1.1.3 Завади, шуми, наводки в каналах вимірювальних пристроїв

Крім сигналів вимірювальної інформації, в каналах вимірювальних пристроїв діють сигнали, які не несуть вимірювальної інформації і, отже, обмежують точність вимірювання. Такі паразитні сигнали називаються завада­ми. Цей термін вперше почав застосовуватися в радіотехні­ці і позначав сторонні сигнали, які заважали прийому ко­рисних сигналів. Згодом цей термін поширився і на інші галузі техніки, у тому числі і на вимірювальну техніку.

Електричні коливання, миттєві значення яких зміню­ються хаотично, нерегулярно, непередбачуваним чином і мають широкий спектр, називаються шумами. Цей термін також вперше з'явився в радіотехніці і означав спочатку хаотичні електричні коливання у звуковому діапазоні частот, які, діючи на навушники телефонів чи гучномовці, створювали звук, схожий на шум моря чи вітру. У подальшому цей термін узагальнили, і шумом по­чали називати хаотичні коливання з широким спектром не тільки у звуковому, а й у будь-якому діапазоні частот. Широко застосовується цей термін й у вимірювальній техніці. Шум, спектр якого рівномірний в нескінченно широкій смузі частот від нуля до нескінченності, називається білим шумом. Білий шум - це лише зручна ма­тематична модель для аналізу. Реальні сигнали можуть лише наближатися до цієї моделі.

За місцем виникнення завади поділяються на внутрішні, які виникають в каналах вимірювальних при­строїв, і зовнішні, що виникають за межами вимірюваль­них пристроїв.

Одним з найпоширеніших внутрішніх шумів є шум, спричинений тепловим хаотичним рухом вільних елек­тронів в матеріалі резистора, внаслідок чого напруга на резисторі має хаотичні випадкові коливання (так звані флуктуації) навколо середнього значення. Середнє ква­дратичне значення шумової напруги визначається формулою Найквіста, яка отримана на основі законів термодинаміки:

(1.2)

де k=1,38•10^-23 Вт/(Гц•К) - стала Больцмана; Т- термодинамічна температура, K; R- опір резистора, Ом; f­-смуга частот коливань, Гц. Тепловий шум резистора має рівномірний спектр в дуже широкій смузі частот.

Транзистор має тепловий, дробовий та флікерний шуми.

Тепловий шум зумовлений хаотичним рухом носіїв заряду (електронів та дірок). Цей струм має таке саме по­ходження, як і шум резистора, тому середнє квадратичне значення напруги теплового шуму транзистора оцінюється також за формулою (1.2) Найквіста.

Дробовий шум виникає в р-п переходах біполярного транзистора і зумовлений дискретною структурою струму через р-п переходи і нерівномірністю розподілу швид­костей руху носіїв заряду у спільному потоці. Дробовий шум характеризується середнім квадратичним значенням, яке визначається за формулою

(1.3)

де q- заряд носія; І- струм через перехід; ∆f - смуга частот. На електричних еквівалентних схемах дробовий шум моделюється генератором струму.

У діапазоні нижніх частот переважають так звані шуми мерехтіння, або флікер-шуми, що виникають унаслідок рекомбінації носіїв заряду у поверхневому шарі напівпро­відника. Інтенсивність поверхневих флікер-шумів змінюється обернено пропорційно частоті.

На рисунку 1.1 наведено спектр шуму транзистора у

логарифмічному масштабі.

У діапазоні нижніх частот до частоти f_н переважає флікер-шуми. Для середніх частот шум визначається тепло­вою і дробовою складовими. У діапазоні верхніх частот рівень шуму зростає, що зумовлено зменшенням коефіцієнта підсилення транзистора на верхніх частотах.

До внутрішніх належать також шуми, спричинені неякісними контактами, а також термоерс, що виникають у місцях контакту двох провідників з різного матеріалу.

Канали обробки і передачі вимірювальної інформації через взаємні індуктивні і ємнісні зв'язки впливають один на одного, чим створюють взаємні завади один одно­му. Частину сигналу одного каналу, яка через взаємні індуктивні і ємнісні зв'язки проникне у розміщений поблизу сусідній канал, часто називають наводкою. Особливо велику за інтенсивністю наводку створюють електричні кола живлення на високочутливі вхідні при­строї вимірювальних приладів.

Зовнішні завади поділяються на промислові, атмо­сферні і космічного походження.

Промислові - створюються в результаті дії електро­магнітних полів різник електротехнічних пристроїв: ліній електропередач, трансформаторних підстанцій, електро­устаткування промислових підприємств, контактних мереж електротранспорту.

До атмосферних належать завади, спричинені різними атмосферними явищами: грозовими розрядами, магнітни­ми бурями, північним сяйвом.

Космічні - спричинені електромагнітним випроміню­ванням Сонця, видимих і невидимих зірок та інших космічних об’єктів.

За характером дії на вхід вимірювального пристрою за­вади поділяються на синфазні, або поздовжні, і диференціальні, або поперечні.

Синфазні завади називаються також завадами загаль­ного виду, а диференціальні - завадами норРисьного

видy.

Поперечні завади діють як і вимірювальний сигнал між вхідними полюсами вимірювального пристрою, а поздов­жні - між точкою заземлення і вхідними полюсами вимірювального пристрою.

Для оцінювання дії завад, шумів і наводок на вимірю­вальні пристрої застосовуються такі характеристики.

Відношення сигнал/шум (в англомовній літературі

sigal noise ratio - SNR) визначається як відношення

потужності сигналу Рs до потужності шуму P_N:

(1.4)

Часто відношення сигнал/шум виражають у логариф­мічних одиницях - децибелах (дБ) або непарах (Нп):

(1.5)

Вхідний сигнал вимірювального перетворювача або ви­мірювального пристрою в цілому для якого відношення сигнал/шум дорівнює одиниці, називається порогом чутливості.

Для характеристики впливу шум на вимірювальний перетворювач застосовується коефіцієнт шуму (F), який визначається як відношення сигнал/шум на вході

(Ps/P_N)вх до відношення сигнал/шум (Р_S/Р_N)_вих на виході

вимірювального перетворювача :

(1.6)

Часто коефіцієнт шуму, як і відношення сигнал/шум виражають у логарифмічних одиницях:

(1.7)

Зміст