CN108982983A - 一种电阻热噪声测试方法及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电阻热噪声测试方法。包括如下步骤：提供信号采集器，采集电阻热噪声信号；对采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，输出功率谱密度曲线；对测试系统参数进行修正；输出测试结果。本发明提供的电阻热噪声测试方法，具有对外环境要求低、抗干扰能力强、无需对热噪声进行放大再测量等优势，且避免了设计电路的噪声对热噪声测量结果的影响，能测试的电阻值范围广。本发明还提供一种电阻热噪声测试系统。
Description
技术领域
本发明涉及微弱信号测试技术领域，特别涉及一种电阻热噪声测试方法及测试系统。
背景技术
电阻热噪声产生的原因是散射效应和江孙(Johnson)效应。由于电子在导体内无规则的热运动，将产生起伏电流I(t)和起伏电压V(t)。高于热力学零度环境下，电阻内随机变化运动电子将产生微弱电流脉冲，这些电流脉冲迭加就形成电阻热噪声电流。
在高于绝对0°的温度下，物质中的电子都在持续地热运动。由于其运动方向是随机的，任何短时电流都不相关，因此没有可检测到的电流。但是连续的随机运动序列可以导致Johnson噪声或热噪声。电阻热噪声的幅度和其阻值有下列关系：
Vn 2＝4KbTRB
式中，Vn是噪声电压，以V为单位；Kb是玻尔兹曼常数，1.38×10(-23)J/K；T是温度，以K为单位；R是电阻，以Ω为单位；B是带宽，以Hz为单位。
由于电阻产生的热噪声很小，现有测量方法一般使用精密电桥读取光点检流计的方法，由精密电桥测出电阻的微弱信号，再由检流计读出电桥电路的弱电流。
发明专利(专利申请号CN201210071642.1，专利名称“一种针对低噪声放大器前级热噪声的消除电路及方法”)，通过设计电路降低前置放大器引入的电路噪声，使得电路无需考虑噪声安匹配与共轭匹配的折中关系，取得宽带低噪声表再现。
上述两种测量方法中，使用精密电桥检流计测量或者前置放大的方法都设计有前端，都会引入新的噪声源，影响测量结果的准确性；精密电桥检流计的方法对环境的要求的比较高，线路的稍微碰动和人为的读数都会对测试造成较大影响；现有方法都是对电阻热噪声信号放大后再测量，系统误差受自身测试方法和设计影响较大；由于电阻热噪声信号电压很低，属于微弱信号测试领域，由前面的电阻热噪声公式可知，电阻值越大，热噪声信号越大，现有方法仅适用于测量相对较大阻值的电阻，不能测量阻值较小的电阻。
鉴于此，有必要提供一种新的电阻热噪声测量方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种对外环境要求低、抗干扰能力强、无需对热噪声进行放大再测量的电阻热噪声测试方法及测试系统，避免了设计电路的噪声对热噪声测量结果的影响，且对于较小的电阻同样适用，能测试的电阻值范围广。
为了解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种电阻热噪声测试方法，包括如下步骤：
步骤S1，提供信号采集器，采集电阻热噪声信号；
步骤S2，对采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，输出功率谱密度曲线；
步骤S3，对测试系统参数进行修正；
步骤S4，输出测试结果。
进一步地，步骤S3包括：
步骤S31，对信号采集器本底噪声进行修正；
步骤S32，判断输入阻抗是否匹配，若不匹配，进行阻抗匹配修正。
进一步地，步骤S32具体包括：
若被测量阻抗和输入阻抗接近或者被测量阻抗高于输入阻抗，则判断输入阻抗不匹配，进行阻抗匹配修正；
若被测量阻抗低于输入阻抗，则判断输入阻抗匹配，输出测试结果。
进一步地，阻抗匹配修正公式如下：
其中，Vnoise为修正后的理论值，R0为测量电阻阻值，Ri为仪器输入阻值，Vi为测量的电压值。
进一步地，步骤S2还包括在频谱分析时选择合适的频率范围步骤，其中频率范围选择功率谱密度曲线中平滑段对应的区间频率。
进一步地，对采集的电阻热噪声信号进行频谱分析步骤，及对测试系统参数进行修正步骤均采用Labview程序进行处理。
进一步地，步骤S1中，信号采集器采样频率为0.5KHz-2KHz，采样周期为1-2s。
进一步地，所述信号采集器为数据采集板卡。
本发明还提供一种电阻热噪声测试系统。
所述电阻热噪声测试系统，包括：
信号采集器，用于采集电阻的热噪声信号；
频谱分析单元，用于将采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，并输出功率谱密度曲线；
参数修正单元，用于对测试系统参数进行修正；
输出单元，用于输出修正后的测试结果。
进一步地，所述参数修正单元包括仪器本底噪声修正模块及输入阻抗匹配修正模块。
相较于现有技术，本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统，有益效果在于：
一、本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统，采用频谱分析法测试电阻热噪声信号，输出的功率谱密度曲线反映的是信号能量在频率空间上的集中分布，将信号从时间上转化到频率空间上来，在频率上体现出被测信号的强度，从而反映出电阻热噪声的大小；同时对测试系统参数进行设置、修正，不同于以往的精密电桥点流计的方法和前置信号放大的方法，测试精度更高。
二、本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统，在高性能板卡采集端口直接接入被测电阻，经过频谱分析，编程修正高性能板卡本底噪声，避免了使用精密电桥或者前置放大的测试方法中由设计电路的噪声给热噪声测量的影响，在一开始就引入了其它噪声会严重降低热噪声信号的信噪比，使后续的滤波与修正很困难。
三、本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统，采用高性能数据采集板卡采集电阻热噪声信号，稳定性高，对外部的电磁场环境几乎不受影响，因此具有对外环境要求低、抗干扰能力强的特点。
四、本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统，采用频谱分析的方法直接分析电阻热噪声信号，没有对热噪声进行放大。由于引入放大电路的同时会引入噪声，并将噪声放大，因此，本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统可以将系统误差降到最低。
五、由于电阻热噪声信号电压很低，属于微弱信号测试领域，由电阻热噪声公式可知，电阻值越大，热噪声信号越大。因此，本发明提供的电阻热噪声测试方法及测试系统，对于较小的电阻，同样适用。与现有技术相比，测试的电阻值更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的电阻热噪声测试系统的结构示意图；
图2为本发明提供的电阻热噪声测试方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面结合附图所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
为方便描述，本实施例首先阐述本发明提供的电阻热噪声测试系统。请参阅图1，为本发明提供的电阻热噪声测试系统的结构示意图。电阻热噪声测试系统包括信号采集器11、频谱分析单元12、参数修正单元13、输出单元14；其中信号采集器11用于采集被测电阻的热噪声信号；频谱分析单元12用于将采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，并输出功率谱密度曲线；参数修正单元13用于对测试系统参数进行修正；输出单元14用于输出修正后的测试结果。
信号采集器11的输入端与被测电阻电连接，自动采集被测电阻的热噪声信号。本实施例中，信号采集器11为数据采集板卡，优选为高性能数据采集板卡，具有数据采集稳定性高的特点，对外部的电磁场环境几乎不受影响，对外环境要求低、抗干扰能力强。
频谱分析单元12，将采集到的电阻热噪声信号从时间分布转换成频率分布，输出功率谱密度曲线，在频率上体现被测信号的强度，从而反应出电阻热噪声的大小。
本实施例中，频谱分析及测试系统参数修正采用Labview程序进行，进行频谱分析时，需要在编写Labview程序的时候设置采样的频率和周期。由于电阻热噪声本身值很小，虽然有一波动，但是波动基本也可以忽略，所以采样周期选择没必要很长，本实施例中采样周期为1-2s，采样频率为0.5KHz-2KHz。
需要说明的是，采样频率过高，会影响多次频谱后的平均功率谱曲线的计算时间。多次平均后的功率谱密度PSD(Vrms/rt Hz)即为频谱分析后热噪声的初步信号值。
频谱分析时，需要选择合适的频率范围，选择原则是根据频谱图选择功率谱密度曲线中平滑段对应的区间频率。一般情况下，比如测试10MΩ以内的电阻时，频率选择在10KHz以内，高于10MΩ时选择10KHz以下的范围，因为功率谱密度曲线会在高频率段下降很快，在中低频的带宽区间相对平滑，且宽度较窄。
参数修正单元13用于对信号采集器本底噪声进行修正，及用于对输入阻抗进行匹配。对应地，其包括仪器本底噪声修正模块131及输入阻抗匹配修正模块132。
仪器本底噪声修正模块131，用于对频谱分析后的初步信号值进行修正。频谱分析后的热噪声信号值，包含了数据采集板卡的本底噪声，因此需要对测量值进行修正。修正过程中，高性能数据采集板卡的本底噪声可以通过查看说明书获得，也可以通过逐渐降低电阻值的实测方法获得。
输入阻抗匹配修正模块132，用于判断输入阻抗是否匹配，若匹配，则执行输出测试结果；若不匹配，则进行阻抗匹配修正。
具体的，信号采集器的输入端具有输入阻抗，若被测量阻抗和输入阻抗接近或者被测量阻抗高于输入阻抗，则判断输入阻抗不匹配，进行阻抗匹配修正；若被测量阻抗低于输入阻抗，则判断输入阻抗匹配，输出测试结果。本实施例中，数据采集板卡的输入阻抗可根据使用手册获得，一般情况下，高性能数据采集板卡或者信号动态分析仪的输入阻抗都为1MΩ，所以，在所测电阻小于1MΩ欧姆时，所测电压基本为热噪声电压，当所接电阻变大，接进1MΩ或高于1MΩ时，所测电压与应该测量电压要有一定的修正，电路中相当于输入电阻和测量电阻串在一起，修正公式如下：
其中，Vnoise为修正后的理论值，R0为测量电阻阻值，Ri为仪器输入阻值，Vi为测量的电压值。
实施例2
基于实施例1的电阻热噪声测试系统，本实施例详细阐述电阻热噪声测试方法。请结合参阅图2，为本发明提供的电阻热噪声测试方法的流程示意图。
一种电阻热噪声测试方法，包括如下步骤：
步骤S1，提供信号采集器，采集电阻热噪声信号；
具体的，信号采集器11为数据采集板卡，其输入端直接与被测电阻电连接，采集被测电阻的热噪声信号，并将信号转化为适用于Labview程序处理的电信号；
步骤S2，对采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，输出功率谱密度曲线；
具体的，频谱分析单元12以Labview程序为处理程序，将采集到的热噪声信号从时间分布转换成频率分布，输出功率谱密度曲线，在频率上体现被测信号的强度，从而反应出电阻热噪声的大小。功率谱密度曲线作为频谱分析后热噪声的初步信号值。
在频谱分析中，首先在Labview程序中设定采样的频率和周期，使信号采集器11按设定频率和周期采集热噪声信号。本实施例中，信号采集频率设定为0.5KHz-2KHz，采样周期设定为1-2s。
优选的，步骤S2在进行频谱分析时，还包括对频率范围进行合理选择步骤。频率范围选择的原则是根据频谱图选择功率谱密度曲线中平滑段对应的区间频率。具体参见实施例1中的相关内容。
步骤S3，对测试系统参数进行修正；
具体的，包括：
步骤S31，对信号采集器本底噪声进行修正；
由于频谱分析后热噪声的初步信号值，包含了数据采集板卡的本底噪声，为了避免设计电路中的噪声对测量噪声产生影响，所以需要对本底噪声进行修正以滤除。数据采集板卡的本底噪声可通过其说明书获得，也可以通过逐渐降低电阻值的实测方法获得。
步骤S32，判断输入阻抗是否匹配，若不匹配，进行阻抗匹配修正；
若被测量阻抗和输入阻抗接近或者被测量阻抗高于输入阻抗，则判断输入阻抗不匹配，进行阻抗匹配修正；
若被测量阻抗低于输入阻抗，则判断输入阻抗匹配，输出测试结果。
其中，数据采集板卡的输入阻抗可根据使用手册获得，一般情况下，高性能数据采集板卡或者信号动态分析仪的输入阻抗都为1MΩ，所以，在所测电阻小于1MΩ欧姆时，所测电压基本为热噪声电压，当所接电阻变大，接进1MΩ或高于1MΩ时，所测电压与应该测量电压要有一定的修正，电路中相当于输入电阻和测量电阻串在一起，修正公式如下：
其中，Vnoise为修正后的理论值，R0为测量电阻阻值，Ri为仪器输入阻值，Vi为测量的电压值。
步骤S4，输出测试结果。
具体的，通过Labview程序的窗口输出修正后的测试结果。
需要说明的是，上述实施例中采用数据采集板卡采集被测电阻热噪声信号，并结合PC端进行频谱分析、修正的方式，可以采用一台动态分析仪代替，动态分析仪测试电阻热噪声后输出功率谱密度曲线。相应地，采用动态分析仪进行测试，功率谱密度曲线的读数、输入阻抗的匹配以及仪器设备的本底噪声修正需要另外计算获得。
本发明采用频谱分析法测试电阻热噪声信号，输出的功率谱密度曲线反映的是信号能量在频率空间上的集中分布，将信号从时间上转化到频率空间上来，在频率上体现出被测信号的强度，从而反映出电阻热噪声的大小；同时对测试系统参数进行修正，不同于以往的精密电桥点流计的方法和前置信号放大的方法，测试精度更高。
本发明采用高性能板卡采集端口直接接入被测电阻，经过频谱分析，编程修正高性能板卡本底噪声，避免了使用精密电桥或者前置放大的测试方法中由设计电路的噪声给热噪声测量的影响。
本发明采用高性能数据采集板卡采集电阻热噪声信号，稳定性高，对外部的电磁场环境几乎不受影响，因此具有对外环境要求低、抗干扰能力强的特点。
本发明采用频谱分析的方法直接分析电阻热噪声信号，没有对热噪声进行放大，可以将系统误差降到最低。
本发明采用频谱分析的方法，对于较小的电阻，同样适用。与现有技术相比，测试的电阻值更广。
以上对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行的多种变化、修改、替换和变型均仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电阻热噪声测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，提供信号采集器，采集电阻热噪声信号；
步骤S2，对采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，输出功率谱密度曲线；
步骤S3，对测试系统参数进行修正；
步骤S4，输出测试结果。
2.根据权利要求1所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，步骤S3包括：
步骤S31，对信号采集器本底噪声进行修正；
步骤S32，判断输入阻抗是否匹配，若不匹配，进行阻抗匹配修正。
3.根据权利要求2所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，步骤S32具体包括：
若被测量阻抗和输入阻抗接近或者被测量阻抗高于输入阻抗，则判断输入阻抗不匹配，进行阻抗匹配修正；
若被测量阻抗低于输入阻抗，则判断输入阻抗匹配，输出测试结果。
4.根据权利要求3所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，阻抗匹配修正公式如下：
其中，Vnoise为修正后的理论值，R0为测量电阻阻值，Ri为仪器输入阻值，Vi为测量的电压值。
5.根据权利要求1所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，步骤S2还包括在频谱分析时选择合适的频率范围步骤，其中频率范围选择功率谱密度曲线中平滑段对应的区间频率。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，对采集的电阻热噪声信号进行频谱分析步骤，及对测试系统参数进行修正步骤均采用Labview程序进行处理。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，步骤S1中，信号采集器采样频率为0.5KHz-2KHz，采样周期为1-2s。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的电阻热噪声测试方法，其特征在于，所述信号采集器为数据采集板卡。
9.一种电阻热噪声测试系统，其特征在于，包括：
信号采集器，用于采集电阻的热噪声信号；
频谱分析单元，用于将采集的电阻热噪声信号进行频谱分析，并输出功率谱密度曲线；
参数修正单元，用于对测试系统参数进行修正；
输出单元，用于输出修正后的测试结果。
10.根据权利要求9所述的电阻热噪声测试系统，其特征在于，所述参数修正单元包括仪器本底噪声修正模块及输入阻抗匹配修正模块。
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