Scott Hunt

本文概述了精密系統中的輸入參考計算和仿真，以及如何從中獲得最大的見解。在 設計 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。規格可以分數表示為百分比，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致最大的混亂，但它們增加了對系統性能的重要見解。

噪聲、錯誤和參考輸入

圖1顯示了測量的通用系統框圖。每個模塊可以有多個組件或平臺來執行測量功能。從傳感器到ADC的每個模擬級也會產生不需要的模擬噪聲和誤差，從而掩蓋測量信號的值。ADC輸出端的數據表示信號與總噪聲和誤差相結合。一些噪聲和誤差可以通過校準、補償和信號處理技術來減少。其余部分導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置關鍵系統規格，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 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。考慮輸入參考計算的另一種方法是，ADC測量的數據通常在軟件中縮放，以表示被測量物理量的值。縮放前的原始數據包括誤差和噪聲;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在輸入端。

結合噪聲源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）對于確定系統性能最有用。設計人員可以選擇電路中的哪個點來調用輸入和輸出，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的數據，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？答案反映了測量數據的實際用法：對RTO噪聲應用與應用于軟件中輸出數據的相同縮放，以將其表示為輸入信號。兩者都應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，在大多數傳統線性電路中，施加到信號的增益在設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帶寬設計為比信號頻帶寬，以避免頻帶邊緣信號的動態誤差，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的增益，并且該常量值用于將RTO噪聲轉換為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，但在增益滾降時發散。傳統的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換。

如果信號增益在信號頻帶內不平坦，請考慮調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，則在信號頻帶內使用標稱增益最有可能與一般情況和軟件轉換因子相匹配，但請務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。

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點和輸入源，輸出噪聲（RTO）是查看分析結果的默認方式。LTspice還根據RTI的傳統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RTI噪聲進行積分并不能提供有意義的結果。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。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絡工具

作為ADI Precision Studio網絡工具套件的一部分，信號鏈噪聲工具設計用于在信號鏈級別執行噪聲計算，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據手冊中的完整測量噪聲曲線來提供實驗室準確的結果。像這樣的工具的主要優點之一是加快設計過程。該工具可即時反饋電路變化對整體噪聲性能的影響，從而加快設計迭代速度。完整的信號鏈可以導出到LTspice進行定制仿真。

圖6.ADI精密工作室中的信號鏈噪聲工具。

結論

輸入參考計算是了解測量系統預期性能的寶貴工具，有助于優化設計并為系統規格提供信息。與一些傳統方法相比，本文提出的基于測量系統架構的虛擬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行此分析。

審核編輯：郭婷