模擬采樣質(zhì)量：精確度、靈敏度、精密度和噪聲

等式4:計(jì)算精密度

比如，如果您正在監(jiān)測(cè)1V的恒定電壓，您會(huì)發(fā)現(xiàn)如果測(cè)量值之間相差20 µV,則可以通過(guò)以下公式計(jì)算出精密度：

通常情況下，精密度用百分比表示。 在這個(gè)例子中，精密度是99.998%。

當(dāng)需要進(jìn)行相對(duì)測(cè)量時(shí)(同一測(cè)量值與前一個(gè)讀數(shù)的差值)，比如對(duì)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，精密度具有重要意義。

4. 噪聲和噪聲源

噪聲是指所有對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響的干擾信號(hào)。 噪聲會(huì)在測(cè)量過(guò)程中引入不確定性，這種不確定通常會(huì)隨時(shí)間而變化。 這種不確定性可以是隨機(jī)的也可以是周期性的。 噪聲可以是瞬態(tài)噪聲也可以是寬頻隨機(jī)噪聲，其中瞬態(tài)噪聲具有固定頻率，比如諧波或混頻產(chǎn)物。 有時(shí)候我們會(huì)認(rèn)為噪聲不會(huì)影響精確度規(guī)范，因?yàn)槲覀兛梢允褂闷骄祷蚱渌夹g(shù)來(lái)消除噪聲。 然而，在大多數(shù)情況下精確度規(guī)范中包含了噪聲。 規(guī)范文件中應(yīng)該規(guī)定噪聲是否包含在其中，通常情況下這些信息在腳注中給出。

噪聲有許多來(lái)源。 被測(cè)源或被測(cè)項(xiàng)可能會(huì)產(chǎn)生固有噪聲。 有些噪聲可能來(lái)自熱輻射源，比如電阻器噪聲，也可能是內(nèi)在噪聲，比如由半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。 同樣，噪聲可能源自于外部環(huán)境，比如輸電線、房間中的燈光、電機(jī)和射頻源(比如無(wú)線電發(fā)射機(jī)、手機(jī)、無(wú)線電臺(tái)等等)。

熱噪聲

理想的電子電路不會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此這種電路產(chǎn)生的輸出信號(hào)僅包含原始信號(hào)的噪聲。 但是實(shí)際電子電路和組件會(huì)產(chǎn)生一些固有噪聲。 即便是簡(jiǎn)單的固定值電阻器也會(huì)產(chǎn)生噪聲。

圖4.圖A顯示的是一個(gè)理想的電阻器，但實(shí)際電阻器具有內(nèi)部熱噪聲，如圖B所示。

圖4A給出了一個(gè)理想的、無(wú)噪聲電阻器的等效電路。 固有噪聲如圖4B中所示，該圖將噪聲電壓電源Vn與理想、無(wú)噪聲的電阻Ri串聯(lián)。 在高于絕對(duì)零度(0°K或大約-273°C)的任何溫度下，任何材料中的電子都在作恒定的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。 然而由于電子運(yùn)動(dòng)本身具有隨機(jī)性，因此在任何一個(gè)方向上都無(wú)法探測(cè)到電流。 換言之，任何方向的電子漂移都在很短的時(shí)間內(nèi)被反方向的等量漂移所抵消。 因此從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，電子運(yùn)動(dòng)不具有相關(guān)性。 然而，材料會(huì)產(chǎn)生一系列連續(xù)的無(wú)規(guī)則電流脈沖，這些脈沖在外界看來(lái)就是噪聲信號(hào)。 這種信號(hào)有多種名稱： 約翰遜噪聲、熱騷動(dòng)噪聲或熱噪聲。 這些噪聲隨著溫度和電阻的增大而增大，而且是以平方根函數(shù)的方式增大。 這意味著如果要使噪聲變?yōu)樵瓉?lái)的兩倍時(shí)，電阻需要增加到原來(lái)的四倍。

閃爍或1/F噪聲

半導(dǎo)體設(shè)備的噪聲通常不平行于頻率。 它在下限處產(chǎn)生， 此時(shí)的噪聲稱為1/F噪聲、粉色噪聲、過(guò)量噪聲或閃爍噪聲。 這種類型的噪聲除了在電子系統(tǒng)中產(chǎn)生外也在物理系統(tǒng)中產(chǎn)生。 比如，蛋白質(zhì)、認(rèn)知過(guò)程的反應(yīng)時(shí)間甚至是地震活動(dòng)。 下圖給出了噪聲最有可能的來(lái)源，這些來(lái)源取決于噪聲在特定電壓下產(chǎn)生的頻率;知道噪聲來(lái)源對(duì)于減小噪聲具有重要作用。

圖5.1/F噪聲和熱噪聲的噪聲譜剖面圖

5. 降噪方法

雖然噪聲對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，特別是對(duì)于低電平信號(hào)情況，但是也有許多常用的方法可以減小噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。 以下一些可以降噪的方法：

源電阻和放大器輸入電阻使用盡可能低的阻值。 使用高阻值電阻可按比例提高熱噪聲。

熱噪聲的值是電路帶寬的函數(shù)。 因此，可以通過(guò)減小電路的帶寬來(lái)使噪聲最小化。 但是這項(xiàng)工作須小心進(jìn)行，因?yàn)樾盘?hào)具有傅里葉譜，我們需要保留傅里葉譜才能對(duì)信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。 解決方法是將帶寬與輸入信號(hào)所需要的頻率進(jìn)行匹配。

我們可以通過(guò)合理接地、屏蔽、布線、謹(jǐn)慎地放置電線和濾波來(lái)改善系統(tǒng)的性能，進(jìn)而防止外部噪聲。

在系統(tǒng)的輸入階段使用低噪放大器。

對(duì)于一些半導(dǎo)體電路，可以使用最小直流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)該目的。

6. 總結(jié)

靈敏度是指可以讓測(cè)量?jī)x器做出響應(yīng)的輸入信號(hào)的最小變化量。

精確度是指儀器可以如實(shí)地顯示被測(cè)信號(hào)值的能力。

精確度和靈敏度會(huì)在規(guī)格文件中寫明;由于不同公司或者同一公司的不同產(chǎn)品對(duì)這些術(shù)語(yǔ)的定義各不相同，因此要經(jīng)常查看文檔，如有疑問(wèn)應(yīng)與供應(yīng)商聯(lián)系確認(rèn)。

精密度用來(lái)描述儀器測(cè)量的穩(wěn)定性以及在輸入信號(hào)相同的情況下多次測(cè)量結(jié)果保持一致的能力。

噪聲是指所有對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生影響的干擾信號(hào)。

不同類型的噪聲有不同的降噪方法。