1Hz~100kHz范圍內(nèi)平滑的白噪聲源

白噪聲對(duì)測(cè)試多種不同類型的電路來(lái)說(shuō)大有裨益。當(dāng)結(jié)合FFT分析儀使用時(shí)，平滑的噪聲源有助于快速、簡(jiǎn)便地生成電路增益布局圖。如果某電路中的噪聲為平滑噪聲且噪聲量已知，則其輸出電路的增益就很容易確定，甚至可以目測(cè)出來(lái)。這種方法早在1978年就已經(jīng)被用于HP3582A低頻頻譜分析儀(參考文獻(xiàn)1)。

一個(gè)可以生成白噪聲的“現(xiàn)代化”方式就是使用CPLD或FPGA中的數(shù)字移位/反饋寄存器裝置。有些人甚至還創(chuàng)造出了一種用于生成高斯白噪聲的平行排列微控制器。

下面的實(shí)現(xiàn)方式均為模擬，如需要，帶有通孔的某些部件也可以使用，使原型的安裝更容易些。

眾所周知，齊納二極管是一個(gè)很好的寬帶噪聲源。如往常一樣，其訣竅在于找到一個(gè)在所需頻率范圍內(nèi)比較平滑的二極管。Jim Williams在其5MHz寬帶噪聲發(fā)生器中使用了一個(gè)6.8V的普通齊納二極管。通過(guò)反向偏置NPN晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)點(diǎn)并將其用作噪聲二極管也較常見(jiàn)。本設(shè)計(jì)實(shí)例旨在生成1Hz~100kHz頻率范圍內(nèi)比較平滑的大量噪聲，以進(jìn)行FFT測(cè)試。

使用6.8V的齊納二極管的確會(huì)產(chǎn)生寬帶噪聲，但在低頻率中存在大量的1/f噪聲且不平滑，無(wú)法傳至DC。因此在此設(shè)計(jì)中，使用了可靠的12V齊納二極管作為噪聲源，這些二極管在頻率范圍內(nèi)比較平滑，可產(chǎn)生大量的固有噪聲，且在9V電池的放電壽命下運(yùn)作良好(參考文獻(xiàn)2)。

當(dāng)所使用的二極管偏置至18V時(shí)，它會(huì)通過(guò)1MΩ電阻產(chǎn)生約20mVRMS的固有噪聲。這一縮放是偶然的，因?yàn)榉宸逯导s為該值的5倍—100mV。

為了對(duì)DC偏移誤差進(jìn)行不斷檢測(cè)，使用老式的LF412雙路JFET輸入運(yùn)算放大器來(lái)放大兩個(gè)x10步驟中的二極管噪聲。

圖1給出了所建立的電路。齊納二極管的偏置通過(guò)1MΩ的電阻從串聯(lián)的兩個(gè)9V電池(18V)中發(fā)生。LF412在兩個(gè)9V電池間進(jìn)行單塊供電運(yùn)行。在低輸入電流和低偏移電壓下，可以不使用笨重的輸出耦合電容器，因?yàn)檩敵龅腄C值在地面的毫伏范圍內(nèi)。雖然LF412不是低噪聲運(yùn)算放大器，但其噪聲電平仍遠(yuǎn)低于二極管的固有噪聲電平，因而不用擔(dān)心這一點(diǎn)。

在兩個(gè)x10步驟中，U1A和U1B大約可將齊納噪聲放大至1V和10V峰峰值。對(duì)測(cè)試中的電路而言，如果該噪聲太大，可使用1kΩ的R8和R9來(lái)制成一個(gè)分壓器，從而將噪聲電平降至所需值。

圖2給出的是電路中產(chǎn)生的噪聲，該噪聲在1Hz~100kHz頻率范圍間保持平滑狀態(tài)。較高的100kHz頻率衰減在x100輸出中小于0.5dB，如需要，可將頻率相關(guān)增益增加至U1B。但對(duì)于此次試驗(yàn)而言，沒(méi)有這個(gè)必要。為進(jìn)行比較，圖2還給出了在最小電容下運(yùn)行的LM317穩(wěn)壓器的噪聲布局圖，盡管該裝置通常被認(rèn)為是“非常吵的穩(wěn)壓器”，但是與12V的齊納二極管和一些增益相比，它就不值得一提了。

由于使用了穩(wěn)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引起的1/f噪聲被抑制在最低限度。然而為了達(dá)到最大的穩(wěn)定性，該設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)在某個(gè)封閉場(chǎng)合中進(jìn)行，并遠(yuǎn)離循環(huán)氣流。

電路消耗僅為4mA，當(dāng)電池用至7V時(shí)，普通9V堿性電池的壽命預(yù)計(jì)大于100小時(shí)。而設(shè)計(jì)電路的噪聲變化約為電池壽命的15％，如需要，可使用一個(gè)更為復(fù)雜和穩(wěn)定的偏置裝置來(lái)改善這一點(diǎn)。