Warum ist Rauschen immer ein hochfrequentes Signal? Was ist denn die Frequenz eines Geräusches?

"Signalkonditionierungsschaltungen für Sensoren" verwenden im Allgemeinen Operationsverstärker, und das interne Spannungsrauschen des Operationsverstärkers hat tendenziell einen Frequenzgang wie folgt: -

Wie zu sehen ist, liegen die größeren Geräusche bei den niedrigeren Frequenzen. Warum sich also auf das Hochfrequenz-Zeug konzentrieren?

Nehmen wir an, das durchschnittliche (Ballpark-) Spannungsrauschen zwischen 0,1 Hz und 1 Hz beträgt etwa 60 nV pro Wurzelhertz. Das Gesamtrauschen, das dies über diese Bandbreite erzeugt, ist: -

$\sqrt{1 - 0.1} \times 60nV$= 57 nV.

Was ist mit zwischen 1 Hz und 10 Hz - wir könnten 30 nV pro Wurzelhertz als Zahl verwenden und würden das Rauschen mit 90 nV berechnen. Zwischen 10 Hz und 100 Hz (10 nV pro Wurzelhertz) würde das Rauschen etwa 95 nV betragen.

Wie Sie sehen können, wird die tatsächliche Rauschleistung (über diese Bandbreite) bei einer Frequenzänderung von einem Jahrzehnt mit steigender Frequenz größer.

Nehmen wir nun an, dass der Sensor einen interessanten Frequenzgang bis zu 10 kHz hat - wie viel Rauschen existiert im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz, dh wie viel Rauschen könnten wir loswerden (weil wir diesen Teil des nicht verwenden oder brauchen ) . Spektrum)?

Die spektrale Rauschdichte sieht für mich aus dem Diagramm etwa 3 nV pro Wurzelhertz aus, sodass das von diesem Operationsverstärker im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz erzeugte Gesamtrauschen beträgt: -

$\sqrt{100k - 10k} \times 60nV$= 900 nV.

Aus diesem Grund konzentrieren wir uns hauptsächlich auf die Entfernung von hochfrequentem Rauschen.

Ein weiterer sehr guter Grund könnte sein, Aliasing zu vermeiden , wenn der (verstärkte oder nicht verstärkte) Sensorausgang in einen Analog-Digital-Wandler eingespeist wird. Rauschen über der Nyquist-Abtastrate (wenn nicht wesentlich reduziert) wird in das konvertierte Basisband heruntergeklappt. Wenn Sie das nicht verstehen, können Sie sich vielleicht eine Sinuswelle vorstellen, die so unterabgetastet ist: -

Stellen Sie sich vor, das rote Signal ist Rauschen oberhalb der Nyquist-Abtastrate. Bei der Abtastung kann es wie eine Sinuswelle (blau) erscheinen, die eine viel niedrigere Frequenz hat. Das ist Aliasing.

Rauschen ist ein unerwünschtes Signal, Punkt.

Typische Quellen für natürliches Rauschen sind in der Regel breitbandig, d. h. alle Frequenzen von DC bis sehr hoch.

Das von Widerständen erzeugte elektrische Rauschen, Johnson-Rauschen, hat ein flaches Frequenzspektrum von DC bis sehr hoch. Flaches Spektrum bedeutet gleiche Leistung pro Hz Bandbreite.

Betrachten Sie das Hören eines flachen Rauschsignals. Betrachtet man die Rauschleistung über und unter (sagen wir) einem mittleren A von 440 Hz. Darunter liegen nur 440 1Hz-Bandbreiten, darüber aber 10000 bis 20000 (je nach Alter und Hörverlust) darüber, sodass das Rauschsignal vom hochfrequenten Zischen dominiert wird .

Das von Operationsverstärkern erzeugte Rauschen ist jedoch tendenziell oberhalb einer niedrigen Frequenz flach, normalerweise im Audioband. Die meisten Verstärker sind oberhalb von 1 kHz flach, wo das Rauschen normalerweise angegeben ist, steigt dann aber aufgrund des sogenannten Flicker-Rauschens in Richtung DC an. Dies ist ein großes Problem für DC-Instrumentierung. Hochwertige Operationsverstärker, die für den Gleichstromgebrauch vorgesehen sind, haben auch Rauschspezifikationen im Bereich von 0,1 Hz bis 10 Hz, und diese Zahlen neigen dazu, die 1-kHz-Zahlen in den Schatten zu stellen.

Bei Gleichstromsignalen und niederfrequenten Signalen kann die Eliminierung des Rauschens oberhalb ihrer Bandbreite zu einer Verringerung der Rauschspannung um Größenordnungen führen. Deshalb ist es fertig.

Andere Quellen unerwünschter Signale können schmalbandig sein. Der Garagentoröffner Ihres Nachbarn kann beispielsweise durch einen HF-Filter entfernt werden. Netzbrummen kann große Probleme bei der Signalkonditionierung verursachen, da die Frequenz so niedrig ist und oft in der Bandbreite des Signals liegen kann. Das erfordert dann eine Reduzierung der Brummaufnahme, da eine Filterung nichts nützt.

"Warum kann Rauschen kein niederfrequentes Signal sein oder welche Frequenz wird es haben?" Wer sagt, dass es das nicht kann? Ich kann jede Frequenz sein , also auch niedrige Frequenzen. Zum Beispiel hat Rosa Rauschen mehr Kraft bei niedrigen Frequenzen!

Es hängt vom Gerät ab, welche Art von Geräusch es erzeugt. Wenn die von einem Sensor gewünschten Signale nur niederfrequent sind, können Sie die höheren Frequenzkomponenten herausfiltern und ein "saubereres", schöner aussehendes Signal erhalten. Das Herausnehmen der hohen Frequenzen ähnelt dem "Mitteln", Sie nehmen den Durchschnitt vieler Messungen, um einen genaueren Messwert zu erhalten.