第2章 模擬測量方法02-09版

2.3噪聲電壓的測量2.3.1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)部帶電粒子運動的不規(guī)則造成的現(xiàn)象，它嚴(yán)重影響系統(tǒng)傳輸微弱信號的能力。

噪聲電壓——對一個放大器而言,當(dāng)輸入信號為0時,由輸出端測得的雜散交流電壓。

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)則熱運動。散粒噪聲：PN結(jié)-電荷運動不連續(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）：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)：是一種隨機(jī)信號；波形是非周期的；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。Un–噪聲電壓的有效值；U--噪聲電壓的隨時值。2.3.2用平均值表測量噪聲電壓

噪聲電壓：一般指有效值，用平均值電壓表冊噪聲電壓，需進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換。噪聲電壓具有正態(tài)分布的對成性，其平均值根據(jù)波形系數(shù)定義，有

噪聲電壓的計算：1據(jù)2.2節(jié)，當(dāng)所選的平均值電壓表為全伯堅六時，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；3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噪聲測量方法：正弦信號法和噪聲發(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：被測放大器輸出端的噪聲必須足夠大；當(dāng)噪聲很小時，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“噪聲量”—放大器的等效輸入噪聲電壓（或電流）等效輸入噪聲—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)的模型可用來計算放大器的等效輸入噪聲。

1.等效輸入噪聲Uni的測量一個有噪聲的器件，可以用一個無噪聲的器件等效，有Uni=Uno/AuUni–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)正弦信號法測Uni（a）加入正弦波信號，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，求噪聲電壓:Uni=Uno/Au(2)噪聲發(fā)生器法測Uni方法：（a）效準(zhǔn)好的噪聲發(fā)生器電壓Uns,接放大器輸入端，測放大器輸出總噪聲電壓有效值Uno2;（b）短路放大器輸入端，測放大器輸出總噪聲電壓有效值Uno1;（c）求等效輸入噪聲電壓Uni:（d）當(dāng)Uno2=Uno1時，則Uni=Uns

(3)兩種測量方法的比較正弦信號法：

優(yōu)點：適合于低頻測量，可用通用設(shè)備；缺點：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。噪聲發(fā)生器法：優(yōu)點：方法簡單，測量準(zhǔn)確度較高，常用于高頻測量；缺點：用于低頻測量時需要較昂貴標(biāo)準(zhǔn)噪聲源。②平均值和波形系數(shù)③測量時間的影響

噪聲測量實質(zhì)是求平均值，理論上虛無限長時間；對同樣的測量準(zhǔn)確度，窄帶測量需時間更長；如誤差1%：5Hz—1000S,1kHz—5S。④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)測量噪聲時需要考慮的問題①帶寬的影響

所用電壓表的帶寬應(yīng)遠(yuǎn)大于被測系統(tǒng)的噪聲帶寬。否則，將使指示值偏低。Un—修正后的噪聲電壓，即理想電壓表測得—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)與電壓表組成的總噪聲帶寬3.噪聲帶寬的測量當(dāng)研究噪聲時，需研究噪聲的帶寬Bwn，以放大器為例，有----中頻增益(1)正弦信號法實質(zhì)上是測量被測放大器的幅頻特性，然后求下的總面積S，

噪聲帶寬測量方法：·電壓表分別接入待測系統(tǒng)的輸出、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，測不同頻率下的輸出電壓；（足夠多）·計算電壓增益·精確繪制電壓增益平方---頻率曲線圖；·求出噪聲帶寬。(2)噪聲發(fā)生器法3.信噪比的測試

信號功率Ps與噪聲功率Pn之比SNR=Ps/Pn=分貝表示：SNR=10Lg(Ps/Pn)測量：信號發(fā)生器-窄帶-信號電壓去掉信號發(fā)生器-寬帶-噪聲電壓----總的噪聲輸出電壓----輸入端的白噪聲頻譜密度5.集成運算放大器噪聲參數(shù)的測量(1)測試原理電壓噪聲:采用低信號源電阻，高增益電路測量時運算放大器輸出端濾波器，使噪聲帶寬符合產(chǎn)品手冊標(biāo)準(zhǔn)。輸出端濾波器的噪聲帶寬：

電流噪聲:采用高信號源電阻，高增益電路，通過高信號源電阻將電流噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷海鬜s很大，電流噪聲壓倒電壓噪聲。(2)運算放大器Uni的實用測量電路圖示測量系統(tǒng)的噪聲帶寬為：Bwn=1/(4RfCf)=1kHzC1—去除運算放大器的輸出含有輸入電壓失衡所引起的支流分量。圖示為測量寬帶輸入噪聲電路Bwn=1/(4RfCf)=10kHz輔助放大器A1另外提供10倍電壓增益(3)輸入噪聲電流I-和I+的測量通過高阻值R轉(zhuǎn)換為電壓，R的選擇要保證輸出的噪聲電壓Uno中的數(shù)值其主要作用，由R和CR組成的低通電路，其噪聲帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測量系統(tǒng)的噪聲帶寬，即測量電路帶寬1HzUni=Uno/Au----電阻R的寄生電容----被測電路的共模輸入電容2.4分貝的測量2.4.1數(shù)學(xué)定義1.功率之比的對數(shù)——分貝(Db)2.電壓比的對數(shù)3.絕對電平(1)功率電平dBm基準(zhǔn)量P0=1mW(2)電壓電平Dbv基準(zhǔn)量U0=0.775V4.音量單位(VU)測量電聲系統(tǒng)用的電瓶單位，0電平定義為在600阻抗上吸取功率為1mW2.4.2分貝值的測量分貝刻度

實測結(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：量程對應(yīng)dB值+指示dB小于1.5V量程：量程對應(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2.5.1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2.5.2失真度測量儀基本工作原理2.5.3有源陷波電路1.雙T形電路構(gòu)成的無源陷波器2.雙T形有源陷波器例：設(shè)計一個雙T形陷波器，要求在1000Hz時陷波，且陷波器的3dB帶寬為50Hz。取C=103,RT=10K2.5.4失真度測量儀舉例1.基本工作原理儀器指示的失真度當(dāng)失真度小于10%時，γ≈

γ’當(dāng)失真度大于10%時，應(yīng)按下式加以計算修正2.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(2)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除，也很難做到對二次以上的諧波一點不衰減，這也會造成一定的測量誤差。(3)測試儀器本身也會由于許多原因而產(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。(5)若采用峰值或平均值電壓表，則會引入一定誤差(6)陷波濾波器(7)其它2.6功率的測量2.6.1音頻與較高頻信號功率的測量在較高頻率時，可采用吸收型功率表測量功率。

利用P=U/R測功率2基本的量熱式功率表，被測信號把電阻器加熱，使其溫度上升。測熱計電橋熱電偶功率表二極管功率表2.6.2誤差分析2.6.3功率表實例——射頻功率表

實驗內(nèi)容實驗三：電壓表原理及應(yīng)用

實驗安排該課程計劃安排四項實驗，學(xué)完相應(yīng)章節(jié)開始進(jìn)行實驗，祥見實驗指導(dǎo)書。實驗三：電壓表原理及應(yīng)用（上課