在选择噪声测量设备时如何考虑规格参数

在第四部分中，我们采用了 TINA SPICE 来分析运算放大器 （op amp） 中的噪声。同时，TINA SPICE 分析所采用的示范威廉希尔官方网站 也可用于第三部分的工艺分析 （hand analysis） 范例中，而且使用工艺分析和 TINA SPICE 所得出的结果非常接近。在第五部分中，我们将着重介绍用于噪声测量的几款不同型号的设备，并探讨设备的技术规范以及与噪声测量有关的运行模式。虽然探讨的是具体的设备型号，但是相关的原理适用于大多数的设备。在第六部分中，我们将向您展示实际的应用范例——如何运用相关设备来测量第三部分和第四部分中所阐述的威廉希尔官方网站 。

噪声测量设备：真正的 RMS DVM

噪声测量试验设备有三种：分别为真有效值 （RMS） 表、示波器以及光谱分析仪。真有效值表可以测量各种不同波形的 AC 信号 RMS 电压。通常情况下，很多仪表通过检测峰值电压，然后将峰值电压乘以 0.707，计算出 RMS 值。然而，采用这种有效值计算方法的仪表并不是真正的 RMS 表，因为这种仪表在测量时，通常假定波形为正弦波。另一方面，一款真正的 RMS 表可以测量诸如噪声等非正弦波形。

许多高精度的数字万用表 （DMM） 都具有真正的 RMS 功能。通常而言，数字万用表通过将输入电压数字化、采集数以千计的样本并对 RMS 值进行数学计算，来实现上述功能。一款 DMM 在完成该测量时通常要具备两种设置：“AC 设置”以及“AC+DC 设置”。在“AC”设置模式下，DMM 输入电压为连接到数字转换器的 AC 电压。因此，此时 DC 组件处于隔离状态——这是进行宽带噪声测量理想的运行模式，因为，从数学层面上来说，测量结果等同于噪声的标准偏差。在“AC+DC”设置模式下，输入信号直接被数字化，同时完成了对 RMS 值的计算。这种运行模式不能用于宽带噪声测量。如欲了解典型的高精度真正 RMS 表的结构图，敬请参阅图 5.1。

图 5.1：典型的高精度真正 RMS DVM 的示例

当使用真正的 RMS DVM 测量噪声时，您必须考虑其技术规范和不同的运行模式。部分 DMM 具有专门针对宽带噪声测量优化的特殊运行模式。在这种模式下，DMM 就成为一款真正的 RMS，运行模式为 AC 耦合模式，其能够测量从 20 Hz 至 10 MHz 的带宽噪声。对于一款高精度 DMM 来说，20uV 是固有噪声的典型值。如欲了解这些技术规范的一览表，敬请参阅图 5.2。请注意，只要将 DMM 输入端进行短路，就能测出固有噪声。

图 5.2：典型的高精度仪表规范一览表

噪声测量的设备：示波器

采用真正的 RMS 仪表测量噪声的一个不足之处在于：这种仪表不能识别噪声的性质。例如，真正的 RMS 仪表不能识别特定频率时噪声拾波 （noise pickup） 和宽带噪声之间的区别。然而，示波器能使您观察到时域噪声波形。值得注意的是，大多数不同类型噪声的波形差异性很大，因此，利用示波器能够确定何种噪声影响最大。

数字和模拟示波器均可用于噪声测量。由于噪声在性质方面的随意性，因此噪声信号不能触发模拟示波器，只有重复性波形才能触发模拟示波器。然而，当存在噪声源输入时，模拟示波器上则显示出独特的影像。图 5.3 显示了采用模拟示波器进行宽带测量得出的结果。值得注意的是，由于显示的荧光特性以及噪声对模拟示波器的非触发性，模拟示波器常常生成一般和“拖尾”波形。大多数标准模拟示波器的缺点就是，它们不能检测到低频噪声（1/f 噪声）。

图 5.3：模拟示波器上的白噪声

数字示波器具有诸多有助于测量噪声的实用的特性，其能检测到低频噪声波形（如 1/f 噪声）。同时，数字示波器还可以对 RMS 进行数学计算。图 5.4 所示的噪声源与图 5.3 中的噪声源相同的，这种噪声源采用数字示波器才能检测出。

图5.4：数字示波器上的白噪声

当使用示波器测量噪声时，应遵循一些通用指南。首先，在测量噪声信号前，有一项重要的工作就是检查示波器的固有噪声。这项检查工作可以通过连接示波器输入端的 BNC 短路电容器 （shorting cap），或将示波器引线与接地短路连接（如果采用了 1x 探针）。这种考虑之所以这么重要，是因为采用 1x 探针时的测量范围会小 10 倍。大多数质量上乘的示波器都拥有 1mV/division 量程，并配有 1x 示波器探针或 BNC 直接连接；同时，还具有带 10x 探针的 10mV/division 固有噪声。

需要注意的是，与 1x 示波器探针相比，我们应优先考虑 BNC 直接连接，因为接地的连接方式能够减小 RFI / EMI 干扰（请参阅图 5.5）。其中一种避免这种情况的方法就是，拆除示波器探针的接地引线和上端引线 （top cover），同时在探针的侧面进行接地（请参阅图 5.6）。图 5.7 显示了一个 BNC 短路电容。

图 5.5：接地能够减小 RFI / EMI 干扰

图 5.6：拆除接地的示波器探针

图 5.7：BNC 短路电容

大多数示波器都具有带宽限制功能。为了准确测量噪声，示波器的带宽必须比所测量威廉希尔官方网站 中的噪声带宽高。但是，为了获得最佳的测量结果，示波器的带宽应调整为大于噪声带宽的某一数值。例如，假设示波器全带宽为 400 MHz，当开启限制功能时，带宽则为 20 MHz。如果使用 100 kHz 的噪声带宽测量威廉希尔官方网站 中的噪声，此时开启带宽限制功能，才有实际意义。就这个示例而言，由于超过带宽的 RFI/EMI 干扰将被消除，因此固有噪声较低。图 5.8和图 5.9 显示了具有和不具有带宽限制功能的典型数字示波器的固有噪声。图 5.10 显示了采用 10x 探针示波器的固有噪声相当高。

图 5.8：具有 1x 探针和带宽限制功能的示波器固有噪声

图 5.9：具有 1x 探针，但不具备带宽限制功能的示波器固有噪声

图 5.10：具有 10x 控针，但不具备带宽限制功能的示波器固有噪声

另外，当开展噪声测量工作时，必须考虑示波器的耦合模式。通常情况下，在一个数值较高的 DC 电压下工作才会产生噪声信号，因此宽带测量时，应采用 AC 耦合模式。例如，1mVpp 噪声信号在 2V 的 DC信号时，才能被触发。因此，在 AC 耦合模式下，AC 信号被剔除，从而获得了最高的增益。但是，需要特别说明的是，AC 耦合模式不能用于测量 1/f 噪声。这是因为在 AC 耦合模式下，带宽的截止频率通常较低，约为 10 Hz。当然，该截止频率也会因耦合模式的不同而有所差别，但是，关键问题是这一较低的截止频率对大部分的 1/f 噪声测量而言过高。一般而言，1/f的大小从 0.1 至 10 Hz 不等。因此，进行 1/f 的测量工作时，通常采用具有外部带通滤波器的 AC 耦合模式。图 5.11 对使用示波器进行噪声测量的通用指南作了总结。

图 5.11：使用示波器进行噪声测量的通用指南

噪声测量设备：频谱分析仪

频谱分析仪是进行噪声测量的功能强大的工具。一般说来，频谱分析仪能够显示功率（或电压）与频率之间的关系，其与噪声谱密度曲线相类似。实际上，一些频谱分析仪具有特殊的运行模式，这种运行模式使测量结果以频谱密度单位（即 nV/rt-Hz）的形式，直接显示出来。在其他情况下，测量结果必须乘以一个校正系数，从而将相关计量单位转化成频谱密度单位。

频谱分析仪和示波器一样，既有数字型的，也有模拟型的。模拟频谱分析仪生成频谱曲线的一种方法是：扫描各种频率下的带通滤波器，同时标绘出滤波器的测量输出值。另一种方法是运用超外差接收技术，该技术在各种频率下完成对本地振荡器的扫描。然而，数字频谱分析仪则采用快速傅里叶变换来产生频谱（常常与超外差接收技术配合使用）。

虽然所使用的频谱分析仪型号各异，但是一些主要参数仍需予以考虑。起始和终止频率表明了带通滤波器被扫描的频率范围。分辨率带宽是带通滤波器在频率范围内被扫描的宽度。降低分辨率带宽，则能提升频谱分析仪处理在离散频率时信号的能力，同时，将延长扫描时间。图 5.13 说明了扫描滤波器的运行情况，图 5.14 和图 5.15 显示了同一频谱分析仪采用不同分辨率带宽时，所得出的两种测量结果。在图 5.14 中，由于分辨率带宽被设置得非常小，从而使离散频率分量（即 150 Hz）得到了妥善处理。另一方面，在图 5.15 中，由于分辨率带宽被设置得非常大，使离散频率分量（即 1200 Hz）未能得到妥善处理。

图 5.12：频谱分析仪运行情况

图5.13：针对高分辨率信号选择的分辨率带宽

图 5.14：针对低分辨率信号选择的分辨率带宽

在图 5.13 和图 5.14 中，频谱的大小以分贝毫瓦 （dBm） 为单位表示，这是频谱分析仪常用的测量单位。一分贝毫瓦是指相对于一毫瓦，用分贝来计量的功率比值。就本例中的频谱分析仪而言，分贝毫瓦的测量也要事先假设输入阻抗为 50 欧姆。对大多数的频谱分析仪而言，当输入阻抗选择为 1M 欧姆时，情况也是如此。图 5.15列出了将分贝毫瓦转化为电压有效值所采用公式的推导过程。在图 5.16 中，该公式用于计算在图 5.13 – 5.14 中列出的测量结果 —— –10 dBm信号的电压有效值。

从图 5.13 – 5.14 中，我们可以看出，当分辨率带宽降低时，固有噪声则从 –87 dBm 增加到 –80 dBm。另一方面，当分辨率带宽发生改变时，频率处于 67 kHz 和 72 kHz 时的信号幅度并未发生改变。固有噪声之所以受分辨率带宽的影响，是因为其为热噪声，因此，带宽的提高也增加了热噪声总量。另外，由于信号波形为正弦波曲线，而且不管带宽如何变化，带通滤波器内部的振幅都会保持恒定，因此，频率处于 67 kHz 和 72kHz 时的信号幅度并不会受分辨率带宽的影响。因为我们必须清楚在频谱密度计算中不应该包含离散信号，所以，有关噪声分析方面的特性应引起我们足够的重视。比如，当测量运算放大器的噪声频谱密度时，您会发现频率在 60 Hz（功率上升线）时出现的一个离散信号。因为这个 60 Hz 的信号并非频谱密度，而是一个离散信号，所以它并未包含在功率噪声频谱密度曲线中。

图 5.15：将分贝毫瓦转化为电压有效值

图 5.16：将分贝毫瓦转化为电压有效值

一些频谱分析仪同噪声频谱密度一样，可以 nV/rt-Hz 为单位显示频谱幅度。但是，如果不具备这种功能，我们可以用频谱幅度除以分辨率噪声带宽的平方根来计算频谱密度。需要说明的是，通常我们需要一个换算系数，将分辨率带宽转化成分辨率噪声带宽。图 5.17 给出了将分贝毫瓦频谱转化成频谱密度的方程式。图 5.17 还给出了将分辨率带宽转化成噪声带宽所需的换算系数表。图 5.18 显示了将示例频谱分析仪中的频谱转化为频谱密度的实例。

图 5.17：将 dBm 转化为频谱密度的方程式

此表摘自安捷伦频谱分析仪测量和噪声应用手册 1303 页

图 5.18：将 dBm 转化为频谱密度的方程式

图 5.19：频谱分析仪测量结果向频谱密度转化的实例

另外，大多数频谱分析仪都具有计算平均值的功能。这一功能消除了测量波动的影响，因此，测量结果的重复性更高。平均值的数量由频谱分析仪的前置面板输入（通常从 1 至 100）。图 5.20 – 5.22 显示了采用不同的平均值水平，测量得出的同一信号。

图 5.20 关闭平均值功能时的频谱分析仪

图 5.21 平均值 = 2 时的频谱分析仪

图 5.22 平均值 = 49 时的频谱分析仪

当使用（或选择）频谱分析仪时，我们需要考虑的主要技术规范就是固有噪声和带宽。图 5.23 中的表格列出了两款不同频谱分析仪的部分技术规范。

图 5.23：两款不同频谱分析仪的技术规范比较

总结与回顾

本文介绍了用于噪声测量的几款不同型号的设备，重点阐述了设备的技术规范以及与噪声有关的主要运行模式。需要特别说明的是，虽然探讨的是具体型号的设备，但是其中的工作原理适用于大部分的设备。本文旨在帮助您在选择噪声测量设备时，应考虑的主要规格参数。在第六部分，我们将列举使用该设备的实际应用范例。

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