弱直流信号测量系统中的噪声与误差.doc
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1、弱直流信号测量系统中的噪声与误差Noises and errors of DC weak signals measurement system 上海奥波电子有限公司 彭建学 概要:本文介绍了在直流微弱信号测量系统中通常存在的各种噪声的特点和对信号测量的影响以及应采用的基本对策,同时介绍了直流微弱信号测量系统中主要常见误差的来源、特点及消除或减少这些误差的基本方法。关键词:微弱信号,噪声,误差,滤波,放大一、引言在几乎所有的微弱信号测量领域,微弱的物理量信号最终都是转变为微弱的电信号再进行放大处理,而这种电信号很多时候是直流信号。微弱信号不仅表现为其幅值极其微弱,更表现在其可能被各种噪声信号所严
2、重淹没。直流微弱信号的测量还会受到诸如接触电势、温差电势、电化学电势、放大电路失调电压与电流等直流误差信号严重影响。此外,放大电路的设计对直流微弱信号测量的影响也是必须认真对待的问题。作者在多年的实践中取得了一些经验,在此与同仁们一起探讨。二、电子测量系统中的噪声1、电阻的热噪声对于任何老化电阻,即使把它放在桌子上,也会在其两端产生噪声电压,这就是所谓的约翰逊噪声,它是由于电阻内部的电子不规则的热运动而产生的。显然,电阻的热噪声是频谱很平的白噪声,并且不可预见,呈高斯分布。一个电阻产生的噪声电压由下式决定:Vrms=(4KTRB)1/2 式中:K: 波尔兹曼常数(1.3810-23 J/K)T
3、: 绝对温度 (K)B: 测量带宽 (Hz)R:电阻阻值 (W)一个阻值为1M欧姆的电阻在27温度下,1KHz带宽时的均方根值为3.46V。根据统计学,峰峰值为5倍的均方根值的噪声电压占99%以上,故上述电阻的噪声电压峰峰值为17.32V。为了减少电阻噪声,应尽可能采用低阻。2、接触噪声不同的导体相互接触时,由于接触面的电导的随机涨落引起噪声电压,该噪声电压与频率成反比,所以又称为1/f噪声。根据有关的研究表明,接触噪声功率为:Pf=KI2ln(fh/fl)式中:K:为常数I: 流过接触面的直流电流平均值fh: 测量频段上限fl: 测量频段下限显然,接触噪声是有色噪声,由于它的不可预见性,其幅
4、值呈高斯分布。接触噪声当频率越低时,其功率密度越大,当频率趋于零时,其幅值趋于常数,当频率大于某一值时,与其它噪声相比可忽略不计。一般其低频边界为0.001Hz。需要指出的是,即使电阻内部由于阻值的波动,会产生一种过量噪声,这也是一种1/f噪声。下面给出了几种电阻的噪声电压有效值(以电阻两端每1V电压,10倍频范围内测得):纯碳阻:0.13.0V碳膜电阻:0.050.3V金属膜电阻:0.020.2V线绕电阻:0.010.2V为了减少接触噪声,联接材料应尽量同质,同时应减少电流。3、工频噪声由于工频电网的存在,工频电压、电流会通过各种途经进入电子测量系统从而对微弱信号的测量带来很大影响。通过一个
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