LM399噪声测试

tianda_spl · 发表于 2012-12-3 11:31:30

温漂、长稳和噪声是衡量基准的最为重要的指标。长稳表示在很长的一段时间内（数月数年）基准的走向趋势；噪声表示在短时间内（数秒）基准的波动。本文的目的在于制作一种电压基准低频噪声的测量表。
低频噪声是指0.1---10Hz带宽内的噪声。为什么是0.1---10Hz呢？这可能与几个因素有关：
1.    考虑到人的感受，快于10Hz或者慢于0.1Hz，都是令人乏味的；
2.    低频测量仪器（比如万用表）对高于数十赫兹的噪声有较大的抑制能力；
3.    低频噪声主要与器件制造工艺缺陷有关，而高频噪声基本是热噪声，可以很容易定量计算。
4.    当频率低于0.1Hz（即10s）后，器件的长期漂移、温度漂移、外接干扰逐渐显著起来，因此通常把0.1Hz作为分界线。

基本结论（原则）：
1.    噪声是不可复现的，任何精密测量都是无意义的，5---10%的测量精度是可以接收的水平；
2.    如果噪声的有效值是Vrms，则其峰峰值以99%的可信度不超过6.6倍Vrms，即Vpp = 6.6Vrms；
3.    来自两个不同器件（或者系统）的噪声被认为是统计独立的；
4.    两个独立的噪声叠加在一起，总噪声等于二者平方和的根；
5.    如果两个独立噪声叠加在一起，其中一个的强度是另外一个的3倍或者以上，那么强度较小的噪声对总噪声的贡献将小于5%，可以忽略不计；
6.    如果一个测量系统的自噪声是N0，那么它能以95%以上的可信度测量3倍N0强度以上的其他系统噪声；多级放大器中，系统的总噪声取决于第一级放大器。

系统方案：
方案.JPG

0.1---10Hz滤波器.pdf (52 KB, 下载次数: 263)

因为基准的噪声是叠加在一个直流之上的，比如LM399是7V，所以必须先把这个直流滤除。那么第一级必须是高通，通常是0.1Hz的截止频率。
因为多级放大器的本地总噪声取决于第一级，所以第一级必须是低噪声的和高倍率的，这里选择2000倍或者200倍（跳线选）。
其后的低通和高通决定了整个系统的频带，这个电路做出来的效果是3dB带宽为0.1---12Hz，总等效带宽15Hz。
把高通放在低通之后的好处是，前面的所有直流失调都会被滤除，输出的失调只由最后一级高通和偏压级决定。因为这两级增益权重很小，再选择性能好的运放，就可以做到输出失调电压小于1mV。
其实这个系统由两个子系统组成，每个单独供电。滤波器是一个系统，12bit ADC和单片机是另外一个。因为滤波器输出的噪声是个交流电压，为了能会用单电源供电的ADC系统采样，所以追加了2.5V的偏置电压，当被测噪声不超过量程时，输出的噪声都是正的数值。该系统也留有不加偏置电压的输出，可以使用示波器或者具有最大值/最小值保持功能的万用表测量，例如34401或者FX87。
第一级.JPG

第一级放大器决定总噪声，而这个噪声由几个部分组成：电阻R20噪声、运放U3的电压噪声、U3的电流噪声在R20和R23上产生的电压噪声、电容C13的噪声和漏电流噪声在R20上产生的电压噪声。要想噪声小，R20必须足够小，这样C必须足够大。大电容都是电解，但是电解漏电大噪声大。电阻小噪声大，这样是个矛盾，所以必须权衡：性能、价格和体积。除了未升压的LTZ1000之外，大部分5V以上的基准，噪声都在3uVpp以上，如果能做出本底噪声在1uVpp以下的测量系统，就能够以90%的概率测量。实用就好，不必太高要求。另外电容要能够放进铝合金壳子，这样才能屏蔽，价格也要低。权衡之后，选择这个电容。我买了10几个，挑选出来一个漏电低于1nA的。
DSC01800_调整大小.JPG

电容确定之后，电阻也就大体确定。R20和R23必须使用塑料块或者线绕，以保证该电阻只有热噪声。
接下来确定运放U3。由于R20大约20k左右，其产生的热噪声远大于很多低噪声运放，所以说选择电压噪声非常低的运放不会体现出优势。相反运放的电流噪声将左右系统系能。不如选择一个电压噪声较低（0.3uVpp以下就行），而电流噪声很小的JFET运放，这样OPA140浮出水面。
其他注意事项有：电容和第一级最好双屏蔽，屏蔽壳开孔越少越好。
以下是实物制作图。
DSC01787_调整大小.JPG

以下是本底噪声测试图34401的Max/Min保持。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDgzMjIwMzE2.html
本底噪声在0.6--1.1uVpp之间

以下是LM399的噪声测试图。

http://v.youku.com/v_show/id_XNDgzMjIwNTg0.html
可见LM399的噪声大约为7uVpp左右。

fffofo · 发表于 2012-12-3 11:34:33

好帖，顶了再看，谢谢了

乐乐很蛋疼 · 发表于 2012-12-3 12:07:48

顶顶顶~~~

王珏 · 发表于 2012-12-3 12:08:12

鼓励原创！

nngogogo · 发表于 2012-12-3 12:11:31

学习学习！！

王珏 · 发表于 2012-12-3 12:12:10

楼主准备出套件吗？谢谢！

wdexpert · 发表于 2012-12-3 12:39:47

这个要顶

happymanlxh · 发表于 2012-12-3 12:48:26

提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

gogo100you · 发表于 2012-12-3 12:59:15

其实我开始打算弄一个搜集噪音，作为随机数获取器的玩具，用来预测股市，天气，地震....

adsnet · 发表于 2012-12-3 13:18:05

优秀文章，支持技术贴！n神马都是浮云

armdsp · 发表于 2012-12-3 17:14:58

宋老师又出新作，大赞！通篇内容完整，前面的基本结论言简意赅，如果后面能加上参考文献，帮助读者引申阅读，就更好了。

关于低噪声运放U3的选型，文献上（AN940/DN355）已经给出了利用源电阻来选择的方法，如下图示。
2012-12-3 17-13-57.png

双屏蔽中，内层屏蔽是否有效果？电路板上与内层屏蔽接触的环线是否再粗一些更好，以便于和屏蔽壳焊在一起？

以上拙见，不当之处请批评指正。另外，求C13电容的淘宝链接。谢谢！

zgq · 发表于 2012-12-3 17:27:40

顶。C13好像不是铝电解电容吧？看外形好像用的是薄膜电容？

poseidonstorm · 发表于 2012-12-3 17:42:05

恭喜~宋老师也做成了~我十月底也做了个，做的比您这个好看点~

过两天拍个照看看~

就是那个电容难搞，别的都很容易实现的

要求就是电容要无极性的，否则就得两个电解串起来，

谁叫噪声是有正有负的呢~

lzqing · 发表于 2012-12-3 17:42:36

不知道差分测量是否更适合这种低频高增益的应用，输入端省去耦合电容；

housping · 发表于 2012-12-3 19:28:12

请教一下，好像这种精密电路，多采用1点接地，而不会直接通过背面全部铺地的方式。我看到的几块板子，都是几条地线单独走线，最后汇集到一点接地。跟铺地比，更推荐用哪种？

大胡子 · 发表于 2012-12-3 20:53:53

学习一下

独往独来 · 发表于 2012-12-3 21:37:17

支持原创！ [s:31]

longshort · 发表于 2012-12-3 22:09:21

文章干脆、直接、漂亮！[s:31]

cuison · 发表于 2012-12-3 22:28:53

优秀文章，支持！n神马都是浮云

tianda_spl · 发表于 2012-12-4 08:00:57

armdsp:
宋老师又出新作，大赞！通篇内容完整，前面的基本结论言简意赅，如果后面能加上参考文献，帮助读者引申阅读，就更好了。

关于低噪声运放U3的选型，文献上（AN940/DN355）已经给出了利用源电阻来选择的方法，如下图示。

.......

谢谢你的回复，你看的很仔细。

1. 内层屏蔽盒，似乎没有起作用。
当初，我在加内层屏蔽盒之前，测试了一下本地噪声，其结果和加了内层屏蔽盒数值一样。
所以，这个内层盒看起来只有些心理作用。
2. 关于那条印制线，确实细了一些，导致内层盒不能完全焊接在PCB上。
这主要是两个因素，那个壳子较厚，并且不是太完美的矩形。另外就是受到整个板子大小限制，PCB线画的有些细。

tianda_spl · 发表于 2012-12-4 08:03:23

lzqing:不知道差分测量是否更适合这种低频高增益的应用，输入端省去耦合电容；
 (2012-12-03 17:42) 

你的意思是用2个LM399背对背测试咯。

tianda_spl · 发表于 2012-12-4 08:13:37

housping:
请教一下，好像这种精密电路，多采用1点接地，而不会直接通过背面全部铺地的方式。我看到的几块板子，都是几条地线单独走线，最后汇集到一点接地。跟铺地比，更推荐用哪种？

我做的是一点接地和铺地的综合方式。
给你看下PCB截图。
未命名.PNG

那个黄色箭头指示的焊盘是一个接地点，所有信号地都是一点接的，从图上可以看出，有好几条线汇合在这个点。
背面的铺地是连接在电池的地上，就是下方那个写着GND的大焊盘，退藕电容都是接在这个地平面上的。
在PCB上，一点地和铺地没有接在一起，需要用飞线接，帖子里有一个背面PCB图，那有一条飞线。

lj007maple · 发表于 2012-12-4 08:23:41

做得漂亮，学习了！

data · 发表于 2012-12-4 09:20:55

顶一个好帖

housping · 发表于 2012-12-4 09:50:49

tianda_spl:我做的是一点接地和铺地的综合方式。
给你看下PCB截图。

....... (2012-12-04 08:13)

明白了，谢谢！

armdsp · 发表于 2012-12-4 10:13:21

tianda_spl:

谢谢你的回复，你看的很仔细。

1. 内层屏蔽盒，似乎没有起作用。
当初，我在加内层屏蔽盒之前，测试了一下本地噪声，其结果和加了内层屏蔽盒数值一样。
.......

内层屏蔽盒的材料决定了其抗电磁干扰的能力，淘宝上卖的内屏蔽盒材料一般有马口铁或者白铜的，针对的应该是不同的电场和磁场环境。此外，屏蔽盒的厚度也对抗干扰能力有影响。Henry W.Ott的书上对这方面有详细的阐述。

至于测试没有明显作用，可能是宋老师实验室的电磁环境比较好，外界干扰小，呵呵。要是像我这边紧邻变压器和交通干道的环境，估计屏蔽会起效果的。附一张用示波器测量我这里电磁干扰的图，频谱分析后可发现在43kHz~52kHz范围的高频干扰。

所以我后面做的板子，需要重点考虑对这部分频段干扰的屏蔽。

dy008 · 发表于 2012-12-4 10:18:45

这贴太专业了，仰慕一下1

youngliu · 发表于 2012-12-4 10:56:27

几十kHz的干扰应该是开关电源引起的，不太可能是辐射干扰，应该是从电源传导进来的，加强滤波应该有用

micw · 发表于 2012-12-4 14:50:16

文章很优秀，支持！

zsxlh · 发表于 2012-12-5 02:17:53

做得真不错！[s:31] 进来学习了。

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