噪声测量简介

2015-03-12 10:52:06   来源:eechina   

关键字: 噪声测量  运算放大器

在第四部分中,我们采用了 TINA SPICE 来分析运算放大器 (op amp) 中的噪声。同时,TINA SPICE 分析所采用的示范电路也可用于第三部分的工艺分析 (hand analysis) 范例中,而且使用工艺分析和 TINA SPICE 所得出的结果非常接近。在第五部分中,我们将着重介绍用于噪声测量的几款不同型号的设备,并探讨设备的技术规范以及与噪声测量有关的运行模式。虽然探讨的是具体的设备型号,但是相关的原理适用于大多数的设备。在第六部分中,我们将向您展示实际的应用范例——如何运用相关设备来测量第三部分和第四部分中所阐述的电路。 

噪声测量设备:真正的 RMS DVM 

噪声测量试验设备有三种:分别为真有效值 (RMS) 表、示波器以及光谱分析仪。真有效值表可以测量各种不同波形的 AC 信号 RMS 电压。通常情况下,很多仪表通过检测峰值电压,然后将峰值电压乘以 0.707,计算出 RMS 值。然而,采用这种有效值计算方法的仪表并不是真正的 RMS 表,因为这种仪表在测量时,通常假定波形为正弦波。另一方面,一款真正的 RMS 表可以测量诸如噪声等非正弦波形。 

许多高精度的数字万用表 (DMM) 都具有真正的 RMS 功能。通常而言,数字万用表通过将输入电压数字化、采集数以千计的样本并对 RMS 值进行数学计算,来实现上述功能。一款 DMM 在完成该测量时通常要具备两种设置:“AC 设置”以及“AC+DC 设置”。在“AC”设置模式下,DMM 输入电压为连接到数字转换器的 AC 电压。因此,此时 DC 组件处于隔离状态——这是进行宽带噪声测量理想的运行模式,因为,从数学层面上来说,测量结果等同于噪声的标准偏差。在“AC+DC”设置模式下,输入信号直接被数字化,同时完成了对 RMS 值的计算。这种运行模式不能用于宽带噪声测量。如欲了解典型的高精度真正 RMS 表的结构图,敬请参阅图 5.1。 

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图 5.1:典型的高精度真正 RMS DVM 的示例 

当使用真正的 RMS DVM 测量噪声时,您必须考虑其技术规范和不同的运行模式。部分 DMM 具有专门针对宽带噪声测量优化的特殊运行模式。在这种模式下,DMM 就成为一款真正的 RMS,运行模式为 AC 耦合模式,其能够测量从 20 Hz 至 10 MHz 的带宽噪声。对于一款高精度 DMM 来说,20uV 是固有噪声的典型值。如欲了解这些技术规范的一览表,敬请参阅图 5.2。请注意,只要将 DMM 输入端进行短路,就能测出固有噪声。 
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图 5.2:典型的高精度仪表规范一览表 

噪声测量的设备:示波器 

采用真正的 RMS 仪表测量噪声的一个不足之处在于:这种仪表不能识别噪声的性质。例如,真正的 RMS 仪表不能识别特定频率时噪声拾波 (noise pickup) 和宽带噪声之间的区别。然而,示波器能使您观察到时域噪声波形。值得注意的是,大多数不同类型噪声的波形差异性很大,因此,利用示波器能够确定何种噪声影响最大。 

数字和模拟示波器均可用于噪声测量。由于噪声在性质方面的随意性,因此噪声信号不能触发模拟示波器,只有重复性波形才能触发模拟示波器。然而,当存在噪声源输入时,模拟示波器上则显示出独特的影像。图 5.3 显示了采用模拟示波器进行宽带测量得出的结果。值得注意的是,由于显示的荧光特性以及噪声对模拟示波器的非触发性,模拟示波器常常生成一般和“拖尾”波形。大多数标准模拟示波器的缺点就是,它们不能检测到低频噪声(1/f 噪声)。 

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图 5.3:模拟示波器上的白噪声 

数字示波器具有诸多有助于测量噪声的实用的特性,其能检测到低频噪声波形(如 1/f 噪声)。同时,数字示波器还可以对 RMS 进行数学计算。图 5.4 所示的噪声源与图 5.3 中的噪声源相同的,这种噪声源采用数字示波器才能检测出。 

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图5.4:数字示波器上的白噪声 

当使用示波器测量噪声时,应遵循一些通用指南。首先,在测量噪声信号前,有一项重要的工作就是检查示波器的固有噪声。这项检查工作可以通过连接示波器输入端的 BNC 短路电容器 (shorting cap),或将示波器引线与接地短路连接(如果采用了 1x 探针)。这种考虑之所以这么重要,是因为采用 1x 探针时的测量范围会小 10 倍。大多数质量上乘的示波器都拥有 1mV/division 量程,并配有 1x 示波器探针或 BNC 直接连接;同时,还具有带 10x 探针的 10mV/division 固有噪声。 

需要注意的是,与 1x 示波器探针相比,我们应优先考虑 BNC 直接连接,因为接地的连接方式能够减小 RFI / EMI 干扰(请参阅图 5.5)。其中一种避免这种情况的方法就是,拆除示波器探针的接地引线和上端引线 (top cover),同时在探针的侧面进行接地(请参阅图 5.6)。图 5.7 显示了一个 BNC 短路电容。 

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图 5.5:接地能够减小 RFI / EMI 干扰 

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图 5.6:拆除接地的示波器探针 

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图 5.7:BNC 短路电容

大多数示波器都具有带宽限制功能。为了准确测量噪声,示波器的带宽必须比所测量电路中的噪声带宽高。但是,为了获得最佳的测量结果,示波器的带宽应调整为大于噪声带宽的某一数值。例如,假设示波器全带宽为 400 MHz,当开启限制功能时,带宽则为 20 MHz。如果使用 100 kHz 的噪声带宽测量电路中的噪声,此时开启带宽限制功能,才有实际意义。就这个示例而言,由于超过带宽的 RFI/EMI 干扰将被消除,因此固有噪声较低。图 5.8和图 5.9 显示了具有和不具有带宽限制功能的典型数字示波器的固有噪声。图 5.10 显示了采用 10x 探针示波器的固有噪声相当高。 
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编辑:什么鱼
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