Como medir o ruído elétrico?

Outra pergunta que fiz sobre o ruído da fonte de alimentação me levou a fazer essa pergunta.

O plano de fundo é o seguinte: Eu tenho um design com PD (Photodetector) e Opamp em frequência média (algumas centenas de KHz). Estou tentando testar meu design quando ele voltar. Eu estou olhando para o ruído da fonte de alimentação, o ruído da fonte opamp e o ruído da saída opamp. Eu percebi, há mais do que apenas tocar a sonda. As pessoas falam sobre loops de energia, cabos especiais etc.

Girarei outro quadro em duas semanas e gostaria de perguntar, se você está projetando seu quadro agora, que tipo de pontos de teste ou elementos você coloca em seu quadro para poder medir o ruído com precisão. Estamos falando de sinais do tipo <20mV.

Pergunta bônus: A saída do opamp está conectada a um ADC do processador. Eu poderia simplesmente executar o ADC e traçar isso para obter uma compreensão mais profunda do ruído em comparação à conexão do meu osciloscópio barato?

É difícil medir o ruído, e a amplitude que você vê no seu escopo é apenas uma primeira indicação do nível.
Deseja medir níveis de ruído absolutos ou apenas comparativos? No último caso, o escopo pode ser um bom instrumento, mas, nos níveis determinados, o escopo médio de US $ 500 terá tanto ruído que qualquer medição se torna sem sentido. Você precisa de um escopo de alta qualidade + idas para fazer isso.

A dificuldade em medir o ruído é que ele possui um amplo espectro de energia contínuo de largura de banda (o espectro contínuo dificulta a separação do ruído do sinal, os filtros de entalhe podem funcionar). Idealmente, você mede a energia do ruído através da conversão de RMS em CC . Isso não é para os fracos de coração, pois o conversor RMS para DC deve ser muito sensível devido aos baixos níveis e banda larga. E, claro, seja de baixo nível de ruído! Nitrogênio líquido ajuda :-).
De qualquer forma, a relação sinal / ruído absoluta não é tão fácil quanto as amplitudes de leitura.

Normalmente, você projeta algumas peças nas primeiras rotações do quadro para ajudar a medir coisas como essa. Seja generoso com pegadas para tampas e filtros de derivação e coloque, por exemplo, contatos coaxiais da SMA em locais-chave da cadeia de sinal, mas coloque-os com um resistor SMD de 0 ohm removível na junção T para que o esboço não precise afetar a cadeia de sinal se não for usada.

Para sinais de baixa frequência, você pode conectá-lo diretamente ao osciloscópio, mas os cabos coaxiais SMA têm uma boa característica, pois algumas das pontas de prova com o fio terra incorporado na ponta podem ser presas na posição central do conector coaxial e no cabo coaxial. o chumbo de aterramento pode ou pode ser feito para tocar na blindagem. observe que, para obter melhores resultados com uma sonda, ela precisa estar ativa e, em seguida, a própria sonda custará 3000 dólares: /

Com fotodiodos e amplificadores de transimpedância, você tem o problema de que, para uma configuração típica (você não especifica seus parâmetros ..), você possui apenas alguns microampes e um ganho de transimpedância de várias centenas de milhares. Inserir elementos no lado do PD do opamp e, na verdade, ter apenas traços de PCB nas proximidades pode atrapalhar sua precisão e níveis de ruído. O revestimento de resistência à solda tem uma resistência não infinita, por exemplo.

Portanto, se você pode controlar o ganho do ADC e saber que projetou um circuito ADC muito bom (isso pode ser testado separadamente, com entradas coaxiais SMA separadas, por exemplo), você pode usá-lo como um substituto da sonda sim, se a taxa de amostragem é alto o suficiente. Essa é uma boa solução e adia a necessidade do escopo mais caro (você pode alugá-los se realmente precisar dele em algum momento).

Stevenvh está certo de que o ruído pode ser muito difícil de medir, mas eu gostaria de destacar um ponto de vista diferente.

O único momento em que esse ruído realmente importa para você é quando afeta suas leituras. Isso significa que você pode simplesmente pegar um ADC da sua entrada, passá-lo para um computador e depois fazer algumas contas nele. Não estou totalmente a par do seu projeto, mas presumo que você "saiba" qual é o seu sinal de que está recebendo.

Você pode criar uma figura SNR calculando a potência média do seu sinal e, para obter seu ruído, subtraia o sinal conhecido do seu sinal ADC, encontre a potência do ruído resultante e divida os dois. A maioria dos sistemas tende a converter isso em uma escala de dB. Isso não diz nada sobre de que parte do sistema o ruído vem, mas permitirá que você tenha uma idéia de como o sistema funcionará de maneira geral.