弱直流信号测量系统中的噪声与误差

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：本文介绍了在直流柔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纳的基本计策，同时介绍了直流柔弱信号测量系统中主要常见误差的来源、特点及排除或削减这些误差的基本方法；关键词：柔弱信号，噪声，误差，滤波，放大一、引言在几乎全部的柔弱信号测量领域，柔弱的物理量信号最终都是转变为柔弱的电信号再进行放大处理，而这 种电信号许多时候是直流信号；柔弱信号不仅表现为其幅值极其柔弱，更表现在其可能被各种噪声信号所 严峻

2、埋没；直流柔弱信号的测量仍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峻影响；此外，放大电路的设计对直流柔弱信号测量的影响也是必需仔细对待的问题；作者在多年的实践中取得了一些体会，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章的热运动而产生的；明显，电阻的热噪声是频谱很平的白噪声，并且不行预见，呈高斯分布；一个电阻产生的噪声电压由下式打算：vrms=4ktrb1/2式中： k: 波尔兹曼常数（ 1.38 ×10-23

3、 j/k ）t: 肯定温度（ 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3.46 v；依据统计学，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17.32 v；为了削减电阻噪声，应 尽可能采纳低阻；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；依据有关的讨论说明，接触噪声功率为：pf=ki2lnfh/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: 测量频段下限明显，接触噪

4、声是有色噪声，由于它的不行预见性，其幅值呈高斯分布；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视不计；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 倍频范畴内测得）：纯碳阻： 0.13.0 v 碳膜电阻： 0.050.3 v金属膜电阻： 0.020.2 v 线绕电阻： 0.010.2 v为了削减接触噪声，联接材料应尽量同质，同时应削减电流；3、工频噪声由于工频电网的存在，工频电压、电流

5、会通过各种途经进入电子测量系统从而对柔弱信号的测量带来很大影响；通过一个简洁的例子可以说明：380v 沟通电压通过高达1000m 欧姆的电阻的电流为0.38 a, 如此电流流经 1 欧姆的电阻，将会产生0.537 v的峰值电压；处理工频噪声时不能只考虑工频基波噪声，仍应考虑其谐波噪声；应对工频噪声的通常措施有：良好的屏蔽，正确的接地，爱护环，陷波器，低通滤波器等；4、散射噪声电流其实是一股离散的电荷流，而不是一种真正的流体，电荷量的有限性导致了电流的统计学起伏，假设电荷间互不影响，就电流的波动为：inrms=2qidcb1/2式中： q 为电子电荷量1.6*10-19cb:测量带宽hzidc

6、：电流的平均值a散射噪声是一种听从高斯分布的白噪声，可以通过滤波来处理；5、振动噪声电子测量系统的振动，可能引起以下几种噪声：（1 ）压电效应（2 ）电荷储备效应（3 ）磨擦电（4 ）变形引起的分布参数的变化，从而引起噪声耦合强度的变化因此，采纳抗振措施和低噪声电缆以及同质材料连接是应对振动噪声的有效方法；6、爆裂噪声这是一种流过pn 结电流的突然变化，是由于半导体中的杂质（通常为金属杂质）随机发射或捕捉载流子造成的；爆裂噪声电流通常在两种电流之间随机摇摆，脉冲宽度一般为几s0.1s，幅度为 1na10na,其显现的几率小于几百hz. 假如将爆裂噪声放大并送到喇叭中，可听到类似爆米花的声音；由

7、于爆裂噪声是电流型噪声，因此应尽可能的减小电路中相关电阻的阻值；7、耦合噪声电子测量系统可能受到外部噪声的耦合，同时内部也会存在噪声耦合，它们是：（1 ）静电耦合变化的电压信号通过分布电容耦合到测量回路；处理方法：增加距离，金属屏蔽接地；（2 ） 电磁耦合变化的电磁场、射频信号、变化的电流、磁场中的运动等都会在测量回路中产生感应噪声，处理方法是：磁屏蔽、减小测量回路面积；（2 ）电源耦合电源电压的波动会通过分布电容耦合到放大电路的输入、输出端，电源电流波动产生的磁场会在放大测量回路中产生噪声；处理方法：增加信号与电源间距离，减小测量回路面积，减小电源线回路面积，采纳低纹波电源，爱护隔离环；8、

8、共模噪声共模噪声可分为两类，一是噪声通过各种途经施加到放大电路的输入对地之间，二是测量回路与噪声回路存在共地阻抗；前者通过高共模抑制比的差分电路可加以排除，要求差分输入端对地阻抗尽可能相等；后者就可通过单点接地加以排除；三、柔弱直流信号测量系统中的直流误差1、热电势热电势是影响柔弱直流信号测量的主要因素之一，热电势是由接触电势和温差电势共同作用的结果；（1 ）接触电势接触电势又称为帕尔帖效应，它是由于两种不同的导体内部电子密度不同，在接触面上扩散运动造成的，并且随着温度变化而变化；电子测量系统中，存在着多种导体，如铜、金、银、锡、硅、锗、碳、铅、氧化铜等，必定存在接触电势；（2 ）温差电势温差

9、电势是同一种导体当其两端温度不同，高温端电子向低温端迁移运动造成的，这一现象又称为汤姆逊效应；明显，电子测量系统由于温度场的分部不均，元器件内外温度不同，不同的区域温度不同，必定存在温差电势；下面给出了几种金属接触时的热电势：铜铜： <=0.2v/铜银： 0.3 v/ 铜金： 0.3 v/ 铜铅： 13v/ 铜锡： 13v/ 铜硅： 400v/铜氧化铜： 1000v/ 由上可见，当铜质材料连接不良，并且存在氧化时，热电势对柔弱直流信号测量的影响是很大的；为了减小热电势，尽可能采纳同质联接材料，并削减热源温度，削减系统温差；2、电化学电势电子测量系统部件表面，假如存在焊渣，假如潮湿，假如手

10、模后遗留汗渍，都会在其表面驻留电解质，由于系统中存在大量的不同的导体，就必定存在电化学电势；与热电势一样，系统内部的电化学电势的影响是可以排除的， 但信号输入回路的电化学电势的影响有时难以排除；应对措施是： 保持系统部件表面干燥、清洁，表面喷涂三防漆，采纳同质材料；3、介质吸取当电介质（绝缘材料）两端施加电压后，电介质内部发生极化作用，当外加电压撤消后，电介质内部极化并非立即消逝，而是逐步消逝，即电介质两端在肯定时间（有时可长达几分钟甚至几小时）仍将存在肯定电压；为了减小这种效应，除了挑选吸取效应小的元器件和材料，仍应防止在电介质两端施加超过几伏的电压；4、放大电路的失调误差运算放大器由于不行

11、能完全匹配，必定存在失调电压和失调电流，失调电流流经电阻也将转变为失调电压；运算放大器的失调信号许多时候要比被测柔弱信号大得多；此外，运算放大器的失调信号仍会随着温度和时间而变化；在直流柔弱信号测量中，应选用低失调、低温漂的运放；4、共模误差即使被测差分信号为零，假如差分信号对地存在共模电压，由于运算放大器的共模抑制比cmmr 有限， 放大电路的输出并不为零；例如，差模信号为0，假如共模电压为10v ，cmmr 为 100db ，就仍将有 100v的输出；放大电路的输入级应采纳高共模抑制比的运放；值得一提的是：尽管采纳的运放的cmmr 很高（如 140 分贝），但差分电路的电阻的匹配精度有 限

12、，就实际的差分电路的cmmr 有限；举例来说，假如运放的cmmr 为 140 分贝，而电阻的精度即使高达 0.01% ，就差分电路的cmmr 为 80 分贝，这意味着10v 的共模电压，会产生1mv 的误差，而被测信号只有微伏级或纳伏级！此外电阻仍存在温漂！因此为使差分电路的cmmr 足够高， 必需对匹配电阻进行在线微调校正；5、电源误差由于运算放大器的电源抑制比psrr 有限，即使放大电路的输入不变，电源电压的静态变化也会引起输出 的变化；例如，电源电压变化0.5v, psrr为 90db,输出将变化15.8 v. 所以测量柔弱信号，要求电源电压平稳；6、增益误差设负反馈放大器的闭环增益为a

13、, 放大器的开环增益为k ，放大器输入为vi, 就放大器输出为：vo=akvi/a+k由于放大器的开环增益k 是随着温度、时间变化的，因此为了使放大器输出与开环放大倍数k 无关，必需有 k>>a ，即单级放大器的闭环增益不行过大，否就，将会造称较大的误差；为减小增益误差，应选用开环放大倍数大的运放，同时单级放大器的闭环放大倍数应较小；7、其它误差（1 ）元器件特性元器件的精度、温度特性、时漂应赐予重视，如电阻的精度、温漂，电容的漏电流，二极管、三极管的漏电流，电子模拟开关的漏电流、导通电阻，运放的失调电压、偏置电流，参考电压、电流的精度和稳固性，电位器的调剂灵敏度等等；（2 ）设计误差对于柔弱信号测量来讲，最重要的是输入级的设计，总的原就是提高输入端的信噪比，提高共模抑制比；在调制信号时，要考虑