模擬采樣質量：精確度、靈敏度、精密度和噪聲

等式4:計算精密度

比如，如果您正在監測1V的恒定電壓，您會發現如果測量值之間相差20 µV,則可以通過以下公式計算出精密度：

通常情況下，精密度用百分比表示。 在這個例子中，精密度是99.998%。

當需要進行相對測量時(同一測量值與前一個讀數的差值)，比如對設備進行校準時，精密度具有重要意義。

4. 噪聲和噪聲源

噪聲是指所有對有用信號產生影響的干擾信號。 噪聲會在測量過程中引入不確定性，這種不確定通常會隨時間而變化。 這種不確定性可以是隨機的也可以是周期性的。 噪聲可以是瞬態噪聲也可以是寬頻隨機噪聲，其中瞬態噪聲具有固定頻率，比如諧波或混頻產物。 有時候我們會認為噪聲不會影響精確度規范，因為我們可以使用平均值或其他技術來消除噪聲。 然而，在大多數情況下精確度規范中包含了噪聲。 規范文件中應該規定噪聲是否包含在其中，通常情況下這些信息在腳注中給出。

噪聲有許多來源。 被測源或被測項可能會產生固有噪聲。 有些噪聲可能來自熱輻射源，比如電阻器噪聲，也可能是內在噪聲，比如由半導體設備產生的噪聲。 同樣，噪聲可能源自于外部環境，比如輸電線、房間中的燈光、電機和射頻源(比如無線電發射機、手機、無線電臺等等)。

熱噪聲

理想的電子電路不會產生噪聲，因此這種電路產生的輸出信號僅包含原始信號的噪聲。 但是實際電子電路和組件會產生一些固有噪聲。 即便是簡單的固定值電阻器也會產生噪聲。

圖4.圖A顯示的是一個理想的電阻器，但實際電阻器具有內部熱噪聲，如圖B所示。

圖4A給出了一個理想的、無噪聲電阻器的等效電路。 固有噪聲如圖4B中所示，該圖將噪聲電壓電源Vn與理想、無噪聲的電阻Ri串聯。 在高于絕對零度(0°K或大約-273°C)的任何溫度下，任何材料中的電子都在作恒定的隨機運動。 然而由于電子運動本身具有隨機性，因此在任何一個方向上都無法探測到電流。 換言之，任何方向的電子漂移都在很短的時間內被反方向的等量漂移所抵消。 因此從統計學角度來看，電子運動不具有相關性。 然而，材料會產生一系列連續的無規則電流脈沖，這些脈沖在外界看來就是噪聲信號。 這種信號有多種名稱： 約翰遜噪聲、熱騷動噪聲或熱噪聲。 這些噪聲隨著溫度和電阻的增大而增大，而且是以平方根函數的方式增大。 這意味著如果要使噪聲變為原來的兩倍時，電阻需要增加到原來的四倍。

閃爍或1/F噪聲

半導體設備的噪聲通常不平行于頻率。 它在下限處產生， 此時的噪聲稱為1/F噪聲、粉色噪聲、過量噪聲或閃爍噪聲。 這種類型的噪聲除了在電子系統中產生外也在物理系統中產生。 比如，蛋白質、認知過程的反應時間甚至是地震活動。 下圖給出了噪聲最有可能的來源，這些來源取決于噪聲在特定電壓下產生的頻率;知道噪聲來源對于減小噪聲具有重要作用。

圖5.1/F噪聲和熱噪聲的噪聲譜剖面圖

5. 降噪方法

雖然噪聲對于設計工程師來說是一個嚴重的問題，特別是對于低電平信號情況，但是也有許多常用的方法可以減小噪聲對系統的影響。 以下一些可以降噪的方法：

源電阻和放大器輸入電阻使用盡可能低的阻值。 使用高阻值電阻可按比例提高熱噪聲。

熱噪聲的值是電路帶寬的函數。 因此，可以通過減小電路的帶寬來使噪聲最小化。 但是這項工作須小心進行，因為信號具有傅里葉譜，我們需要保留傅里葉譜才能對信號進行精準測量。 解決方法是將帶寬與輸入信號所需要的頻率進行匹配。

我們可以通過合理接地、屏蔽、布線、謹慎地放置電線和濾波來改善系統的性能，進而防止外部噪聲。

在系統的輸入階段使用低噪放大器。

對于一些半導體電路，可以使用最小直流電源來實現該目的。

6. 總結

靈敏度是指可以讓測量儀器做出響應的輸入信號的最小變化量。

精確度是指儀器可以如實地顯示被測信號值的能力。

精確度和靈敏度會在規格文件中寫明;由于不同公司或者同一公司的不同產品對這些術語的定義各不相同，因此要經常查看文檔，如有疑問應與供應商聯系確認。

精密度用來描述儀器測量的穩定性以及在輸入信號相同的情況下多次測量結果保持一致的能力。

噪聲是指所有對有用信號產生影響的干擾信號。

不同類型的噪聲有不同的降噪方法。