第2章 模擬測量方法02--09版

1、2.3 噪聲電壓的測量噪聲電壓的測量2.3.1 噪聲的基本特性噪聲的基本特性 在電子線路中，噪聲主要是由各種元器件內(nèi)部帶電粒子運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則造成的現(xiàn)象，它嚴(yán)重影響系統(tǒng)傳輸微弱信號(hào)的能力。 噪聲電壓噪聲電壓對(duì)一個(gè)放大器而言,當(dāng)輸入信號(hào)為0時(shí),由輸出端測得的雜散交流電壓。 產(chǎn)生噪聲的原因：產(chǎn)生噪聲的原因：熱噪聲：導(dǎo)體半導(dǎo)體及雜質(zhì)材料，內(nèi)部微利的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。散粒噪聲：PN結(jié)-電荷運(yùn)動(dòng)不連續(xù)-晶體管噪聲。 熱噪聲和散粒噪聲在線性頻率范圍內(nèi)其能量是均勻分布的。 白噪聲（白光）：白噪聲（白光）：在光譜學(xué)里，各頻率能量均勻分布的光成為白光，也稱這類噪聲為白噪聲噪聲的性質(zhì)：噪聲的性質(zhì)： 是一種隨機(jī)信號(hào)； 波形

2、是非周期的；1 變化是無規(guī)律的。 一般用概率密度函數(shù)來表示它，符合正態(tài)分布。一般用概率密度函數(shù)來表示它，符合正態(tài)分布。Un 噪聲電壓的有效值；噪聲電壓的有效值；U-噪聲電壓的隨時(shí)值。噪聲電壓的隨時(shí)值。2.3.2 用平均值表測量噪聲電壓用平均值表測量噪聲電壓 噪聲電壓：一般指有效值，用平均值電壓噪聲電壓：一般指有效值，用平均值電壓表冊(cè)噪聲電壓，需進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換。表冊(cè)噪聲電壓，需進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換。 噪聲電壓具有正態(tài)分布的對(duì)成性，其平均噪聲電壓具有正態(tài)分布的對(duì)成性，其平均值值根據(jù)波形系數(shù)定義，有根據(jù)波形系數(shù)定義，有 噪聲電壓的計(jì)算：噪聲電壓的計(jì)算： 1 據(jù)據(jù)2.2節(jié)，當(dāng)所選的平均值電壓表為全伯堅(jiān)六節(jié)，當(dāng)所

3、選的平均值電壓表為全伯堅(jiān)六時(shí)，定度系數(shù)為時(shí)，定度系數(shù)為1.11；2 將指示值換算成正弦波檢波后的平均值；將指示值換算成正弦波檢波后的平均值；3 按平均值相等原則，再算出噪聲電壓的有效值按平均值相等原則，再算出噪聲電壓的有效值2.3.3 器件和放大器噪聲的測量器件和放大器噪聲的測量噪聲測量方法：噪聲測量方法：正弦信號(hào)法和噪聲發(fā)生器法。選哪種 方法取決于頻率范圍和可選用的儀表。特點(diǎn)：特點(diǎn)：被測放大器輸出端的噪聲必須足夠大； 當(dāng)噪聲很小時(shí)，輸出端和儀表之間加線性放大器； 且該放大器的等效輸入噪聲遠(yuǎn)小于被測放大器的輸出噪 聲，帶寬應(yīng)大于被測放大器的帶寬。放大器的放大器的“噪聲量噪聲量”放大器的等效輸入

4、噪聲電壓（或電 流）等效輸入噪聲效輸入噪聲把放大器所產(chǎn)生的全部噪聲折算為輸入 端的噪聲電壓或噪聲電流 圖示等效輸入噪聲遠(yuǎn)的模型可用來計(jì)算放大器的等效輸入噪聲。 1.等效輸入噪聲等效輸入噪聲Uni的測量的測量 一個(gè)有噪聲的器件，可以用一個(gè)無噪聲的器件等效，有一個(gè)有噪聲的器件，可以用一個(gè)無噪聲的器件等效，有 Uni=Uno/Au Uni 被測器件的等效輸入噪聲電壓； Uno -被測器件的輸出噪聲電壓； Au 理想器件的電壓增益。(1) 正弦信號(hào)法測正弦信號(hào)法測Uni（a）加入正弦波信號(hào)，測放大器電壓增益：）加入正弦波信號(hào)，測放大器電壓增益： Au =Uo/Us（b）短路放大器輸入端，測總的輸出噪聲

5、，求噪聲電壓）短路放大器輸入端，測總的輸出噪聲，求噪聲電壓: Uni=Uno/Au(2) 噪聲發(fā)生器法測噪聲發(fā)生器法測Uni方法：方法：（a）效準(zhǔn)好的噪聲發(fā)生器）效準(zhǔn)好的噪聲發(fā)生器電壓電壓Uns,接放大器輸入端，接放大器輸入端，測放大器輸出總噪聲電壓測放大器輸出總噪聲電壓有效值有效值Uno2;（b）短路放大器輸入端，）短路放大器輸入端，測放大器輸出總噪聲電壓測放大器輸出總噪聲電壓有效值有效值Uno1;（c）求等效輸入噪聲電壓）求等效輸入噪聲電壓Uni:（d）當(dāng)當(dāng)Uno2= Uno1時(shí)，則時(shí)，則Uni=Uns(3)兩種測量方法的比較兩種測量方法的比較正弦信號(hào)法：正弦信號(hào)法： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 適合于

6、低頻測量，可用通用設(shè)備；適合于低頻測量，可用通用設(shè)備； 缺點(diǎn)：需測系統(tǒng)增益、總輸出噪聲及噪聲帶寬；缺點(diǎn)：需測系統(tǒng)增益、總輸出噪聲及噪聲帶寬； 這些兩精確測定較困難，步驟麻煩。這些兩精確測定較困難，步驟麻煩。噪聲發(fā)生器法：噪聲發(fā)生器法： 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 方法簡單，測量準(zhǔn)確度較高，常用于高方法簡單，測量準(zhǔn)確度較高，常用于高 頻測量；頻測量； 缺點(diǎn)：用于低頻測量時(shí)需要較昂貴標(biāo)準(zhǔn)噪聲源。缺點(diǎn)：用于低頻測量時(shí)需要較昂貴標(biāo)準(zhǔn)噪聲源。平均值和波形系數(shù)平均值和波形系數(shù)測量時(shí)間的影響測量時(shí)間的影響 噪聲測量實(shí)質(zhì)是求平均值，理論上虛無限長時(shí)間；噪聲測量實(shí)質(zhì)是求平均值，理論上虛無限長時(shí)間； 對(duì)同樣的測量準(zhǔn)確度，窄帶測

7、量需時(shí)間更長；對(duì)同樣的測量準(zhǔn)確度，窄帶測量需時(shí)間更長； 如誤差如誤差1%：5Hz1000S,1kHz5S。示值影響示值影響 由于白噪聲呈高斯正態(tài)分布，為避免噪聲波峰被削由于白噪聲呈高斯正態(tài)分布，為避免噪聲波峰被削 掉，測量過程中表頭示值不得超過滿刻度值的一半。掉，測量過程中表頭示值不得超過滿刻度值的一半。(4)測量噪聲時(shí)需要考慮的問題測量噪聲時(shí)需要考慮的問題帶寬的影響帶寬的影響 所用電壓表的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)大于被測系統(tǒng)的噪聲帶所用電壓表的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)大于被測系統(tǒng)的噪聲帶 寬。否則，將使指示值偏低。寬。否則，將使指示值偏低。 Un修正后的噪聲電壓，修正后的噪聲電壓， 即理想電壓表測得即理想電壓表測得 有限帶

8、寬電壓表測得有限帶寬電壓表測得 Bwn被測系統(tǒng)的噪聲帶寬被測系統(tǒng)的噪聲帶寬 被測系統(tǒng)與電壓表組成的總噪聲帶寬被測系統(tǒng)與電壓表組成的總噪聲帶寬3.噪聲帶寬的測量噪聲帶寬的測量 當(dāng)研究噪聲時(shí)，需研究噪聲的帶寬當(dāng)研究噪聲時(shí)，需研究噪聲的帶寬Bwn ，以放大，以放大器為例，有器為例，有 -中頻增益中頻增益 (1)正弦信號(hào)法正弦信號(hào)法 實(shí)質(zhì)上是測量被測放大器的幅頻特性，然后求實(shí)質(zhì)上是測量被測放大器的幅頻特性，然后求 下的總面積下的總面積S，噪聲帶寬測量方法：噪聲帶寬測量方法：電壓表分別接入待測系統(tǒng)的輸出電壓表分別接入待測系統(tǒng)的輸出、輸入端；輸入端；系統(tǒng)加適當(dāng)偏置電壓，維持系統(tǒng)的輸入電壓不變，系統(tǒng)加適當(dāng)偏

9、置電壓，維持系統(tǒng)的輸入電壓不變，測不同頻率下的輸出電壓；（足夠多）測不同頻率下的輸出電壓；（足夠多）計(jì)算電壓增益計(jì)算電壓增益精確繪制電壓增益平方精確繪制電壓增益平方-頻率曲線圖；頻率曲線圖；求出噪聲帶寬。求出噪聲帶寬。(2)噪聲發(fā)生器法噪聲發(fā)生器法3.信噪比的測試信噪比的測試 信號(hào)功率信號(hào)功率Ps與噪聲功率與噪聲功率Pn之比之比 SNR=Ps/Pn = 分貝表示：分貝表示：SNR=10Lg(Ps/Pn) 測量：測量： 信號(hào)發(fā)生器信號(hào)發(fā)生器-窄帶窄帶-信號(hào)電壓信號(hào)電壓 去掉信號(hào)發(fā)生器去掉信號(hào)發(fā)生器-寬帶寬帶-噪聲電壓噪聲電壓-總的噪聲輸出電壓總的噪聲輸出電壓-輸入端的白噪聲頻譜密度輸入端的白噪聲

10、頻譜密度5.集成運(yùn)算放大器噪聲參數(shù)的測量集成運(yùn)算放大器噪聲參數(shù)的測量(1)測試原理測試原理電壓噪聲電壓噪聲:采用低信號(hào)源電阻，高增益電路采用低信號(hào)源電阻，高增益電路測量時(shí)運(yùn)算放大器輸出端濾波器，使噪聲帶寬符合產(chǎn)品手測量時(shí)運(yùn)算放大器輸出端濾波器，使噪聲帶寬符合產(chǎn)品手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。輸出端濾波器的噪聲帶寬：冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)。輸出端濾波器的噪聲帶寬： 電流噪聲電流噪聲:采用高信號(hào)源電阻，高增益電路，采用高信號(hào)源電阻，高增益電路， 通過高信號(hào)源電阻將電流噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡娡ㄟ^高信號(hào)源電阻將電流噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡?壓，若壓，若Rs很大，電流噪聲壓倒電壓噪聲。很大，電流噪聲壓倒電壓噪聲。(2)運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器Uni的實(shí)用測量電路的

11、實(shí)用測量電路圖示測量系統(tǒng)的噪聲帶寬為：圖示測量系統(tǒng)的噪聲帶寬為：Bwn=1/(4RfCf)=1kHzC1去除運(yùn)算放大器的輸出含有輸入電去除運(yùn)算放大器的輸出含有輸入電壓失衡所引起的支流分量。壓失衡所引起的支流分量。圖示為測量寬帶輸入噪聲電路圖示為測量寬帶輸入噪聲電路 Bwn=1/(4RfCf)=10kHz輔助放大器輔助放大器A1另外提供另外提供10倍電壓增益倍電壓增益(3)輸入噪聲電流輸入噪聲電流I-和和I+的測量的測量通過高阻值通過高阻值R轉(zhuǎn)換為電壓，轉(zhuǎn)換為電壓，R的選擇要保證輸出的噪聲電的選擇要保證輸出的噪聲電壓壓Uno中中 的數(shù)值其主要作用，由的數(shù)值其主要作用，由R和和CR組成的低組成的低

12、通電路，其噪聲帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測量系統(tǒng)的噪聲帶寬，即通電路，其噪聲帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測量系統(tǒng)的噪聲帶寬，即測量電測量電路帶寬路帶寬1HzUni=Uno/Au-電阻電阻R的寄生電容的寄生電容-被測電路的共模輸入電容被測電路的共模輸入電容2.4 分貝的測量分貝的測量2.4.1 數(shù)學(xué)定義數(shù)學(xué)定義1.功率之比的對(duì)數(shù)功率之比的對(duì)數(shù)分貝分貝(Db)2.電壓比的對(duì)數(shù)電壓比的對(duì)數(shù)3.絕對(duì)電平絕對(duì)電平 (1)功率電平dBm 基準(zhǔn)量基準(zhǔn)量P0=1mW(2)電壓電平電壓電平Dbv 基準(zhǔn)量基準(zhǔn)量U0=0.775V4.音量單位音量單位(VU) 測量電聲系統(tǒng)用的電瓶單位，測量電聲系統(tǒng)用的電瓶單位，0電平定義為在電平定義為在600

13、阻抗上吸取功率為阻抗上吸取功率為1mW2.4.2 分貝值的測量分貝值的測量分貝刻度分貝刻度 實(shí)測結(jié)果：上例按1.5V量程為基準(zhǔn)定分貝 刻度。 讀數(shù)轉(zhuǎn)換： 大于1.5V量程：量程對(duì)應(yīng)dB值+指示dB 小于1.5V量程：量程對(duì)應(yīng)dB值-指示dB 如30V量程，示值27.5V,分貝值為 26+5=31（dB） 2.5 失真度的測量失真度的測量2.5.1 非線性失真的定義非線性失真的定義全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比2.5.2 失真度測量儀基本工作原理失真度測量儀基本工作原理2.5.3 有源陷波電路有源陷波電路1. 雙雙T形電路構(gòu)成的無源陷波器形電

14、路構(gòu)成的無源陷波器2.雙雙T形有源陷波器形有源陷波器例：設(shè)計(jì)一個(gè)雙T形陷波器，要求在1000Hz時(shí)陷波，且陷波器的3dB帶寬為50Hz。取取C=103,RT=10K2.5.4 失真度測量儀舉例失真度測量儀舉例1.基本工作原理基本工作原理儀器指示的失真度儀器指示的失真度當(dāng)失真度小于當(dāng)失真度小于10%時(shí)，時(shí)， 當(dāng)失真度大于當(dāng)失真度大于10%時(shí)，應(yīng)按下式加以計(jì)算修正時(shí)，應(yīng)按下式加以計(jì)算修正2.失真度測量的誤差分析失真度測量的誤差分析(1)儀器指示的失真度與理論失真度的偏差儀器指示的失真度與理論失真度的偏差(2)失真儀中的基波抑制網(wǎng)絡(luò)很難做到將基波分量全失真儀中的基波抑制網(wǎng)絡(luò)很難做到將基波分量全 部濾

15、除，也很難做到對(duì)二次以上的諧波一點(diǎn)不衰部濾除，也很難做到對(duì)二次以上的諧波一點(diǎn)不衰 減，這也會(huì)造成一定的測量誤差。減，這也會(huì)造成一定的測量誤差。(3) 測試儀器本身也會(huì)由于許多原因而產(chǎn)生誤差。測試儀器本身也會(huì)由于許多原因而產(chǎn)生誤差。(4) 由電壓表讀出的失真度應(yīng)扣除儀器本身的失真度。由電壓表讀出的失真度應(yīng)扣除儀器本身的失真度。(5) 若采用峰值或平均值電壓表，則會(huì)引入一定誤差若采用峰值或平均值電壓表，則會(huì)引入一定誤差(6) 陷波濾波器陷波濾波器(7) 其它其它2.6 功率的測量功率的測量2.6.1 音頻與較高頻信號(hào)功率的測量音頻與較高頻信號(hào)功率的測量在較高頻率時(shí)，可采用吸收型功率表測量功率。在較高頻率時(shí)，可采用吸收型功率表測量功率。 利用利用P=U /R 測功率測功率2基本的量熱式功率表，被測信號(hào)把電阻器加熱，使其基本的量熱式功率表，被測信號(hào)把電阻器加熱，使其溫度上升。溫度上升。測熱計(jì)電橋測熱計(jì)電橋熱電偶功率表熱電偶功率表二極管功率表二極管功率表2.6.2 誤差分析誤差分析2.6.3 功率表實(shí)例功率表實(shí)例射頻功率表射頻功率表 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)