高精度齐纳电压源的噪声及其测量方法

　　1 引言

　　高精度齐纳电压源作为直流电压标准日益走进计量测试的众多领域。其噪声特性--短期稳定度和中长期稳定度受到广泛注意。更由于这一电子式实物标准的构成元件、器件都存在1/f噪声,其噪声特性--谱分布如何,是制造者和使用者共同关心的问题。其次,噪声测量方法及相关名词术语也受到普遍关注。本文作者都是直接从事齐纳电压源研究和使用的精密直流电压检测人员,对噪声谱及其测量不甚熟悉。本文只是入门之作,以达到抛砖引玉的目的。

　　2 问题提出

　　对于精密齐纳电压源的研究和使用人员来说,应当回答自身日益面临的下述问题:1)直流测量为啥还有带宽问题? 2)齐纳电压源的噪声特性如何? 3)怎样测量齐纳电压源的噪声?本文将有助于弄清这些问题。

　　3 高精度齐纳电压源的噪声及其测量方法

　　3.1 高精度齐纳电压源的谱特性

　　一个随时间变化的被测对象x(t)可以看作一个时间函数。该被测对象通常是一个随时间连续变化的模拟量信号,因而,x(t)通常也被看作一个连续(模拟)的时间函数。我们仍用x(t)表示该时间函数。

　　信号分析理论证明:任意一个连续信号都对应着一个相应的谱(即频谱)。我们用X(f)表示信号x(t)对应的谱,谱的频率范围为-fh~fh。称fh为信号x(t)的最高频率或截止频率或最高截止频率。

　　齐纳电压源的输出电压同样是时间的连续函数,因而,也对应着一个谱函数。对高精度齐纳电压源的研究[2]表明,其谱特性在0.01~10Hz频带内具有典型特性且幅值较大,是研究齐纳电压源噪声特性的典型频率范围。因而,计量界通常把该频带(亦称带宽)规定为研究或测量齐纳电压源谱(噪声)特性的约定频率范围。0.01~10Hz带宽对应着100~0.1S的时域宽度。因此,该带宽上测得的噪声谱对应着相应时间尺度上电压源输出电压的短期稳定度。这是一个有特定用途的指标。

　　对齐纳电压源的最新研究表明,其输出的天~天变化与短期起伏相比,前者是后者的5~10倍。自齐纳电压源走进直流电压标准领域正式参与量值传递以来,它的长期稳定性指标(漂移和天~天起伏)变得极为重要。因此,计量界提出,在0.01~10Hz带宽内的噪声之外,用相对于回归线的标准偏差S1来定义齐纳电压源的噪声,并称为天~天噪声。据计算,天~天噪声测量对应着f12uHz的采样频率,因此,根据采样定理,可把S1近似看成是0~6uHz带宽内的噪声电压有效值。

　　3.2 高精度齐纳电压源的噪声特性

　　上节概述了齐纳电压源的谱特性。实质上在此情形下,谱特性就是噪声特性。因此,可称为噪声谱特性。下面予以简单介绍。