Wie misst man elektrisches Rauschen?

Eine andere Frage, die ich zu Power Supply Noise gestellt habe, hat mich dazu veranlasst, diese Frage zu stellen.

Der Hintergrund ist wie folgt: Ich habe ein Design mit PD (Photodetector) und Opamp bei mittlerer Frequenz (paar hundert kHz). Ich versuche mein Design zu testen, wenn es zurückkommt. Ich betrachte Stromversorgungsrauschen, Opamp-Versorgungsrauschen und Opamp-Ausgangsrauschen. Mir wurde klar, dass es mehr gibt, als nur die Sonde zu berühren. Die Leute reden über Stromschleifen, spezielle Kabel usw.

Ich werde in zwei Wochen ein weiteres Board drehen und wollte fragen, ob Sie Ihr Board jetzt entwerfen, welche Art von Testpunkten oder Elementen Sie auf Ihrem Board platzieren, damit Sie das Rauschen genau messen können. Wir sprechen von Signalen vom Typ <20 mV.

Bonusfrage: Der Ausgang des Operationsverstärkers ist mit einem ADC des Prozessors verbunden. Könnte ich einfach den ADC ausführen und das zeichnen, um ein tieferes Verständnis des Rauschens im Vergleich zum Anschließen meines billigen Oszilloskops zu erhalten?

Das Rauschen ist schwer zu messen, und die Amplitude, die Sie auf Ihrem Zielfernrohr sehen, ist nur ein erster Hinweis auf den Pegel.
Möchten Sie den absoluten Geräuschpegel messen oder nur vergleichen? Im letzteren Fall könnte das Oszilloskop ein gutes Instrument sein, aber bei den gegebenen Pegeln weist das durchschnittliche 500-Dollar-Oszilloskop selbst so viel Rauschen auf, dass jede Messung tatsächlich bedeutungslos wird. Dazu benötigen Sie ein hochwertiges Oszilloskop + ebenso Sonden.

Die Schwierigkeit bei der Messung von Rauschen besteht darin, dass es ein kontinuierliches Energiespektrum mit großer Bandbreite hat (das kontinuierliche Spektrum macht es schwierig, Rauschen von Signal zu trennen, Kerbfilter können funktionieren). Idealerweise messen Sie die Rauschenergie durch RMS-DC-Umwandlung . Dies ist nichts für schwache Nerven, da Ihr RMS-DC-Wandler aufgrund der niedrigen Pegel und des Breitbandbereichs sehr empfindlich sein muss. Und natürlich selbst geräuscharm sein! Flüssiger Stickstoff hilft :-).
In jedem Fall ist das absolute Signal-Rausch-Verhältnis nicht so einfach wie das Lesen von Amplituden.

Normalerweise entwerfen Sie einige Teile auf den ersten Drehungen des Boards, um solche Dinge zu messen. Seien Sie großzügig mit Fußabdrücken für Bypasskappen und Filter und setzen Sie beispielsweise SMA-Koaxialkontakte an Schlüsselstellen in der Signalkette ein, aber setzen Sie sie mit einem entfernbaren SMD-0-Ohm-Widerstand an der T-Verbindung ein, damit der Stich nicht beeinträchtigt werden muss die Signalkette, wenn nicht verwendet.

Bei niederfrequenten Signalen können Sie dies direkt an das Oszilloskop anschließen. Die SMA-Koaxialkabel haben jedoch das gute Merkmal, dass einige der Sonden mit der in die Spitze eingebauten Erdungsleitung in die Mittelposition des Koaxialsteckers und des Koaxialsteckers gesteckt werden können Erdungskabel wird oder kann dazu gebracht werden, die Abschirmung zu berühren. Beachten Sie jedoch, dass eine Sonde für optimale Ergebnisse aktiv sein muss und die Sonde selbst 3000 US-Dollar kostet: /

Bei Fotodioden und Transimpedanzverstärkern haben Sie das Problem, dass Sie für ein typisches Setup (Sie geben Ihre Parameter nicht an ..) nur ein paar Mikroampere und eine Transimpedanzverstärkung von mehreren hunderttausend haben. Das Einfügen von Elementen auf der PD-Seite des Operationsverstärkers und das Vorhandensein von Leiterplattenspuren in der Nähe können Ihre Präzision und Geräuschpegel beeinträchtigen. Die Lötstoppbeschichtung weist beispielsweise einen nicht unendlichen Widerstand auf.

Wenn Sie also die Verstärkung des ADC steuern können und wissen, dass Sie eine sehr gute ADC-Schaltung entwickelt haben (diese können Sie separat testen, z. B. mit separaten SMA-Koax-Eingängen), können Sie diese als Sondenersatz verwenden, ja, wenn die Abtastrate ist hoch genug. Dies ist eine gute Lösung und verschiebt die Notwendigkeit des teureren Bereichs (Sie können diese mieten, wenn Sie sie jedoch irgendwann wirklich benötigen).

Stevenvh hat Recht, dass Rauschen sehr schwer zu messen sein kann, aber ich möchte auf einen anderen Standpunkt hinweisen.

Das einzige Mal, dass Rauschen für Sie wirklich wichtig ist, ist, wenn es Ihre Messwerte beeinflusst. Dies bedeutet, dass Sie einfach einen ADC Ihrer Eingabe nehmen, an einen Computer weitergeben und dann etwas rechnen können. Ich bin bei Ihrem Projekt nicht ganz auf dem neuesten Stand, aber ich gehe davon aus, dass Sie "wissen", was Ihr Signal ist, dass Sie empfangen.

Sie können eine SNR-Zahl erstellen, indem Sie die durchschnittliche Leistung Ihres Signals berechnen und dann, um Ihr Rauschen zu erhalten, einfach das bekannte Signal von Ihrem ADC-Signal subtrahieren, die Leistung des resultierenden Rauschens ermitteln und dann die beiden teilen. Die meisten Systeme tendieren dazu, dies in eine dB-Skala umzuwandeln. Dies sagt Ihnen nichts darüber aus, von welchem ​​Teil des Systems das Rauschen kommt, aber es gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie gut Ihr System insgesamt funktioniert.