Zapobieganie aliasingowi w cyfrowych czujnikach mikroelektromechanicznych (MEMS)

Objaśnienie częstotliwości próbkowania

Jednym z najczęściej zadawanych pytań dotyczących korzystania z przyspieszeniomierzy jest dobór odpowiedniej częstotliwości próbkowania do konkretnego zastosowania. Wybór częstotliwości próbkowania jest często kompromisem między parametrami działania a czasem pracy baterii. Wysoka częstotliwość próbkowania może skutkować powstaniem ogromnych plików danych, które sprawiają trudności przetwarzania oraz utrudniają komunikację i mogą zmniejszać sprawność energetyczną. Z drugiej strony, zbyt niska częstotliwość próbkowania może powodować zjawisko aliasingu w systemie, jak wykazano w poprzednich przykładach.

Dobrą wiadomością jest to, że istnieją dobrze ustalone wytyczne dotyczące wyboru minimalnej częstotliwości próbkowania. W zastosowaniach, w których pobór mocy nie jest ograniczony, częstotliwość próbkowania można ustawić na wielokrotność częstotliwości zdarzeń. Jednak nawet przy wyższych częstotliwościach próbkowania filtrowanie cyfrowe może skutkować aliasingiem spowodowanym analogowym charakterem danych dotyczących drgań i szumów.

Filtr antyaliasingowy (AAF)

Oprócz zwiększonego poboru mocy, stosowanie cyfrowego nadpróbkowania ma inne wady. Drgania nie zawsze mają postać idealnych fal sinusoidalnych, ale często zawierają składowe wysokiej częstotliwości, takie jak harmoniczne i szumy. Aby zredukować te efekty, przed próbkowaniem sygnału można zastosować filtr dolnoprzepustowy w celu usunięcia wszelkich zbędnych wysokich częstotliwości. Ten filtr dolnoprzepustowy, znany również jako filtr antyaliasingowy, jest wbudowany w niektóre wersje przyspieszeniomierzy MEMS.

Ilustracja 6: Analogowy filtr antyaliasingowy (dolnoprzepustowy). (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Filtr antyaliasingowy działa zasadniczo jak filtr dolnoprzepustowy. Zanim sygnał zostanie poddany próbkowaniu przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), filtr antyaliasingowy (AAF) usuwa z niego składowe wysokiej częstotliwości. Aby koncepcja zadziałała, filtr antyaliasingowy (AAF) musi znajdować się przed przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC). Jeśli filtr antyaliasingowy (AAF) zostanie umieszczony za przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), stanie się on filtrem cyfrowym, a wady filtra cyfrowego i nadpróbkowania zostały omówione wcześniej.

Grupa przyspieszeniomierzy z wbudowanym filtrem antyaliasingowym (AAF)

LIS2DU12 to grupa 3-osiowych przyspieszeniomierzy cyfrowych z filtrem antyaliasingowym wbudowanym w analogowy układ front-end. Istnieją trzy wersje urządzenia LIS2DU, z których każda, oprócz podstawowej konstrukcji, posiada unikalny zestaw funkcji. Wszystkie trzy urządzenia umieszczono w obudowach 12-odprowadzeniowych MEMS o wymiarach 2mm x 2mm firmy STMicroelectronics. Każde z urządzeń wykorzystuje tę samą architekturę ultraniskiej mocy, a filtr antyaliasingowy zapewnia jeden z najniższych poborów prądu na rynku. Poniżej przedstawiono porównanie produktów z omawianej grupy.

LIS2DU12: przyspieszeniomierz ultraniskiej mocy z antyaliasingiem i wykrywaniem ruchu

LIS2DUX12: przyspieszeniomierz ultraniskiej mocy z wbudowanym antyaliasingiem i rdzeniem uczenia maszynowego (MLC).

LIS2DUXS12: przyspieszeniomierz ultraniskiej mocy z technologią Qvar, rdzeniem uczenia maszynowego (MLC) i antyaliasingiem

W celu usunięcia szumów przed konwersją cyfrową w łańcuchu sygnałowym przed przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC) w grupie urządzeń LIS2DU uruchamiany jest filtr dolnoprzepustowy.

Oprócz kluczowego filtra antyaliasingowego, urządzenie LIS2DU12 zawiera szereg zaawansowanych funkcji cyfrowych. Funkcje te mają na celu odciążenie mikrokontrolera głównego poprzez implementację niektórych powszechnie używanych funkcji, takich jak spadek swobodny, przechył, wykrywanie podwójnego dotknięcia, orientacja i wybudzanie. Urządzenie LIS2DUX12 zawiera również wbudowany rdzeń uczenia maszynowego (MLC) zapewniający jeszcze bardziej zaawansowane funkcje, które mogą być rozwijane przez projektanta pod kątem konkretnego zastosowania.

Ilustracja 7: Łańcuch filtrowania przyspieszeniomierza LIS2DUX12. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

Odpowiedź częstotliwościową analogowego filtra antyaliasingowego przyspieszeniomierza LIS2DU12 przedstawiono na ilustracji 8. Wartości częstotliwości od 25Hz do 400Hz dla poszczególnych krzywych poniżej odnoszą się do wartości szerokości pasma łańcucha filtrowania.

Ilustracja 8: Analogowy filtr antyaliasingowy (dolnoprzepustowy) przyspieszeniomierza LIS2DU12. (Źródło ilustracji: STMicroelectronics)

W rezultacie przyspieszeniomierze z grupy LIS2DU12 mogą pracować przy znacznie niższym prądzie, osiągając taką samą precyzję, jak przyspieszeniomierze poprzedniej generacji. Oprócz filtra antyaliasingowego wbudowanego we wszystkie trzy wersje, przyspieszeniomierze LIS2DUX12 i LIS2DUXS12 są pierwszymi konsumenckimi urządzeniami MEMS firmy STMicroelectronics, które zawierają wbudowany rdzeń uczenia maszynowego (MLC).

Podsumowanie

Aliasing jest znaczącym źródłem błędów, które może prowadzić do nieprawidłowego działania systemu. Aby złagodzić skutki aliasingu, projektant musi najpierw zrozumieć system i przewidzieć zawartość częstotliwości wszystkich składowych w łańcuchu pomiarowym. Twierdzenie Nyquista określa minimalną częstotliwość próbkowania dla najwyższej mierzonej częstotliwości.

Efekt aliasingu można zmniejszyć poprzez nadpróbkowanie - kosztem wyższego poboru mocy. Najlepszą metodą zapobiegania aliasingowi w wielu zastosowaniach jest usunięcie niepożądanych częstotliwości za pomocą filtra antyaliasingowego, zanim przetwornik analogowo-cyfrowy przekształci próbki do postaci cyfrowej.

Uwzględniając kilka wskazówek, projektant może wybrać techniki próbkowania i filtrowania odpowiednie dla konkretnego zastosowania.

Bibliografia

1. Przyspieszeniomierz ultraniskiej mocy z antyaliasingiem i wykrywaniem ruchu
2. LIS2DU12: zaawansowany przyspieszeniomierz 3-osiowy ultraniskiej mocy z filtrem antyaliasingowym
3. Twierdzenie Nyquista-Shannona o próbkowaniu, Shannon CE. Komunikacja w obecności szumów. Proceedings of the IRE [Internet]. styczeń 1949;37(1):10–21.
4. LIS2DH12: zaawansowany przyspieszeniomierz 3-osiowy ultraniskiej mocy

Źródło: Zapobieganie aliasingowi w cyfrowych czujnikach mikroelektromechanicznych (MEMS)

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.