Споры с SashaPro

Xan>> Ну и сколько?
SashaMaks> Я уже писал, что 1/1000 на половинном диапазоне или 1/2000 на всем при частоте измерений 10кГц.

Вот так ещё наглядней будет (см. рис.).

Взял данные с калибровки старого датчика годовалой давности (не очень хороший). Свежего сделать не могу, устройство STM32F303 Discovery снова не работает, так как пострадало из-за попыток перепайки Vref. К сожалению сделать это с данной платой невозможно или чрезмерно сложно. Тот, кто разводил её, сделал всё, чтобы осложнить жизнь её пользователям, и не дать возможности перенастроить эту ножку. Поэтому там только от основного питания она может работать, увы.

Дальше буду заказывать уже плату STM32F407 или сам её паять, если с ней такая же ерунда будет наделана...

Xan>> А получаешь полноценное знание.
SashaMaks> Так и так всё видно без средних значений.

Ты сказал 80, я намерил 37

Xan>> Зачем тебе под нагрузкой?
Xan>> Какой смысл?
SashaMaks> Есть ещё помехи от "звона" - это когда упругость материала датчика мала. Они обычно больше тех, что в покое.

Речь про электронику.
Какая электроника лучше при одинаковом датчике.

=====

Посмотрел спектр.
50 герц сильно лезет, со своими нечётными гармониками.
Левая картинка от 0 до 59 герц, остальные шириной ±2 герца.
Под шумами эти 50 Гц никак не видны, но фурье видит.

Xan> Ты сказал 80, я намерил 37

Я просил просто уровень помех, а не средние значения или еще какие-то расчеты.

Xan> Речь про электронику.

Нет, я спрашивал про необходимость использования 16-битного АЦП. Ответа нет.

SashaMaks> Нет, я спрашивал про необходимость использования 16-битного АЦП. Ответа нет.

Даже не знаю, что ответить.

Усредняя за 2 секунды я с 200-килограмовым датчиком получаю шумы меньше 1 грамма.
Вот телефон положил, получилось 74 грамма. Изредка выскакивает 75.
У тебя так получится?

Если бы я испытывал двигатель с тягой 74 длительностью 2 секунды, то получил бы суммарный импульс 148 г*с.
С точностью около 1 процента.
Это с датчиком 200 килограммов.
У тебя так получится?

Могу сразу сказать, что не получится.
Из 12-битного АЦП последовательного приближения вылезет его ступенчатость.
При ступеньке 50 граммов и "гарантированной монотонности" ошибка вполне может получиться несколько десятков граммов.

Xan> Даже не знаю, что ответить.

Лучше бы тогда молчал )))

Xan> Вот телефон положил, получилось 74 грамма. Изредка выскакивает 75.
Xan> У тебя так получится?

Получится и уже получалось раньше.

Xan> С точностью около 1 процента.

Это если не учитывать влияния прочих физических факторов, которые при таких малых изменениях будут вносить существенную ошибку...

Xan> Это с датчиком 200 килограммов.
Xan> У тебя так получится?

Получится и даже лучше будет.
Даже могу в цифрах сказать: 0,27% против твоих 0,43%.

Но по прямым измерениям поргешность будет не лучше, чем я уже писал. И данные бутут для такой тяги очень грубыми, порядка ±50%. Это тоже легко проверить.

Xan> Могу сразу сказать, что не получится.

Прегдлагаю пока самому найти ошибку.

Xan> Из 12-битного АЦП последовательного приближения вылезет его ступенчатость.

Здесь тоже предлагаю самому найти ошибку.

Xan> При ступеньке 50 граммов и "гарантированной монотонности" ошибка вполне может получиться несколько десятков граммов.

И зжесь тоже предлагаю самому найти ошибку.

П.С. Не надо за мир действительный додумывать! Он ничьего авторитета не признает

SashaMaks> Получится и уже получалось раньше.

Разговор закончен.

SashaMaks> Ну это ЦП слабоват и скоростельность самого АЦП хромает.

Как это влияет на точность измерения?

SashaMaks> Со стабилизатором напряжения будет лучше.

Естественно, измерительный мост питается от стабилизатора типа ADR420, стабильности TL431 не достаточно.

irfps> Как это влияет на точность измерения?

Можно больше данных с АЦП обработать.

SashaMaks>> Получится и уже получалось раньше.
Xan> Разговор закончен.

А расчет не закончен.

Вот пример этого расчета для одной из выборок (см. Рис.).

1. Построил функцию изменения усилия в 74 гс на всем диапазоне 16-битного АЦП в LSB. Она одинаково моделирует точное истинное значение силы для обоих случаев - это зеленые кривые.

2. Наложил помехи по Гауссу в тех диапазонах отклонения от истинных значений, что были на практике. Получил еще по кривой для каждого случая, моделирующей исходный сигнал. Это желтая и рыжая кривые.

3. По кривым п.2 построил еще две кривые для каждого случая - скользящее среднее за 2с и сместил их для наглядности по оси времени на -1с. Для них вычислил сумму силы на тех промежутках времени, где сила больше 0 или начального значения. Рассчитал точность этой суммы относительно истинного значения суммы п.1.

Потом повторил это все 100 раз и в предыдущем своем ответе назвал среднюю величину этих отклонений для каждого устройства.

Нашел ошибку?

П.С. Хороший пример, наглядно видно, что "оверсэмплинг" не повышает точности прямых измерений выше инструментальной. А фильтры съедают чувствиельность измерения по времени. Кривая стала тоньше, а погрешность больше.

irfps>> Как это влияет на точность измерения?
SashaMaks> Можно больше данных с АЦП обработать.
Все равно не понятно, как связанна производительность процессора и точность? Возможно больше данных взять в ед. времени и что из этого?

irfps> Возможно больше данных взять в ед. времени и что из этого?

Если сигнал зашумлен с АЦП, то можно его усреднить за счет большей выборки до тех пор пока уровень шума не станет равным или меньше 1 LSB. Дальше складывать будет бесполезно для точности. Соответственно точность измерения повышается, но снижается скорострельность. Делается это все с помощью ЦП хотя в некоторых АЦП есть встроенный сумматор. В АЦП STM он есть.

Xan>> Разговор закончен.
SashaMaks> А расчет не закончен.

Я тебя не понимаю.

irfps>> Возможно больше данных взять в ед. времени и что из этого?
SashaMaks> Если сигнал зашумлен с АЦП, то можно его усреднить за счет большей выборки до тех пор пока уровень шума не станет равным или меньше 1 LSB. Дальше складывать будет бесполезно для точности. Соответственно точность измерения повышается, но снижается скорострельность. Делается это все с помощью ЦП хотя в некоторых АЦП есть встроенный сумматор. В АЦП STM он есть.

Это не измерение, а мат обработка измеренных величин, однако, несколько разные вещи.(К стати, шум может превосходить сигнал, и есть методы, которые позволяют распознать его, при некоторых условиях)

Большую погрешность вносит сам тензополумост, в основном, в виде дрейфа, плюс АЦП в микроконтроллере, далеко не столь точное, как написано в описании, да и измерительная(нормирующая) часть вносит свою погрешность. Если без особо прилагаемых усилий, то и выходит 8-9 бит реальное разрешение. Что, на мой взгляд, более чем достаточно.

irfps> Это не измерение, а мат обработка измеренных величин, однако, несколько разные вещи.

Вот ты сделал два измерения, а потом сложил их и разделил полученное значение на 2. Полученная средняя величина тоже будет измерением, только она одна вместо двух. При этом у неё будет своя собственная погрешность измерения, которая отличается от погрешностей измерения тех величин, из которых она складывалась. Есть формула для расчёта это погрешности, и я даже доказывал её здесь методом статистики.
(Электронное оборудование ракет - БРЭО,часть XIV [SashaMaks#06.07.15 16:21])
Погрешность суммы будет уменьшаться, и чем больше будет сложений (или степень усреднения), тем меньше будет погрешность среднего значения (или суммы). Хотя зависимость не линейна и усреднять придётся всё больше, чтобы получить такое же уточнение.

irfps> то и выходит 8-9 бит реальное разрешение. Что, на мой взгляд, более чем достаточно.

Так вот, если применить более скоростное АЦП и ЦП, то можно снять все значения с быстрого АЦП, сложить их до требуемого быстродействия данных на выходе и получить более высокую точность измерения. В данном случае с тензодатчиком - это актуально, так как исходные шумы от самого датчика во много раз превосходят все другие источники шумов и во много раз уменьшают точность измерения для одного измерния.

Так, например, чтобы на базе STM32 повысить точность измерения с тензодатчиков выше разрешающей способности 12-битного АЦП вполне может подойти модель чипа STM32F407, где частота ЦП выше в 2 раза (относительно STM32F303) + разгон и быстродействие АЦП выше примерно в 1,5 раза (относительно STM32F303) + можно ещё применить совмещенный режим с трёх АЦП. Это всё вместе может многократно увеличить общее число измерений в 4-8 раз и увеличить точность итогового измерения в 2-4 раза на той же выходной частоте в 10 кГц. Это означает, что если развести ногу Vref на чипе так, чтобы задействовать весь диапазон АЦП вместо половины, то действительно достигнутая точность измерения с 1/1000 повысится до 1/2000 для всего диапазон АЦП и ещё повысится до 1/4000...1/8000 для применения чипа серии STM32F407. А 1/8000 - это уже уровень дискретизации порядка 13 бит (1/8192 LSB), что больше, чем 12 бит, поэтому есть смысл применить 16-битное АЦП. Либо можно оставить 12-битное АЦП и увеличить скорострельность где-нибудь до 20-40 кГц без потери точности измерения. Так как именно у модели чипа STM32F407 АЦП всё же 12-битное. Тут надо будет поискать, может быть у них есть другие варианты. Но высокое быстродействие на уровне 20-40 кГц позволит уже чётко различать, когда началось разрушение корпуса, а когда от этого процесса пошли паразитные эффекты воздействия на датчик, вроде прохождения ударной волны по площадке датчика, так как скорость звука будет различима уже с линейной точностью до 1 см! И это при точности измерения до 1/2000.

Xan>>> Разговор закончен.
SashaMaks>> А расчет не закончен.
Xan> Я тебя не понимаю.

Ты спрашивал: "Как ты считаешь?!" (Стенд и оборудование для испытаний и измерений VIII [Xan#22.10.17 15:32])
Я ответил: (Стенд и оборудование для испытаний и измерений VIII [SashaMaks#23.10.17 13:14])

Завтра дам ответ, как вычисляю уровень помех.

П.С. Наглядное оформление занимает какое-то время. Это не так быстро делается, как начинание или окончание разговоров. Сопряжено как бы с некоторым рабочим процессом...

SashaMaks> П.С. Наглядное оформление занимает какое-то время.

Не надо.
У меня понимание физики совершенно отличается от твоего.
Например, у меня спектральная мощность шума (ватты), а у тебя какие-то LSB.
Говорим на совершенно разных языках.
Я не вижу смысла разбираться в твоём понимании.

SashaMaks>> П.С. Наглядное оформление занимает какое-то время.
Xan> Не надо.
Xan> У меня понимание физики совершенно отличается от твоего.
Xan> Например, у меня спектральная мощность шума (ватты), а у тебя какие-то LSB.

Я про мощность шума и не спрашивал!

Xan> Говорим на совершенно разных языках.
Xan> Я не вижу смысла разбираться в твоём понимании.

Следовательно это вообще ко мне не имеет никакого отношения. Это ты сам заменил: "Сколько LSB составляет шум на нуле и на нагрузке в максимуме?" на какую-то мощность. Где тут мощность??? Простой был вопрос о том, каков разброс измеряемой величины (в [LSB] - Least Significant Bit - Наименьший Значащий Бит или [МЗР] - Младший Значащий Разряд) и причём на заданном тобой времени проведения каждого измерения в 4800 Гц ("Скорость 4800 отсчётов в секунду.") или 1/4800 сек. Но и его ты начал менять непонятно зачем. А потом удивляешься в чьём-то понимании. Ежу понятно, что на другом времени измерения будет совсем другой разброс случайной измеряемой величины. Но об это тебя никто не спрашивал.

И странно то, что когда ты выкладывал файл с данными, то всё было почти так как надо в ответе до тех пор, пока тебе не понравилась цифра 80 LSB или МЗР. Почти, так как 1 мин - это слишком долго. Время среднестатистического испытания любительских двигателей всё же меньше и хватило бы 10 сек или даже ещё меньше. А цифра 80 LSB получается при расчёте доверительного интервала: Доверительный интервал — Википедия, который и определит измерительную способность всего твоего устройства. Никаких там среднеквадратичных вычислять вообще не нужно. Достаточно просто оценить разницу между мин. и мах. значениями при заданном α.

SashaMaks> Я про мощность шума и не спрашивал!

А мне про твои LSB не интересно.
По существу вопроса (шумы и прочее) я с тобой разговаривать НЕ буду.
Потому что ты не понимаешь физики и несёшь непонятно что.

Можешь продолжать спорить дальше, но не со мной.

SashaMaks>> Я про мощность шума и не спрашивал!
Xan> А мне про твои LSB не интересно.

А в чём же тогда их измерять??? АЦП выдаёт сырые данные в МЗР и именно они нужны для оценки точности измерения прибора без всяких пересчётов.

Википедия, раздел "Точность": "Эти ошибки измеряются в единицах, называемых МЗР — младший значащий разряд (англ.). В приведённом выше примере 8-битного двоичного АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/256 от полного диапазона сигнала, то есть 0,4 %, в 5-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/243 от полного диапазона сигнала, то есть 0,412 %, в 8-тритном троичном АЦП ошибка в 1 МЗР составляет 1/6561, то есть 0,015 %."

Xan> По существу вопроса (шумы и прочее) я с тобой разговаривать НЕ буду.

Хорошо не будем про шумы, переформулирую вопрос:
Какой доверительный интервал получается для случайно измеряемой величины в покое и под максимальной нагрузкой у твоего устройства, состоящего из AD7730BRUZ, PIC16F876-MLF, FT232RQ, ноутбука и работающего на частоте 4800 Гц (время каждого измерения 1/4800 сек.)?

Xan> Потому что ты не понимаешь физики и несёшь непонятно что.
Xan> Можешь продолжать спорить дальше, но не со мной.

Не надо переходить на личности. Это не научно и не этично.

Саша, мне по работе надо ковать очередные весы, а ты меня заставляешь переключать мозги на эту тему.
Я тебе цифирьки дам, а ты дальше уже сам на них смотри.

Ну и это я пишу не только для тебя, может, кому-нибудь пригодится.

SashaMaks> А в чём же тогда их измерять???

В микровольтах.
Речь в этой теме (см. название темы) о тензодатчиках, у них милливольты и микровольты.

Сравнивать разные АЦП, поэтому, надо именно в микровольтах шума.

И при этом при сравнении надо обязательно учитывать частоту отсчётов, так как шумы обратно пропорциональны корню из частоты (такой закон природы).

AD7730 — 24-битный АЦП.
На скорости 150 Гц, постоянном токе и диапазоне (усилении) ±10 мВ у микрухи шумы 60 нВ.

20 мВ / 60 нВ = 2^18.35 — это как бы столько разрядов выше шумов.

Если усреднять за 17 секунд (2500 отсчётов), то шумы станут как раз в 1 младший разряд из 24.

А размах шума пик-ту-пик (это то, что ты глазом на картинке увидел) соответствует 16 разрядам.

Кстати, со скоростью я ошибся, сейчас выставлена 7680, а не 4800.

Быстрых шумов в минутных данных я намерил 13 мзр, это в вольтах:

13 / 65536 * 20 мВ = 4 микровольта.

Если скорость уменьшить с 7680 до 150, то шумы должны стать меньше:

sqrt(7680 / 150) = 7.1554 — во столько раз

4000 нВ / 7.1554 = 560 нВ

Это вместо 60 из даташита.
Потому что у меня внутренний фильтр в микрухе отключен, который режет полосу примерно в 30 раз.

Всё, отпадаю.

Xan> Я тебе цифирьки дам, а ты дальше уже сам на них смотри.
SashaMaks>> А в чём же тогда их измерять???
Xan> В микровольтах.

Вот эти циферки: (https://www.dropbox.com/s/i6ifsftmjom56ci/2017-10-22_16-03-48.txt?dl=0)
В чём измеряются?

Xan> Сравнивать разные АЦП, поэтому, надо именно в микровольтах шума.

Я не только АЦП сравниваю, а всё измерительное устройство, причём только его аппаратную часть без всяких софтварных обработок. Интересует именно скорость измерений и их точность на выходе из железки для каждого измерения. Вроде бы очевидно, что чем выше будут оба этих параметра, тем лучше?

Xan> Если усреднять за 17 секунд (2500 отсчётов), то шумы станут как раз в 1 младший разряд из 24.

Поэтому усреднения или измерения за 2...17 сек мне не интересны в данном случае или пока не интересны.

Xan> Кстати, со скоростью я ошибся, сейчас выставлена 7680, а не 4800.

В приведенном минутном файле 346718 значений - это 5777 Гц?
Весь диапазон получается 65536?

Xan> Потому что у меня внутренний фильтр в микрухе отключен, который режет полосу примерно в 30 раз.

Фильтры и не нужны, они размазывают сигнал по времени и падает его точность измерения по времени.

Xan>> Кстати, со скоростью я ошибся, сейчас выставлена 7680, а не 4800.
SashaMaks> В приведенном минутном файле 346718 значений - это 5777 Гц?

Ай! Апучатка! 5680
Запись немного длиннее минуты.

SashaMaks> Весь диапазон получается 65536?

Да, от 0 до 65535.

SashaMaks> Я не только АЦП сравниваю, а всё измерительное устройство, причём только его аппаратную

Угу.
Входной усилитель, который растягивает 20 мВ до нужного, внутренние фильтры АЦП, и сам АЦП.

SashaMaks> Интересует именно скорость измерений и их точность на выходе из железки для каждого измерения. Вроде бы очевидно, что чем выше будут оба этих параметра, тем лучше?

Чем больше денег и здоровья, тем лучше.
Но физика всё портит!

Мощность тепловых шумов пропорциональна полосе частот, которая пропорциональна скорости измерения.
Причём так:

В сигма-дельта АЦП время, которое АЦП "смотрит" на входной сигнал, обратно пропорционально частоте/скорости.
Чем меньше частота, тем за большее время усредняется аналоговый сигнал перед преобразованием.
И тем меньше в нём получается шумов.
Поэтому и на выходе АЦП после преобразования мощность шумов пропорциональна скорости, а напряжение — корню из скорости.

Если нужна небольшая скорость отсчётов, то сигма-дельта можно сразу настроить на неё и радоваться низким шумам.
А можно настроить на большую скорость (с бОльшими шумами) и усреднять результаты (чтоб уменьшить шумы), чтоб получить ту же небольшую скорость.
Но шумы в обоих случаях получатся одинаковые.
Потому что тысяча маленьких микросекунд равна одной большой миллисекунде.

В АЦП последовательного приближения (которые в МК) усреднение аналогового сигнала происходит определённое фиксированное время.
Поэтому независимо от частоты преобразований шумы в каждом отсчёте будут одинаковые.
И большие — соответствующие большой скорости.
Для таких АЦП, если хочется меньших шумов, имеет смысл их гонять на максимальной частоте, а потом усреднять до нужной низкой — шумов будет меньше.

Сравнивать АЦП (+ программную усреднялку после него) имеет смысл по единственному параметру "микровольты шумов делённые на корень из скорости".
Это будет правильное сравнение.

Xan> Ай! Апучатка! 5680

Хорошо.
Размерность [Гц]?
А время за которое производится измерение равно 1 / 5680 = 0,00017606 сек?

SashaMaks>> Весь диапазон получается 65536?
Xan> Да, от 0 до 65535.

В чём измеряются эти величины?
Они же в файле: (https://www.dropbox.com/s/.../2017-10-22_16-03-48.txt?dl=0)?

Xan> Сравнивать АЦП (+ программную усреднялку после него) имеет смысл по единственному параметру "микровольты шумов делённые на корень из скорости".
Xan> Это будет правильное сравнение.

Вот тут желательно в формулах расписать детально.

SashaMaks> Размерность [Гц]?
SashaMaks> А время за которое производится измерение равно 1 / 5680 = 0,00017606 сек?

Да.

SashaMaks> В чём измеряются эти величины?

Какие-то единицы.
Но если их умножить на коэффициент 0.30517578125 [микровольт / единицу], то получатся микровольты.

Xan> Какие-то единицы.
Xan> Но если их умножить на коэффициент 0.30517578125 [микровольт / единицу], то получатся микровольты.

Дело в том, что при оценке разрешающей способности измерительного устройства любые единицы измерения сокращаются и это не имеет никакого смысла.

Долго думал, как же наглядно представить такой большой объём информации. В буквах получается неадекватно огромный текст, расчёт слишком сложный да и там всё снова скатиться куда-нибудь в сторону.

Оказывается у меня есть способ, который наглядно графически позволяет показать распределение случайных величин и оценить разрешающую способность любого измерительного прибора по фактически полученным данным.

Вот пример различия между собой 4-х одинаковых константных функций - копий тех данных, что были представлены здесь: (https://www.dropbox.com/s/i6ifsftmjom56ci/2017-10-22_16-03-48.txt?dl=0) за 5 сек.

Есть некоторое наложение множеств и в этим местах значение функций сильно не определено, но их мало и как-бы показывают, что коэффициент доверительного интервала немного меньше 1. Его можно даже посчитать или же наоборот задаться им и получить разрешающую способность с заданной надёжностью.

Тут весь диапазон составляет 256 значений и на него пришлось лишь 4 чётко различимых значения одновременно измеряемых величин по 64 значения на каждую измеряемую величину. Т.е. разрешающая способность равна 1/4 или 4/1. С таким же успехом эти 4 измеряемые величины можно различить и на интервале всего из 4-х значений при условии отклонения измеряемой величины не более 0,5.

Т.е. 2⁶ бит лишние для АЦП, применяемого в составе прибора и в них нет необходимости.