如何使用萬用表測量隨機噪聲信號

數(shù)字萬用表是測量電信號的有力助手。雖說是“萬”用表，其實常見的功能只有測量電壓、電流、電阻。電壓、電流還包括有交直流檔。除此之外，部分萬用表包含有測量電感、電容、通斷、二極管導通電壓、三極管電流放大系數(shù)、計數(shù)和頻率、溫度等。

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常見到的手持式和臺式萬用表

隨機噪聲信號在電路中很常見到。有的時候需要消除它，但有的時候也可以利用它完成測量。比如在測試放大器的有效帶寬、對系統(tǒng)進行辨識、確定系統(tǒng)所受到的干擾來源、以及測量一些基礎(chǔ)物理量等。

使用數(shù)字萬用表是否可以測量隨機噪聲大小呢？

在分析之前，可以先對比幾種不同的萬用表對隨機噪聲測量的結(jié)果。

使用 DS345 數(shù)字信號源產(chǎn)生有效值為 1V 的隨機噪聲作為被測量信號。

數(shù)字信號發(fā)生器：DS345

通過示波器觀察到的隨機信號的時域波形。由于數(shù)字信號發(fā)生器的輸出阻抗為 50Ω，在外部負載也為 50Ω下，輸出信號的幅值降低一半。

使用示波器直接觀察數(shù)字信號發(fā)生器的輸出信號，由于示波器的輸入阻抗很大（1MΩ），因此示波器實際觀察到的信號的幅值比 DS345 標稱輸出值大一倍。

通過示波器采集到的隨機信號波形

重新將 DS345 的隨機信號輸出幅度調(diào)整為 0.5Vrms，此時實際輸出信號的幅值則為 1Vrms。

使用七種數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量 DS345 輸出的隨機噪聲信號。它們顯示的數(shù)值各不相同，都比 1V 小，相互之間也差別很大。

其中讀數(shù)最高的是 DM3068 六位半的數(shù)字萬用表，但顯示數(shù)值也僅有 0.587V，比信號源輸出的 1V 低了 42%。

表格：不同數(shù)字萬用表測量 1Vrms 隨機噪聲的讀數(shù)

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為什么數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量隨機噪聲的有效值的結(jié)果與實際信號數(shù)值相差很大呢？是否隨機信號本身的有效值不是 1V？

使用示波器采集上面隨機噪聲信號 280k 個數(shù)值，發(fā)送到計算機。統(tǒng)計它們的直方圖分布如下圖所示。

示波器讀取的信號采集數(shù)值直方圖分布

數(shù)據(jù)的標準方差為：1.0368V。這說明信號發(fā)生器給出的隨機信號的有效值與它的顯示值是一致的，就是 1V。

前面的幾種數(shù)字萬用表，無論什么型號、不論價格貴賤，也不論是否表明有真有效值測量，它們所測量信號的有效值與實際值之間都有很大的差別。為什么測量隨機信號與普通的正弦交流信號有這么大的差別呢？

普通的隨機信號和正弦信號相同之處包括它們都是是交流信號，都具有功率（能量）。

不同頻率的正弦信號

不同之處就在于信號中所包含的頻率分量不同。普通的正弦信號主要包含有它的基頻信號，還有一些高頻諧波信號?；l信號的功率占絕對多數(shù)。只要萬用表能夠?qū)l信號測量準，顯示的結(jié)果就準確了。

下圖是 DS345 產(chǎn)生的 5MHz 的正弦波信號的頻譜測量值。

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DS345 產(chǎn)生的 5MHz 的正弦信號的頻譜

對于隨機信號，所包含的頻率分量就非常豐富了。在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)連續(xù)分布。下面 是 DS345 所產(chǎn)生的隨機信號的頻譜測量曲線。

它的頻率分量從低頻一直擴展到 30MHz 左右，絕大多數(shù)的信號分量集中在 10Mhz 以內(nèi)。

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DS345 產(chǎn)生的隨機信號的頻譜

數(shù)字萬用表對于不同頻率交流信號測量結(jié)果是不同的，往往具有一個頻率上限，超過該頻率上限之后，測量的結(jié)果就會減小。

不同萬用表測量交流頻率的上限各不相同。下面使用 DS345 產(chǎn)生 10kHz 到 6MHz，有效值為 1V 的正弦信號，使用 DM3068 數(shù)字萬用表交流電壓檔測量信號的幅值。

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使用數(shù)字信號發(fā)生器測量數(shù)字萬用表交流電壓頻率曲線

在頻率小于 500kHz 的時候，數(shù)字萬用表的讀數(shù)基本上維持在 1V 左右。當頻率超過 500kHz，讀數(shù)就開始下降。頻率每增加一倍，讀數(shù)就降低一倍。

當頻率超過 5.2Mhz 之后，讀數(shù)就突然降低小于 0.2V。

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DM3068 數(shù)字萬用表頻率曲線

數(shù)字萬用表對于不同頻率正弦信號測量結(jié)果的是不同。由于隨機噪聲信號的頻譜擴展到了 30Mhz 左右，所以超過 500kHz 之后的頻率分量的結(jié)果都進行了衰減。

利用前面對 DM3068 數(shù)字萬用表頻率增益曲線，可以分別計算出隨機噪聲信號中每個頻率分量的增益。然后再將這些頻率分量能量疊加在一起，便可以得到實際測量信號的有效值了。

隨機信號頻譜（藍色）,DM 3068 頻譜特性(黃色),實際測量隨機噪聲各頻率分量的數(shù)值(綠色)

具體計算公式如下所示。積分 運算使用數(shù)值累加計算來近似。

所得到的比值 R，代表了對于 DS345 所產(chǎn)生的隨機噪聲 Sn 有效值減少的比率。

通過上面數(shù)據(jù)，利用數(shù)值積分可以得到萬用表 DM3068 對該噪聲的測量結(jié)果減少比例：sqrt(R)= 0.591。

前面使用 DM3058 對于 DS345 所產(chǎn)生的有效值為 1V 的隨機噪聲實際測量結(jié)果為 V=0.587V?？梢钥吹竭@個數(shù)值與上面公式所得到的結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)是一致的。

由于萬用表各自的頻率曲線不同，所以所測量隨機噪聲有效值減少的比率也不同。下面是利用同樣的方法測量得到的 FLUKE45, MD8218 數(shù)字萬用表的頻率曲線。

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不同數(shù)字萬用表的頻率曲線

使用上面同樣的方法，可以分別計算出對于 DS345 所產(chǎn)生的隨機信號，上面各個數(shù)字萬用表讀數(shù)衰減比率 sqrt(R):

FLUKE45: 0.274

MM8218: 0.254

UT61E: 0.162

對比一下前面對于有效值 1V 隨機信號測量結(jié)果，可以看到衰減比率與萬用表實際讀數(shù)是一致的。

如果隨機信號的頻譜都落在數(shù)字萬用表的頻譜范圍內(nèi)，數(shù)字萬用表的可以給出準確的讀數(shù)。如果隨機信號的頻譜超出了數(shù)字萬用表的頻譜范圍，則數(shù)字萬用表給出的讀數(shù)就會出現(xiàn)偏差。通過上面方法可以獲得測量結(jié)果的比率，修正后數(shù)字萬用表的讀數(shù)便可以準確反映具有某種頻率分布的隨機信號有效值了。
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