聊起来精密信号链,除了现行的高端仪器,通常给出来是极其离谱(反正也不知道能不能做出来,得花多少钱)。
精密电路其实是有条分界线的,在接近物理极限的时候,已经不是器件底子可以主导的了;而是系统架构,以及环境变量影响了,那今天这个文章就给出一些直觉的指标(快速和不靠谱的需求说:NO!!!)
先看一个指标,看看帅气的你能不能分辨出来:
这里只看精度,10μV;我们把它当做绝对误差≤10μV(关键指标!),对应满量程(5V)的相对精度=10μV/5V=0.0002%(即2ppm)。
聊起来精密信号链,除了现行的高端仪器,通常给出来是极其离谱(反正也不知道能不能做出来,得花多少钱)。
精密电路其实是有条分界线的,在接近物理极限的时候,已经不是器件底子可以主导的了;而是系统架构,以及环境变量影响了,那今天这个文章就给出一些直觉的指标(快速和不靠谱的需求说:NO!!!)
先看一个指标,看看帅气的你能不能分辨出来:
我上面说当做了绝对误差看;先明确:“10μV精度”≠“输出噪声≤10μV”
10μV精度 :指系统的确定性误差上限 (如线性度误差、偏移误差、温漂误差等综合),即无论输出多少电压,实际值与理论值的偏差不超过±10μV(类似“标尺刻度不准的最大误差”);此时语境的噪声指输出信号上叠加的随机波动 (如热噪声、散粒噪声、电源纹波等),通常用“有效值(RMS)”或“峰峰值(Vpp)”衡量(类似“读数时的抖动”)。
如果敢标称“10μV精度”的信号源,必须同时满足两个条件:系统确定性误差≤10μV;以及输出噪声(RMS)远小于10μV(通常要求噪声RMS≤1μV,峰峰值≤5μV),否则噪声会“掩盖”精度,导致实际使用中无法分辨10μV的变化。
若输出噪声RMS=1μV(峰峰值≈6μV,按99.7%置信度),则总误差(精度10μV+噪声6μV)=16μV,仍在可接受范围;若噪声RMS=5μV(峰峰值≈30μV),则噪声已接近精度指标,实际使用中10μV的变化会被噪声“淹没”——因此厂家敢标10μV精度,必然已将噪声控制在远小于10μV的水平 (通常噪声RMS≤1μV)。
般来说 mV 不算精密,嘎嘎乱杀,mV 以下血流成河,当然 pV 这个也没有,这根本不能测量(相关性测量可以),所以我们的目标就是 uV 和 nV 的世界。
量程 = 仪器当前使用的测量档位
例如:
| 量程 | 含义 |
|---|---|
| 100 mV | 最大测量约 ±0.1 V |
| 1000 mV | 最大测量约 ±1 V |
| 10 V | 最大测量约 ±10 V |
| 100 V | 最大测量约 ±100 V |
| 1000 V | 最大测量约 ±1000 V |
注意: 实际最大显示通常 比量程大一点 。
表示 最小可分辨电压变化 。
| 量程 | 分辨率 |
|---|---|
| 100 mV | 10 nV |
| 1000 mV | 100 nV |
| 10 V | 1 µV |
| 100 V | 10 µV |
| 1000 V | 100 µV |
这说明仪器内部 ADC + 数字滤波能力。
格式:±(A% rdg + B)
其中:
| 符号 | 含义 |
|---|---|
| rdg | reading(读数) |
| A% rdg | 按读数比例误差 |
| B | 固定误差 |
如:
±0.0030% rdg ± 2 µV
意思:
误差读数µ
测量:
50 mV
计算:
比例误差:
50 mV ± 3.5 µV
表示:仪器输入端的等效电阻 ;这影响:
负载效应
即仪器是否会 拉低被测信号 。
| 档位 | AUTO输入阻抗 |
|---|---|
| 100 mV | >10 GΩ |
| 1000 mV | >10 GΩ |
| 10 V | >10 GΩ |
| 100 V | 10 MΩ |
| 1000 V | 10 MΩ |
低电压测量通常是高阻抗信号源;例如:传感器,精密基准,运放输出。
µV(微伏)和 nV(纳伏)本质上只是电压单位的数量级不同;但在精密电子和测量系统里,它们代表的物理难度和工程难度差异非常大 。
| 量级 | 工程难度 |
|---|---|
| µV | 精密模拟设计 |
| nV | 极限低噪声设计 |
如果我们把1 V 比作一栋 1000 米高的大楼,那么:
| 单位 | 类比高度 |
|---|---|
| 1 mV | 1 米 |
| 1 µV | 1 毫米 |
| 1 nV | 1 微米(细菌级) |
可以看到nV 级信号几乎和材料、温度、接触电势同一个尺度,而且很多物理效应天然就在 nV 级:
公式:
这意味着一个普通电阻就有 nV 级噪声。
不同金属接触时,比如温差 1°C,可能产生:
1 µV,甚至几十 µV
也就是说轻轻摸一下电路都可能产生 µV,之前文章也写过表笔的建模,其实就是说的这个现象。