高阻器件低頻噪聲測試技術與應用研究--低頻噪聲測試技術理論(三)

2.3傳統(tǒng)低頻噪聲測試方案

傳統(tǒng)低頻噪聲測試方案是一套同時基于軟件和硬件平臺的測試系統(tǒng)，需要專業(yè)的測試軟件和測試硬件協(xié)同來完成測試工作。硬件模塊主要包括前端適配器、放大電路和數據采集設備。軟件主要包括數據采集軟件模塊數據分析軟件模塊。

硬件平臺起到激發(fā)信號、傳輸信號、和屏蔽干擾信號的功能，同時還要對信號進行模數轉換，以便將模擬信號數據轉變?yōu)榉奖愫笃谟嬎銠C存儲和處理的數據。

軟件平臺的作用有兩個。首先，操作人員通過軟件平臺實現對測試系統(tǒng)各種儀器和設備的程控，保證系統(tǒng)各部分協(xié)同高效的工作；其次，對數據進行復雜的數學分析和處理需要軟件平臺強大的運算能力作為支撐。

如圖2.10所示測試系統(tǒng)一共由如下四部分組成：

（1）前端適配器

前端適配器是安放被測樣品的金屬盒，主要作用是激發(fā)樣品低頻噪聲并將低頻噪聲信號傳輸到后續(xù)處理設備上。對于低噪聲測試系統(tǒng)來講，一個性能優(yōu)異的前端適配器外殼是由屏蔽性良好的金屬做成的。

下圖便是一個典型的適配器：

（2）放大電路

放大電路是由低噪聲放大器和一些濾波網絡為核心組成的放大電路，其作用是將前端適配器中激發(fā)出的噪聲信號放大，使信號到達到可以被系統(tǒng)識別和方便后續(xù)處理的地步。放大電路常用的低噪聲放大器分為兩類，一類是放大器芯片，常見的有AD743、OP27、LT1028；另一類是已經搭建好的商用多功能放大器，如SIM910、SR570、SR560、PARC113.在實際搭建操作系統(tǒng)時，我們首選多功能放大器，因為多功能放大器操作簡便、性能穩(wěn)定，并且自身具備很多諸如濾波、反相、施加直流偏置等功能。而且它還具有串口和GPIB接口，可以實現與計算機通信的能力，方便計算機對其進行控制，這一點對于自動化測試系統(tǒng)來說非常重要。

放大電路的搭建中有幾點要注意。首先，放大電路中的元件要仔細篩選，選擇本底噪聲低的元件。相比起多功能放大器，集成芯片雖然使用中調節(jié)放大倍數和濾波網絡不方便，但它具有本底噪聲更低的優(yōu)勢，如果測試一些噪聲極低的樣品，應首選集成芯片并自行設計放大電路。此時芯片外圍電路中的電容、電感等器件要仔細挑選，選取噪聲更低的電容和電阻。其次，電路面積要小。為了保證電路的抗干擾能力，要求將集成芯片和外圍電路設計在面積盡量小的PCB板上，以此來減小電磁場干擾的回路面積。最后，樣品適配器與放大器之間的距離越小越好。為了盡量避免適配器輸出的信號在進入放大器之前混入空間干擾信號，要求在測試時放大器與適配器的距離越近越好[18]。

（3）數據采集設備

數據采集設備可以是頻譜分析儀、示波器或安裝在計算機主機上的數據采集卡。這些設備的功能是對被前端放大器放大到合適大小的信號進行記錄。由于頻譜分析儀、示波器主要用來實時顯示型號，其優(yōu)點是信號采集精度高，缺點是數據存儲能力和處理能力差，并且功能單一。實際使用時，應當首選數據采集卡，因為數據采集卡依托計算機平臺可以實現強大的數據處理和實時存儲功能，并且一塊數據采集卡可以同時實現時域分析、頻域分析、數字輸入輸出、模擬輸出等多種功能，從而組建一臺強大的虛擬儀器。數據采集設備需要具備以下兩個特點：第一，采樣頻率要高。根據信號采樣原理的有關定律，數據采集卡的采樣頻率至少達到信號最高頻率的兩倍，才能將采集后的離散信號還原為不失真的模擬信號，因此必須保證數據采集卡的采樣頻率足夠高。第二，采集卡分辨率要高。由于我們要采集的噪聲信號即使被放大后也非常小，因此需要使用高分辨率的數據采集卡來保證采集后數據的精度。

（4）數據處理設備

數據處理設備是對采集后的噪聲信號進行存儲和分析的設備。通常選用計算機和相應的數據處理軟件。利用計算機高效的數據運算能力和Labview、Matlab軟件的便捷操作方式可以實現大批量數據的高效和高精度處理。數據處理軟件的使用應注意以下兩點：第一，軟件對處理數據有特殊要求。噪聲分析中最重要的分析方式是查看信號的功率譜密度。我們通常會選擇使用Labview軟件中的功率譜密度分析功能將采集的時域信號轉變成頻域信號，然而Labview的功率譜分析函數對信號輸入是有要求的。這個函數可一次處理的最大時域采樣點數為2 ²³（8，388，608或8M）。當輸入序列中的采樣點數不是一個有效的2的冪次方而是可分解因子的小質數的積時，該函數以高效DFT算法計算實數值序列的離散傅立葉變換并縮放幅度平方。該函數以快速DFT計算時的最大輸入數據量為2 ²² -1（4，194，303或者4M-1）。因此如果采樣時間為一秒，采樣率為10M時，該函數是無法使用的，需要將數據進行分割再處理或利用Labview調用Dll來實現大數據的傅里葉變換。第二，不同軟件對數據的處理能力不同。不同軟件各自有各自的優(yōu)勢，使用前需要比較。比如，Matlab曲線擬合的效果就要遠好于Labview的效果。