在第四部分中，咱们选用了 TINA SPICE 来剖析运算放大器 （op amp） 中的噪声。一起，TINA SPICE 剖析所选用的演示电路也可用于第三部分的工艺剖析 （hand analysis） 典范中，并且运用工艺剖析和 TINA SPICE 所得出的成果十分挨近。在第五部分中，咱们将侧重介绍用于噪声丈量的几款不同类型的设备，并讨论设备的技能规范以及与噪声丈量有关的运转方式。尽管讨论的是详细的设备类型，可是相关的原理适用于大多数的设备。在第六部分中，咱们将向您展现实践的运用典范——怎么运用相关设备来丈量第三部分和第四部分中所论述的电路。
噪声丈量设备：真实的 RMS DVM
噪声丈量试验设备有三种：分别为真有效值 （RMS） 表、示波器以及光谱剖析仪。真有效值表能够丈量各种不同波形的 AC 信号 RMS 电压。一般状况下，许多外表经过检测峰值电压，然后将峰值电压乘以 0.707，核算出 RMS 值。可是，选用这种有效值核算办法的外表并不是真实的 RMS 表，由于这种外表在丈量时，一般假定波形为正弦波。另一方面，一款真实的 RMS 表能够丈量比方噪声等非正弦波形。
许多高精度的数字万用表 （DMM） 都具有真实的 RMS 功用。一般来说，数字万用表经过将输入电压数字化、收集数以千计的样本并对 RMS 值进行数学核算，来完结上述功用。一款 DMM 在完结该丈量时一般要具有两种设置：“AC 设置”以及“AC+DC 设置”。在“AC”设置方式下，DMM 输入电压为衔接到数字转换器的 AC 电压。因而，此刻 DC 组件处于阻隔状况——这是进行宽带噪声丈量抱负的运转方式，由于，从数学层面上来说，丈量成果等同于噪声的规范偏差。在“AC+DC”设置方式下，输入信号直接被数字化，一起完结了对 RMS 值的核算。这种运转方式不能用于宽带噪声丈量。如欲了解典型的高精度真实 RMS 表的结构图，敬请参看图 5.1。
图 5.1：典型的高精度真实 RMS DVM 的示例
当运用真实的 RMS DVM 丈量噪声时，您有必要考虑其技能规范和不同的运转方式。部分 DMM 具有专门针对宽带噪声丈量优化的特别运转方式。在这种方式下，DMM 就成为一款真实的 RMS，运转方式为 AC 耦合方式，其能够丈量从 20 Hz 至 10 MHz 的带宽噪声。关于一款高精度 DMM 来说，20uV 是固有噪声的典型值。如欲了解这些技能规范的一览表，敬请参看图 5.2。请留意，只要将 DMM 输入端进行短路，就能测出固有噪声。
图 5.2：典型的高精度外表规范一览表
噪声丈量的设备：示波器
选用真实的 RMS 外表丈量噪声的一个不足之处在于：这种外表不能辨认噪声的性质。例如，真实的 RMS 外表不能辨认特定频率时噪声拾波 （noise pickup） 和宽带噪声之间的差异。可是，示波器能使您观察到时域噪声波形。值得留意的是，大多数不同类型噪声的波形差异性很大，因而，运用示波器能够确认何种噪声影响最大。
数字和模仿示波器均可用于噪声丈量。由于噪声在性质方面的随意性，因而噪声信号不能触发模仿示波器，只要重复性波形才干触发模仿示波器。可是，当存在噪声源输入时，模仿示波器上则显现出共同的印象。图 5.3 显现了选用模仿示波器进行宽带丈量得出的成果。值得留意的是，由于显现的荧光特性以及噪声对模仿示波器的非触发性，模仿示波器常常生成一般和“拖尾”波形。大多数规范模仿示波器的缺陷便是，它们不能检测到低频噪声（1/f 噪声）。
图 5.3：模仿示波器上的白噪声
数字示波器具有许多有助于丈量噪声的有用的特性，其能检测到低频噪声波形（如 1/f 噪声）。一起，数字示波器还能够对 RMS 进行数学核算。图 5.4 所示的噪声源与图 5.3 中的噪声源相同的，这种噪声源选用数字示波器才干检测出。
图5.4：数字示波器上的白噪声
当运用示波器丈量噪声时，应遵从一些通用攻略。首要，在丈量噪声信号前，有一项重要的作业便是查看示波器的固有噪声。这项查看作业能够经过衔接示波器输入端的 BNC 短路电容器 （shorTIng cap），或将示波器引线与接地短路衔接（假如选用了 1x 探针）。这种考虑之所以这么重要，是由于选用 1x 探针时的丈量规模会小 10 倍。大多数质量上乘的示波器都具有 1mV/division 量程，并配有 1x 示波器探针或 BNC 直接衔接；一起，还具有带 10x 探针的 10mV/division 固有噪声。
需求留意的是，与 1x 示波器探针比较，咱们应优先考虑 BNC 直接衔接，由于接地的衔接办法能够减小 RFI / EMI 搅扰（请参看图 5.5）。其间一种防止这种状况的办法便是，撤除示波器探针的接地引线和上端引线 （top cover），一起在探针的旁边面进行接地（请参看图 5.6）。图 5.7 显现了一个 BNC 短路电容。
图 5.5：接地能够减小 RFI / EMI 搅扰
图 5.6：撤除接地的示波器探针
图 5.7：BNC 短路电容
大多数示波器都具有带宽约束功用。为了精确丈量噪声，示波器的带宽有必要比所丈量电路中的噪声带宽高。可是，为了取得最佳的丈量成果，示波器的带宽应调整为大于噪声带宽的某一数值。例如，假定示波器全带宽为 400 MHz，当敞开约束功用时，带宽则为 20 MHz。假如运用 100 kHz 的噪声带宽丈量电路中的噪声，此刻敞开带宽约束功用，才有实践意义。就这个示例而言，由于超越带宽的 RFI/EMI 搅扰将被消除，因而固有噪声较低。图 5.8和图 5.9 显现了具有和不具有带宽约束功用的典型数字示波器的固有噪声。图 5.10 显现了选用 10x 探针示波器的固有噪声适当高。
图 5.8：具有 1x 探针和带宽约束功用的示波器固有噪声
图 5.9：具有 1x 探针，但不具有带宽约束功用的示波器固有噪声
图 5.10：具有 10x 控针，但不具有带宽约束功用的示波器固有噪声
别的，当展开噪声丈量作业时，有必要考虑示波器的耦合方式。一般状况下，在一个数值较高的 DC 电压下作业才会产生噪声信号，因而宽带丈量时，应选用 AC 耦合方式。例如，1mVpp 噪声信号在 2V 的 DC信号时，才干被触发。因而，在 AC 耦合方式下，AC 信号被除掉，然后取得了最高的增益。可是，需求特别阐明的是，AC 耦合方式不能用于丈量 1/f 噪声。这是由于在 AC 耦合方式下，带宽的截止频率一般较低，约为 10 Hz。当然，该截止频率也会因耦合方式的不同而有所不同，可是，要害问题是这一较低的截止频率对大部分的 1/f 噪声丈量而言过高。一般来说，1/f的巨细从 0.1 至 10 Hz 不等。因而，进行 1/f 的丈量作业时，一般选用具有外部带通滤波器的 AC 耦合方式。图 5.11 对运用示波器进行噪声丈量的通用攻略作了总结。
图 5.11：运用示波器进行噪声丈量的通用攻略
噪声丈量设备：频谱剖析仪
频谱剖析仪是进行噪声丈量的功用强大的东西。一般说来，频谱剖析仪能够显现功率（或电压）与频率之间的联系，其与噪声谱密度曲线相相似。实践上，一些频谱剖析仪具有特别的运转方式，这种运转方式使丈量成果以频谱密度单位（即 nV/rt-Hz）的方式，直接显现出来。在其他状况下，丈量成果有必要乘以一个校对系数，然后将相关计量单位转化成频谱密度单位。
频谱剖析仪和示波器相同，既有数字型的，也有模仿型的。模仿频谱剖析仪生成频谱曲线的一种办法是：扫描各种频率下的带通滤波器，一起标绘出滤波器的丈量输出值。另一种办法是运用超外差接纳技能，该技能在各种频率下完结对本地振荡器的扫描。可是，数字频谱剖析仪则选用快速傅里叶变换来产生频谱（常常与超外差接纳技能合作运用）。
尽管所运用的频谱剖析仪类型各异，可是一些首要参数仍需予以考虑。开始和停止频率表明晰带通滤波器被扫描的频率规模。分辨率带宽是带通滤波器在频率规模内被扫描的宽度。下降分辨率带宽，则能进步频谱剖析仪处理在离散频率时信号的才能，一起，将延伸扫描时间。图 5.13 阐明晰扫描滤波器的运转状况，图 5.14 和图 5.15 显现了同一频谱剖析仪选用不同分辨率带宽时，所得出的两种丈量成果。在图 5.14 中，由于分辨率带宽被设置得十分小，然后使离散频率重量（即 150 Hz）得到了妥善处理。另一方面，在图 5.15 中，由于分辨率带宽被设置得十分大，使离散频率重量（即 1200 Hz）未能得到妥善处理。
图 5.12：频谱剖析仪运转状况
图5.13：针对高分辨率信号挑选的分辨率带宽
图 5.14：针对低分辨率信号挑选的分辨率带宽
在图 5.13 和图 5.14 中，频谱的巨细以分贝毫瓦 （dBm） 为单位表明，这是频谱剖析仪常用的丈量单位。一分贝毫瓦是指相关于一毫瓦，用分贝来计量的功率比值。就本例中的频谱剖析仪而言，分贝毫瓦的丈量也要事前假定输入阻抗为 50 欧姆。对大多数的频谱剖析仪而言，当输入阻抗挑选为 1M 欧姆时，状况也是如此。图 5.15列出了将分贝毫瓦转化为电压有效值所选用公式的推导进程。在图 5.16 中，该公式用于核算在图 5.13 – 5.14 中列出的丈量成果 —— –10 dBm信号的电压有效值。
从图 5.13 – 5.14 中，咱们能够看出，当分辨率带宽下降时，固有噪声则从 –87 dBm 增加到 –80 dBm。另一方面，当分辨率带宽产生改动时，频率处于 67 kHz 和 72 kHz 时的信号起伏并未产生改动。固有噪声之所以受分辨率带宽的影响，是由于其为热噪声，因而，带宽的进步也增加了热噪声总量。别的，由于信号波形为正弦波曲线，并且不论带宽怎么改变，带通滤波器内部的振幅都会坚持稳定，因而，频率处于 67 kHz 和 72kHz 时的信号起伏并不会受分辨率带宽的影响。由于咱们有必要清楚在频谱密度核算中不应该包括离散信号，所以，有关噪声剖析方面的特性应引起咱们满足的注重。比方，当丈量运算放大器的噪声频谱密度时，您会发现频率在 60 Hz（功率上升线）时呈现的一个离散信号。由于这个 60 Hz 的信号并非频谱密度，而是一个离散信号，所以它并未包括在功率噪声频谱密度曲线中。
图 5.15：将分贝毫瓦转化为电压有效值
图 5.16：将分贝毫瓦转化为电压有效值
一些频谱剖析仪同噪声频谱密度相同，能够 nV/rt-Hz 为单位显现频谱起伏。可是，假如不具有这种功用，咱们能够用频谱起伏除以分辨率噪声带宽的平方根来核算频谱密度。需求阐明的是，一般咱们需求一个换算系数，将分辨率带宽转化成分辨率噪声带宽。图 5.17 给出了将分贝毫瓦频谱转化成频谱密度的方程式。图 5.17 还给出了将分辨率带宽转化成噪声带宽所需的换算系数表。图 5.18 显现了将示例频谱剖析仪中的频谱转化为频谱密度的实例。
图 5.17：将 dBm 转化为频谱密度的方程式
此表摘自安捷伦频谱剖析仪丈量和噪声运用手册 1303 页
图 5.18：将 dBm 转化为频谱密度的方程式
图 5.19：频谱剖析仪丈量成果向频谱密度转化的实例
别的，大多数频谱剖析仪都具有核算平均值的功用。这一功用消除了丈量动摇的影响，因而，丈量成果的重复性更高。平均值的数量由频谱剖析仪的前置面板输入（一般从 1 至 100）。图 5.20 – 5.22 显现了选用不同的平均值水平，丈量得出的同一信号。
图 5.20 封闭平均值功用时的频谱剖析仪
图 5.21 平均值 = 2 时的频谱剖析仪
图 5.22 平均值 = 49 时的频谱剖析仪
当运用（或挑选）频谱剖析仪时，咱们需求考虑的首要技能规范便是固有噪声和带宽。图 5.23 中的表格列出了两款不同频谱剖析仪的部分技能规范。
图 5.23：两款不同频谱剖析仪的技能规范比较
总结与回忆
本文介绍了用于噪声丈量的几款不同类型的设备，要点论述了设备的技能规范以及与噪声有关的首要运转方式。需求特别阐明的是，尽管讨论的是详细类型的设备，可是其间的作业原理适用于大部分的设备。本文旨在协助您在挑选噪声丈量设备时，应考虑的首要规范参数。在第六部分，咱们将罗列运用该设备的实践运用典范。
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