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測試與量測 Share print

1Hz~100kHz範圍內均勻分佈的白色雜訊源

2013年12月02日  | Steve Hageman

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白色雜訊White noise)對測試多種不同類型的電路來說很有用處。當與FFT分析儀結合使用時,均勻分佈的噪音源有助於快速、簡便地產生電路增益佈局圖。如果某一電路中的雜訊為均勻分佈的雜訊且雜訊量已知,則其輸出電路的增益就很容易確定,甚至可以目測出來。早在1978年,HP3582A低頻頻譜分析儀就在採用這種方法(參考文獻1)。


一種可以產生白色雜訊的“現代化”方式就是使用CPLD或FPGA中的數位移位/回饋暫存器裝置。有些人甚至還開發出了一種用於產生高斯白色雜訊的平行排列微控制器。


本文後文所介紹的實現方式均為類比,如果有需要,帶有通孔的某些部件也可以使用,使原型的製造容易些。


眾所周知,齊納二極體是一個很好的寬頻噪音源。如往常一樣,其訣竅在於找到一根在所需頻率範圍內分佈均勻的二極體。Jim Williams在其5MHz寬頻雜訊產生器中使用了一個6.8V的普通齊納二極體。通過反向偏置NPN電晶體的基極-發射極結點並將其當作雜訊二極體使用,也很常見。本文的設計目標是在產生1Hz~100kHz頻率範圍內分佈比較均勻的大量雜訊,以進行FFT測試。


使用6.8V的齊納二極體的確會產生寬頻雜訊,但筆者發現在低頻率中存在大量的1/f雜訊且分佈不均勻,無法傳至DC。因此在此設計中,我以可靠的12V齊納二極體作為噪音源,這些二極體在頻率範圍內分佈比較均勻,可產生大量的內在雜訊(intrinsic noise),且在9V電池的放電壽命下有良好的運作(參考文獻2)。


當所選用的二極體通過1MΩ電阻偏置至18V時,它的內在雜訊約為20mV RMS。這一縮放是偶然的,因為P-P值約為該值的5倍——100mV P-P。


為了對DC偏移誤差進行不斷檢測,我使用了老式的LF412雙路JFET-輸入運算放大器來放大兩個x10步驟中的二極體雜訊。


圖1給出了所建立的電路。齊納二極體的偏置通過1MΩ的電阻從串聯的兩個9V電池(18V)中發生。LF412在兩個9V電池間進行分裂供電(split-supply)運行。在低輸入電流和低偏移電壓下,可以省去笨重的輸出耦合電容器,因為輸出的DC值在地面的毫伏範圍內。雖然LF412不是低雜訊運算放大器,但其雜訊等級仍遠低於二極體的內在雜訊等級,因而對此不用擔心。


在1Hz~100kHz的頻率範圍內,該低頻雜訊產生器可產生1V P-P或10V P-P
圖1 在1Hz~100kHz的頻率範圍內,該低頻雜訊產生器可產生1V P-P或10V P-P。


在兩個x10步驟中,U1A和U1B大約可將齊納雜訊放大至1V P-P和10V P-P。對測試中的電路而言,如果該雜訊太大,可使用1kΩ的R8和R9來製成一個分壓器,從而將雜訊等級降至所需要的值。


圖2給出的是電路中產生的雜訊,該雜訊在1Hz~100kHz頻率範圍間保持均勻分佈的狀態。在x100輸出中,較高的100kHz頻率衰減小於0.5dB,如果有需要,可將頻率相關增益增加至U1B。但對於此次試驗而言,沒有這個必要。為進行比較,圖2還給出了在最小電容下運行的LM317穩壓器的雜訊佈局圖,儘管該裝置通常被公認為是“非常吵的穩壓器”,但是與12V的齊納二極體和一些增益相比,它就不值得一提了。


在1Hz~100kHz間,雜訊輸出的功率譜密度的分佈非常均勻
圖2 在1Hz~100kHz間,雜訊輸出的功率譜密度的分佈非常均勻。為進行比較,圖中還畫出了LM317穩壓器的雜訊圖,因為這款穩壓器通常被認為是非常吵雜的。


由於使用了穩定的低功率FET放大器和陶瓷耦合電容器,由離散氣流的溫度梯度所引起的1/f雜訊被抑制在最低限度。然而為了達到最大的穩定性,該設計實例應在某個封閉場合中進行,並遠離循環氣流。


電路消耗僅為4mA,當電池用至7V時,普通9V鹼性電池的壽命預計大於100小時。而設計電路的雜訊變化約為電池壽命的15%,如果有需要,可使用一個更為複雜和穩定的偏置裝置來改善這一點。



參考文獻

[1] Pendergrass, N., Farnbach, J., “A High Resolution, Low Frequency Spectrum Analyzer”, Hewlett-Packard Journal, September 1978.。

[2] I tested 5 each 1N759A and 1N4742A diodes with essentially the same results, based on the samples I had either would work in this application.





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