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001 使用力科示波器测量噪声
力科示波器基础应用系列之一
—— 使用力科示波器测量噪声
美国力科公司
提要
电路中的每个电子元器件会产生随机噪声。随机噪声的分析需要时域、频率、统计域的工具。力科示波器
具有表征随机噪声的能力,该应用将主要展示这些功能。
工具
由于单独测量无法提供之前或下一次测量的任何信息,随机过程很难量化,只能查看该过程的累积测量。
Figure 1 展示了用于比如噪声这样的随机过程的基本测量工具,最上面的迹线是输入通道2 的幅度时间曲
线。底下的迹线是显示噪声随频率分布的功率谱密度曲线。再下面的迹线是单独的噪声电压测量的直方图,
展示了单独测量的幅值分布。最下面的迹线是通道每 1000 个采集点的标准方差趋势,显示出在多次测量
中测量值的变化。这些分析功能,结合测量参数,提供了噪声测量的完整工具。
时域测量
让我们从大部分基本测量开始。Figure 2 中我们做了带宽受限噪声波形的时域测量。通过使用测量参数取
得了噪声信号特征的一些认识。大多数有意义的参数是波形的平均值,标准方差,峰峰值。这些测量的标
准方差,可以描述为交流有效值,被看作成波形的有效值是非常有用的。参数统计可显示平均值,最大值,
最小值,标准方差,统计的测量值数量。读出参数下的小直方图称为histicons ,显示了相关参数测量值的
分布。
直方图
噪声呈高斯分布,平均值和标准方差用来描述噪声的概率密度函数(pdf )。直方图提供了测量参数分布的
简单视图。Figure 3 显示了采集样本值的直方图。该直方图为用户提供了带有被测过程的概率密度函数的
估计。这个数据可以使用直方图参数解释。Figure 3 显示了3 个直方图参数,hmean ,hsdev ,和range ,分
别是平均值,标准方差,范围的直方图分布。直方图可由单次采样或多次采样计算出来。这两种情况都能
提供被研究过程的大量本质认识。这个例子中的伪高斯分布表明信号源是一个随机过程。
Figure 4 的直方图稍有不同。分布的宽度增加了并且有2 个峰。这是由于原本的随机噪声中存在小的正弦
分量而引起的。正弦波分布有2 个峰并且2 个混合波形围绕着构成波形的分布。通过观察分布的形状可以
了解被测过程发生了什么。在开始任何测量之前观察噪声分布无疑是一个好的实践。
功率谱密度测量
噪声的频域测量更加常用。频域的大多数测量是功率谱密度。功率谱密度通常用 V2√Hz表示。Figure 5 ,
迹线F2 是通道2 (1000 个采样点)的平均FFT 。尽管示波器提供功率谱密度作为FFT输出类型,但仍使用
对数dB 。改成幅度平方输出类型,单位是V2 ,FFT 的设置如Figure 6 所示。除了输出类型,选择矩形加权
和首要因素FFT (Least Prime Factor FFT )。注意FFT 的设置分辨率带宽(RBW )该处是1.02kHz,当然还
有加权函数为1.000 的矩形加权函数的等效噪声带宽(ENBW )。
平均FFT 输出要归一化到等效FFT 带宽。此外,还有其它刻度也要提到。力科示波器的FFT 输出校正到
峰值读数而不是有效值。要转化为有效值,FFT 幅度必须乘以0.707 而幅度的平方值要乘以0.5 。FFT 值除
以等效带宽是为了归一化到1Hz 带宽。Figure 7 中显示了重标刻度功能。重标刻度功能允许用户通过乘一
个系数重标刻度并增加或减去偏移。该处,乘以 05/102=490 E-6 。系数0.5 前面讨论过,另一个系数是等
效FFT 带宽的倒数,等于∆f 乘以如Figure 6 中所示的ENBW 。如果加权函数不是矩形则ENBW 的值将大
于1。
注意应用重构的数学函数是为了优化浮点FFT 输出到在参数测量中使用的整个数学空间的映射。
2
在重标刻度后,F2 中的FFT 的垂直单位是 V √Hz 。通过对FFT迹线以下的区域积分可以确认重标刻度的正
确性。Figure 5 中用门限到用来限制噪声源带宽的滤波器的噪声带宽的区域参数来实现,该处是280kHz 。
F2 以下的区域是平均平方值, 32.575 E-6 V2 。可以和C2 中波形的平均平方值(变量)计算所得的参数P3
32.57
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