SZUMY NADMIAROWE REZYSTORÓW

1. WSTĘP.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z metodami pomiaru szumów nadmiarowych (1/f)

rezystorów przy pomocy techniki przemiennoprądowej. Technika ta pozwala na użycie
niskich napięć polaryzujących rezystory. Jednak przede wszystkim umożliwia ona
zredukowanie szumów przedwzmacniacza w zakresie małych częstotliwości, przez co
możliwy jest pomiar szumów dla częstotliwości znacznie mniejszych od 1 Hz.

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA.

2.1. Połączyć układ pomiarowy zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku.
Połączenia w skrzynce (wewnątrz kreskowanego obszaru) są wykonane.

Badane rezystory R tworzą dolne ramiona mostka Wheatstone’a. Pomiar w układzie

mostka pozwala znacznie zmniejszyć wpływ fluktuacji napięcia zasilającego V

bias

,

temperatury otoczenia oraz innych fluktuacji o charakterze wspólnym na wartość mierzonego
sygnału. Górne ramiona mostka tworzą drutowe rezystory szeregowe oraz pojemność C.
Elementy nastawne służą do równoważenia mostka. Wartość rezystancji szeregowej, R

B

,

powinna być znacznie większa od rezystancji R badanych rezystorów.

Po podłączeniu sprawdzić działanie układu. Ustawić impedancję wyjściową generatora w

pozycji „high Z”. Ustawić określone napięcie na generatorze i równoważyć mostek oraz
zwiększać wzmocnienie układu.

Dokonać „autofazowania” układu. W tym celu należy zmniejszyć wzmocnienie,

odłączyć wejście „B” przedwzmacniacza i zastąpić je zwarciem. Sygnał powinien mieć
poziom ok. 50 % zakresu. W razie potrzeby skorygować wzmocnieniem i/lub napięciem
sygnału z generatora. Uruchomić funkcję „autophase” wzmacniacza lock-in.

Podłączyć układ. Ponownie zrównoważyć mostek i zwiększyć wzmocnienie. Zanotować

wartość całkowitego wzmocnienia układu.

Wzmacniacz lock-in ma regulowaną czułość (sensitivity), co odpowiada różnym

wartościom wzmocnienia sygnału. Teoretyczna wartość tego wzmocnienia k

u

= 1/czułość. W

rzeczywistości ulega ona jednak pewnym zmianom ze względu na tłumienie w obwodach
filtrów wzmacniacza. Przyjąć, że współczynnik korekcji wzmocnienia wzmacniacza lock-in
wynosi 0,7.

S

V

( f

)

lock-in

C

R

B

2

1

R

B

2

1

R

2

1

R

2

1

V

wzmacniacz

5186

ref.

V

bias

karta pomiarowa

ref.

generator HP

oscyloskop

ch1

ch2

ch1

ch2

sig.

mon.

ch1

ch2

f

0

= 325 Hz

2.2. Pomiary należy przeprowadzić dla kilku wartości napięcia generatora polaryzującego
układ pomiarowy (1 – 7 V). Mierzyć jednocześnie sygnał z obu kanałów wzmacniacza lock-
in. Dokonać również pomiaru przy braku zasilania.

Funkcję gęstości widmowej mocy szumów na wyjściu układu mierzy się przy pomocy

karty pomiarowej NI. Zmierzone widma należy zapisać do komputera w celu użycia ich do
dalszych obliczeń. W ramce przedstawione są nastawy karty, niezbędne do prawidłowego
przeprowadzenia pomiarów.
Pomiary przeprowadzić w zakresie częstotliwości do ok. 32 Hz.
2.3. Dokonać pomiaru napięć polaryzujących rezystory V (odpowiadających wartościom
napięcia polaryzującego układ pomiarowy) przy pomocy wzmacniacza lock-in. Zmierzyć
rezystancję badanych rezystorów oraz rezystorów szeregowych.
2.4.* Przeprowadzić pomiary szumów w warunkach pomiarowych jak w punkcie 2.2, przy
czym detekcję sygnału przeprowadzić na kącie ±45°.

3. SPRAWOZDANIE.

3.1. Wykreślić wszystkie zmierzone widma S

V

dla różnych wartości napięcia V na jednym

wykresie (również dla V = 0).
3.2. Porównać zmierzoną wartość funkcji gęstości widmowej mocy szumu tła z wartością
wynikającą z równania Nyquista dla badanych rezystorów. Porównać widma szumu tła
zmierzone w drugim kanale wzmacniacza lock-in z widmem zmierzonym przy braku
zasilania. (Pomiar daje dwukrotną wartość szumu termicznego).
3.3. Obliczyć i wykreślić funkcję gęstości widmowej mocy szumów nadmiarowych S

Vex

badanych rezystorów. Wyznaczyć wartość współczynnika nachylenia

α

.

3.4. Obliczyć i wykreślić iloczyn funkcji S

Vex

i częstotliwości w funkcji częstotliwości.

3.5. Obliczyć średnią wartość iloczynu S

Vex

·f w paśmie częstotliwości, w którym wartość tego

iloczynu jest stała i wykreślić ją w funkcji napięcia V polaryzującego rezystory. Określić, czy
szum nadmiarowy ma charakter rezystancyjny. Obliczyć wartość intensywności szumów S.
3.6.* Dla pomiarów wykonanych zgodnie z p. 2.4 dokonać opracowania wyników według
punktów 3.1, 3.3 – 3.5. Porównać wyniki otrzymane przy użyciu obu metod pomiarowych.

Uwagi.
Wszystkie charakterystyki powinny być wykreślone w skali podwójnie logarytmicznej.
Do każdego z podpunktów sprawozdania dołączyć własne wnioski.

4. WYKAZ PRZYRZĄDÓW.

– Generator HP
– Przedwzmacniacz Signal Recovery 5186
– Wzmacniacz lock-in
– Karta pomiarowa (analizator widma) NI
– oscyloskop
– skrzynka ekranująca

Nastawy wzmacniacza lock-in

–

Czułość

sensitivity

(w zakresie 20 mV – 5 mV),

–

Stała czasowa

TC

(640 µs),

–

X

%

,

–

Y

%

,

Nastawy karty pomiarowej NI

•

Uruchomić program

DAQ NOISE 3

•

Odczytać ustawienia programu z pliku

Read Config

(plik

config.xml)

•

Wybrać katalog

•

Wpisać nazwę podkatalogu, np. V7

•

Zaznaczyć opcję

Transpose file postprocess

•

W podprogramie

Bridge Setup

wykasować wszystkie przyrządy,

Setup, Return

•

W podprogramie

DAQ Setup

wprowadzić następujące nastawy:

–

ustalić zakres wejściowe

Input range

(tak, aby sygnały miały wartość około 20 % zakresu),

–

ustalić wartości parametrów programu:

record lenght

(16384),

bins to save

(400),

records per

average

(30),

number of averages

(1),

averages to skip

(0),

Fs

(1024 Hz),

resolution

(0,0625

Hz),

Return

,

•

W podprogramie

DSP Domain

wprowadzić następujące nastawy:

–

Wybrać sygnały z odpowiednich kanałów

Input range

(tak, aby sygnały miały wartość około

20 % zakresu),

–

ustalić wartości parametrów programu:

available channels

(0x0, 1x1),

to save

(PSD0, PSD1),

to graph

(PSD0, PSD1), zaznaczyć opcję

line frequency

(enable),

Return

,

•

Uruchomić pomiar

Acquire

.