微弱直流信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲與誤差

李國(guó)強(qiáng)

（哈爾濱中慶燃?xì)庥邢挢?zé)任公司，哈爾濱 150001）

在當(dāng)前的技術(shù)手段下，幾乎所有的微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域都是將物理量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后方可處理，這種電信號(hào)多數(shù)情況下屬于直流信號(hào)。微弱信號(hào)不僅是幅值相對(duì)較為微弱，也可能受到其他噪聲的影響而被忽略。在進(jìn)行直流微弱的測(cè)量過(guò)程中，接觸電勢(shì)、溫差電勢(shì)等變化都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。對(duì)這一問(wèn)題必須要客觀對(duì)待，進(jìn)行深入分析。

1 電子測(cè)量系統(tǒng)中的噪聲

1.1 電阻的熱噪聲

電阻是有一定的使用壽命的，使用一段時(shí)間后，電阻會(huì)老化，即使將其靜置，在其兩端也會(huì)有噪聲電壓出現(xiàn)，也就是俗稱(chēng)的約翰遜噪聲，產(chǎn)生的原因是由于電阻內(nèi)部的電子不規(guī)則熱動(dòng)。其產(chǎn)生電壓如下：Vrm s=（4KTRB）1/2。其中，K所表示的是波爾茲曼常數(shù)，T表示的是絕對(duì)溫度，B表示的則是測(cè)量帶寬，R是電阻。可以采用低地阻達(dá)到減少噪聲的目的。

1.2 與噪聲接觸

導(dǎo)體在互相接觸的時(shí)候，受到接觸面的電導(dǎo)變化而出現(xiàn)不同的電壓，與頻率成反比，一般我們稱(chēng)其為1/f噪聲。從測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)看，可以用Pf=KI2ln（fh/fl）表示接觸的噪聲功率，k為常數(shù)，I是電流平均值，fh表示測(cè)量頻段上限，而fl則是下限。

從這一表達(dá)式可以看到，所接觸的噪聲都可歸類(lèi)為有色噪聲，但同樣預(yù)見(jiàn)性較差，幅值同樣呈高斯分布。接觸噪聲頻率較低的時(shí)候，功率密度也會(huì)增加，當(dāng)其趨向零的時(shí)候，幅值接近常數(shù)。如果頻率超過(guò)某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其噪聲可以被忽略。為了降低這一過(guò)程中的噪聲危害，盡量要選取相同材質(zhì)的材料，降低通過(guò)的平均電流。

1.3 工頻噪聲

工頻網(wǎng)的存在使工頻電壓、電流以不同的方式進(jìn)入到測(cè)量的系統(tǒng)中，進(jìn)而對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。處理工頻噪聲必須要結(jié)合其他諧波的噪聲共同研究，一同解決，對(duì)此，必須要做好接地工作，保護(hù)環(huán)境，加強(qiáng)屏蔽。

1.4 散射噪聲

通常情況下的電流就是指離散的電荷流，并不是真正意義的電流，受到電荷量有限性的影響，使得電流統(tǒng)計(jì)學(xué)出現(xiàn)變化，如果沒(méi)有互相影響的情況，則可以將電流波動(dòng)表示如下：Inrm s=（2q IdcB）1/2，q是電子電荷量，B是測(cè)量帶寬赫茲，Idc是電流的平均值。散熱噪聲可以歸類(lèi)為高斯分布的白噪聲，采用濾波處理。

1.5 振動(dòng)噪聲

在測(cè)量電子系統(tǒng)振動(dòng)的過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致摩擦電、壓電效應(yīng)變形而導(dǎo)致的分布參數(shù)變化等噪聲，對(duì)振動(dòng)噪聲可以采取低噪聲電纜進(jìn)行抑制。

1.6 爆裂噪聲

從其產(chǎn)生的原因來(lái)看，是由于流過(guò)PN結(jié)電流突然變化，同時(shí)半導(dǎo)體的雜質(zhì)隨機(jī)發(fā)射也可能導(dǎo)致爆裂噪聲。如果利用聲音放大裝置將其放大，會(huì)呈現(xiàn)類(lèi)似爆米花的聲音。該噪聲屬于電流型噪聲，因此，只要減小電阻就可以在一定程度上避免這一噪聲。

2 測(cè)量微弱直流信號(hào)系統(tǒng)中產(chǎn)生的誤差

2.1 熱電勢(shì)

這是所有影響因素中最為重要的因素之一，熱電勢(shì)受到接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)的共同作用而產(chǎn)生，可以分為接觸電勢(shì)與溫差電勢(shì)兩類(lèi)。第一，接觸電勢(shì)。一般情況下，這一反應(yīng)被稱(chēng)為帕爾貼效應(yīng)，是由兩種不同的導(dǎo)體內(nèi)部電子密度差在接觸面上發(fā)生擴(kuò)散而導(dǎo)致的，受到溫度影響較為明顯。在進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，如果遇到金、銀、鉛、銅等，接觸電勢(shì)就會(huì)產(chǎn)生。第二，溫差電勢(shì)。同一導(dǎo)體的兩端溫度差異十分明顯，處于高溫端的電子會(huì)向低溫端移動(dòng)，也稱(chēng)為湯姆遜效應(yīng)。由于溫度場(chǎng)的分布不均，元器件內(nèi)外溫度的變化，不同區(qū)域溫度不同就會(huì)產(chǎn)生溫差電勢(shì)。由此可見(jiàn)，當(dāng)銅質(zhì)材料連接狀況不佳，或是有被腐蝕的可能，就會(huì)影響到微弱信息的測(cè)量準(zhǔn)確性。為了降低這一負(fù)面影響，可以選擇同材質(zhì)的連接材料，降低熱源溫度，減少誤差。

2.2 電化學(xué)電勢(shì)

電子測(cè)量系統(tǒng)部件的表面如果有焊渣，使用者的手上有汗?jié)n或者是潮濕的情況下，在其表面都會(huì)有電解質(zhì)駐留，同時(shí)受到系統(tǒng)大量導(dǎo)體存在的影響，就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)電勢(shì)，與熱電勢(shì)相同，便于消除，但信號(hào)輸入回路的電化學(xué)電勢(shì)影響消除難度較大，所以應(yīng)盡量保持表面干燥，避免超時(shí)，也可做噴涂設(shè)置。

2.3 介質(zhì)吸收

當(dāng)在電介質(zhì)兩端施加電壓后，其內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)極化反映，如果來(lái)自外部的電壓消失，那么內(nèi)部的極化反映就會(huì)消失，這段時(shí)間內(nèi)的電壓會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果，為了降低這一影響，可以采用相對(duì)效應(yīng)較小的原材料。

2.4 電路放大失調(diào)導(dǎo)致的誤差

經(jīng)過(guò)放大器處理后，無(wú)法達(dá)到匹配，一定會(huì)導(dǎo)致失調(diào)電壓與失調(diào)電流，流經(jīng)的電阻也會(huì)出現(xiàn)變化。運(yùn)算放大器的失調(diào)信號(hào)在多數(shù)情況下要大于被測(cè)的微弱信號(hào)，同時(shí)這一失調(diào)信號(hào)會(huì)受到時(shí)間與溫度的影響，這就要求在直流微弱信號(hào)測(cè)量過(guò)程中盡量選擇低失調(diào)、低溫度的運(yùn)放。

2.5 其他誤差

除了上文中提到的誤差，還有電源誤差、共模誤差與增益誤差等，對(duì)此必須要加強(qiáng)管理，提高控制水平，方可降低誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

在測(cè)量微弱信號(hào)的過(guò)程中必須要格外小心，由于被測(cè)的微弱電壓信號(hào)可能只有μV級(jí)甚至nV級(jí)，被測(cè)微弱電流信號(hào)可能只有pA級(jí)甚至fA級(jí)，如果信號(hào)降低到一定的程度，必須要將所有的影響因素考慮其中，最大限度地降低外界因素對(duì)其的影響，減小誤差，提高測(cè)量的精確度，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

［1］陳新崗，彭杰，李樹(shù)仿.基于PLC的XLPE電纜在線監(jiān)測(cè)與故障診斷［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2011，（05）：71-72.

［2］孟慶剛，程廣運(yùn).鋰離子電池內(nèi)阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（01）：104-105.

［3］王偉華，亓夫軍，元光.一種寬范圍微弱直流信號(hào)測(cè)量的簡(jiǎn)單方法［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，（01）：89-90.