高阻器件低頻噪聲測(cè)試技術(shù)與應(yīng)用研究--低頻噪聲測(cè)試技術(shù)理論(三)

2.3傳統(tǒng)低頻噪聲測(cè)試方案

傳統(tǒng)低頻噪聲測(cè)試方案是一套同時(shí)基于軟件和硬件平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，需要專(zhuān)業(yè)的測(cè)試軟件和測(cè)試硬件協(xié)同來(lái)完成測(cè)試工作。硬件模塊主要包括前端適配器、放大電路和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。軟件主要包括數(shù)據(jù)采集軟件模塊數(shù)據(jù)分析軟件模塊。

硬件平臺(tái)起到激發(fā)信號(hào)、傳輸信號(hào)、和屏蔽干擾信號(hào)的功能，同時(shí)還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以便將模擬信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榉奖愫笃谟?jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理的數(shù)據(jù)。

軟件平臺(tái)的作用有兩個(gè)。首先，操作人員通過(guò)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)各種儀器和設(shè)備的程控，保證系統(tǒng)各部分協(xié)同高效的工作；其次，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析和處理需要軟件平臺(tái)強(qiáng)大的運(yùn)算能力作為支撐。

如圖2.10所示測(cè)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(cè)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(hào)傳輸?shù)胶罄m(xù)處理設(shè)備上。對(duì)于低噪聲測(cè)試系統(tǒng)來(lái)講，一個(gè)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(gè)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(wǎng)絡(luò)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(hào)放大，使信號(hào)到達(dá)到可以被系統(tǒng)識(shí)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(lèi)，一類(lèi)是放大器芯片，常見(jiàn)的有AD743、OP27、LT1028；另一類(lèi)是已經(jīng)搭建好的商用多功能放大器，如SIM910、SR570、SR560、PARC113.在實(shí)際搭建操作系統(tǒng)時(shí)，我們首選多功能放大器，因?yàn)槎喙δ芊糯笃鞑僮骱?jiǎn)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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信的能力，方便計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，這一點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。

放大電路的搭建中有幾點(diǎn)要注意。首先，放大電路中的元件要仔細(xì)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(diào)節(jié)放大倍數(shù)和濾波網(wǎng)絡(luò)不方便，但它具有本底噪聲更低的優(yōu)勢(shì)，如果測(cè)試一些噪聲極低的樣品，應(yīng)首選集成芯片并自行設(shè)計(jì)放大電路。此時(shí)芯片外圍電路中的電容、電感等器件要仔細(xì)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(shè)計(jì)在面積盡量小的PCB板上，以此來(lái)減小電磁場(chǎng)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(hào)在進(jìn)入放大器之前混入空間干擾信號(hào)，要求在測(cè)試時(shí)放大器與適配器的距離越近越好[18]。

（3）數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以是頻譜分析儀、示波器或安裝在計(jì)算機(jī)主機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡。這些設(shè)備的功能是對(duì)被前端放大器放大到合適大小的信號(hào)進(jìn)行記錄。由于頻譜分析儀、示波器主要用來(lái)實(shí)時(shí)顯示型號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)采集精度高，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和處理能力差，并且功能單一。實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)首選數(shù)據(jù)采集卡，因?yàn)閿?shù)據(jù)采集卡依托計(jì)算機(jī)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)存儲(chǔ)功能，并且一塊數(shù)據(jù)采集卡可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)域分析、頻域分析、數(shù)字輸入輸出、模擬輸出等多種功能，從而組建一臺(tái)強(qiáng)大的虛擬儀器。數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要具備以下兩個(gè)特點(diǎn)：第一，采樣頻率要高。根據(jù)信號(hào)采樣原理的有關(guān)定律，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率至少達(dá)到信號(hào)最高頻率的兩倍，才能將采集后的離散信號(hào)還原為不失真的模擬信號(hào)，因此必須保證數(shù)據(jù)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(hào)即使被放大后也非常小，因此需要使用高分辨率的數(shù)據(jù)采集卡來(lái)保證采集后數(shù)據(jù)的精度。

（4）數(shù)據(jù)處理設(shè)備

數(shù)據(jù)處理設(shè)備是對(duì)采集后的噪聲信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析的設(shè)備。通常選用計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件。利用計(jì)算機(jī)高效的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和Labview、Matlab軟件的便捷操作方式可以實(shí)現(xiàn)大批量數(shù)據(jù)的高效和高精度處理。數(shù)據(jù)處理軟件的使用應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：第一，軟件對(duì)處理數(shù)據(jù)有特殊要求。噪聲分析中最重要的分析方式是查看信號(hào)的功率譜密度。我們通常會(huì)選擇使用Labview軟件中的功率譜密度分析功能將采集的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻域信號(hào)，然而Labview的功率譜分析函數(shù)對(duì)信號(hào)輸入是有要求的。這個(gè)函數(shù)可一次處理的最大時(shí)域采樣點(diǎn)數(shù)為2 ²³（8，388，608或8M）。當(dāng)輸入序列中的采樣點(diǎn)數(shù)不是一個(gè)有效的2的冪次方而是可分解因子的小質(zhì)數(shù)的積時(shí)，該函數(shù)以高效DFT算法計(jì)算實(shí)數(shù)值序列的離散傅立葉變換并縮放幅度平方。該函數(shù)以快速DFT計(jì)算時(shí)的最大輸入數(shù)據(jù)量為2 ²² -1（4，194，303或者4M-1）。因此如果采樣時(shí)間為一秒，采樣率為10M時(shí)，該函數(shù)是無(wú)法使用的，需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割再處理或利用Labview調(diào)用Dll來(lái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的傅里葉變換。第二，不同軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力不同。不同軟件各自有各自的優(yōu)勢(shì)，使用前需要比較。比如，Matlab曲線擬合的效果就要遠(yuǎn)好于Labview的效果。