Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego

ghost666 24 Sty 2019 15:20 2052 13
  • Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Pytanie: Jak zmierzyć widmo jakiegoś układu dla wszystkich częstotliwości naraz?

    Odpowiedź: Szum zazwyczaj jest wrogiem elektronika, a każdy szanujący się projektant stara się zredukować jego poziom w układzie do minimum. Jednakże są pewne sytuacje, gdy dobrze scharakteryzowane źródło szumu, bez żadnych innych dodanych sygnałów, może być bardzo pożądane.

    Jeden przypadków, gdy źródło szumu jest użyteczne, to właśnie charakteryzacja układów. Typowo widma przejścia układów elektronicznych bada się podając na wejście sygnał o zmiennej częstotliwości i mierząc zachowanie sygnału na wyjściu. Na wejście podaje się zazwyczaj sygnał sinusoidalny, zmieniając częstotliwość w dyskretnych krokach lub przemiatając częstotliwością ze źródła z ciągłą regulacją częstotliwości.

    Tego rodzaju systemy nie są pozbawione wad. Niezwykle trudno generuje się sygnały o bardzo niskiej częstotliwości, tj. poniżej 10 Hz. Jeśli przebieg generujemy z pomocą procesora i przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC) to z odrobiną filtracji wyjścia etc. możemy osiągnąć dobre parametry wyjściowe, jednakże układ taki pracować będzie bardzo wolno – każda zmiana częstotliwości sprawia, że układ musi ustabilizować się, przez co sekwencyjne skany są czasochłonne. Można je przyspieszyć zmniejszając liczbę dyskretnych częstotliwości przebiegu, który generujemy, ale jest to okupione zmniejszeniem rozdzielczości naszego pomiaru – możemy w ten sposób przegapić jakieś wartościowe elementy widma, np. rezonanse o wysokiej dobroci itp.

    Generator taki zastąpić można np. źródłem szumu białego. Jest to możliwe, ponieważ zasadniczo szum biały to suma wszystkich przebiegów sinusoidalnych o wszystkich możliwych częstotliwościach. W ten sposób możliwe jest mierzenie pełnego widma w jednym pomiarze. Wykorzystanie szumu zamiast dyskretnych przebiegów sinusoidalnych ma swoje zalety. Pozwala to znacznie przyspieszyć pomiar dzięki pomiarowi widma mierzonego urządzenia (DUT) w całym interesującym nas zakresie. Dodatkowo, źródło szumu eliminuje konieczność wykorzystania drogiego lub złożonego generatora przebiegów sinusoidalnych o strojonej lub przemiatanej częstotliwości sygnału. Wystarczy na wejście DUT podać szum biały, a wyjście podłączyć do analizatora widma. Pokaże nam on od razu widmo całego układu. Im dłużej będziemy mierzyć – uśredniać przebiegi – tym dokładniejsze widmo otrzymamy.

    Widmo sygnału wyjściowego jest zasadniczo widmem szumu białego przefiltrowanego przez badany układ. Wykorzystanie tego rodzaju pomiaru pozwala łatwo odkryć wszelkie anomalne zachowania układu, powstawanie dziwnych harmonicznych czy dziwnych artefaktów w sygnale wyjściowym.





    Co więcej, odpowiedni generator szumu białego pozwala nam przetestować także sam analizator widma. Jeśli dysponujemy dobrym generatorem szumu białego, to po podłączeniu go do analizatora widma, powinniśmy zobaczyć niemalże płaski rozkład amplitud sygnału w szerokim zakresie częstotliwości. Tak właśnie wygląda przecież szum biały, jaki generuje nasz prosty generator.

    Z praktycznego punktu widzenia, wykorzystanie generatora szumu białego znacznie upraszcza i przyspiesza pomiar. Jak pokażemy poniżej, generator taki jest bardzo kompaktowy oraz prosty i tani w złożeniu. Dodatkowo, jego wykorzystanie jest bardzo proste – zaawansowane generatory sygnałów arbitralnych mają bardzo rozbudowany interfejs użytkownika i dużą ilość parametrów, jakie możemy kontrolować. W większości wypadków to dobrze, gdyż świadczy o jego uniwersalności, ale w przypadku szybkich pomiarów, jest bardziej wadą niż zaletą. Prezentowany poniżej prosty generator szumu z kolei nie ma żadnych możliwości konfiguracji – wystarczy go podłączyć do badanego układu, zasilić i już można dokonać potrzebnego nam pomiaru.

    Dyskusja o szumie

    Szum termiczny opornika, nazywany czasami szumem Johnsona lub Nyquista powstaje na skutek termicznego wzbudzenia nośników ładunku w oporniku. Zasadniczo szum ten jest w zasadzie biały z dystrybucją opisywaną rozkładem normalnym.

    Jeśli chodzi o parametry elektryczne, to gęstość spektralna tego szumu opisana jest poniższym równaniem:

    $$V_{szum} = \sqrt {4 \times k_B \times T \times R}$$

    gdzie kB to stała Boltzmana, T to temperatura, a R to rezystancja opornika.

    Jako że szum napięciowy powstaje na skutek losowych ruchów ładunków, to jest on proporcjonalny do rezystancji i prądu powodowanego przez ten ruch (V = R x Iszum). Stąd też taka, a nie inna postać powyższego równania.

    W poniższej tabelce zebrano teoretyczne wartości szumu napięciowego dla oporników o różnej rezystancji w stałej temperaturze równej 20°C.

    RezystancjaGęstość spektralna szumu
    10 Ω0.402 nV/√Hz
    100 Ω1.27 nV/√Hz
    1 kΩ4.02 nV/√Hz
    10 kΩ12.7 nV/√Hz
    100 kΩ40.2 nV/√Hz
    1 MΩ127 nV/√Hz
    10 MΩ402 nV/√Hz


    Zatem opornik 10 MΩ jest de facto źródłem szumu szerokopasmowego o gęstości spektralnej równej 402 nV⁄√Hz połączonym równolegle z opornikiem o swojej nominalnej rezystancji. Odpowiednio wzmocnione napięcie szumu takiego rezystora jest całkiem dobrym i dostatecznie stabilnym źródłem szumu białego, szczególnie, że temperatura nie ma ogromnego wpływu na jego wartość – tak R i T wchodzi do równania pod pierwiastkiem. Na przykład zmiana temperatury z 6°C do 20°C odpowiada zmianie rezystancji z 293 kΩ do 299 kΩ. Ponieważ gęstość spektralna szumu jest wprost proporcjonalna do pierwiastka tych wartości, to zmiana temperatury o około 6°C odpowiada zmianie amplitudy szumu o 1%. Analogicznie zmiana rezystancji o 2% odpowiada zmianie poziomu szumu o 1%.

    Na rysunku 1 zaprezentowany jest przykładowy układ kieszonkowego generatora szumu. Do generacji szumu białego wykorzystany jest opornik R1 o rezystancji 10 MΩ, podłączony do wejścia nieodwracającego wzmacniacza operacyjnego (op-ampa). Rezystory R2 oraz R3 ustawiają wzmocnienie napięciowe układu, pracującego, jako wzmacniacz nieodwracający, a kondensator C1 filtruje zakłócenia generowane przez impulsową pracę op-ampa. Na wyjściu takiego układu mamy sygnał o gęstości spektralnej szumu równej 10 µV/√Hz.

    Wzmocnienie tego układu wynosi (1+ R2/R3), w tym przypadku równe jest ono 21 V/V. Nawet, jeżeli opornik R2 ma dużą wartość (np. 1 MΩ) to szum tego opornika będzie niewielki w porównaniu do wartości wzmocnionego szumu napięciowego z opornika R1.

    Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Rys.1. Pełny schemat kieszonkowego generatora szumu białego. Oparty jest o op-amp LTC2063 o niskim dryfcie i zredukowanym zużyciu mocy, który wzmacnia szum opornika R1.


    Wybierając wzmacniacz operacyjny do tego rodzaju układu, musimy zwrócić uwagę na szereg parametrów tego elementu. Konieczne jest, aby szum napięciowy wzmacniacza był na tyle niewielki, by sygnał zbierany z opornika R1 mógł zdominować sygnał. Inaczej układ nie będzie produkował odpowiednio jednorodnego szumu białego. Z tego samego powodu istotne jest także wybranie op-ampa o możliwie małym szumie prądowym, tak aby Iszum x R2 było istotnie mniejsze niż R1szum x wzmocnienie.

    Na ile szum wzmacniacza wpływa na działanie układu

    Tabelka poniżej pokazuje, na ile zwiększa się szum wyjściowy układu, gdy dodajemy zewnętrzne źródła szumu (opisane łącznie, jako parametr en op-ampa). Zmiana 402 nV⁄√Hz do 502 nV⁄√Hz to około 1,9 dB dla napięcia i 0,96 dB dla mocy. W momencie, gdy szum op-ampa i innych zewnętrznych źródeł w układzie wynosi około 50% tego, ile szumu R1, to niepewność poziomu szumu na poziomie 5% przekłada się na zmianę gęstości spektralnej szumu na wyjściu układu o około 1%.

    RNOISE (nV/√Hz)Parametr en op-ampaCałkowity szum napięciowy na wyjściu
    402 nV/√Hz300501.6 nV/√Hz
    402 nV/√Hz250473.4 nV/√Hz
    402 nV/√Hz200449.0 nV/√Hz
    402 nV/√Hz150429.1 nV/√Hz
    402 nV/√Hz100414.3 nV/√Hz


    Można by zastanowić się, czy możliwe jest zestawienie tego rodzaju generatora bez opornika R1, wykorzystując jedynie szum, jaki generuje sam wzmacniacz operacyjny. Zasadniczo jest to możliwe, ale potrzebny jest op-amp z płaską charakterystyką szumu na wejściu. Niestety większość dostępnych na rynku op-ampów ma słabo scharakteryzowany szum napięciowy, a jego rozbieżności są bardzo duże i zależne od serii produkcyjnej, napięcia i temperatury pracy etc.

    Można, zamiast opornika, próbować wykorzystywać inne elementy. Szczególnie dobre są tutaj diody Zenera, ale ich charakterystyki szumowe są i tak znacznie mniej przewidywalne niż w przypadku oporników. Znalezienie odpowiedniej diody Zenera, która w stabilny sposób produkowałaby szum o odpowiedniej amplitudzie, przy prądzie na poziomie kilku mikroamper może być dosyć problematyczne, szczególnie, jeśli chcielibyśmy zastosować tutaj diodę o niskim napięciu pracy (tj. poniżej 5 V).

    Niektóre wysokiej klasy generatory szumu białego wykorzystują długie pseudolosowe sekwencje cyfrowe, przetworniki DAC i specjalne filtry. W wielu przypadkach wykorzystanie małego mikrokontrolera i DACa może być adekwatne, jednakże w takim wypadku konieczne jest upewnienie się, iż przetwornik nie wprowadza do sygnału zakłóceń: składowych harmonicznych, zakłóceń nieliniowych (intermodulacyjnych) etc. Aby tego dokonać, konieczne jest spore doświadczenie inżynierskie; przydaje się ono też do zaprojektowania filtra i wybrania odpowiedniej sekwencji kodów pseudolosowych. Wszystko to zwiększa poziom skomplikowania układu i niepewność jakości szumu.

    Kieszonkowy generator szumu białego

    Nasz projekt generatora szumu białego, jaki przedstawiono powyżej, powstał na dwóch założeniach:

    1. Musi być przenośny, czyli jego zasilanie pochodzić będzie najpewniej z baterii. Aby układ zasilany z baterii mógł długo pracować, musimy wybrać elementy elektroniczne o niskim zużyciu prądu. Ma to ogromny wpływ na wybór wzmacniacza operacyjnego w systemie.

    2. Musi zapewniać jednorodny szum biały nawet przy niskich częstotliwościach, to jest nawet poniżej 0,1 Hz. Górna granica częstotliwości jest mniej krytyczna i zostanie ona eksperymentalnie oszacowana.

    Powyższe warunki sprawiły, że do projektu wybrany został wzmacniacz operacyjny LTC2063 firmy Linear Technology (obecnie Analog Devices). Idealnie pasuje on do tego zastosowania swoimi parametrami – niewielkim poborem prądu i zerowym dryfem podczas pracy.

    Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Rys.2. Prototyp kieszonkowego generator szumu białego.


    Napięcie szumu z opornika 10 MΩ wynosi 402 nV⁄√Hz; analogiczny parametr LTC2063 jest równy mniej-więcej połowie tego. Szum prądowy opornika 10 MΩ wynosi 40 fA⁄√Hz; dla LTC2063 jest to ponownie lekko poniżej połowy tej wartości.

    LTC2063 idealnie pasuje do zasilania bateryjnego, jako że pobór prądu przez ten op-amp wynosi typowo około 1.4 µA, a zasilanie może wynosić jedynie 1,7 V (katalogowo 1,8 V). Pobór prądu jest istotny, jako że jeśli chcemy mierzyć bardzo niskie częstotliwości, to układ będzie musiał być włączony przez bardzo długi czas – jeden okres sygnału o częstotliwości 0,1 Hz to 10 sekund, a interesują nas przecież jeszcze niższe częstotliwości; bez problemu można wyobrazić sobie akwizycję zajmującą zatem setki lub tysiące sekund.

    Gęstość spektralna szumu LTC2063 wynosi na jego wejściu około 200 nV⁄√Hz. Szum ten jest dobrze przewidywalny i płaski w szerokim zakresie częstotliwości (z dokładnością około ±0.5 dB). Zakładając, że szum pochodzący z op-ampa jest równy 50% szumu termicznego opornika i zmienia się o nie więcej niż 5%, to wyjściowa gęstość spektralna szumu z naszego układu podana może być z dokładnością równą 1 %.

    Wykorzystanie op-ampa z zerowym dryftem ma jeszcze jedną zaletę – z samej zasady swojego działania układy te nie wykazują szumu 1/f (szumu różowego). Niektóre są w tym zakresie są lepsze, inne gorsze, ale w ogólności w takich układach szum różowy jest rzadko kiedy obecny.

    Niektórzy producenci co prawda nie specyfikują szumu 1/f dla takich układów lub podają widma gęstości spektralnej szumu bez zakresu milihercowego, możliwie maskując szum różowy, ale nie jest tak w przypadku wybranego przez nas LTC2063.

    Alternatywnym rozwiązaniem jest wykorzystanie wzmacniaczy operacyjnych stabilizowanych impulsowo (chopper stabilization), jednakowoż w ich przypadku szum przełączania może popsuć nam charakterystykę wyjściową układu w zakresie wyższych częstotliwości, więc układy takie stosować należy ostrożnie.

    Opis układu

    Jako opornik R1 wybrano cienkowarstwowy rezystor produkcji Vishay/Beyschlag (MMA0204 10 MΩ). To ten element odpowiedzialny jest za generację większości szumu w układzie, dlatego dobrze jest dobrać tutaj opornik, który zapewni nam odpowiednią stabilność.

    Zasadniczo, jako R1 wybrany może być dowolny element 10 MΩ, jednakowoż MMA0204 charakteryzuje się bardzo dobrymi parametrami przy jednocześnie dosyć niskiej cenie. Z uwagi na fakt, że prąd płynący przez opornik jest bardzo mały, to szum 1/f tego elementu będzie zaniedbywalny. To co nie jest zaniedbywalne to stabilność elementu, dlatego dobrze jest unikać tutaj tanich rezystorów grubowarstwowych, jako że charakteryzują się one słabą dokładnością i stabilnością jak na zasadniczy element generatora szumu białego.

    Dla osiągnięcia najlepszej precyzji i długoczasowej stabilności elementy R2, R3 oraz RS powinny mieć tolerancję 0,1%. Najlepiej sprawdzą się tutaj rezystory cienkowarstwowe, np. TE CPF0603. C2 i C3 mogą być wykonane z większości dielektryków; najlepiej sprawdzi się C0G z uwagi na gwarancję niskiego prądu upływu.

    Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Rys.3. Projekt połączeń na płytce uniwersalnej dla projektowanego generatora szumu białego


    Budowa układu

    Powierzchnia pętli tworzonej przez element R1, C1 oraz R3 powinna być minimalna, by zmaksymalizować odporność układu na zakłócenia elektromagnetyczne. Dodatkowo, elementy R1 i C1 powinny być ekranowane przed wszelkimi zewnętrznymi polami elektrycznymi, co omówione zostanie poniżej w rozdziale poświęconym odporności na zakłócenia EMI. Dodatkowo, aczkolwiek nie krytycznie, R1 powinien być chroniony przed zmianami temperatury; zazwyczaj jednak ekran EMI spełnia też doskonale rolę ekranu cieplnego.

    Wejście układu LTC2063 jest typu rail-to-rail, ale należy unikać korzystania z wyższego zakresu napięcia wejściowego, szczególnie w przypadku napięcia współbieżnego, jako że może to przełożyć się na wystąpienie częstotliwości przejścia w wyższym zakresie i zredukować stabilność działania generatora. Układ najlepiej jest zasilić napięciem V+ co najmniej 1,1 V dla uzyskania najlepszych efektów.

    Rezystancja RS wynosząca 10 kΩ może wydawać się wysoka dla układu o niskim poborze prądu, ale LTC2063 ma wysoką impedancję wyjściową, więc nawet opornik o takiej rezystancji nie jest w stanie w pełni odizolować op-ampa od obciążenia pojemnościowego na jego wyjściu. Jednakże dla tego rodzaju układu górki w widmie, jakie pojawiają się na skutek obciążenia pojemnościowego, są jedynie dodatkową cechą, a nie np. zagrożeniem stabilności.

    Wyjście wzmacniacza operacyjnego ‘widzi’ obciążenie w postaci opornika RS (10 kΩ do masy) i pojemności CX (50 nF do masy). Kondensator CX będzie oddziaływał z układem wyjściowym w LTC2063 powodując powstawanie górki na widmie wyjściowym. Może ono być wykorzystane do poszerzenia zakresu działania generatora w zakresie wyższych częstotliwości w podobny sposób jak otwór w obudowie zestawu głośnikowego (‘bass-reflex’) służy do poszerzenia pasma w dolnym jego zakresie. Do układu podłączać najlepiej odbiorniki o wysokiej impedancji (powyżej 100 kΩ), jako że mniejsza impedancja może w istotny sposób zredukować amplitudę sygnału wyjściowego, a także ewentualnie wpłynąć na kształt jego widma.

    Opcjonalne strojenie układu

    Szereg parametrów op-ampa (takie jak ROUT czy GBW) wpływa na to, na ile płaskie będzie widmo szumu generowanego przez układ, szczególnie w zakresie najwyższych częstotliwości. Bez dostępu do analizatora widma ciężko jest nastroić układ i wtedy najlepiej wykorzystać rekomendowane wartości Cx – 47 nF. Daje to typowe pasmo (-1 dB) na poziomie 200..300 Hz.

    Jednakże, jeśli mamy dostęp do takiego urządzenia, możemy poeksperymentować ze zmianą CX w szerszym zakresie od około 30 nF do 50 nF. Dla szerszego pasma, ale z większą górką na skraju, zastosujmy mniejszy kondensator. Dla bardziej tłumionego i gładszego, lecz węższego widma, skorzystajmy z większej pojemności CX.

    CX związane będzie także z prądem zasilania op-ampa. Układy o mniejszym prądzie potrzebować będą nieco większego CX, a układy pobierające relatywnie duży prąd mogą potrzebować nawet poniżej 30 nF do pracy z płaskim i szerokim widmem wejściowym.

    Wykresy pokazane poniżej na rysunkach 4 oraz 5 pokazują widma wyjściowe układu dla różnych wartości pojemności CX.

    Pomiary układu

    Zmierzono widmo gęstości spektralnej układu dla różnych wartości pojemności kondensatora CX, przy zachowaniu takich samych parametrów (RS = 10 kΩ i zasilanie ±2.5 V). Na rysunku 4 zaprezentowano wyniki pomiarów widma dla CX = 0 nF / 2.2 nF / 10 nF / 47 nF / 68 nF.

    Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Rys.4. Widmo gęstości spektralnej szumu układu z rysunku 1 dla różnej wartości pojemności CX.


    Dla CX = 2.2 nF widmo jest dosyć gładkie, ale obserwowany jest pik na skraju pasma, który dla CX = 10 nF jest największy i maleje dalej dla zwiększania pojemności CX. Dla CX = 68 nF pik nie jest w ogóle obserwowany, ale płaski zakres widma jest istotnie węższy. Optymalne rezultaty otrzymano dla wartości pojemności około 47 nF.

    Szum pochodzący od zegara jest trzy rzędy wielkości poniżej poziomem sygnału użytecznego. Z uwagi na ograniczoną rozdzielczość pionową, nie możemy oszacować dokładnie, jak płaskie jest widmo wyjściowe.

    Układ mierzono przy zasilaniu z baterii ±2,5 V, ale można go zasilać nawet dwoma bateriami zegarkowymi (około ±1.5 V).

    Na rysunku 5 pokazano przybliżenie na widmo w osi Y. Dla wielu aplikacji płaskość widma w zakresie 1 dB jest dostateczna, a poniżej 0,5 dB jest już wyjątkowo dobra. Tutaj, dla CX = 50 nF jest o wiele, wiele lepsza niż to. Więc dla pojemności w zakresie 45..55 nF powinna być akceptowalna dla większości zastosowań.

    Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Rys.5. Przybliżony widok na wykresy widma gęstości spektralnej szumu układu z rysunku 1.


    Aby uzyskać tak wysokiej dokładności widma w szerokim zakresie częstotliwości, konieczne jest dużo czasu. Powyższe widma (w zakresie od 10 Hz do 1 kHz, 1000 uśrednionych powtórzeń) mierzyły się około 20 minut per widmo. Jeśli chcielibyśmy prowadzić pomiary dla zakresu poniżej 10 Hz, to czas potrzebny będzie odpowiednio większy.

    Najlepszym sposobem uzyskania precyzyjnego kondensatora 50 nF w tym układzie jest szeregowe złożenie dwóch elementów 100 nF, najlepiej wykonanych z dielektryka C0G. Kondensatory takie, o tolerancji 5% w rozmiarze 1206 są produkowane przez Muratę, TDK czy Kemeta. Alternatywą może być wykorzystanie pojedynczego kondensatora 47 nF dielektryka C0G w obudowie 1206 lub 0805, jednakże taka wartość może być mniej dostępna w handlu.

    Pamiętajmy także, że dokładna wartość CX, jakiej potrzebujemy dla optymalnego działania zależy mocno od parametrów wzmacniacza, więc jeśli zastosujemy inny układ niż sugerowany tutaj, musimy samodzielnie dobrać optymalny kondensator.

    Dla układu sprawdzono też płaskość widma w funkcji napięcia zasilającego układ. Wyniki tego pomiaru zaprezentowane są na rysunku 6. Standardowo układ zasilany jest napięciem ±1.5 V. W ramach eksperymentu zmieniano napięcie zasilania w zakresie od ±1.0 V do ±2.5 V. Jak widać na załączonych widmach, ma to niewielki wpływ na powstawanie piki w widmie, czy też poziom płaskości widma. Zmiany te są nie większe niż 0,2 dB dla całego zakresu zmian napięcia zasilającego. Wykres sugeruje, że układ będzie stabilny amplitudowo i spektralnie podczas zasilania z dwóch niewielkich baterii.

    Rzadko zadawane pytania: kieszonkowy generator szumu białego
    Rys.6. Gęstość spektralna szumu dla różnych napięć zasilania.


    Dla tego układu, przy zasilaniu ±1.5 V widmo wyjściowe jest płaskie z dokładnością do około 0,5 dB aż do częstotliwości około 380 Hz. Przy zasilaniu na poziomie ±1.0 V zwiększa się trochę pik przy częstotliwości granicznej. W zakresie napięć zasilających od ±1.5 V do ±2.5 V nie obserwuje się niemalże żadnych zmian w widmie wyjściowym.

    Napięcie międzyszczytowe na wyjściu zależy od wzmocnienia układu oraz jego pasma. Dla tego prototypu zmierzono napięcie międzyszczytowe wynoszące około 1,5 mVpp, z gęstością spektralną szumu na poziomie 10 µV⁄√Hz. Dla bardzo małych częstotliwości, istotnie poniżej 0,1 Hz, może ona nieznacznie wzrastać. Układ scharakteryzowano dla zakresu od 0,1 Hz, gdzie widmo nadal było płaskie.

    Jeśli chodzi o stabilność temperaturową, to dominujący wpływ ma szum termiczny, który od temperatury zależy (jak tłumaczono powyżej). Jednakże zależność ta nie jest duża i w zakresie od 16°C do 28°C zmiana amplitudy wyjściowej wynosi około ±1%, co jest niemalże niezauważalne na wykresach.

    Odporność na zakłócenia EMI

    Do ekranowania prototypu wykorzystano taśmę miedzianą z kaptonową izolacją. Owinięto folią tą część wejściową układu (opornik i kondensator na wejściu op-ampa) i przylutowano ją do potencjału masy na tylnej stronie PCB. Zmiana pozycji klapki ukrywającej te elementy ma istotny wpływ na czułość na zakłócenia elektromagnetyczne.

    Pomiary pokazują, że przy odpowiednim ekranie z tego rodzaju taśmy układ – w laboratorium – jest odporny na zewnętrzne zakłócenia i nie potrzebuje np. dodatkowego ekranu z mumetalu itp. W widmie nie obserwuje się zakłóceń wynikających z częstotliwości sieci etc. Jeśli w naszym przypadku tego rodzaju zakłócenia są obserwowane, konieczne może okazać się lepsze ekranowanie.

    W momencie, gdy układ zasilany jest zewnętrznym zasilaczem, a nie z baterii, przenikać z łatwością mogą do niego zakłócenia z zasilacza. Rekomenduje się wykonanie dobrego połączenia z masą oraz założenie na przewody doprowadzające zasilanie generatora solidnego dławika.

    Ograniczenia układu

    Oczywiście zawsze znajdą się aplikacje, do których ograniczone pasmo tego układu jest za wąskie, jak na przykład systemy audio, czy układy ultradźwiękowe. Szersze pasmo przy kilku mikroamperach nie jest możliwe.

    Przy pasmie 300..400 Hz, jakie pokazuje opisany powyżej generator szumu białego, bez problemu możemy jednakże testować układy, które np. filtrują szum pochodzący z zasilania sieciowego przy 50/60 Hz oraz np. tory analogowe do geofonów itp. systemów. Jako że dolna częstotliwość graniczna systemu jest bardzo niska, poniżej 100 mHz, to układ nadaje się do testowania systemów VLF, precyzyjnych systemów sensorowych etc.

    Amplituda sygnału wyjściowego z tego układu jest bardzo mała – poniżej 2 mVpp, ale jeśli potrzebujemy większej amplitudy, to nie ma przeciwwskazań, aby za tym układem umieścić wzmacniacz oparty np. także na LTC2063, skonfigurowany jako wzmacniacz nieodwracający, o wzmocnieniu np. 5 V/V. Jeśli dodamy do niego podobny filtr RC, jak opisany powyżej, to otrzymać możemy szerokopasmowy szum biały o równie dobrych parametrach, ale odpowiednio większej amplitudzie.

    Podsumowanie

    Opisany tutaj generator szumu białego jest małym, ale bardzo przydatnym narzędziem w wielu pomiarach. Ten kompaktowy układ pozwala na szybkie pomiary w zakresie niskich częstotliwości. Powinien on znaleźć się w warsztacie każdego elektronika.

    Układ ten, z uwagi na swoją prostotę, nie potrzebuje żadnej konfiguracji. Wystarczy podłączyć go do testowanego urządzenia i można rozpocząć pomiary charakterystyk w zakresie niskich i bardzo niskich częstotliwości. Z uwagi na bardzo niski pobór mocy przez zaproponowany wzmacniacz operacyjny, nie ma nawet konieczności instalowania włącznika zasilania w tym urządzeniu.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-154.html


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Sklep HeluKabel
  • Sklep HeluKabel
  • #4 25 Sty 2019 08:27
    zgierzman
    Poziom 20  

    krzysiek_krm napisał:
    Piottr242 napisał:
    LTC2063 nie do znalezienia w polskim handlu. Ani na Allegro, ani w TME.

    Chyba nie jest tak źle:
    https://pl.mouser.com/Search/Refine?N=1323043&Keyword=LTC2063

    Mouser nie jest polski... W obecnych czasach robi to niewielką różnicę, tyle że wysyłka droga. O ile mnie pamięć nie myli, to chyba 60, albo 80 PLN dla zakupów poniżej 200 PLN, i darmowa wysyłka jeśli przekroczysz te dwie stówki.
    Więc albo kupujesz jeden scalak za 70 PLN, albo bierzesz ich 20, płacisz 200 i 19 wzmacniaczy chowasz do szuflady...
    Jeśli jednak potrzebujesz ich więcej, albo chcesz kupić także inne części, tak, żeby przekroczyć limit, to Mouser jest OK.

  • #5 25 Sty 2019 09:26
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    zgierzman napisał:
    krzysiek_krm napisał:
    Piottr242 napisał:
    LTC2063 nie do znalezienia w polskim handlu. Ani na Allegro, ani w TME.

    Chyba nie jest tak źle:
    https://pl.mouser.com/Search/Refine?N=1323043&Keyword=LTC2063

    Mouser nie jest polski... W obecnych czasach robi to niewielką różnicę, tyle że wysyłka droga. O ile mnie pamięć nie myli, to chyba 60, albo 80 PLN dla zakupów poniżej 200 PLN, i darmowa wysyłka jeśli przekroczysz te dwie stówki.
    Więc albo kupujesz jeden scalak za 70 PLN, albo bierzesz ich 20, płacisz 200 i 19 wzmacniaczy chowasz do szuflady...
    Jeśli jednak potrzebujesz ich więcej, albo chcesz kupić także inne części, tak, żeby przekroczyć limit, to Mouser jest OK.


    Są w Polsce firmy takie jak Mausel, które sprowadzają stamtąd elektronikę i wtedy nie ponosisz tych ogromnych kosztów wysyłki, a jedynie nasze, Polskie, z tego co pamiętam.

  • #6 25 Sty 2019 09:42
    alekt77
    Poziom 28  

    ghost666 napisał:
    Są w Polsce firmy takie jak Mausel, które sprowadzają stamtąd elektronikę i wtedy nie ponosisz tych ogromnych kosztów wysyłki, a jedynie nasze, Polskie, z tego co pamiętam.

    Zgodnie z OWS podanymi na stronie f-my Mausel f-ma ta współpracuje jedynie z podmiotami, które dokonują zakupu w celu związanym ze swoją działalnością gospodarczą. Koszt dostawy przy zakupach na kwotę poniżej 50 euro netto wynosi 40 zł netto. A jeśli chodzi o LTC2063 to ich wyszukiwarka nie znajduje tego elementu wśród oferowanych przez firmę.

  • #8 26 Sty 2019 10:55
    willyvmm
    Poziom 27  

    Świetny układ. Zastanawiam się tylko co to za bateria z ktorej da się osiągnąć zasilanie ±2.5V

  • #9 26 Sty 2019 13:33
    krzysiek_krm
    Poziom 35  

    willyvmm napisał:
    Świetny układ. Zastanawiam się tylko co to za bateria z ktorej da się osiągnąć zasilanie ±2.5V

    Czytałeś całość ?
    ghost666 napisał:
    Standardowo układ zasilany jest napięciem ±1.5 V

    ghost666 napisał:
    W ramach eksperymentu zmieniano napięcie zasilania w zakresie od ±1.0 V do ±2.5 V. Jak widać na załączonych widmach, ma to niewielki wpływ na powstawanie piki w widmie, czy też poziom płaskości widma. Zmiany te są nie większe niż 0,2 dB dla całego zakresu zmian napięcia zasilającego.

    ghost666 napisał:
    Wykres sugeruje, że układ będzie stabilny amplitudowo i spektralnie podczas zasilania z dwóch niewielkich baterii.

  • #10 26 Sty 2019 14:14
    willyvmm
    Poziom 27  

    krzysiek_krm napisał:
    Czytałeś całość ?

    Czytałem, ale widocznie nie zwróciłem uwagi na fragment o eksperymencie.
    Dzięki.

  • #11 26 Sty 2019 15:09
    Janusz_kk
    Poziom 18  

    willyvmm napisał:
    Świetny układ.

    Wg mnie układ słaby, pasmo 200-300hz to tyle co nic, są lepsze schematy gen szumu o szerszym paśmie działania
    gdzie można w całym paśmie tor audio sprawdzić a nie tylko w bardzo wąskim
    wycinku.

  • #12 26 Sty 2019 16:32
    willyvmm
    Poziom 27  

    Mnie akurat interesują częstotliwości subakustyczne wiec dla mnie jest świetny.

  • #13 26 Sty 2019 17:44
    Janusz_kk
    Poziom 18  

    A co słonie będziesz straszył? człowiek tych częstotliwości i tak nie słyszy
    a i mogą być szkodliwe dlatego wzmacniacze odcinają i tak dół od około
    20hz.

  • #14 26 Sty 2019 17:45
    willyvmm
    Poziom 27  

    Na wzmacniaczach audio swiat sie nie konczy ;)