高阻器件低频噪声测试技术与应用研究--低频噪声测试技术理论(三)

2.3传统低频噪声测试方案

传统低频噪声测试方案是一套同时基于软件和硬件平台的测试系统，需要专业的测试软件和测试硬件协同来完成测试工作。硬件模块主要包括前端适配器、放大电路和数据采集设备。软件主要包括数据采集软件模块数据分析软件模块。

硬件平台起到激发信号、传输信号、和屏蔽干扰信号的功能，同时还要对信号进行模数转换，以便将模拟信号数据转变为方便后期计算机存储和处理的数据。

软件平台的作用有两个。首先，操作人员通过软件平台实现对测试系统各种仪器和设备的程控，保证系统各部分协同高效的工作；其次，对数据进行复杂的数学分析和处理需要软件平台强大的运算能力作为支撑。

如图2.10所示测试系统一共由如下四部分组成：

（1）前端适配器

前端适配器是安放被测样品的金属盒，主要作用是激发样品低频噪声并将低频噪声信号传输到后续处理设备上。对于低噪声测试系统来讲，一个性能优异的前端适配器外壳是由屏蔽性良好的金属做成的。

下图便是一个典型的适配器：

（2）放大电路

放大电路是由低噪声放大器和一些滤波网络为核心组成的放大电路，其作用是将前端适配器中激发出的噪声信号放大，使信号到达到可以被系统识别和方便后续处理的地步。放大电路常用的低噪声放大器分为两类，一类是放大器芯片，常见的有AD743、OP27、LT1028；另一类是已经搭建好的商用多功能放大器，如SIM910、SR570、SR560、PARC113.在实际搭建操作系统时，我们首选多功能放大器，因为多功能放大器操作简便、性能稳定，并且自身具备很多诸如滤波、反相、施加直流偏置等功能。而且它还具有串口和GPIB接口，可以实现与计算机通信的能力，方便计算机对其进行控制，这一点对于自动化测试系统来说非常重要。

放大电路的搭建中有几点要注意。首先，放大电路中的元件要仔细筛选，选择本底噪声低的元件。相比起多功能放大器，集成芯片虽然使用中调节放大倍数和滤波网络不方便，但它具有本底噪声更低的优势，如果测试一些噪声极低的样品，应首选集成芯片并自行设计放大电路。此时芯片外围电路中的电容、电感等器件要仔细挑选，选取噪声更低的电容和电阻。其次，电路面积要小。为了保证电路的抗干扰能力，要求将集成芯片和外围电路设计在面积尽量小的PCB板上，以此来减小电磁场干扰的回路面积。最后，样品适配器与放大器之间的距离越小越好。为了尽量避免适配器输出的信号在进入放大器之前混入空间干扰信号，要求在测试时放大器与适配器的距离越近越好[18]。

（3）数据采集设备

数据采集设备可以是频谱分析仪、示波器或安装在计算机主机上的数据采集卡。这些设备的功能是对被前端放大器放大到合适大小的信号进行记录。由于频谱分析仪、示波器主要用来实时显示型号，其优点是信号采集精度高，缺点是数据存储能力和处理能力差，并且功能单一。实际使用时，应当首选数据采集卡，因为数据采集卡依托计算机平台可以实现强大的数据处理和实时存储功能，并且一块数据采集卡可以同时实现时域分析、频域分析、数字输入输出、模拟输出等多种功能，从而组建一台强大的虚拟仪器。数据采集设备需要具备以下两个特点：第一，采样频率要高。根据信号采样原理的有关定律，数据采集卡的采样频率至少达到信号最高频率的两倍，才能将采集后的离散信号还原为不失真的模拟信号，因此必须保证数据采集卡的采样频率足够高。第二，采集卡分辨率要高。由于我们要采集的噪声信号即使被放大后也非常小，因此需要使用高分辨率的数据采集卡来保证采集后数据的精度。

（4）数据处理设备

数据处理设备是对采集后的噪声信号进行存储和分析的设备。通常选用计算机和相应的数据处理软件。利用计算机高效的数据运算能力和Labview、Matlab软件的便捷操作方式可以实现大批量数据的高效和高精度处理。数据处理软件的使用应注意以下两点：第一，软件对处理数据有特殊要求。噪声分析中最重要的分析方式是查看信号的功率谱密度。我们通常会选择使用Labview软件中的功率谱密度分析功能将采集的时域信号转变成频域信号，然而Labview的功率谱分析函数对信号输入是有要求的。这个函数可一次处理的最大时域采样点数为2 ²³（8，388，608或8M）。当输入序列中的采样点数不是一个有效的2的幂次方而是可分解因子的小质数的积时，该函数以高效DFT算法计算实数值序列的离散傅立叶变换并缩放幅度平方。该函数以快速DFT计算时的最大输入数据量为2 ²² -1（4，194，303或者4M-1）。因此如果采样时间为一秒，采样率为10M时，该函数是无法使用的，需要将数据进行分割再处理或利用Labview调用Dll来实现大数据的傅里叶变换。第二，不同软件对数据的处理能力不同。不同软件各自有各自的优势，使用前需要比较。比如，Matlab曲线拟合的效果就要远好于Labview的效果。