Woher kommt dieses Geräusch? 200 kOhm Wheatstone-Brücke

Ich habe eine Wheatstone-Brücke, mit der ich einen Widerstandssensor messen möchte. Im Moment sind alle vier Arme Festwiderstände, während ich die Schaltung einrichte. Das Rauschen in der Schaltung ist viel größer als ich erwartet hatte und ich kann nicht herausfinden warum.

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Das AFG ist so konfiguriert, dass zwei Sinuswellen gegenphasig an den beiden Ausgängen erzeugt werden. Der Stanford führt eine DC-gekoppelte Differenzmessung mit einer effektiven Rauschbandbreite von 0,5 Sekunden durch. Die beiden Instrumente sind mit der TTL-Referenz phasenverriegelt. Ich schaue mir dann die Variation der Messungen an, um das Rauschen herauszufinden. Ich finde eine Rauschkomponente, die mit der Erregerspannung skaliert und die ich nicht identifizieren kann.

Das nicht identifizierte Rauschen ist von 10 Hz bis 1 kHz weiß
Die Amplitude des Rauschens beträgt etwa 1 µV / √Hz pro an die Brücke angelegtem Volt
Wenn die Erregerspannung Null ist, messe ich ein Rauschen, das mit dem Johnson-Rauschen in der Brücke übereinstimmt .

Ich habe viel Erfahrung mit der Messung von R unter 1 Ω, aber 200 kΩ sind für mich neu, sodass mir möglicherweise das Offensichtliche fehlt.

noise wheatstone-bridge

— Jack B.
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Wie lang sind die Kabel?

— Scott Seidman

Die Kabel sind ca. 10 cm lang. Die Brücke befindet sich in einer Druckgussbox, Erregungskabel sind BNC, Messdrähte sind ein abgeschirmtes verdrilltes Paar.

— Jack B

Ja, Mikrovolt pro Wurzel Hertz. Das Johnson-Rauschen beträgt jedoch ungefähr 50 nV / √Hz, und mit dem Stanford sollte ich in der Lage sein, es auf ungefähr das herunterzuschieben.

— Jack B

Wenn das Rauschen mit der Erregerspannung skaliert, wird es wahrscheinlich vom Funktionsgenerator erzeugt.

— Barry

Interessiert es Sie wirklich, wenn Sie einen Lock-In-Verstärker verwenden?

— Scott Seidman

Antworten:

Ich wette, eine Komponente ist Quantisierungsrauschen oder eine andere Verzerrung des AFG3000 mit 14-Bit-Ausgang. Die harmonische Verzerrung wird in Ihrem Frequenzbereich mit -60 dB angegeben.

Sie könnten versuchen, eine sauberere Sinuswelle zu verwenden und zu sehen, was Sie erhalten, oder die Flammen aus Ihrer Anregungswelle heraus konditionieren. In jedem Fall wäre dies mein erster Debugging-Schritt, nachdem ich nach langen Kabeln gefragt habe, die möglicherweise Geräusche weitergeben. Als nächstes würden abgeschirmte Kabel mit verdrillten Paaren verwendet, um Ihre Brücke anzutreiben, und als nächstes würden Sie einen echten Brückenverstärker mit Erfassungsschaltung verwenden.

Mein Geld liegt jedoch in der Qualität des Signalgenerators. Die Signalqualität eines beliebigen Wellenformgenerators hat mich noch nicht angenehm überrascht.

— Scott Seidman
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Wenn das Signal selbst eine Rauschquelle ist, warum wird dieses Gleichtaktrauschen nicht effektiv von der Brücke ausgeglichen? (OK, ich sehe, die Brücke ist 0,1% aus dem Gleichgewicht geraten, aber das sollte in der Größenordnung von 60 dB Dämpfung des Quantisierungsrauschens bedeuten.)

— Brian Drummond

Ich denke das könnte es sein. Das Signal von der Brücke beträgt ungefähr 1/1000 der Erregung, so dass 1 uV / √Hz Rauschen am Ausgang 1 mV / √Hz am Eingang betragen würde. Das klingt für ein sehr teures AFG viel (zum Beispiel das 16-fache des erwarteten Quantisierungsrauschens), könnte es aber sein.

— Jack B

Wenn ich das AFG so einstelle, dass es einen Gleichstromausgang liefert, sinkt das Rauschen um den Faktor 10-15 (und natürlich verschwindet mein Signal). Das Rauschen skaliert immer noch linear mit der Anregungsamplitude. Es sieht also so aus, als würde das AFG Rauschen in einem schmalen Band nahe der Ausgangsfrequenz auslösen, das nahe genug ist, damit das Lockin es erkennen kann. Ich denke, ich muss eine bessere Sinusquelle finden.

— Jack B

@JackB - Was die Bankausrüstung betrifft, finde ich, dass Funktionsgeneratoren der Ort sind, an dem Sie den absolut geringsten Knall für Ihr Geld bekommen! Der Preis für die AFG3000, die ich online sehe, ist nicht hoch genug, um dieses Gerät in die Kategorie Cadillac zu bringen. Es ist schwer zu sagen, wo sich das Quantisierungsrauschen befinden würde, da Sie nicht wissen, wo Vref eingestellt ist, und es möglicherweise für Ihre Ausgabegröße unangemessen eingestellt ist. Außerdem hat es nur einen 14-Bit-Ausgang. Wenn Vref aus irgendeinem Grund 5 V beträgt, sprechen Sie von 100 uV Quantisierungsrauschen.

— Scott Seidman

Ich habe vor 3 Stunden festgestellt, dass die AWG die Quelle des übermäßigen Lärms ist. Ich bin froh, dass ihr jetzt zustimmt.

— Barry

Nachdem ich empfohlen habe, über Partitionsrauschen zu lesen, finde ich selbst online nichts besonders Nützliches!

Also werde ich versuchen, ein paar Zahlen zu schreiben. In Ermangelung eines besseren Referenzmodells werde ich es einfach als zwei Schussgeräuschquellen modellieren, eine in jedem Bein der Brücke. (Die Summe ist einfach das Schussrauschen, das dem gleichen Gesamtstrom aus dem Signal innewohnt).

Bei Anregung von 1 V beträgt der Brückenstrom 5 uA oder 2,5 uA pro Zweig. Das Rauschen ist einfach sqrt (N), wobei N die Anzahl der Elektronen / Sekunde ist.

I = 2,5 uA = 2,5e-6 · 6,25e18 = 15,6e12 Elektronen / Sekunde.

Also ist I (Rauschen) = sqrt (15,6e12) = 3,95e6 Elektronen / s = 0,63 pA / rtHz in jedem Bein.

Wenn man nun den Boden der Brücke als 0-V-Referenz nimmt, entwickelt dieser Strom eine Spannung über 200 Kilohm von 0,126 uV. Da es sich nun um Partitionsrauschen handelt, gehe ich davon aus, dass im anderen Abschnitt das Gegenteil passiert (die Rauschquellen sind NICHT unabhängig). Ich verdopple meine Schätzung des Spannungsrauschens auf 0,25 uV / rtHz.

Wenn dies korrekt ist, befindet sich das Partitionsrauschen im richtigen Ballpark, aber ich kann nicht sehen, wie es all Ihr Rauschen (1uV / rtHz) erklärt.

Darüber hinaus deutet der am wenigsten nutzlose Link, den ich gefunden habe (vorausgesetzt, er funktioniert woanders), darauf hin (Seite 94), dass Partitionsrauschen eine 1 / f-Verteilung aufweist, was Ihrer Beobachtung widerspricht. (Ich weiß nicht, warum sie 1 / f vorschlagen).

Eine Versuchslinie: Wenn Sie die Brücke durch 2k-Widerstände (2 Größenordnungen niedriger) ersetzen, sollte das Schussrauschen (ebenso Partitionsrauschen?) Um 1 Größenordnung an Bedeutung verlieren. Was passiert in der Praxis?

— Brian Drummond
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Vielleicht habe ich hier etwas verpasst, aber ist das Geräusch, das Sie berechnet haben, nicht das Geräusch relativ zum Boden der Brücke? In welchem Fall handelt es sich um Gleichtaktrauschen und sollte vom Stanford bei 100 dB zurückgewiesen werden? Wenn ich die Spannung berechne, die durch den Rauschstrom über 2 kΩ abfällt (um die Differenz zwischen den beiden Armen der Brücke darzustellen), erhalte ich 4 nV / √Hz - weniger als Johnson.

— Jack B

Was Sie vermisst haben, ist, dass es von Natur aus kohärent und entgegengesetzt im Vorzeichen in jedem Schenkel der Brücke ist, was eine differenzielle Ausgabe ergibt.

— Brian Drummond

Ich glaube ich bin jetzt bei dir. Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass dies als √I = √V skaliert wird, nicht als V, wie ich beobachte? In Kombination mit der niedrigeren berechneten Amplitude lauert dies möglicherweise im Hintergrund, aber ich denke nicht, dass dies die dominierende Rauschquelle ist.

— Jack B

Ein weiteres Experiment: Wenn Sie die Brücke von Hand (mit einem Trimpot) ausbalancieren, verschwindet das überschüssige Geräusch? Wenn ja, scheint Scotts Antwort umso wahrscheinlicher. Partitionsrauschen würde bleiben.

— Brian Drummond