王潔，肖鑫磊

（陜西恒太電子科技有限公司，陜西西安，710100）

0 引言

在電子器件的研究和開發(fā)領(lǐng)域，低頻噪聲測(cè)試被認(rèn)為是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對(duì)于評(píng)估器件在不同頻率下的性能和穩(wěn)定性具有重要作用。然而，傳統(tǒng)的低頻噪聲測(cè)試方法卻面臨著一系列挑戰(zhàn)，其中包括需要復(fù)雜的儀器設(shè)備以及繁瑣的測(cè)試流程。這些問(wèn)題不僅限制了測(cè)試的效率，還可能影響到測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了克服這些問(wèn)題，本文提出了一種創(chuàng)新性的解決方案，即基于虛擬儀器的低頻噪聲測(cè)試分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的核心思想在于將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于低頻噪聲測(cè)試領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)更高效和準(zhǔn)確的測(cè)試過(guò)程。

1 虛擬儀器系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

虛擬儀器系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)，其描述了系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的關(guān)系以及數(shù)據(jù)流動(dòng)的方式。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)包括用戶界面、控制模塊、硬件模塊、軟件模塊。其中，硬件模塊包括信號(hào)源、采集電路、放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等。軟件模塊是虛擬儀器系統(tǒng)的核心部分，包括數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、分析和顯示等功能。具體的虛擬儀器系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 虛擬儀器系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)圖

圖1 呈現(xiàn)了虛擬儀器系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)和關(guān)聯(lián)。用戶界面與控制模塊交互，控制模塊調(diào)度硬件模塊的操作并處理數(shù)據(jù)的流動(dòng)。軟件模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理、分析和顯示，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)保存數(shù)據(jù)方便后續(xù)的查看和分析。

2 虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 信號(hào)源選擇與配置

信號(hào)源選擇函數(shù)發(fā)生器，能夠產(chǎn)生不同頻率、幅度和波形的信號(hào)。低頻噪聲測(cè)試通常關(guān)注幾百赫茲以下的頻率范圍，配置頻率范圍為10 Hz～100 Hz 的信號(hào)源，以覆蓋目標(biāo)測(cè)試頻率范圍。在設(shè)置信號(hào)源的幅度時(shí)，需要確保待測(cè)信號(hào)能夠在被測(cè)器件的工作范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，并且避免過(guò)大的幅度引起非線性效應(yīng)。被測(cè)器件的工作范圍為0.1 V～1 V，設(shè)置信號(hào)源的幅度為0.5 V，以保持在工作范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。在低頻噪聲測(cè)試中，選擇頻率為20 Hz 的正弦波作為測(cè)試信號(hào)，因?yàn)槠湓陬l域分析中具有較好的性質(zhì)。

2.1.2 信號(hào)采集與放大電路設(shè)計(jì)

信號(hào)采集與放大電路的設(shè)計(jì)是確保準(zhǔn)確采集低頻噪聲信號(hào)的關(guān)鍵。該系統(tǒng)采用低噪聲、高共模抑制比的差分放大器，放大差分信號(hào)，同時(shí)抑制共模信號(hào)。差分放大器電路示意圖，如圖2 所示。

圖2 差分放大器電路示意圖

差分電路具有抵消共模噪聲的能力，能夠提高系統(tǒng)的抗干擾性。根據(jù)被測(cè)器件的特性和預(yù)期的信號(hào)幅度范圍，將差分放大電路的增益設(shè)置為10 倍，以充分放大信號(hào)方便后續(xù)處理。在差分放大電路之后，添加低通濾波器，以去除高頻噪聲。濾波器應(yīng)根據(jù)信號(hào)頻率范圍進(jìn)行選擇，確保只保留感興趣的低頻成分。為了適應(yīng)不同的被測(cè)器件和信號(hào)水平，設(shè)置可調(diào)放大電路，根據(jù)具體需要調(diào)整放大倍數(shù)，以適應(yīng)不同的被測(cè)器件和信號(hào)水平。同時(shí)，使用Texas Instruments 阻抗變換器，提供操作放大器（OP-AMP）和儀器放大器（INA），并配置Murata 匹配網(wǎng)絡(luò)，用于幫助阻抗匹配，以確保信號(hào)從一個(gè)電路或組件傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路或組件時(shí)的最佳性能，最大限度地傳遞信號(hào)并減少反射。

2.1.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)字化設(shè)計(jì)

采集到的模擬信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字化處理，涉及模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的選擇和配置。配置ADC 的采樣率足夠高，捕捉低頻信號(hào)的細(xì)微變化。因此，選擇16 位分辨率的ADC，以保留信號(hào)的細(xì)節(jié)。ADC 將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。硬件設(shè)計(jì)部分，展示信號(hào)源、差分放大電路和ADC 之間的連接，如圖3所示。

圖3 硬件部分關(guān)系圖

圖3 展示了信號(hào)從信號(hào)源經(jīng)過(guò)差分放大電路放大后，進(jìn)入ADC 進(jìn)行數(shù)字化處理。這些硬件模塊的設(shè)計(jì)確保了從模擬信號(hào)到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的軟件處理提供了可靠的數(shù)據(jù)源。數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)字處理，包括數(shù)字濾波以去除可能存在的數(shù)字化噪聲或高頻噪聲。將數(shù)字化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，以備后續(xù)分析。

■2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 用戶界面設(shè)計(jì)

用戶界面設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，直接影響用戶的體驗(yàn)。系統(tǒng)中的不同界面應(yīng)直觀易用，提供必要的控制和信息展示。

用戶界面設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)置界面。用戶開始實(shí)驗(yàn)的地方，以清晰方式展示參數(shù)選項(xiàng)，如測(cè)試頻率和信號(hào)源幅度。用戶可以在此設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)。（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示界面。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，通過(guò)曲線圖等展示采集的信號(hào)數(shù)據(jù)。（3）數(shù)據(jù)分析界面。提供深入信噪比計(jì)算和頻譜數(shù)據(jù)分析等工具，方便用戶從中獲取更多信息。（4）結(jié)果顯示界面。直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用表格、圖表等方式展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，幫助用戶得出結(jié)論。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集與處理流程

在數(shù)據(jù)采集與處理流程中，確保從硬件獲取的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗娃D(zhuǎn)換，以便進(jìn)行后續(xù)的分析和顯示。設(shè)計(jì)軟件模塊以從硬件模塊中獲取模擬信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置的參數(shù)，以1000 Hz（即每秒鐘采集1000 個(gè)樣本）采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。獲取的數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在內(nèi)存中或臨時(shí)文件中。之后，對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除直流分量、降噪。去除直流分量操作如式(1)所示。

式(1)中，x[n]表示離散時(shí)間信號(hào)，表示去除其直流分量后的信號(hào)，DC 表示信號(hào)xq[n]的直流分量。隨后，將處理后的信號(hào)送入差分放大電路進(jìn)行放大。經(jīng)過(guò)差分放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。確保轉(zhuǎn)換過(guò)程的精確性，以準(zhǔn)確地反映信號(hào)特性。ADC 轉(zhuǎn)換操作如式(2)、式(3)所示。

其中，x[n]是第n 個(gè)采樣值，x(t)是模擬信號(hào)，Ts 是采樣時(shí)間間隔。x(t)是量化后的值，Q 是量化函數(shù)，其將連續(xù)的采樣值映射到離散的數(shù)字值。

對(duì)數(shù)字化的信號(hào)應(yīng)用數(shù)字低通濾波器，去除高頻噪聲，保留低頻信號(hào)成分，以便后續(xù)分析。低通濾波器的操作通過(guò)差分方程表示，具體如式(4)所示。

式(4)中y[n]是輸出信號(hào)在時(shí)刻n 的值，x[n]是輸入信號(hào)在時(shí)刻n 的值，N 是輸出信號(hào)的歷史時(shí)刻數(shù)，M 是輸入信號(hào)的歷史時(shí)刻數(shù)。ak和bk是差分方程中的系數(shù)。此方程描述了輸出信號(hào)y[n]是如何受到輸入信號(hào)x[n]和前幾個(gè)輸出信號(hào)y[n-1],y[n-2],…的影響。系數(shù)bk和ak決定了濾波器的特性。在進(jìn)行信號(hào)處理的過(guò)程中，為避免引入不必要的失真或誤差，始終保留原始數(shù)據(jù)的備份，并應(yīng)用信噪比（SNR）評(píng)估信號(hào)的質(zhì)量和處理效果，如式(5)所示。

其中，S表示信噪比，以分貝（dB）為單位。Ps表示信號(hào)的功率，Pn表示噪聲的功率。在這個(gè)公式中，S的值越高，表示信號(hào)與噪聲之間的功率比例越大，代表信噪比越好。如果處理后的數(shù)據(jù)的S值高于處理前的數(shù)據(jù)，則可以認(rèn)為處理效果較好。通過(guò)量化SNR，更準(zhǔn)確地評(píng)估信號(hào)處理效果，支持后續(xù)的分析流程。

2.2.3 數(shù)據(jù)分析與顯示模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析與顯示模塊在虛擬儀器系統(tǒng)中起著核心作用，其能夠使用戶理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果并從中獲取有價(jià)值的信息。使用傅立葉變換算法將時(shí)間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域，以獲取噪聲的頻譜信息。對(duì)于連續(xù)的時(shí)間域信號(hào)x(u)，其傅立葉變換X(f)的計(jì)算公式如式(6)所示。

其中，X(f)是頻域中的復(fù)數(shù)函數(shù)，表示信號(hào)在頻率f處的復(fù)數(shù)幅度和相位信息。x(u)是時(shí)域中的信號(hào)，表示要分析的原始信號(hào)。f表示特定頻率，j表示虛數(shù)單位。而對(duì)于離散時(shí)間信號(hào)x[n]，通過(guò)離散傅立葉變換（DFT）來(lái)計(jì)算，如式(7)所示。

其中，X[k] 是頻域中的復(fù)數(shù)函數(shù)，表示信號(hào)在離散頻率fk處的復(fù)數(shù)幅度和相位信息。k表示離散頻率的索引，N表示信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。通過(guò)將時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)，獲取有關(guān)信號(hào)的頻率、幅度和相位信息，將信號(hào)在頻域上進(jìn)行分析，以識(shí)別不同頻率成分的強(qiáng)度和分布，提供頻譜分析的功能。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果、信號(hào)特性、信噪比和頻譜分析結(jié)果以表格、曲線圖、柱狀圖等形式呈現(xiàn)。最后，提供生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的選項(xiàng)，將實(shí)驗(yàn)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果一并整理成報(bào)告，方便用戶保存和分享。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

■3.1 實(shí)驗(yàn)步驟與參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)步驟：連接信號(hào)源、采集電路和放大電路等硬件模塊，確保信號(hào)路徑正確連接。然后，打開虛擬儀器軟件，進(jìn)入用戶界面。接著，在用戶界面中，設(shè)置測(cè)試頻率范圍為10 Hz～100 Hz，信號(hào)源幅度為0.5 V，差分放大電路增益為10 倍，采樣率為500 Hz。最后，點(diǎn)擊開始測(cè)試按鈕，開始采集數(shù)據(jù)。采集足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以確保后續(xù)分析的準(zhǔn)確性。

參數(shù)設(shè)置：（1）測(cè)試頻率范圍為10 Hz～100 Hz；（2）信號(hào)源幅度為0.5 V；（3）差分放大電路增益為10 倍；（4）采樣率為500 Hz；（5）采集數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為1000。

■3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同頻率下的信號(hào)，然后通過(guò)虛擬儀器系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 虛擬儀器系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

由上述表1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，原始信號(hào)幅度保持不變（0.5 V），經(jīng)過(guò)放大后，信號(hào)幅度有所增加，表明放大電路的正常工作以及信號(hào)放大的成功。隨著頻率增加，放大后的信號(hào)幅度逐漸提升，伴隨著信噪比的增加。這種現(xiàn)象是由于隨著頻率升高，信號(hào)在放大電路中的增益增加，但同時(shí)噪聲也會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致信噪比的提升。在高頻率下，信號(hào)增幅更高，而噪聲的增長(zhǎng)也影響了信噪比的變化。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可以得出以下結(jié)論：差分放大電路在實(shí)驗(yàn)中有效地將原始信號(hào)放大，確保信號(hào)的準(zhǔn)確采集和分析；信噪比的增長(zhǎng)趨勢(shì)不是線性的，隨著頻率的增加，信號(hào)增幅相對(duì)于噪聲的增幅更明顯，但仍需平衡信號(hào)和噪聲。

4 結(jié)論

本文提出的虛擬儀器系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電子器件低頻噪聲測(cè)試分析提供了一種有效的解決方案。系統(tǒng)框架清晰，硬件模塊和軟件模塊相互配合，實(shí)現(xiàn)了從信號(hào)產(chǎn)生到數(shù)據(jù)分析的全過(guò)程。文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，證明了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地采集、放大和分析低頻噪聲信號(hào)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電子器件的性能評(píng)估和優(yōu)化提供了有力的工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。