抖动、布局与高质量组件：降低噪声基底的工具

测量设备的噪声基底是指其输入端接地时测得的噪声水平。

通常以噪声密度函数（单位为）表示，或以单一数值表示总噪声（单位为V_rms）。若需将噪声密度函数转换为V_rms，必须在关注带宽内对噪声密度函数进行积分。对于宽带（平坦）噪声，该积分可简化为乘法运算，即

通常可从噪声密度函数推导出设备的均方根噪声，但无法从单一数值反推曲线形状。下图展示了典型测量设备在低频段的噪声密度曲线。该曲线由图中所示的两部分构成。该点（称为角）左侧的陡峭下降段被称为噪声。角右侧的噪声水平趋于平坦，称为宽带噪声。

宽带噪声在频域中通常呈现平坦特性，意味着每赫兹带宽包含相等的能量。此类噪声可能来自测量设备中几乎所有组件，无论其处于信号路径中还是用作参考元件。这些组件包括运算放大器、电阻、电压基准和模数转换器(ADC)。采用后处理技术（如平均）有助于降低宽带噪声对测量精度的影响。我们将在本文中进一步讨论这些技术。

但噪声更为复杂。因其电压密度与频率的平方根成正比，故被称为噪声。您可能也听过被称为“闪烁噪声”的噪声，因为它会导致数字万用表的最低有效位发生翻转或“闪烁”。电路板组件间的温度梯度以及集成电路制造过程中的污染是此类噪声的主要成因。这些成因使得噪声难以预测和控制，集成电路制造商通常也未充分说明噪声的影响。数据采集(DAQ)设备的终端用户可能对此尤为困扰,因为无法通过任何后处理操作消除这种不确定性。例如，平均时间越长，漂移的可能性越大。因此，根据斜率，无论进行多少平均处理,都可能无法收敛至“真实”值。事实上,据已验证的情况,频谱会持续向左上方延伸,仅受测量孔径的限制。集成电路制造商已观察到噪声水平与其生产的电压基准的长期漂移之间存在强相关性。

NI通过采用具有高共模抑制比(CMRR)的高质量放大器来设计数据采集设备，从而尽可能降低宽带噪声。这意味着设备能显著抑制放大器两端的大部分噪声，使测量不易受共模噪声影响，从而保持精度。               

NI设计的多功能数据采集设备采用分离的接地层，并连接至单一接地基准点。 模数转换器和数模转换器芯片通常设计为模拟信号位于芯片一侧，数字信号位于另一侧。通过将转换器芯片跨接在模拟与数字接地层之间的隔离带上，数据采集板数字侧产生的噪声不会影响芯片模拟侧或模拟接地层周边的走线。

测量设备中的温度梯度常会引发噪声。为解决该问题，NI已实现多项功能以确保测量设备实现最小的温度漂移。NI采用匹配的温度跟踪电路和定制电阻网络，将所有数据采集硬件的温度漂移限制在6 ppm/°C以内。此外，NI采用的高质量组件具有和漂移特性，且均已得到充分体现。最后，NI 的自校准电路可以通过一次函数调用来访问，它参考一个高度稳定的电压源，其漂移率仅为0.6 ppm/°C。

虽然某些噪声源于集成电路的缺陷或温度等环境因素，但板卡的分辨率本身也会产生噪声。这被称为量化误差。

NI驱动程序软件允许用户通过软件启用抖动。启用软件后，它会向输入信号中添加约0.5 LSB_rms的高斯白噪声。此噪声在信号输入ADC之前加入。因此，原本可能落在板卡可检测的最小电压差（称为码宽，由公式定义）范围内的信号，现在会在该码宽的边界上下随机波动。采样时，上下边界均会出现数据点，且码宽上边界或下边界的数据点数量会根据实际信号的位置进行加权分布。随后可通过平均处理,使测量精度超越板卡标称分辨率,从而获得更精确的测量结果,并减少宽带噪声的影响。例如，启用抖动后，12位板卡可实现相当于14位的分辨率。对于不使用平均处理的高速应用，也可禁用抖动。

这些技术不仅能减少测量设备上非理想组件产生的噪声，还有助于降低测量系统其他组件引入的噪声。此外，系统级的噪声可能源于传感器，因此选择高质量传感器有助于确保整个系统具有更低的噪声基底。环境、长导线、附近电磁场及其他因素也可能在系统中引入噪声。为减少外部噪声，需正确接地并采用屏蔽电缆。关于这些主题的更多信息，请参阅以下相关链接。