微弱直流信號測量系統(tǒng)中的噪聲與誤差

李國強(qiáng)

（哈爾濱中慶燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，哈爾濱 150001）

在當(dāng)前的技術(shù)手段下，幾乎所有的微弱信號測量領(lǐng)域都是將物理量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡蠓娇商幚恚@種電信號多數(shù)情況下屬于直流信號。微弱信號不僅是幅值相對較為微弱，也可能受到其他噪聲的影響而被忽略。在進(jìn)行直流微弱的測量過程中，接觸電勢、溫差電勢等變化都會對其產(chǎn)生影響。對這一問題必須要客觀對待，進(jìn)行深入分析。

1 電子測量系統(tǒng)中的噪聲

1.1 電阻的熱噪聲

電阻是有一定的使用壽命的，使用一段時間后，電阻會老化，即使將其靜置，在其兩端也會有噪聲電壓出現(xiàn)，也就是俗稱的約翰遜噪聲，產(chǎn)生的原因是由于電阻內(nèi)部的電子不規(guī)則熱動。其產(chǎn)生電壓如下：Vrm s=（4KTRB）1/2。其中，K所表示的是波爾茲曼常數(shù)，T表示的是絕對溫度，B表示的則是測量帶寬，R是電阻?？梢圆捎玫偷刈柽_(dá)到減少噪聲的目的。

1.2 與噪聲接觸

導(dǎo)體在互相接觸的時候，受到接觸面的電導(dǎo)變化而出現(xiàn)不同的電壓，與頻率成反比，一般我們稱其為1/f噪聲。從測量的數(shù)據(jù)來看，可以用Pf=KI2ln（fh/fl）表示接觸的噪聲功率，k為常數(shù)，I是電流平均值，fh表示測量頻段上限，而fl則是下限。

從這一表達(dá)式可以看到，所接觸的噪聲都可歸類為有色噪聲，但同樣預(yù)見性較差，幅值同樣呈高斯分布。接觸噪聲頻率較低的時候，功率密度也會增加，當(dāng)其趨向零的時候，幅值接近常數(shù)。如果頻率超過某個標(biāo)準(zhǔn)，其噪聲可以被忽略。為了降低這一過程中的噪聲危害，盡量要選取相同材質(zhì)的材料，降低通過的平均電流。

1.3 工頻噪聲

工頻網(wǎng)的存在使工頻電壓、電流以不同的方式進(jìn)入到測量的系統(tǒng)中，進(jìn)而對測量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。處理工頻噪聲必須要結(jié)合其他諧波的噪聲共同研究，一同解決，對此，必須要做好接地工作，保護(hù)環(huán)境，加強(qiáng)屏蔽。

1.4 散射噪聲

通常情況下的電流就是指離散的電荷流，并不是真正意義的電流，受到電荷量有限性的影響，使得電流統(tǒng)計學(xué)出現(xiàn)變化，如果沒有互相影響的情況，則可以將電流波動表示如下：Inrm s=（2q IdcB）1/2，q是電子電荷量，B是測量帶寬赫茲，Idc是電流的平均值。散熱噪聲可以歸類為高斯分布的白噪聲，采用濾波處理。

1.5 振動噪聲

在測量電子系統(tǒng)振動的過程中，可能會導(dǎo)致摩擦電、壓電效應(yīng)變形而導(dǎo)致的分布參數(shù)變化等噪聲，對振動噪聲可以采取低噪聲電纜進(jìn)行抑制。

1.6 爆裂噪聲

從其產(chǎn)生的原因來看，是由于流過PN結(jié)電流突然變化，同時半導(dǎo)體的雜質(zhì)隨機(jī)發(fā)射也可能導(dǎo)致爆裂噪聲。如果利用聲音放大裝置將其放大，會呈現(xiàn)類似爆米花的聲音。該噪聲屬于電流型噪聲，因此，只要減小電阻就可以在一定程度上避免這一噪聲。

2 測量微弱直流信號系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差

2.1 熱電勢

這是所有影響因素中最為重要的因素之一，熱電勢受到接觸電勢與溫差電勢的共同作用而產(chǎn)生，可以分為接觸電勢與溫差電勢兩類。第一，接觸電勢。一般情況下，這一反應(yīng)被稱為帕爾貼效應(yīng)，是由兩種不同的導(dǎo)體內(nèi)部電子密度差在接觸面上發(fā)生擴(kuò)散而導(dǎo)致的，受到溫度影響較為明顯。在進(jìn)行測量的過程中，如果遇到金、銀、鉛、銅等，接觸電勢就會產(chǎn)生。第二，溫差電勢。同一導(dǎo)體的兩端溫度差異十分明顯，處于高溫端的電子會向低溫端移動，也稱為湯姆遜效應(yīng)。由于溫度場的分布不均，元器件內(nèi)外溫度的變化，不同區(qū)域溫度不同就會產(chǎn)生溫差電勢。由此可見，當(dāng)銅質(zhì)材料連接狀況不佳，或是有被腐蝕的可能，就會影響到微弱信息的測量準(zhǔn)確性。為了降低這一負(fù)面影響，可以選擇同材質(zhì)的連接材料，降低熱源溫度，減少誤差。

2.2 電化學(xué)電勢

電子測量系統(tǒng)部件的表面如果有焊渣，使用者的手上有汗?jié)n或者是潮濕的情況下，在其表面都會有電解質(zhì)駐留，同時受到系統(tǒng)大量導(dǎo)體存在的影響，就會產(chǎn)生電化學(xué)電勢，與熱電勢相同，便于消除，但信號輸入回路的電化學(xué)電勢影響消除難度較大，所以應(yīng)盡量保持表面干燥，避免超時，也可做噴涂設(shè)置。

2.3 介質(zhì)吸收

當(dāng)在電介質(zhì)兩端施加電壓后，其內(nèi)部會出現(xiàn)極化反映，如果來自外部的電壓消失，那么內(nèi)部的極化反映就會消失，這段時間內(nèi)的電壓會影響測量的結(jié)果，為了降低這一影響，可以采用相對效應(yīng)較小的原材料。

2.4 電路放大失調(diào)導(dǎo)致的誤差

經(jīng)過放大器處理后，無法達(dá)到匹配，一定會導(dǎo)致失調(diào)電壓與失調(diào)電流，流經(jīng)的電阻也會出現(xiàn)變化。運(yùn)算放大器的失調(diào)信號在多數(shù)情況下要大于被測的微弱信號，同時這一失調(diào)信號會受到時間與溫度的影響，這就要求在直流微弱信號測量過程中盡量選擇低失調(diào)、低溫度的運(yùn)放。

2.5 其他誤差

除了上文中提到的誤差，還有電源誤差、共模誤差與增益誤差等，對此必須要加強(qiáng)管理，提高控制水平，方可降低誤差，提高測量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

在測量微弱信號的過程中必須要格外小心，由于被測的微弱電壓信號可能只有μV級甚至nV級，被測微弱電流信號可能只有pA級甚至fA級，如果信號降低到一定的程度，必須要將所有的影響因素考慮其中，最大限度地降低外界因素對其的影響，減小誤差，提高測量的精確度，保證測量的準(zhǔn)確性。

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