が見えなくなり、使用できない等)
測定周波数はDC～400Hz程度で1024点程度のデータ点数を考えています。

回答No.2

tance · ベストアンサー

サンプリング周期が1msecとのことなので、入力周波数帯域は500Hz以下
なはずですが、仮に500Hzでフルスイングする入力があるとします。

500Hzというのは最高周波数ですからサイン波になります。（歪めば
500Hz以上の高調波が出るが、最高周波数が500Hzだということは
歪んでいないということを示しています）

この500Hzの信号の最も傾斜の大きいところは、信号振幅を1Vppだとすると
±6.28kV/secとなります。この、傾斜の大きい部分をサンプリングする
タイミングが10usecずれると、電圧にして±63mVの違いが生じます。

これはフルスケールの6.3%ですからAD変換器としては4ビット相当に
なり、とても精度が良いとは言えません。

これを使ってFFTをすると、ノイズフロアの高いものになってしまいます。
一定の周波数のピュアなサイン波をサンプリングしても、サンプルを
とるたびにフルスケールの6.3%も大きく出たり小さく出たりするのですから
ノイズフロア-24dBというひどい特性のFFTになってしまいます。

もちろん上記は、10usecのサンプリングタイミングが不規則だったり
変動する場合の話です。1mseが1.01msecで一定なら問題ありません。

この類の誤差は高速で高分解能のADでは大変重要で難しい問題になります。
クロックのジッタが数psecあっても出力のノイズが問題になるケースが
多くあります。

補足

数値での解説ありがとうございます。
このAD変換器を使用して特性を上げるにはどんな方法があるでしょうか？
FFTの周波数は最悪200Hz程度まで下げ、5msにてサンプリングする。
又は、1msでのサンプリングを、5回の移動平均等のフィルタ処理をする事で
特性を上げることが出来るでしょうか。
尚、質問ばかりで申し訳ありませんが、FFTアナライザとして使用するには
何dBぐらいが必要でしょうか。

回答No.3

tance

#2 tanceです。

そもそも10usecの誤差というのは固定的な周波数偏差なのかふらふらした
変動なのかを見極めてください。普通はクロックに1%も変動があることは
少ないです。（サンプリングクロックをソフトで作っていたりすると変動が
このくらいある場合もあります）

もし残念ながら10usecというのは変動するのだとすると、性能を上げるには
クロックを奇麗にするのが一番の常道です。ここでは使う必要が
あるかどうか解りませんが、「クロック・クリーナ」なるモジュールも売って
います。

大げさなPLLを使ったクリーナを持ち出すまでもなく、元のクロック発振器を
ピュアなものにして、もしADのサンプリングパルスがハード的にいじれるなら
そのピュアなクロックで「たたき直す」のが早道です。

たたき直すというのはフリップフロップを利用して、奇麗なクロックでAD
サンプリングパルスをラッチし直すことを意味します。具体的には
フリップフロップが１個あればできます。論理の反転などが必要な場合は
インバータ等がいるかもしれません。

FFTアナライザとしてどのくらいのダイナミックレンジが必要かは用途によります。
一つの目安は使えるADコンバータが何ビットかです。12ビットなら60dBくらいは
いけるでしょう。そうなるとGNDのノイズとかプリントパターンの出来不出来
などに左右されます。

もしADが8ビットくらいなら40dB以上いけるでしょう。そうなるとクロックの
純度が問題です。（このくらいだとGNDよりクロックかも）普通の水晶発振器
なら十分な純度が得られます。セラミック発振子も使えるでしょう。

お礼

回答ありがとうございます。

ご紹介頂いたクロック・クリーナ等の追加が
都合により不可能の為、もう一度周波数偏差の確認
ADコンバータの選定を考えたいと思います。

尚、使用しようと考えていたADコンバータは16Bitなので
ダイナミックレンジの目安としては80dBと言うことですね。

回答No.1

foobar

サンプリング周期に対して誤差が1%程度なので、それほど大きな問題はないと思います。
また、どのような問題が出るかは、サンプリング時間の誤差がどんな具合に出るか（毎サンプルごとにランダムに誤差が出るのか、すべてのサンプルに一定の誤差が出るのか）によるかと思います。
後者なら、単にFFTをしたときの周波数が若干ずれるだけでしょうし、前者だと若干ノイズが増えるようなことになるかと思います。

お礼

遅くなりました。
ありがとうございます。
参考になります。