Tiếng ồn này đến từ đâu? Cầu Wheatstone 200 kohm

Tôi có một cây cầu Wheatstone tôi muốn sử dụng để đo cảm biến điện trở. Hiện tại, cả bốn cánh tay đều là điện trở cố định, trong khi tôi cài đặt mạch. Tiếng ồn trong mạch lớn hơn nhiều so với tôi dự kiến và tôi không thể hiểu tại sao.

sơ đồ

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

AFG được cấu hình để cung cấp hai sóng hình sin trong antiphase trên hai đầu ra. Stanford đang thực hiện phép đo vi sai kết hợp DC với băng thông nhiễu hiệu quả là 0,5 giây. Hai thiết bị được khóa pha bằng cách sử dụng tham chiếu TTL. Sau đó, tôi đang xem xét sự thay đổi của các phép đo để tìm ra tiếng ồn. Tôi tìm thấy một thành phần nhiễu có tỷ lệ với điện áp kích thích mà tôi không thể xác định được.

Tiếng ồn không xác định có màu trắng từ 10 Hz đến 1 kHz
Biên độ của tiếng ồn là khoảng 1 PhaV / √Hz mỗi volt được áp dụng trên cầu
Khi điện áp kích thích bằng 0, tôi đo tiếng ồn phù hợp với tiếng ồn Johnson trong cầu.

Tôi có nhiều kinh nghiệm về đo R nhỏ hơn 1, nhưng 200 kΩ là mới đối với tôi, vì vậy tôi có thể thiếu điều hiển nhiên.

noise wheatstone-bridge

— Jack B
nguồn

Cáp dài bao nhiêu?

— Scott Seidman

Cáp là 10cm hoặc hơn. Cây cầu nằm trong hộp diecast, cáp kích thích là BNC, dây đo là một cặp xoắn được che chắn.

— Jack B

Yep, microvolts trên mỗi hertz gốc. Tiếng ồn Johnson là khoảng 50nV / √Hz, và với Stanford, tôi có thể đẩy nó xuống khoảng đó.

— Jack B

Nếu nhiễu quy mô với điện áp kích thích, thì nó có thể được tạo bởi bộ tạo hàm.

— Barry

Nếu bạn đang sử dụng amp Lock-in, bạn có thực sự quan tâm?

— Scott Seidman

Câu trả lời:

Tôi đang đặt cược một thành phần là nhiễu lượng tử hóa hoặc biến dạng khác trên AFG3000, có đầu ra 14 bit. Biến dạng sóng hài được liệt kê là -60dB trong phạm vi freq của bạn.

Bạn có thể thử sử dụng một sóng hình sin sạch hơn và xem những gì bạn nhận được, hoặc điều chỉnh các tia sáng ra khỏi sóng kích thích mà bạn có. Trong mọi trường hợp, sau khi hỏi về các dây cáp dài có thể truyền nhiễu, đó sẽ là bước gỡ lỗi đầu tiên của tôi. Tiếp theo sẽ là sử dụng các dây cáp được che chắn với các cặp xoắn để điều khiển cây cầu của bạn và tiếp theo sẽ là sử dụng một amp cầu thực sự với mạch cảm giác.

Tiền của tôi là về chất lượng của bộ tạo tín hiệu, mặc dù. Tôi vẫn chưa ngạc nhiên về chất lượng tín hiệu của một máy phát dạng sóng tùy ý.

— Scott Seidman
nguồn

Nếu bản thân gen sig là một nguồn nhiễu, tại sao tiếng ồn chế độ phổ biến này lại bị loại bỏ bởi cây cầu? (OK Tôi thấy cây cầu mất cân bằng 0,1%, nhưng điều đó có nghĩa là mức độ suy giảm 60dB của tiếng ồn lượng tử hóa.)

— Brian Drumond

Tôi nghĩ rằng đây có thể là nó. Tín hiệu từ cầu là khoảng 1/1000 kích thích, do đó nhiễu 1uV / √Hz ở đầu ra sẽ là 1mV / √Hz ở đầu vào. Nghe có vẻ rất nhiều đối với một AFG rất đắt tiền (ví dụ 16 lần tiếng ồn lượng tử hóa dự kiến), nhưng nó có thể.

— Jack B

Nếu tôi đặt AFG để cung cấp đầu ra DC, nhiễu sẽ giảm theo hệ số 10-15 (và tất nhiên tín hiệu của tôi sẽ biến mất). Tiếng ồn vẫn quy mô tuyến tính với biên độ kích thích. Vì vậy, có vẻ như AFG đang phát ra tiếng ồn trong một dải hẹp gần tần số đầu ra, đủ gần để lockin phát hiện. Tôi đoán tôi cần tìm một nguồn sin tốt hơn.

— Jack B

@JackB - cho đến khi thiết bị băng ghế dự bị đi, tôi thấy rằng các bộ tạo chức năng là nơi bạn nhận được ít tiếng nổ tuyệt đối nhất cho đồng tiền của mình! Giá của AFG3000 tôi đang thấy trực tuyến không đủ cao để đưa thiết bị này vào danh mục Cadillac. Thật khó để nói tiếng ồn lượng tử hóa sẽ ở đâu, bởi vì bạn không biết Vref được đặt ở đâu và nó có thể được đặt không phù hợp với kích thước đầu ra của bạn. Ngoài ra, nó chỉ có đầu ra 14 bit. Nếu Vref là 5V, vì bất kỳ lý do gì, bạn đang nói về 100% uV của nhiễu lượng tử hóa.

— Scott Seidman

Tôi đã lưu ý 3 giờ trước rằng AWG là nguồn gốc của tiếng ồn quá mức. Tôi rất vui vì các bạn bây giờ có vẻ đồng ý.

— Barry

Có khuyến nghị đọc về tiếng ồn phân vùng Tôi không tìm thấy gì hữu ích trực tuyến!

Vì vậy, tôi sẽ thử chạy một vài số. Trong trường hợp không có mô hình tham chiếu tốt hơn, tôi sẽ mô hình hóa nó đơn giản như 2 nguồn nhiễu, một ở mỗi chân cầu. (Tổng sẽ chỉ đơn giản là tiếng ồn bắn vốn có trong cùng một dòng điện từ gen sig).

Áp dụng 1V kích thích, dòng cầu là 5 uA, hoặc 2,5 uA mỗi chân. Nhiễu đơn giản là sqrt (N) trong đó N là số electron / giây.

I = 2,5 uA = 2,5e-6 * 6,25e18 = 15,6e12 electron / giây.

Vậy tôi (nhiễu) = sqrt (15.6e12) = 3.95e6 electron / giây = 0.63pA / rtHz ở mỗi chân.

Bây giờ lấy phần dưới cùng của cây cầu làm tham chiếu 0V, dòng điện này phát triển điện áp trên 200kilohms là 0,125uV. Bây giờ vì tiếng ồn phân vùng sẽ giả sử điều ngược lại xảy ra ở chân kia (các nguồn nhiễu KHÔNG độc lập) Tôi sẽ tăng gấp đôi ước tính của tôi về nhiễu điện áp lên 0,25 uV / rtHz.

Nếu điều này là chính xác, tiếng ồn phân vùng nằm trong sân bóng bên phải, nhưng tôi không thể thấy nó chiếm tất cả tiếng ồn của bạn như thế nào (1uV / rtHz).

Hơn nữa, liên kết ít vô dụng nhất mà tôi tìm thấy (giả sử nó hoạt động ở nơi khác) gợi ý (trang 94) rằng nhiễu phân vùng có phân phối 1 / f, điều này mâu thuẫn với quan sát của bạn. (Tôi không biết tại sao họ đề xuất 1 / f).

Một dòng thử nghiệm: nếu bạn thay thế cây cầu bằng điện trở 2k (2 bậc cường độ thấp hơn) tiếng ồn bắn (tiếng ồn phân vùng ditto?) Sẽ giảm tầm quan trọng xuống 1 bậc độ lớn. Điều gì xảy ra trong thực tế?

— Brian Drumond
nguồn

Có lẽ tôi đã bỏ lỡ điều gì đó ở đây, nhưng không phải là tiếng ồn bạn đã tính toán tiếng ồn liên quan đến đáy cầu? Trong trường hợp nào đó là tiếng ồn chế độ phổ biến, và nên bị Stanford từ chối ở mức 100dB? Nếu tôi tính điện áp giảm hơn 2kΩ bằng dòng nhiễu (để bù lại chênh lệch giữa hai nhánh của cầu) tôi nhận được 4nV / √Hz - ít hơn Johnson.

— Jack B

Những gì bạn đã bỏ lỡ là về bản chất, nó kết hợp và ngược lại trong mỗi chân của cây cầu cho ra một đầu ra khác biệt.

— Brian Drumond

Tôi nghĩ bây giờ tôi đang ở bên bạn. Từ mô tả ở trên, tôi nghĩ điều này sẽ có tỷ lệ là √I = V chứ không phải V như tôi quan sát? Kết hợp với biên độ tính toán thấp hơn tôi nghĩ rằng điều này có thể ẩn trong nền, nhưng tôi không nghĩ đó là nguồn tiếng ồn chủ đạo.

— Jack B

Một thí nghiệm khác: nếu bạn cân bằng cây cầu bằng tay (với một trimpot) thì tiếng ồn dư thừa sẽ biến mất? Nếu vậy, câu trả lời của Scott dường như nhiều khả năng. Tiếng ồn phân vùng sẽ vẫn còn.

— Brian Drumond