Scott Hunt

本文概述了精密系統(tǒng)中的輸入?yún)⒖加嬎愫?a target="_blank">仿真，以及如何從中獲得最大的見解。在 設(shè)計 用于 模擬 測量 的 信號 鏈 時， 必須 計算 信號 鏈 中 不同 組 件 的 誤差 和 噪聲， 并 用于 確定 最高 性能。規(guī)格可以分數(shù)表示為百分比，或者如果它們采用線性單位，則可以以輸出為參考或以輸入為參考。以輸入為參考的計算往往會導(dǎo)致最大的混亂，但它們增加了對系統(tǒng)性能的重要見解。

噪聲、錯誤和參考輸入

圖1顯示了測量的通用系統(tǒng)框圖。每個模塊可以有多個組件或平臺來執(zhí)行測量功能。從傳感器到ADC的每個模擬級也會產(chǎn)生不需要的模擬噪聲和誤差，從而掩蓋測量信號的值。ADC輸出端的數(shù)據(jù)表示信號與總噪聲和誤差相結(jié)合。一些噪聲和誤差可以通過校準、補償和信號處理技術(shù)來減少。其余部分導(dǎo)致測量量的真實值不確定。對于測量儀器，不確定度分析有助于設(shè)置關(guān)鍵系統(tǒng)規(guī)格，如準確度和精密度。1,2

將信號鏈噪聲和誤差與輸入端相對，可以直接與輸入信號進行比較。這 可以 根據(jù) 已知 的 信號 特性 和 要求 了解 整體 測量 性能。例如，計算折合到輸入端的總噪聲（RTI）可以揭示可以從噪聲中辨別出的最小輸入信號。考慮輸入?yún)⒖加嬎愕牧硪环N方法是，ADC測量的數(shù)據(jù)通常在軟件中縮放，以表示被測量物理量的值。縮放前的原始數(shù)據(jù)包括誤差和噪聲;因此，縮放版本具有相同的相對誤差和噪聲量，但縮放時好像它們都與信號一起出現(xiàn)在輸入端。

結(jié)合噪聲源RTI和RTO

對于總噪聲計算，噪聲源需要先參考同一位置，然后才能組合。雖然噪聲可以參考信號鏈中的其他位置，但計算噪聲RTI和參考輸出（RTO）對于確定系統(tǒng)性能最有用。設(shè)計人員可以選擇電路中的哪個點來調(diào)用輸入和輸出，以及使用什么單位。例如，輸入可以是物理量，例如以°C為單位的溫度，而RTI噪聲可以以°C為單位計算。 或者，噪聲可以參考以伏特或安培等電氣單位為單位的信號鏈輸入。類似地，輸出可以定義為來自ADC的數(shù)據(jù)，單位為最低有效位或等效伏特，也可以定義為ADC輸入端的電壓。

RTI噪聲源是放置在輸入端的虛擬噪聲源，在測量中貢獻的噪聲與實際噪聲源相同。每個RTI噪聲源的值通過將實際噪聲源除以從輸入到該點的增益來確定。將RTI噪聲源的噪聲功率譜密度相加以確定整個系統(tǒng)噪聲頻譜。同樣，RTO噪聲源是輸出端的虛擬噪聲源。對于RTO噪聲，每個噪聲源乘以輸出增益，并在該點進行組合。如果在定義的輸出之后沒有噪聲源，則RTO噪聲與輸出端測量的噪聲相匹配。

圖2顯示了簡單信號鏈的RTI和RTO噪聲模型，該信號鏈由一個同相增益級和一個低通濾波器組成。

圖2.RTI 和 RTO 的一個例子。

兩者之間存在不平衡，因為信號從輸入流向輸出。RTO噪聲顯示噪聲在整個信號鏈中傳播后的噪聲，與測量中的總噪聲相匹配，但RTI噪聲顯示的噪聲來自早期階段，尚未受到信號鏈中后期級的頻帶限制。將被信號鏈濾除的帶外噪聲最終不會影響測量值，但它確實顯示在RTI噪聲頻譜中。從技術(shù)上講，這不是問題，也不意味著RTI噪聲是錯誤的。RTI噪聲可以乘以信號鏈的增益與頻率曲線，得到RTO噪聲，并且不會丟失任何信息;但是，計算噪聲RTI的目的是將噪聲與輸入信號進行比較。通過包括不影響測量的帶外噪聲，RTI的傳統(tǒng)定義并不能使將總積分噪聲與輸入信號進行比較變得容易得多。

提供更多工程見解的替代定義

輸出信號可以直接與RTO噪聲進行比較，因為它考慮了整個信號鏈，所以問題是：RTI噪聲的定義是否可以很容易地與輸入信號進行比較？答案反映了測量數(shù)據(jù)的實際用法：對RTO噪聲應(yīng)用與應(yīng)用于軟件中輸出數(shù)據(jù)的相同縮放，以將其表示為輸入信號。兩者都應(yīng)以相同的方式在輸入端計算。換句話說，將輸出噪聲除以信號增益。

下一個問題是如何定義信號增益。無論直流耦合還是交流耦合，在大多數(shù)傳統(tǒng)線性電路中，施加到信號的增益在設(shè)計上具有一定的目標帶寬是平坦的。我們將這個感興趣的帶寬稱為信號頻段。信號在信號頻段中具有需要捕獲的寶貴信息。電路的–3 dB帶寬設(shè)計為比信號頻帶寬，以避免頻帶邊緣信號的動態(tài)誤差，但除了該限制之外，帶寬通常盡可能有限，以降低噪聲。

如果信號增益定義為信號頻帶內(nèi)的增益，并且該常量值用于將RTO噪聲轉(zhuǎn)換為RTI，則RTI噪聲將變得更有意義。兩種模型之間的差異如圖 3 所示。在替代模型中，RTI噪聲顯示了影響信號測量的噪聲，包括帶外噪聲的滾降。圖4顯示了兩種RTI方法之間的模擬差異。

輸入噪聲曲線在低頻時相同，但在增益滾降時發(fā)散。傳統(tǒng)的RTI噪聲無法積分以求出總噪聲，而虛擬RTI噪聲可以積分。信號增益可用于在虛擬RTI噪聲和RTO噪聲之間進行積分噪聲和噪聲頻譜密度值的轉(zhuǎn)換。

如果信號增益在信號頻帶內(nèi)不平坦，請考慮調(diào)整信號頻帶或修改電路，使其具有更寬的帶寬。這有助于避免信號頻帶邊緣信號的性能下降。如果無法做到這一點，則在信號頻帶內(nèi)使用標稱增益最有可能與一般情況和軟件轉(zhuǎn)換因子相匹配，但請務(wù)必評估信號頻帶邊緣的誤差和信噪比，以確保它們在性能目標范圍內(nèi)。

LTspice中的RTI計算

多功能性和準確性LTspice?使其對噪聲模擬非常有用。噪聲仿真命令中指定了輸出節(jié)點和輸入源，輸出噪聲（RTO）是查看分析結(jié)果的默認方式。LTspice還根據(jù)RTI的傳統(tǒng)定義計算參考于指定輸入源的輸入噪聲，但如圖4所示，對傳統(tǒng)RTI噪聲進行積分并不能提供有意義的結(jié)果。圖5顯示了如何在LTspice中向輸出添加級，以便仿真器返回替代虛擬RTI噪聲。運行仿真后，在選擇繪圖的情況下，從繪圖設(shè)置 - 添加跡線將輸入噪聲添加到繪圖中，然后選擇 V（inoise）。這會將輸入噪聲添加到圖中。曲線形狀與輸出噪聲相匹配，表明考慮了整個電路的頻率響應(yīng)。按 ctrl + 左鍵單擊圖中的跡線標題“V（inoise）”以積分總 RTI 噪聲。

圖4.兩種RTI方法的噪聲仿真結(jié)果。

圖5.用于模擬虛擬RTI噪聲的LTspice電路。

用于信號鏈噪聲分析的網(wǎng)絡(luò)工具

作為ADI Precision Studio網(wǎng)絡(luò)工具套件的一部分，信號鏈噪聲工具設(shè)計用于在信號鏈級別執(zhí)行噪聲計算，包括總噪聲和虛擬RTI噪聲計算的集成。從傳感器開始構(gòu)建信號鏈，或者從示例開始，然后信號鏈噪聲工具確定從傳感器到ADC的整個信號鏈的總噪聲和交流性能。信號鏈噪聲工具中的仿真模型使用數(shù)據(jù)手冊中的完整測量噪聲曲線來提供實驗室準確的結(jié)果。像這樣的工具的主要優(yōu)點之一是加快設(shè)計過程。該工具可即時反饋電路變化對整體噪聲性能的影響，從而加快設(shè)計迭代速度。完整的信號鏈可以導(dǎo)出到LTspice進行定制仿真。

圖6.ADI精密工作室中的信號鏈噪聲工具。

結(jié)論

輸入?yún)⒖加嬎闶橇私鉁y量系統(tǒng)預(yù)期性能的寶貴工具，有助于優(yōu)化設(shè)計并為系統(tǒng)規(guī)格提供信息。與一些傳統(tǒng)方法相比，本文提出的基于測量系統(tǒng)架構(gòu)的虛擬RTI噪聲方法可以是一個有用的修改，以獲得更多的工程洞察力。LTspice和信號鏈噪聲工具等仿真工具可以幫助執(zhí)行此分析。

審核編輯：郭婷