【導讀】隨機噪聲信號在電路中很常見到。有的時候需要消除它，但有的時候也可以利用它完成測量。比如在測試放大器的有效帶寬、對系統(tǒng)進行辨識、確定系統(tǒng)所受到的干擾來源、以及測量一些基礎物理量等。那么，使用數(shù)字萬用表是否可以測量隨機噪聲大小呢？
數(shù)字萬用表是測量電信號的有力助手。雖說是“萬”用表，其實常見的功能只有測量電壓、電流、電阻。其中，電壓、電流還包括有交直流檔。
除此之外，部分萬用表包含有測量電感、電容、通斷、二極管導通電壓、三極管電流放大系數(shù)、計數(shù)和頻率、溫度等。
常見到的手持式和臺式萬用表
隨機噪聲信號在電路中很常見到。有的時候需要消除它，但有的時候也可以利用它完成測量。比如在測試放大器的有效帶寬、對系統(tǒng)進行辨識、確定系統(tǒng)所受到的干擾來源、以及測量一些基礎物理量等。
那么，使用數(shù)字萬用表是否可以測量隨機噪聲大小呢？在分析之前，可以先對比幾種不同的萬用表對隨機噪聲測量的結果。
使用DS345數(shù)字信號源產生有效值為1V的隨機噪聲作為被測量信號。
數(shù)字信號發(fā)生器：DS345
通過示波器觀察到的隨機信號的時域波形。由于數(shù)字信號發(fā)生器的輸出阻抗為50Ω，在外部負載也為50Ω下，輸出信號的幅值降低一半。
使用示波器直接觀察數(shù)字信號發(fā)生器的輸出信號，由于示波器的輸入阻抗很大（1MΩ），因此示波器實際觀察到的信號的幅值比DS345標稱輸出值大一倍。
通過示波器采集到的隨機信號波形
重新將DS345的隨機信號輸出幅度調整為0.5Vrms，此時實際輸出信號的幅值則為1Vrms。
使用七種數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量DS345輸出的隨機噪聲信號。它們顯示的數(shù)值各不相同，都比1V小，相互之間也差別很大。
其中，讀數(shù)最高的是DM3068六位半的數(shù)字萬用表，但顯示數(shù)值也僅有0.587V，比信號源輸出的1V低了42%。
表格：不同數(shù)字萬用表測量1Vrms隨機噪聲的讀數(shù)
那么，為什么數(shù)字萬用表的交流電壓檔測量隨機噪聲的有效值的結果與實際信號數(shù)值相差很大呢？是否隨機信號本身的有效值不是1V？
使用示波器采集上面隨機噪聲信號280k個數(shù)值，發(fā)送到計算機。統(tǒng)計它們的直方圖分布如下圖所示。
示波器讀取的信號采集數(shù)值直方圖分布
數(shù)據(jù)的標準方差為：1.0368V。這說明，信號發(fā)生器給出的隨機信號的有效值與它的顯示值是一致的，就是1V。
前面的幾種數(shù)字萬用表，無論什么型號、不論價格貴賤，也不論是否表明有真有效值測量，它們所測量信號的有效值與實際值之間都有很大的差別。為什么測量隨機信號與普通的正弦交流信號有這么大的差別呢？
普通的隨機信號和正弦信號相同之處包括它們都是是交流信號，都具有功率（能量）。
不同頻率的正弦信號
不同之處就在于，信號中所包含的頻率分量不同。普通的正弦信號主要包含有它的基頻信號，還有一些高頻諧波信號。基頻信號的功率占絕對多數(shù)。只要萬用表能夠對基頻信號測量準，顯示的結果就準確了。
下圖是DS345產生的5MHz的正弦波信號的頻譜測量值。
DS345產生的5MHz的正弦信號的頻譜
對于隨機信號，所包含的頻率分量就非常豐富了。在一定范圍內呈現(xiàn)連續(xù)分布。下面是DS345所產生的隨機信號的頻譜測量曲線。
它的頻率分量從低頻一直擴展到30MHz左右，絕大多數(shù)的信號分量集中在10Mhz以內。
DS345產生的隨機信號的頻譜
數(shù)字萬用表對于不同頻率交流信號測量結果是不同的，往往具有一個頻率上限，超過該頻率上限之后，測量的結果就會減小。
不同萬用表測量交流頻率的上限各不相同。下面使用DS345產生10kHz到6MHz，有效值為1V的正弦信號，使用DM3068數(shù)字萬用表交流電壓檔測量信號的幅值。
使用數(shù)字信號發(fā)生器測量數(shù)字萬用表交流電壓頻率曲線
在頻率小于500kHz的時候，數(shù)字萬用表的讀數(shù)基本上維持在1V左右。當頻率超過500kHz，讀數(shù)就開始下降。頻率每增加一倍，讀數(shù)就降低一倍。
當頻率超過5.2Mhz之后，讀數(shù)就突然降低小于0.2V。
DM3068數(shù)字萬用表頻率曲線
數(shù)字萬用表對于不同頻率正弦信號測量結果是不同的。由于隨機噪聲信號的頻譜擴展到了30Mhz左右，所以超過500kHz之后的頻率分量的結果都進行了衰減。
利用前面對DM3068數(shù)字萬用表頻率增益曲線，可以分別計算出隨機噪聲信號中每個頻率分量的增益。然后再將這些頻率分量能量疊加在一起，便可以得到實際測量信號的有效值了。
隨機信號頻譜（藍色），DM 3068頻譜特性(黃色)，實際測量隨機噪聲各頻率分量的數(shù)值(綠色)
具體計算公式如下所示。積分運算使用數(shù)值累加計算來近似。所得到的比值R，代表了對于DS345所產生的隨機噪聲Sn有效值減少的比率。
通過上面數(shù)據(jù)，利用數(shù)值積分可以得到萬用表DM3068對該噪聲的測量結果減少比例：sqrt(R)= 0.591。
前面使用DM3058對于DS345所產生的有效值為1V的隨機噪聲實際測量結果為V=0.587V。可以看到這個數(shù)值與上面公式所得到的結果在誤差范圍之內是一致的。
由于萬用表各自的頻率曲線不同，所以所測量隨機噪聲有效值減少的比率也不同。下面是利用同樣的方法測量得到的FLUKE45, MD8218數(shù)字萬用表的頻率曲線。
不同數(shù)字萬用表的頻率曲線
使用上面同樣的方法，可以分別計算出對于DS345所產生的隨機信號，上面各個數(shù)字萬用表讀數(shù)衰減比率sqrt(R):
FLUKE45: 0.274
MM8218: 0.254
UT61E: 0.162
對比一下前面對于有效值1V隨機信號測量結果，可以看到衰減比率與萬用表實際讀數(shù)是一致的。
如果隨機信號的頻譜都落在數(shù)字萬用表的頻譜范圍內，數(shù)字萬用表可以給出準確的讀數(shù)；如果隨機信號的頻譜超出了數(shù)字萬用表的頻譜范圍，則數(shù)字萬用表給出的讀數(shù)就會出現(xiàn)偏差。
通過上面方法可以獲得測量結果的比率，修正后數(shù)字萬用表的讀數(shù)便可以準確反映具有某種頻率分布的隨機信號有效值了。
作者：卓晴
來源：TsinghuaJoking
