LM399噪声测试
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:
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。
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。
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。 好帖,顶了再看,谢谢了 顶顶顶~~~ 鼓励原创! 学习学习!! 楼主准备出套件吗?谢谢! 这个要顶 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.... 优秀文章,支持技术贴!n神马都是浮云 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。
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! 顶。C13好像不是铝电解电容吧?看外形好像用的是薄膜电容? 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~ 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; 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? 学习一下 支持原创! 文章干脆、直接、漂亮! 优秀文章,支持!n神马都是浮云
回 armdsp 的帖子
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。
....... images/back.gif
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。
回 lzqing 的帖子
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;(2012-12-0317:42) images/back.gif
你的意思是用2个LM399背对背测试咯。
回 housping 的帖子
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? images/back.gif
我做的是一点接地和铺地的综合方式。
给你看下PCB截图。
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。 做得漂亮,学习了! 顶一个 好帖
回 tianda_spl 的帖子
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。
....... (2012-12-0408:13) images/back.gif
明白了,谢谢!
回 tianda_spl 的帖子
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。
....... https://bbs.38hot.net/images/back.gif
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。 这贴太专业了,仰慕一下1 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 文章很优秀,支持! 做得真不错! 进来学习了。
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