利用虛擬儀器開展電子器件低頻噪聲測試分析的系統設計

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領域，低頻噪聲測試被認為是一個至關重要的環節，對于評估器件在不同頻率下的性能和穩定性具有重要作用。然而，傳統的低頻噪聲測試方法卻面臨著一系列挑戰，其中包括需要復雜的儀器設備以及繁瑣的測試流程。這些問題不僅限制了測試的效率，還可能影響到測試結果的準確性。為了克服這些問題，本文提出了一種創新性的解決方案，即基于虛擬儀器的低頻噪聲測試分析系統設計。該系統的核心思想在于將虛擬儀器技術應用于低頻噪聲測試領域，以實現更高效和準確的測試過程。

1 虛擬儀器系統框架設計

虛擬儀器系統框架設計是整個系統構建的基礎，其描述了系統各個組成部分之間的關系以及數據流動的方式。系統框架設計包括用戶界面、控制模塊、硬件模塊、軟件模塊。其中，硬件模塊包括信號源、采集電路、放大電路、模數轉換器(ADC)等。軟件模塊是虛擬儀器系統的核心部分，包括數據采集、預處理、分析和顯示等功能。具體的虛擬儀器系統框架如圖1 所示。

圖1 虛擬儀器系統整體框架設計圖

圖1 呈現了虛擬儀器系統各個模塊之間的數據流動和關聯。用戶界面與控制模塊交互，控制模塊調度硬件模塊的操作并處理數據的流動。軟件模塊實現了數據的采集、預處理、分析和顯示，數據存儲模塊負責保存數據方便后續的查看和分析。

2 虛擬儀器系統設計

■2.1 硬件設計

2.1.1 信號源選擇與配置

信號源選擇函數發生器，能夠產生不同頻率、幅度和波形的信號。低頻噪聲測試通常關注幾百赫茲以下的頻率范圍，配置頻率范圍為10 Hz～100 Hz 的信號源，以覆蓋目標測試頻率范圍。在設置信號源的幅度時，需要確保待測信號能夠在被測器件的工作范圍內進行測試，并且避免過大的幅度引起非線性效應。被測器件的工作范圍為0.1 V～1 V，設置信號源的幅度為0.5 V，以保持在工作范圍內進行測試。在低頻噪聲測試中，選擇頻率為20 Hz 的正弦波作為測試信號，因為其在頻域分析中具有較好的性質。

2.1.2 信號采集與放大電路設計

信號采集與放大電路的設計是確保準確采集低頻噪聲信號的關鍵。該系統采用低噪聲、高共模抑制比的差分放大器，放大差分信號，同時抑制共模信號。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，能夠提高系統的抗干擾性。根據被測器件的特性和預期的信號幅度范圍，將差分放大電路的增益設置為10 倍，以充分放大信號方便后續處理。在差分放大電路之后，添加低通濾波器，以去除高頻噪聲。濾波器應根據信號頻率范圍進行選擇，確保只保留感興趣的低頻成分。為了適應不同的被測器件和信號水平，設置可調放大電路，根據具體需要調整放大倍數，以適應不同的被測器件和信號水平。同時，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 匹配網絡，用于幫助阻抗匹配，以確保信號從一個電路或組件傳輸到另一個電路或組件時的最佳性能，最大限度地傳遞信號并減少反射。

2.1.3 數據轉換與數字化設計

采集到的模擬信號需要進行數據轉換和數字化處理，涉及模數轉換器（ADC）的選擇和配置。配置ADC 的采樣率足夠高，捕捉低頻信號的細微變化。因此，選擇16 位分辨率的ADC，以保留信號的細節。ADC 將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號。硬件設計部分，展示信號源、差分放大電路和ADC 之間的連接，如圖3所示。

圖3 硬件部分關系圖

圖3 展示了信號從信號源經過差分放大電路放大后，進入ADC 進行數字化處理。這些硬件模塊的設計確保了從模擬信號到數字數據的平穩轉換，為后續的軟件處理提供了可靠的數據源。數字化后的信號進行進一步的數字處理，包括數字濾波以去除可能存在的數字化噪聲或高頻噪聲。將數字化的數據存儲在適當的數據結構中，以備后續分析。

■2.2 軟件設計

2.2.1 用戶界面設計

用戶界面設計是關鍵，直接影響用戶的體驗。系統中的不同界面應直觀易用，提供必要的控制和信息展示。

用戶界面設計包括以下內容：（1）實驗設置界面。用戶開始實驗的地方，以清晰方式展示參數選項，如測試頻率和信號源幅度。用戶可以在此設置實驗參數。（2）實時數據展示界面。動態監測數據的變化，通過曲線圖等展示采集的信號數據。（3）數據分析界面。提供深入信噪比計算和頻譜數據分析等工具，方便用戶從中獲取更多信息。（4）結果顯示界面。直觀呈現實驗結果，使用表格、圖表等方式展示實驗數據和分析結果，幫助用戶得出結論。

2.2.2 數據采集與處理流程

在數據采集與處理流程中，確保從硬件獲取的模擬信號經過適當的處理和轉換，以便進行后續的分析和顯示。設計軟件模塊以從硬件模塊中獲取模擬信號數據，根據設置的參數，以1000 Hz（即每秒鐘采集1000 個樣本）采樣率進行數據采集。獲取的數據可以存儲在內存中或臨時文件中。之后，對采集到的模擬信號進行預處理，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]表示離散時間信號，表示去除其直流分量后的信號，DC 表示信號xq[n]的直流分量。隨后，將處理后的信號送入差分放大電路進行放大。經過差分放大后的信號經過ADC 轉換為數字信號。確保轉換過程的精確性，以準確地反映信號特性。ADC 轉換操作如式(2)、式(3)所示。

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

對數字化的信號應用數字低通濾波器，去除高頻噪聲，保留低頻信號成分，以便后續分析。低通濾波器的操作通過差分方程表示，具體如式(4)所示。

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

其中，S表示信噪比，以分貝（dB）為單位。Ps表示信號的功率，Pn表示噪聲的功率。在這個公式中，S的值越高，表示信號與噪聲之間的功率比例越大，代表信噪比越好。如果處理后的數據的S值高于處理前的數據，則可以認為處理效果較好。通過量化SNR，更準確地評估信號處理效果，支持后續的分析流程。

2.2.3 數據分析與顯示模塊設計

數據分析與顯示模塊在虛擬儀器系統中起著核心作用，其能夠使用戶理解實驗結果并從中獲取有價值的信息。使用傅立葉變換算法將時間域數據轉換為頻率域，以獲取噪聲的頻譜信息。對于連續的時間域信號x(u)，其傅立葉變換X(f)的計算公式如式(6)所示。

其中，X(f)是頻域中的復數函數，表示信號在頻率f處的復數幅度和相位信息。x(u)是時域中的信號，表示要分析的原始信號。f表示特定頻率，j表示虛數單位。而對于離散時間信號x[n]，通過離散傅立葉變換（DFT）來計算，如式(7)所示。

其中，X[k] 是頻域中的復數函數，表示信號在離散頻率fk處的復數幅度和相位信息。k表示離散頻率的索引，N表示信號的采樣點數。通過將時域數據轉換為頻域數據，獲取有關信號的頻率、幅度和相位信息，將信號在頻域上進行分析，以識別不同頻率成分的強度和分布，提供頻譜分析的功能。并將實驗結果、信號特性、信噪比和頻譜分析結果以表格、曲線圖、柱狀圖等形式呈現。最后，提供生成實驗報告的選項，將實驗設置、數據分析和結果一并整理成報告，方便用戶保存和分享。

3 實驗驗證與結果分析

■3.1 實驗步驟與參數設置

實驗步驟：連接信號源、采集電路和放大電路等硬件模塊，確保信號路徑正確連接。然后，打開虛擬儀器軟件，進入用戶界面。接著，在用戶界面中，設置測試頻率范圍為10 Hz～100 Hz，信號源幅度為0.5 V，差分放大電路增益為10 倍，采樣率為500 Hz。最后，點擊開始測試按鈕，開始采集數據。采集足夠的數據點，以確保后續分析的準確性。

參數設置：（1）測試頻率范圍為10 Hz～100 Hz；（2）信號源幅度為0.5 V；（3）差分放大電路增益為10 倍；（4）采樣率為500 Hz；（5）采集數據點數為1000。

■3.2 實驗結果分析

實驗測試了不同頻率下的信號，然后通過虛擬儀器系統進行了數據采集和分析。實驗結果如表1 所示。

表1 虛擬儀器系統數據表

由上述表1 的實驗數據結果可知，原始信號幅度保持不變（0.5 V），經過放大后，信號幅度有所增加，表明放大電路的正常工作以及信號放大的成功。隨著頻率增加，放大后的信號幅度逐漸提升，伴隨著信噪比的增加。這種現象是由于隨著頻率升高，信號在放大電路中的增益增加，但同時噪聲也會增強，導致信噪比的提升。在高頻率下，信號增幅更高，而噪聲的增長也影響了信噪比的變化。

由上述實驗結果分析可以得出以下結論：差分放大電路在實驗中有效地將原始信號放大，確保信號的準確采集和分析；信噪比的增長趨勢不是線性的，隨著頻率的增加，信號增幅相對于噪聲的增幅更明顯，但仍需平衡信號和噪聲。

4 結論

本文提出的虛擬儀器系統設計為電子器件低頻噪聲測試分析提供了一種有效的解決方案。系統框架清晰，硬件模塊和軟件模塊相互配合，實現了從信號產生到數據分析的全過程。文中通過實驗數據分析，證明了系統的可靠性和穩定性，能夠準確地采集、放大和分析低頻噪聲信號。該系統設計為電子器件的性能評估和優化提供了有力的工具，具有廣泛的應用前景。