Вимірювання шумів - Студопедія
Інформація про шумові характеристики фотоприймача або фотоприймального пристрою найчастіше цікавить споживача, а отже, і розробника фотоприймача у двох аспектах. По-перше, розробника цікавить середньоквадратичне значення напруги шуму в певній заданій смузі частот навколо частоти сигналу, що несе, а оскільки апаратура, в якій повинен використовуватися фотоприймач, матиме максимальну чутливість лише за умови реалізації його шумів, цей параметр зазвичай задається.
По-друге, значний інтерес, особливо для порогових фотоприймальних пристроїв, представляє вибір частоти, на яку реалізується максимальна виявна здатність. Допомагає цьому частотна характеристика D * =j(f), визначення якої необхідно досліджувати спектральну щільність шуму `Uш=j(f). Ця ж залежність необхідна знаходження граничної частоти надлишкового шуму, що допомагає вибирати оптимальний частотний діапазон для апаратури, що використовує фотоприймач. Тому питання про вимір шумів доцільно розглядати саме у цих двох аспектах.
Вимірювання шуму в заданій смузі частотпроводиться, в основному, за допомогою нестандартних спеціально розроблених засобів вимірювань і в більшості випадків власні шуми вимірювальної апаратури не набагато відрізняються від шумів вимірюваного об'єкта. (Якщо мова йде про фотоприймачі, шуми ФПУ зазвичай набагато більше шумовимірювальних приладів.) Тому першим завданням при вимірюванні шумів є відокремлення шуму фотоприймача від шуму установки або, точніше, визначення частки, що вноситься власними шумами засобів вимірювання сумарний вимірюваний шум. Існує кілька способів оцінки власного шуму вимірювального тракту, наведеного до входу.
Упротягом тривалого часу його визначали за величиною відліку індикаторного пристрою вимірювального тракту при закороченому вході останнього, зіставляючи цей відлік з відліком при встановленому, але затемненому фотоприймачі. Однак цей спосіб не може бути визнаний коректним, оскільки шуми підсилювального тракту залежать від вхідного повного опору і, отже, вимірюваний таким способом власний шум тракту відрізнятиметься від шуму, який він має при підключеному до входу фотоприймачі.
Останнім часом практикується вимірювання напруги власних шумів вимірювальної установки при підключеному до підсилювача фотоприймачі. При цьому робоча напруга на приймач не подається. В результаті повний опір вимірювального тракту відповідає такому опору, який має тракт у процесі вимірювання, і в той же час шумом, що реєструється, виявляється практично тільки тепловий шум навантаження. Основні складові шумів фотоприймача на низьких частотах – шум 1/f та генераційно-рекомбінаційний шум – відсутні. Виміряне за цих умов напруга шуму застосовується за шум установки. Застосування такого методу вимірювань означає практично, що власний шум вимірювальної установки повинен вимірюватися при кожній установці фотоприймача, тобто шум установки фактично не паспортизується в процесі атестації, а стає параметром, контрольованим у процесі вимірювань. Звичайно, це спричиняє додаткові втрати часу в процесі вимірювань, але вони окупаються здебільшого підвищенням точності вимірювань. При проведенні масових вимірів та розробці автоматизованої апаратури методика обліку власного шуму вимірювального тракту має бути, очевидно, іншою. З іншого боку, забезпечити достатнюточність вимірів у разі виявиться можливим, очевидно, лише за умови, що власний шум тракту буде значно менше шумів контрольованих фотоприемников.
(5.5.1)
Говорячи про точність виміру середньоквадратичного шуму, потрібно мати на увазі, що вона залежить від часу виміру. Час це має бути достатнім для того, щоб результат виміру не відрізнявся більше ніж на задану величину від результатів, виміряних за час, що гарантує, що розподіл отриманих миттєвих значень напруги шуму відповідає гауссівському, тобто нормальному. Приємно вважати, що час спостереження має не менш ніж у 10 разів перевищувати зворотну величину ефективної шумової смуги вимірювального тракту, тобто чим вже смуга тракту, тим більше має бути час виміру для досягнення тієї ж точності результату. При розрахунках похибки вимірювання при заданій смузі та часі спостереження або, навпаки, при визначенні часу, необхідного для забезпечення необхідної точності, рекомендується використовувати вираз, запропонований Ван дер Зілом:
де d - похибка результату, t - час спостереження, Dfефф - ефективна смуга шуму вимірювального тракту.
Коефіцієнт 2 у знаменнику відповідає вимірювання шуму приладів для реєстрації синусоїдальних сигналів.
На точність вимірювання впливає також ширина динамічного діапазону вимірювального тракту. Будь-яке його обмеження означає, що деякі з можливих викидів шумових сигналів не пропускатимуть тракти без спотворень і, отже, це обмеження призводить до появи певної помилки. Оскільки, однак, забезпечити нескінченно великий динамічний діапазон практично неможливо, слід зробити його таким, щоб помилка не перевищувала допустимі межі.
Якщо шуми фотоприймача виявляються близькими до власних шумів вимірювальної установки, тобто в цьому випадку, коли виміряне значення шуму при подачі на приймач робочої напруги `US відрізняється від значення, отриманого при знеструмленому приймачі Uт не більше ніж у 3 рази, середньоквадратична напруга шумів фотоприймача
(5.5.2)
При великій різниці власними шумами підсилювального тракту Ut можна знехтувати і сумарне значення шуму US приймати за напругу шуму фотоприймача Uп = US.
Якщо склад вимірювальної установки входить операційний підсилювач, вимірюється не напруги, а струм шуму. Всі вимоги до тракту та прийоми вимірювання, а так само розрахунки залишаються незмінними.
Процесвимірювання спектральної щільності шумуне відрізняється від описаного вище, різниця полягає лише у використовуваній вимірювальній апаратурі. В даному випадку застосовуються аналізатори спектру, тобто селективні вольтметри з резонансною частотою, що перебудовується в широкому діапазоні, з вузькою ефективною шумовою смугою (так званою смугою аналізу). Відповідно до вищезазначеного для забезпечення достатньої точності вимірювань, час накопичення значно зростає. Крім того, воно може бути різним для різних частот, якщо ширина смуги аналізатора змінюється частотою (наприклад, при постійному значенні Df/fрез). Дуже важливо також при вимірі спектральної щільності шуму знати ефективну шумову смугу на кожній частоті, так як спектральна щільність розраховується як відношення виміряного середньоквадратичного значення напруги шуму до кореня ефективної шумової смуги. Зазвичай смуга кожної частоти вказується в паспорті чи технічному описі аналізатора (для стандартного приладу). Якщо цього немає смуга визначається в процесіметрологічної атестації приладу шляхом визначення його частотної характеристики та подальшого розрахунку. Якщо аналізатор має постійну смугу на всіх частотах, цю операцію досить зробити одного разу, якщо ж постійною є відносна ширина, операцію доводиться повторювати у всьому діапазоні зміни частоти. Зрозуміло, що така робота дуже трудомістка і займає багато часу. Тому, користуючись тим, що смуга аналізатора дуже вузька, можна застосувати дорогоцінний метод визначення ефективної шумової смуги. Йдеться про вимір середньоквадратичного напруження шуму дротяного резистора відомого номіналу на потрібних частотах і подальшому розрахунку ефективної шумової смуги виходячи з рівняння теплового шуму
При цьому необхідно точно знати температуру навколишнього середовища, за якої проводилися вимірювання.
Спектр шуму представляє зазвичай як графіка залежності спектральної щільності шуму від частоти f.
Чи не знайшли те, що шукали? Скористайтеся пошуком: