噪聲測量簡介
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噪聲測量設(shè)備：真正的 RMS DVM
噪聲測量試驗設(shè)備有三種：分別為真有效值 (RMS) 表、示波器以及光譜分析儀。真有效值表可以測量各種不同波形的 AC 信號 RMS電壓。通常情況下，很多儀表通過檢測峰值電壓，然后將峰值電壓乘以 0.707，計算出 RMS 值。然而，采用這種有效值計算方法的儀表并不是真正的 RMS 表，因為這種儀表在測量時，通常假定波形為正弦波。另一方面，一款真正的 RMS 表可以測量諸如噪聲等非正弦波形。
許多高精度的數(shù)字萬用表(DMM) 都具有真正的 RMS 功能。通常而言，數(shù)字萬用表通過將輸入電壓數(shù)字化、采集數(shù)以千計的樣本并對 RMS 值進行數(shù)學(xué)計算，來實現(xiàn)上述功能。一款 DMM 在完成該測量時通常要具備兩種設(shè)置：“AC 設(shè)置”以及“AC+DC 設(shè)置”。在“AC”設(shè)置模式下，DMM 輸入電壓為連接到數(shù)字轉(zhuǎn)換器的 AC 電壓。因此，此時 DC 組件處于隔離狀態(tài)——這是進行寬帶噪聲測量理想的運行模式，因為，從數(shù)學(xué)層面上來說，測量結(jié)果等同于噪聲的標準偏差。在“AC+DC”設(shè)置模式下，輸入信號直接被數(shù)字化，同時完成了對 RMS 值的計算。這種運行模式不能用于寬帶噪聲測量。如欲了解典型的高精度真正 RMS 表的結(jié)構(gòu)圖，敬請參閱圖 5.1。
圖 5.1：典型的高精度真正 RMS DVM 的示例
當使用真正的 RMS DVM 測量噪聲時，您必須考慮其技術(shù)規(guī)范和不同的運行模式。部分 DMM 具有專門針對寬帶噪聲測量優(yōu)化的特殊運行模式。在這種模式下，DMM 就成為一款真正的 RMS，運行模式為 AC 耦合模式，其能夠測量從 20 Hz 至 10 MHz 的帶寬噪聲。對于一款高精度 DMM 來說，20uV 是固有噪聲的典型值。如欲了解這些技術(shù)規(guī)范的一覽表，敬請參閱圖 5.2。請注意，只要將 DMM 輸入端進行短路，就能測出固有噪聲。
圖 5.2：典型的高精度儀表規(guī)范一覽表
噪聲測量的設(shè)備：示波器
采用真正的 RMS 儀表測量噪聲的一個不足之處在于：這種儀表不能識別噪聲的性質(zhì)。例如，真正的 RMS 儀表不能識別特定頻率時噪聲拾波 (noise pickup) 和寬帶噪聲之間的區(qū)別。然而，示波器能使您觀察到時域噪聲波形。值得注意的是，大多數(shù)不同類型噪聲的波形差異性很大，因此，利用示波器能夠確定何種噪聲影響最大。
數(shù)字和模擬示波器均可用于噪聲測量。由于噪聲在性質(zhì)方面的隨意性，因此噪聲信號不能觸發(fā)模擬示波器，只有重復(fù)性波形才能觸發(fā)模擬示波器。然而，當存在噪聲源輸入時，模擬示波器上則顯示出獨特的影像。圖 5.3 顯示了采用模擬示波器進行寬帶測量得出的結(jié)果。值得注意的是，由于顯示的熒光特性以及噪聲對模擬示波器的非觸發(fā)性，模擬示波器常常生成一般和“拖尾”波形。大多數(shù)標準模擬示波器的缺點就是，它們不能檢測到低頻噪聲（1/f 噪聲）。
圖 5.3：模擬示波器上的白噪聲
數(shù)字示波器具有諸多有助于測量噪聲的實用的特性，其能檢測到低頻噪聲波形（如 1/f 噪聲）。同時，數(shù)字示波器還可以對 RMS 進行數(shù)學(xué)計算。圖 5.4 所示的噪聲源與圖 5.3 中的噪聲源相同的，這種噪聲源采用數(shù)字示波器才能檢測出。
圖5.4：數(shù)字示波器上的白噪聲
當使用示波器測量噪聲時，應(yīng)遵循一些通用指南。首先，在測量噪聲信號前，有一項重要的工作就是檢查示波器的固有噪聲。這項檢查工作可以通過連接示波器輸入端的 BNC 短路電容器 (shorting cap)，或?qū)⑹静ㄆ饕€與接地短路連接（如果采用了 1x 探針）。這種考慮之所以這么重要，是因為采用 1x 探針時的測量范圍會小 10 倍。大多數(shù)質(zhì)量上乘的示波器都擁有 1mV/division 量程，并配有 1x 示波器探針或 BNC 直接連接；同時，還具有帶 10x 探針的 10mV/division 固有噪聲。
需要注意的是，與 1x 示波器探針相比，我們應(yīng)優(yōu)先考慮 BNC 直接連接，因為接地的連接方式能夠減小 RFI / EMI 干擾（請參閱圖 5.5）。其中一種避免這種情況的方法就是，拆除示波器探針的接地引線和上端引線 (top cover)，同時在探針的側(cè)面進行接地（請參閱圖 5.6）。圖 5.7 顯示了一個 BNC 短路電容。
圖 5.5：接地能夠減小 RFI / EMI 干擾
圖 5.6：拆除接地的示波器探針
圖 5.7：BNC 短路電容
大多數(shù)示波器都具有帶寬限制功能。為了準確測量噪聲，示波器的帶寬必須比所測量電路中的噪聲帶寬高。但是，為了獲得最佳的測量結(jié)果，示波器的帶寬應(yīng)調(diào)整為大于噪聲帶寬的某一數(shù)值。例如，假設(shè)示波器全帶寬為 400 MHz，當開啟限制功能時，帶寬則為 20 MHz。如果使用 100 kHz 的噪聲帶寬測量電路中的噪聲，此時開啟帶寬限制功能，才有實際意義。就這個示例而言，由于超過帶寬的 RFI/EMI 干擾將被消除，因此固有噪聲較低。圖 5.8和圖 5.9 顯示了具有和不具有帶寬限制功能的典型數(shù)字示波器的固有噪聲。圖 5.10 顯示了采用 10x 探針示波器的固有噪聲相當高。
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