【正文】 基于功率譜的信噪比測定 此 測試組塊使用的是快速 VI 建立一個正弦信號，然后增加噪聲，送給信號處理快速 VI 從而抽出功率譜，顯示在前面板中。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 28 前面板如圖 44 所示 ： 圖 44 幅頻特性和相頻特性圖 此次測試信號帶寬使用的是 1MHz 帶寬 ，由于使用的是 IIR 型的巴特沃思低通 濾波器模擬的，并沒有嚴格的線性相位 。 為了使測試結果更容易讀取，采用的是放大倍數(shù)歸一化處理，這樣下來， 20log10（ Vo/Vi） =0,從而幅頻特性圖從零開始，而縱軸截取 3dB的范圍， 這樣圖線與 x 軸的交點即為前放電路的截止頻率。所以最后使用的是 100Hz 的信號源， 50Hz 截至頻率， 這樣在信號從 0Hz 到 100Hz 的調節(jié)過程中沒有出現(xiàn)圖像重疊現(xiàn)象，盡管與真實的波形在頻率上有一定的出入，但是考慮到為了更好的圖像可讀性，采用了這種折中的方式。 放大倍數(shù)的測試 本 測試 模塊 使用的測試信號由信 號發(fā)生器產生標準的正弦信號 ，用于模擬 NI PXI5422 函數(shù)波形 發(fā)生卡 ，可以調節(jié)其頻率，對于幅度和相位并不 重要，使用默認值即可，即幅度為 1，相位為 0。 此次軟件環(huán)境為 LabVIEW 2020 SP1 (64bit)， 為了使此測試更易于管理和每個項目的測試方便，采用了項目工程的模式進行的 ，而且對于每一項都生成了可執(zhí)行程序，以方便于沒有安裝 LabVIEW 的機器可以使用這些測試項目，只是由 于是在 64 位系統(tǒng)下生成的，目前只支持 64 位平臺 ，對于 實際的開發(fā)平臺 根據(jù) 項目 應用環(huán)境 選擇即可 。 LabVIEW 的圖形化源代碼在某種程度上類似于流程圖，因此又被稱作程序框圖代碼。 LabVIEW 提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器（如示波器、萬用表）類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。 LabVIEW 也有傳統(tǒng)的程序調試工具，如設置斷點、以動畫方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子 VI）的結果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調試。這些卡插入標準的 VXI 機箱，再與河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 24 計算機相連，就組成了一個測試系統(tǒng)。 普通的 PC 有一些不可避免的弱點。 PC 機出現(xiàn)以后，儀器級的計算機化成為可能，甚至在 Microsoft 公司的 Windows 誕生之前， NI 公司已經在Macintosh 計 算 機上 推出 了 以前 的版 本。 虛擬儀器實際上是一個按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。隨著計算機功能的日益強大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強大， 目前已經出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 23 第 4章 測試系統(tǒng)軟件設計 167。 對于大量的測試工作，使用這種形式的硬件結構可以省下不少力氣， 如果整個測試項目，具體到每個硬件均由自己設計，那么從畫原理圖到 PCB 板設計和制作，再加上后期的測試，需要花費大量的精力，而且 對于硬件的各種干擾抑制和精度的設計尤其困難 ，稍有不慎，或者開始時 候的一點考慮不周便會前功盡棄一切從頭開始 。計算機通過 LabVIEW 分析采集到的信號， 通過編程的方式 進行放大倍數(shù)、頻域特性（通頻帶）、通道信噪比等的測試 ，將測試結果早計算機屏幕上顯示出來，如果有必要可以加入打印功能 。 由于主要用于信號的采 集和顯示功能而不是動態(tài)信號采集功能，所以實際使用的是 NI 公司示波器類的數(shù)據(jù)采集卡用作信號的采集。 用于信號發(fā)生的 PXI 板卡從 NI 網(wǎng)站上可以搜到 如表 31 所示 幾種： 表 31 NI 公司信號發(fā)生卡型號和相關參數(shù) 列表 型號 采樣速率 分辨率 信號 類型 NI PXIe5450 400 MS/s 16 位 I/Q 信號發(fā)生器 NI PXI5404 100 MHz 12 位 頻率發(fā)生器 NI PXI5412 100 MS/s 14 位 任意波形發(fā)生器 NI PXI5421 100 MS/s 16 位 任意波形發(fā)生器 NI PXI5422 200 MS/s 16 位 任意波形發(fā)生器 NI PXI5441 100 MS/s 16 位 帶有板載信號處理的任意波形發(fā)生器 NI PXIe5442 400 MS/s 16 位 帶有板載信號處理的任意波形發(fā) 生器 NI PXI5406 40 MHz μHz 任意函數(shù)發(fā)生器 NI PXI5402 20 MHz μHz 任意函數(shù)發(fā)生器 注： I/Q 信號，即同相信號和正交信號 由于本次測試使用的是 12 位模數(shù)轉換和正弦波信號發(fā)生作為基本的測試信號 ，而測試信號的帶寬只是要求 1MHz，所以 采用 NI PXI5422 這一型號的板卡 是比較適合的， 它的采樣速率為 200MHz，高于被測信號帶寬很多倍，而且分辨率為 16 位，也高于模數(shù)轉換的 12 位分辨率，并且具有任意波形發(fā)生的功能， 所以此 型號的 卡 滿足 前面所列的各種技術要求 。 PXI繼承了 PCI 的電氣信號，使得 PXI 擁有如 PCI bus 的極高傳輸數(shù)據(jù)的能力，因此能夠有高達 132Mbyte/s 到 528Mbyte/s 的傳輸性能，在軟件上是完全兼容的。 PXI 簡介 PXI 在 1997 年完成開發(fā)，并在 1998 年正式推出，它是為了滿足日益增加的對復雜儀器系統(tǒng)的需求 而推出的一種開放式工業(yè)標準。 PXI 結合了 PCI的電氣總線特性與 CompactPCI 的堅固性、模塊化及 Eurocard 機械封裝的特性發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應用的機械、電氣和軟件規(guī)范。 河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 第 3章 測試系統(tǒng)硬件實現(xiàn) 為了使此測試設備不僅具有良好的前放電 路測試性能，還使它具有優(yōu)秀的可擴展性，以方便其他測試項目的零投入 地 測試實現(xiàn)。 對于實際系統(tǒng)的信噪比的測量，通常是通過分析系統(tǒng)的輸出信號直接 計算出信噪比 ，而不是分別在輸入端加上測試信號和沒有測試信號兩種 情況下測量 輸出端信號。 通過計算公式我們發(fā)現(xiàn) ， 信噪比不是一個固定的數(shù)值 ， 它應該隨著輸入信號的變化而變化 ， 如果噪聲固定的話 ， 顯然輸入信號的幅度越高信噪比就越高 。 信噪比的測量 信噪比，即 SNR(Signal to Noise Ratio)又稱為訊噪比，即放大器的輸出信號的電壓與同時輸出的噪聲電壓 （或功率） 的比，常常用分貝數(shù)表示。通常采用“ 逐點法 ” 測量放大器的幅頻特性曲線。 電壓放大倍數(shù) 測量電壓放大倍數(shù)，實際上是測量放大器的輸入電 壓 Vi 與輸出電壓 V0的值。 167。輸入放大器的作用是將音源信號放大到額定電平，通常是 1V 左右。 前置放大器是指把音頻信號放大至功率放 大器所能接受的輸入范圍。 前放電路簡介 作為音響組合系統(tǒng)中一個組成部分的前置放大器又稱控制放大器，可以說它的歷史是始自密紋唱片的誕生。在長途電話通話中，由于接收端的反射作用，傳出的話音會反向傳輸回來，使說話者又聽到自己的話音，這就是討厭的回聲干擾。 自適應 噪聲抵消不需要 預先知道 干擾噪聲的統(tǒng)計特性 ， 它能在逐次迭代的過程中將自身的工作狀態(tài)自適應地調整到最佳狀態(tài)，對抑制寬帶噪聲或窄帶噪聲都有效，因此自適應噪聲抵消在通信、雷達、聲納、生物醫(yī)學工程等領域得到了廣泛的應用。從某種意義上來說，相敏檢測器只是相關檢測的一種特例。從本質上來說， 相關檢測技術是基于信號和噪聲的統(tǒng)計特性進行檢測的，相關函數(shù)是兩個時域信號（有時是空間于信號）相似性的一種度量。隨著集成電路技術和微型計算機技術的發(fā)展，以微型計算機為核心的數(shù)字式信號平均器應用得越來越廣泛。積分過程常用模擬電路實現(xiàn)，稱之為取樣積分；平均過程常通過計算機以數(shù)字處理的方式實現(xiàn)，稱之為數(shù)字式平均。 早在 20 世紀 50 年代，國外的科學家就提出了 取樣積分的概念和原理。 取樣積分與數(shù)字式平均 對于淹沒在噪聲中的正弦信號的幅度和相位，可以利用鎖定放大器進行檢測。要達到足夠的信噪比，用于提高信噪比的帶通濾波器（ BPF）的帶寬必須非常窄， Q 值 （ Q= B/0? ， B為帶寬）必須非常高，這在實際上往往很難實現(xiàn) 。 167。 各種 有用 信號的 現(xiàn)代提取技術 從噪聲里提取有用的信號的技術從物理學應用于解決工程問題的開始便一直存在，而且隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，信號提取技術也越來越重要，而且出現(xiàn)了一些前所未有的新方式。 爆裂噪聲是電流型噪聲，在高阻電路中影響更大。取決于 半導體制作工藝和材料中雜質的情況，爆裂噪聲脈沖出現(xiàn)的幾率可以在每秒幾百個到幾分鐘一個之間變化。 20世紀 70 年代初期，首先在半導體二極管中發(fā)現(xiàn)了爆裂噪聲，之后在三極管和集成電路中也發(fā)現(xiàn)了爆裂噪聲 。 1/f 噪聲由約翰遜于 1925 年在電子管板極電流中首先發(fā)現(xiàn)，之后在各種半導體器件中也發(fā)現(xiàn)了這種噪聲。 167。對于工作于高頻區(qū)或大注入 的情況，應當對 其 做適當修正。 Idc 為平均直流電流， A。在電子管中，陰極發(fā)射電子為一個隨機過程，它們造成電子管電流的散彈噪聲。 167。 此公式是由經典的熱力學推導出來的近似結果，當頻率很高時，由量子理論可得如下更精確的熱噪聲功率譜密度函數(shù)表達式 St（ f） =4hfR/（ exp(hf/(kT))1） 式中， h 為普朗克常量（ h=10 34? J 根據(jù)公式得到的功率譜密度為常數(shù)。約翰遜（ ）于 1928 年首先發(fā)現(xiàn)熱噪聲，因此熱噪聲又稱為 Johnson 噪聲。電子系統(tǒng)內部的固有噪聲具有隨機的性質， 其瞬時幅度不可預測，只能用概率和統(tǒng)計的方法來表述其大小和特性，例如用均方值、概率密度函數(shù)、功率譜密度函數(shù)等進行描述。 為了把微弱信號幅度放大到人們可以感知的幅度，必須使用放大器和其他電路對其進行處理。在這兩個例子中，在一個電路中有用的信號，如果引入到其他電河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 路中就成為干擾信號。第二種噪聲的定義的范圍更廣，它既包括電路內部產生的噪聲，也包括來自電路外部的干擾噪聲。 到了 20 世紀 80 年代末，微弱信號檢測的 SNIR 可達 105 ， 近年在一些專門檢測領域（例如微弱電流） SNIR 已經達到 10 7? ， 從而推動了物理、化學、電化學、天文、生物、醫(yī)學等科學領域的發(fā)展。但 是，提高系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以提高靈敏度，但卻不一定河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 能提高分辨率，因為分辨率要受噪聲和誤差的制約。 微弱信號檢測的另一個指標是檢測分辨率，它的定義是檢測儀器示值可以 響應 與分辨的最小輸入量的變化值。微弱信號檢測的關鍵是提高信噪比。只有在有效地抑制 噪聲的條件下增大微弱信號的幅度，才 能提取出有用信號。 微弱信號檢測技術的首要任務是提高信噪比，這就需要采用電子學、信息論、計算機和物理學的方法，以便從強噪聲中檢測出 有用的 微弱信號，從而滿足現(xiàn)代科學研究和技術開發(fā)的需要。 信號處理另一個重要內容就是濾波，將信號中感興趣的部分（有效信號）提取出來 ，抑制（衰減 或濾波） 不感興趣的部分（干擾或噪聲）。信號 處理是指對信號進行某種變換或運算（如濾波、變換、增強、壓縮、估計、識別等），廣義的信號處理可把信號分析也包括在內。而傳感器本身動態(tài)頻率響應的標定，也需要用到頻率的分析和計算。這樣的分解，可 以抓住信號的主要成分進行分析、處理和傳輸，使復雜問題簡單化，實際上這也是解決所有問題最基本，最簡單的方法。在滿足一定條件下，將信號分解成某種基本函數(shù)的線性組合，不同信號的某些不同特征就十分 清楚了。研究物質必須研究分析物質的分子結構或者原子結構，不同的分子或者原子結構 將組成不同的物質。因此，目前絕大多數(shù)的測試信號分析與處理系統(tǒng)都采用數(shù)字信號處理技術。因此信號的分析與處理是測試技術的重要研究。 考慮到自己當下的 知識和 技術水平， 設計 出極其完備的測試系統(tǒng)是不太可能的，我將盡我所能 完善以前的前放電路測試設備中 所出現(xiàn) 的問題。目前，對于高端集成電路產品，主要還是送到國外去測試，國內的測試能力遠遠滿足不了市場的需求。 說起 測試 技術，它 既是集成電路產業(yè)鏈中的一環(huán)，也是集成電路產品驗證出廠的關鍵，由于測試技術含量高、知識密集，一直是我國集成電路產業(yè)河南科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 發(fā)展的制約因素。音質控制的作用是使音響系統(tǒng)的頻率特性可以控制，以達到高保真的音質；或者根據(jù)聆聽者的愛好，修飾與美化聲音。前放電路功能有兩個：一是要選擇所需要的音源信號，并放大到額定電平；二是要進行各種音質控制，以美化聲音。 感應（ SENSE）模式 ——補償導線本身電阻 ..............34 167。 ADC 有效位測量 ................................................................32 第 5 章 可編程電源 ...............................................................................33 167。 頻域特性的測試 .......................................................................27 167。 虛擬儀器簡介 .............................................................