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基准噪音问答 Voltage Reference Noise Q&A

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex

有了照片或者采样数据,很容易量出或者求出最高和最低的差异,这就是噪音的峰峰值,用uVpp的来表示,由于这种表示办法容易测试,所以被大部分运放、基准采用。
然而,很多仪器测试,用rms值(有效值)更方便。有了uVpp,再除上6,就大约是rms值。
有效值再除上电压,就成为相对表示,可以用ppm。
另外,有了一组采样数据后,可以安全的假设是正态分布的,然后可以很方便的计算出标准离差或方差σ。而且方差σ就是rms值(对于零均值噪音,参见高普占《微弱信号检测》pp11)。
例如AD588采样后,观察100个点,Vpp值为3uV,因此可以认为rms噪音为0.5uV,同时σ=0.5uV。


目前的常见的电压基准有三种:JVS、饱和电池、固态基准。其中JVS好像几乎没有噪音,或非常非常小。标准电池也几乎没有噪音,或测试不出来。可偏偏这两个都不常见或不太方便使用,唯独常见的好用的方便的固态基准,存在令人讨厌的噪音。

例如Datron 4910的单10V,噪音指标是0.04ppm rms,即0.4uVrms,也就是2.4uVp-p。4910的4组平均后指标是0.02ppm rms,即0.2uVrms,也就是1.2uVp-p。
再如目前广泛采用的Fluke732B,噪音指标为0.06ppm rms,也就是3.6uVp-p。
再如以前的Fluke732A,噪音指标为1uVrms,也就是0.1ppm rms,换算成是6uVp-p。

也许有人要问,Vrms和Vpp的关系不是2.83倍吗?比如交流电Vrms=220V,Vpp=622V。
是的,但这是对正弦信号而言的,纯单频。对于噪音信号,频谱非常广,在相同的rms下Vpp要大一倍左右,因此一般可以认为是6倍的关系。
这与不确定度用贝塞尔函数法和差值法的计算,也是类似的(n取100以上)。四、噪音一般怎么来测试?

1、DIY放大器-示波器测试
先DIY一个高倍、低噪放大器,把噪音信号放大比如1000倍,这样uV级别的信号就到了mV级,能够很方便的用示波器观察。示波器的频带很宽,因此可以观察从超低频一直到高频的所有频谱的噪音。当然,最常见的是设置成10秒扫描周期,这样就可以直观的看出0.1Hz-10Hz的噪音情况。这是一种传统的测试方法以前很多半导体手册,给出噪音图的时候,是直接拍摄的示波器屏(当时还没有数字示波器等手段)。

 



由于找不到成品的放大器,因此只有DIY。LT给出了一个DIY方法:http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an124f.pdf
采用了FET对管,尤其是用了一个1300uF低漏电电容,使得DIY难度不小。

 


 

  


2、采样测试
用高精度低噪音ADC,对被测试量进行采样,其实很类似数字示波器,只不过高精度ADC的分辨更高,只需要少许放大就可以。尽管速度不如示波器,但测试噪音足够。
比如这个ADS1281还算不错:

 


3、频谱测试
thy888用了Advantest的R9211A低频频谱仪(宽动态)做了很好的尝试,能够很方便而直观的得到基准的噪音频谱!
具体可参见thy888的帖子:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=815
以前还真不知道有这样一种方法,因为传统的频频谱仪都是测试高频的,而且本底噪音大,根本测试不了基准的噪音的。
要区分的是,尽管这曲线看起来与前面的类似,但表示方法是完全不同的。横轴不在是时间,而是频率!所以,曲线表示的是在不同频率下的噪音强度,是在频率域上的展开。这样的图就与首帖的图一样了。频率域展示噪音的好处,可以看出是否有频率峰值,例如如果在50Hz处有个尖峰,那显然就是工频干扰了。同时这种频谱理论上也可以看出是否有1/f现象出现,只不过实际上测试频率下限有限,即便有1/f噪音一般也很难看出来。

 


  

 


万用表测试噪音
高位表的心脏就是一个很厉害的ADC,结合了高速和高精度的特点。正因为基准的噪音对万用表测试有影响,那么,利用这个影响,就可以定性、尤其是可以定量的测试出基准的噪音。
万用表的要求,主要是分辨要高、短稳要好、本底噪音小、速度要快。
分辨是关键,这个不高自然是不能测试的。短稳和本底噪音不好也不行,还不知道测试出来的是基准的噪音还是表的。速度不快,就测试不出来1Hz到10Hz的噪音,只能测试更低频率的噪音了
各表的比较:

 


这表的横轴是采样周期,实际上是对应测试重复频率,也就是对应噪音的频率的。纵轴是噪音的ppm值。所以,越靠左的就越快、越靠下的噪音就越小,也就是说,越靠近左下角的就越适合进行噪音测试。
显然,HP/Agilent 3458A在众多万用表里脱颖而出,速度又快还噪音超低。因此,下一段就专门描述用3458A来测试噪音。

同样,由于表本身的噪音,还有被测基准的噪音,组成一个杨辉三角形。尽管当两个都是未知的时候不能直接得出噪音结果,但可以互相测试3次,通过解方程来求出。

 

另外,在背靠背的差值测试中,电压差异很小,这样就可以采用纳伏表,其绝对噪音比3458A要好很多。只不过要注意纳伏表往往没有Guard,造成测试困难。

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