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萬用表

使用萬用表測量隨機(jī)噪聲信號(hào)

發(fā)布日期:2022-10-09 點(diǎn)擊率:64

【導(dǎo)讀】隨機(jī)噪聲信號(hào)在電路中很常見到。有的時(shí)候需要消除它,但有的時(shí)候也可以利用它完成測量。比如在測試放大器的有效帶寬、對系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)、確定系統(tǒng)所受到的干擾來源、以及測量一些基礎(chǔ)物理量等。那么,使用數(shù)字萬用表是否可以測量隨機(jī)噪聲大小呢?

 

數(shù)字萬用表是測量電信號(hào)的有力助手。雖說是“萬”用表,其實(shí)常見的功能只有測量電壓、電流、電阻。其中,電壓、電流還包括有交直流檔。

 

除此之外,部分萬用表包含有測量電感、電容、通斷、二極管導(dǎo)通電壓、三極管電流放大系數(shù)、計(jì)數(shù)和頻率、溫度等。

 

常見到的手持式和臺(tái)式萬用表

 

隨機(jī)噪聲信號(hào)在電路中很常見到。有的時(shí)候需要消除它,但有的時(shí)候也可以利用它完成測量。比如在測試放大器的有效帶寬、對系統(tǒng)進(jìn)行辨識(shí)、確定系統(tǒng)所受到的干擾來源、以及測量一些基礎(chǔ)物理量等。

 

那么,使用數(shù)字萬用表是否可以測量隨機(jī)噪聲大小呢?在分析之前,可以先對比幾種不同的萬用表對隨機(jī)噪聲測量的結(jié)果。

 

使用DS345數(shù)字信號(hào)源產(chǎn)生有效值為1V的隨機(jī)噪聲作為被測量信號(hào)。

 

數(shù)字信號(hào)發(fā)生器:DS345

 

通過示波器觀察到的隨機(jī)信號(hào)的時(shí)域波形。由于數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗為50Ω,在外部負(fù)載也為50Ω下,輸出信號(hào)的幅值降低一半。

 

使用示波器直接觀察數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào),由于示波器的輸入阻抗很大(1MΩ),因此示波器實(shí)際觀察到的信號(hào)的幅值比DS345標(biāo)稱輸出值大一倍。

 

通過示波器采集到的隨機(jī)信號(hào)波形

 

重新將DS345的隨機(jī)信號(hào)輸出幅度調(diào)整為0.5Vrms,此時(shí)實(shí)際輸出信號(hào)的幅值則為1Vrms。

 

使用七種數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量DS345輸出的隨機(jī)噪聲信號(hào)。它們顯示的數(shù)值各不相同,都比1V小,相互之間也差別很大。

 

其中,讀數(shù)最高的是DM3068六位半的數(shù)字萬用表,但顯示數(shù)值也僅有0.587V,比信號(hào)源輸出的1V低了42%。

 


表格:不同數(shù)字萬用表測量1Vrms隨機(jī)噪聲的讀數(shù)

 

那么,為什么數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量隨機(jī)噪聲的有效值的結(jié)果與實(shí)際信號(hào)數(shù)值相差很大呢?是否隨機(jī)信號(hào)本身的有效值不是1V?

 

使用示波器采集上面隨機(jī)噪聲信號(hào)280k個(gè)數(shù)值,發(fā)送到計(jì)算機(jī)。統(tǒng)計(jì)它們的直方圖分布如下圖所示。

 

示波器讀取的信號(hào)采集數(shù)值直方圖分布

 

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方差為:1.0368V。這說明,信號(hào)發(fā)生器給出的隨機(jī)信號(hào)的有效值與它的顯示值是一致的,就是1V。

 

前面的幾種數(shù)字萬用表,無論什么型號(hào)、不論價(jià)格貴賤,也不論是否表明有真有效值測量,它們所測量信號(hào)的有效值與實(shí)際值之間都有很大的差別。為什么測量隨機(jī)信號(hào)與普通的正弦交流信號(hào)有這么大的差別呢?

 

普通的隨機(jī)信號(hào)和正弦信號(hào)相同之處包括它們都是是交流信號(hào),都具有功率(能量)。

 

不同頻率的正弦信號(hào)

 

不同之處就在于,信號(hào)中所包含的頻率分量不同。普通的正弦信號(hào)主要包含有它的基頻信號(hào),還有一些高頻諧波信號(hào)。基頻信號(hào)的功率占絕對多數(shù)。只要萬用表能夠?qū)l信號(hào)測量準(zhǔn),顯示的結(jié)果就準(zhǔn)確了。

 

下圖是DS345產(chǎn)生的5MHz的正弦波信號(hào)的頻譜測量值。

 

DS345產(chǎn)生的5MHz的正弦信號(hào)的頻譜

 

對于隨機(jī)信號(hào),所包含的頻率分量就非常豐富了。在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)分布。下面是DS345所產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)的頻譜測量曲線。

 

它的頻率分量從低頻一直擴(kuò)展到30MHz左右,絕大多數(shù)的信號(hào)分量集中在10Mhz以內(nèi)。

 

DS345產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào)的頻譜

 

數(shù)字萬用表對于不同頻率交流信號(hào)測量結(jié)果是不同的,往往具有一個(gè)頻率上限,超過該頻率上限之后,測量的結(jié)果就會(huì)減小。

 

不同萬用表測量交流頻率的上限各不相同。下面使用DS345產(chǎn)生10kHz到6MHz,有效值為1V的正弦信號(hào),使用DM3068數(shù)字萬用表交流電壓檔測量信號(hào)的幅值。

 

使用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器測量數(shù)字萬用表交流電壓頻率曲線

 

在頻率小于500kHz的時(shí)候,數(shù)字萬用表的讀數(shù)基本上維持在1V左右。當(dāng)頻率超過500kHz,讀數(shù)就開始下降。頻率每增加一倍,讀數(shù)就降低一倍。

 

當(dāng)頻率超過5.2Mhz之后,讀數(shù)就突然降低小于0.2V。

 

DM3068數(shù)字萬用表頻率曲線

 

數(shù)字萬用表對于不同頻率正弦信號(hào)測量結(jié)果是不同的。由于隨機(jī)噪聲信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到了30Mhz左右,所以超過500kHz之后的頻率分量的結(jié)果都進(jìn)行了衰減。

 

利用前面對DM3068數(shù)字萬用表頻率增益曲線,可以分別計(jì)算出隨機(jī)噪聲信號(hào)中每個(gè)頻率分量的增益。然后再將這些頻率分量能量疊加在一起,便可以得到實(shí)際測量信號(hào)的有效值了。

 

隨機(jī)信號(hào)頻譜(藍(lán)色),DM 3068頻譜特性(黃色),實(shí)際測量隨機(jī)噪聲各頻率分量的數(shù)值(綠色)

 

具體計(jì)算公式如下所示。積分運(yùn)算使用數(shù)值累加計(jì)算來近似。所得到的比值R,代表了對于DS345所產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲Sn有效值減少的比率。

 

 

通過上面數(shù)據(jù),利用數(shù)值積分可以得到萬用表DM3068對該噪聲的測量結(jié)果減少比例:sqrt(R)= 0.591。

 

前面使用DM3058對于DS345所產(chǎn)生的有效值為1V的隨機(jī)噪聲實(shí)際測量結(jié)果為V=0.587V??梢钥吹竭@個(gè)數(shù)值與上面公式所得到的結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)是一致的。

 

由于萬用表各自的頻率曲線不同,所以所測量隨機(jī)噪聲有效值減少的比率也不同。下面是利用同樣的方法測量得到的FLUKE45, MD8218數(shù)字萬用表的頻率曲線。

 

不同數(shù)字萬用表的頻率曲線

 

使用上面同樣的方法,可以分別計(jì)算出對于DS345所產(chǎn)生的隨機(jī)信號(hào),上面各個(gè)數(shù)字萬用表讀數(shù)衰減比率sqrt(R):

 

FLUKE45: 0.274

 

MM8218: 0.254

 

UT61E: 0.162

 

對比一下前面對于有效值1V隨機(jī)信號(hào)測量結(jié)果,可以看到衰減比率與萬用表實(shí)際讀數(shù)是一致的。

 

如果隨機(jī)信號(hào)的頻譜都落在數(shù)字萬用表的頻譜范圍內(nèi),數(shù)字萬用表可以給出準(zhǔn)確的讀數(shù);如果隨機(jī)信號(hào)的頻譜超出了數(shù)字萬用表的頻譜范圍,則數(shù)字萬用表給出的讀數(shù)就會(huì)出現(xiàn)偏差。

 

通過上面方法可以獲得測量結(jié)果的比率,修正后數(shù)字萬用表的讀數(shù)便可以準(zhǔn)確反映具有某種頻率分布的隨機(jī)信號(hào)有效值了。

 

 

作者:卓晴

來源:TsinghuaJoking

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