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微弱直流信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲與誤差 |
| 作者：pengjianxue 欄目：模擬技術(shù) |
微弱直流信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲與誤差 Noises and errors of DC weak signals measurement SYSTEM 上海奧波電子有限公司 彭建學(xué) 概要：本文介紹了在直流微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中通常存在的各種噪聲的特點(diǎn)和對(duì)信號(hào)測(cè)量的影響以及應(yīng)采用的基本對(duì)策，同時(shí)介紹了直流微弱信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中主要常見(jiàn)誤差的來(lái)源、特點(diǎn)及消除或減少這些誤差的基本方法。 關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)，噪聲，誤差，濾波，放大 一、引言 在幾乎所有的微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域，微弱的物理量信號(hào)最終都是轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑷醯碾娦盘?hào)再進(jìn)行放大處理，而這種電信號(hào)很多時(shí)候是直流信號(hào)。微弱信號(hào)不僅表現(xiàn)為其幅值極其微弱，更表現(xiàn)在其可能被各種噪聲信號(hào)所嚴(yán)重淹沒(méi)。直流微弱信號(hào)的測(cè)量還會(huì)受到諸如接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)、電化學(xué)電勢(shì)、放大電路失調(diào)電壓與電流等直流誤差信號(hào)嚴(yán)重影響。此外，放大電路的設(shè)計(jì)對(duì)直流微弱信號(hào)測(cè)量的影響也是必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。作者在多年的實(shí)踐中取得了一些經(jīng)驗(yàn)，在此與同仁們一起探討。 二、電子測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲 1、電阻的熱噪聲 對(duì)于任何老化電阻，即使把它放在桌子上，也會(huì)在其兩端產(chǎn)生噪聲電壓，這就是所謂的約翰遜噪聲，它是由于電阻內(nèi)部的電子不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的。顯然，電阻的熱噪聲是頻譜很平的白噪聲，并且不可預(yù)見(jiàn)，呈高斯分布。一個(gè)電阻產(chǎn)生的噪聲電壓由下式?jīng)Q定： Vrms=(4KTRB)1/2 式中：K: 波爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23 J/K） T: 絕對(duì)溫度 （K） B: 測(cè)量帶寬 （Hz） R：電阻阻值 （W） 一個(gè)阻值為1M歐姆的電阻在27℃溫度下，1KHz帶寬時(shí)的均方根值為3.46μV。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)，峰峰值為5倍的均方根值的噪聲電壓占99%以上，故上述電阻的噪聲電壓峰峰值為17.32μV。為了減少電阻噪聲，應(yīng)盡可能采用低阻。 2、接觸噪聲 不同的導(dǎo)體相互接觸時(shí)，由于接觸面的電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起噪聲電壓，該噪聲電壓與頻 率成反比，所以又稱為1/f噪聲。根據(jù)有關(guān)的研究表明，接觸噪聲功率為： Pf=KI2ln(fh/fl) 式中：K:為常數(shù) I: 流過(guò)接觸面的直流電流平均值 fh: 測(cè)量頻段上限 fl: 測(cè)量頻段下限 顯然，接觸噪聲是有色噪聲，由于它的不可預(yù)見(jiàn)性，其幅值呈高斯分布。接觸噪聲當(dāng)頻率越低時(shí)，其功率密度越大，當(dāng)頻率趨于零時(shí)，其幅值趨于常數(shù)，當(dāng)頻率大于某一值時(shí)，與其它噪聲相比可忽略不計(jì)。一般其低頻邊界為0.001Hz。 需要指出的是，即使電阻內(nèi)部由于阻值的波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一種過(guò)量噪聲，這也是一種1/f噪聲。下面給出了幾種電阻的噪聲電壓有效值（以電阻兩端每1V電壓，10倍頻范圍內(nèi)測(cè)得）： 純碳阻：0.1~3.0μV 碳膜電阻：0.05~0.3μV 金屬膜電阻：0.02~0.2μV 線繞電阻：0.01~0.2μV 為了減少接觸噪聲，聯(lián)接材料應(yīng)盡量同質(zhì)，同時(shí)應(yīng)減少電流。 3、工頻噪聲 由于工頻電網(wǎng)的存在，工頻電壓、電流會(huì)通過(guò)各種途經(jīng)進(jìn)入電子測(cè)量系統(tǒng)從而對(duì)微弱信號(hào)的測(cè)量帶來(lái)很大影響。通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以說(shuō)明： 380V交流電壓通過(guò)高達(dá)1000M.html">1000M歐姆的電阻的電流為0.38μA, 若此電流流經(jīng)1歐姆的電阻，將會(huì)產(chǎn)生0.537μV的峰值電壓。處理工頻噪聲時(shí)不能只考慮工頻基波噪聲，還應(yīng)考慮其諧波噪聲。 應(yīng)對(duì)工頻噪聲的通常措施有：良好的屏蔽，正確的接地，保護(hù)環(huán)，陷波器，低通濾波器等。 4、散射噪聲 電流其實(shí)是一股離散的電荷流，而不是一種真正的流體，電荷量的有限性導(dǎo)致了 電流的統(tǒng)計(jì)學(xué)起伏，假設(shè)電荷間互不影響，則電流的波動(dòng)為： Inrms=(2qIdcB)1/2 式中：q為電子電荷量1.6*10-19C B:測(cè)量帶寬 Hz Idc：電流的平均值 A 散射噪聲是一種服從高斯分布的白噪聲，可以通過(guò)濾波來(lái)處理。 5、振動(dòng)噪聲 電子測(cè)量系統(tǒng)的振動(dòng)，可能引起以下幾種噪聲： （1）壓電效應(yīng) （2）電荷存儲(chǔ)效應(yīng) （3）磨擦電 （4）變形引起的分布參數(shù)的變化，從而引起噪聲耦合強(qiáng)度的變化 因此，采用抗振措施和低噪聲電纜以及同質(zhì)材料連接是應(yīng)對(duì)振動(dòng)噪聲的有效辦法。 6、爆裂噪聲 這是一種流過(guò)PN結(jié)電流的突然變化，是由于半導(dǎo)體中的雜質(zhì)（通常為金屬雜質(zhì)）隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子造成的。爆裂噪聲電流通常在兩種電流之間隨機(jī)擺動(dòng)，脈沖寬度一般為幾μS~0.1S，幅度為1nA~10nA, 其出現(xiàn)的幾率小于幾百Hz. 如果將爆裂噪聲放大并送到喇叭中，可聽(tīng)到類似爆米花的聲音。 由于爆裂噪聲是電流型噪聲，因此應(yīng)盡可能的減小電路中相關(guān)電阻的阻值。 7、耦合噪聲 電子測(cè)量系統(tǒng)可能受到外部噪聲的耦合，同時(shí)內(nèi)部也會(huì)存在噪聲耦合，它們是： （1）靜電耦合 變化的電壓信號(hào)通過(guò)分布電容耦合到測(cè)量回路。處理辦法：增加距離，金屬屏蔽接地。 （2） 電磁耦合 變化的電磁場(chǎng)、射頻信號(hào)、變化的電流、磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等都會(huì)在測(cè)量回路中產(chǎn)生感應(yīng)噪聲，處理辦法是：磁屏蔽、減小測(cè)量回路面積。 （2）電源耦合 電源電壓的波動(dòng)會(huì)通過(guò)分布電容耦合到放大電路的輸入、輸出端，電源電流波動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在放大測(cè)量回路中產(chǎn)生噪聲。處理辦法：增加信號(hào)與電源間距離，減小測(cè)量回路面積，減小電源線回路面積，采用低紋波電源，保護(hù)隔離環(huán)。 8、共模噪聲 共模噪聲可分為兩類，一是噪聲通過(guò)各種途經(jīng)施加到放大電路的輸入對(duì)地之間，二是測(cè)量回路與噪聲回路存在共地阻抗。前者通過(guò)高共模抑制比的差分電路可加以消除，要求差分輸入端對(duì)地阻抗盡可能相等；后者則可通過(guò)單點(diǎn)接地加以消除。 三、微弱直流信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中的直流誤差 1、熱電勢(shì) 熱電勢(shì)是影響微弱直流信號(hào)測(cè)量的主要因素之一，熱電勢(shì)是由接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)共同作用的結(jié)果。 （1）接觸電勢(shì) 接觸電勢(shì)又稱為帕爾帖效應(yīng)，它是由于兩種不同的導(dǎo)體內(nèi)部電子密度不同，在接觸面上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)造成的，并且隨著溫度變化而變化。電子測(cè)量系統(tǒng)中，存在著多種導(dǎo)體，如銅、 金、銀、錫、硅、鍺、碳、鉛、氧化銅等，必然存在接觸電勢(shì)。 （2）溫差電勢(shì) 溫差電勢(shì)是同一種導(dǎo)體當(dāng)其兩端溫度不同，高溫端電子向低溫端遷移運(yùn)動(dòng)造成的，這一現(xiàn)象又稱為湯姆遜效應(yīng)。顯然，電子測(cè)量系統(tǒng)由于溫度場(chǎng)的分部不均，元器件內(nèi)外溫度不同，不同的區(qū)域溫度不同，必然存在溫差電勢(shì)。 下面給出了幾種金屬接觸時(shí)的熱電勢(shì)： 銅－銅：<=0.2μV/℃ 銅－銀：0.3μV/℃ 銅－金：0.3μV/℃ 銅－鉛：1~3μV/℃ 銅－錫：1~3μV/℃ 銅－硅：400μV/℃ 銅－氧化銅：~1000μV/℃ 由上可見(jiàn)，當(dāng)銅質(zhì)材料連接不良，并且存在氧化時(shí)，熱電勢(shì)對(duì)微弱直流信號(hào)測(cè)量的影響是很大的。 為了減小熱電勢(shì)，盡可能采用同質(zhì)聯(lián)接材料，并減少熱源溫度，減少系統(tǒng)溫差。 2、電化學(xué)電勢(shì) 電子測(cè)量系統(tǒng)部件表面，如果存在焊渣，如果潮濕，如果手模后遺留汗?jié)n，都會(huì)在其表面駐留電解質(zhì)，由于系統(tǒng)中存在大量的不同的導(dǎo)體，就必然存在電化學(xué)電勢(shì)。與熱電勢(shì)一樣，系統(tǒng)內(nèi)部的電化學(xué)電勢(shì)的影響是可以消除的，但信號(hào)輸入回路的電化學(xué)電勢(shì)的影響有時(shí)難以消除。應(yīng)對(duì)措施是：保持系統(tǒng)部件表面干燥、清潔，表面噴涂三防漆，采用同質(zhì)材料。 3、介質(zhì)吸收 當(dāng)電介質(zhì)（絕緣材料）兩端施加電壓后，電介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生極化作用，當(dāng)外加電壓撤消后，電介質(zhì)內(nèi)部極化并非隨即消失，而是逐漸消失，即電介質(zhì)兩端在一定時(shí)間（有時(shí)可長(zhǎng)達(dá)幾分鐘甚至幾小時(shí)）仍將存在一定電壓。為了減小這種效應(yīng)，除了選擇吸收效應(yīng)小的元器件和材料，還應(yīng)避免在電介質(zhì)兩端施加超過(guò)幾伏的電壓。 4、放大電路的失調(diào)誤差 運(yùn)算放大器由于不可能完全匹配，必然存在失調(diào)電壓和失調(diào)電流，失調(diào)電流流經(jīng)電阻也將轉(zhuǎn)變?yōu)槭д{(diào)電壓。運(yùn)算放大器的失調(diào)信號(hào)很多時(shí)候要比被測(cè)微弱信號(hào)大得多。此外，運(yùn)算放大器的失調(diào)信號(hào)還會(huì)隨著溫度和時(shí)間而變化。在直流微弱信號(hào)測(cè)量中，應(yīng)選用低失調(diào)、低溫漂的運(yùn)放。 4、共模誤差 即使被測(cè)差分信號(hào)為零，如果差分信號(hào)對(duì)地存在共模電壓，由于運(yùn)算放大器的共模抑制比CMMR有限，放大電路的輸出并不為零。例如，差模信號(hào)為0，如果共模電壓為10V，CMMR為100dB，則仍將有100μV的輸出。放大電路的輸入級(jí)應(yīng)采用高共模抑制比的 運(yùn)放。值得一提的是：盡管采用的運(yùn)放的CMMR很高（如140分貝），但差分電路的電阻的匹配精度有限，則實(shí)際的差分電路的CMMR有限。舉例來(lái)說(shuō)，如果運(yùn)放的CMMR為140分貝，而電阻的精度即使高達(dá)0.01%，則差分電路的CMMR為80分貝，這意味著10V的共模電壓，會(huì)產(chǎn)生1mV的誤差，而被測(cè)信號(hào)只有微伏級(jí)或納伏級(jí)！此外電阻還存在溫漂！因此為使差分電路的CMMR足夠高，必需對(duì)匹配電阻進(jìn)行在線微調(diào)校正。 5、電源誤差 由于運(yùn)算放大器的電源抑制比PSRR有限，即使放大電路的輸入不變，電源電壓的靜態(tài)變化也會(huì)引起輸出的變化。例如，電源電壓變化0.5V, PSRR為90dB, 輸出將變化15.8μV. 所以測(cè)量微弱信號(hào)，要求電源電壓平穩(wěn)。 6、增益誤差 設(shè)負(fù)反饋放大器的閉環(huán)增益為A,放大器的開(kāi)環(huán)增益為K，放大器輸入為Vi, 則放大器輸出為： VO=AKVi/(A+K) 由于放大器的開(kāi)環(huán)增益K是隨著溫度、時(shí)間變化的，因此為了使放大器輸出與開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K無(wú)關(guān)，必須有K>>A，即單級(jí)放大器的閉環(huán)增益不可過(guò)大，否則，將會(huì)造稱較大的誤差。為減小增益誤差，應(yīng)選用開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)大的運(yùn)放，同時(shí)單級(jí)放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)較小。 7、其它誤差 （1）元器件特性 元器件的精度、溫度特性、時(shí)漂應(yīng)給予重視，如電阻的精度、溫漂，電容的漏電 流，二極管、三極 |
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| 作者： snakeemail 于 2006/12/5 20:36:00 發(fā)布：
老師傅清自來(lái)發(fā)貼了 |
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| 作者： iC921 于 2006/12/5 20:43:00 發(fā)布：
拜讀彭老師的作品！ |
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