Метод уменьшения ширины полосы пропускания
Данный метод является весьма эффективным для уменьшения влияния наводок и шумов, проникающих в измерительную цепь. Как было раньше показано, интегральной характеристикой шумов является их дисперсия, которая связана со спектральной плотностью мощности этих шумов по формуле . Расчет интенсивности шума по этой формуле предполагает, что измерение сигнала проводят в бесконечно широкой полосе частот или мгновенно. И то, и другое невозможно.
Хотя, как правило, в частотной области шумы занимают широкую полосу, а полезный сигнал – более узкую, практически мы всегда имеем дело с ограниченной полосой частот и с конечным временем измерения.
Тогда интегральной характеристикой шума является величина эффективной (реальной) дисперсии (*). По теореме о среднем
, где Δf=f2-f1 – полоса пропускания. Поскольку S2(f) >0, и, следовательно, S2ср(f) >0, то легко видеть, что, уменьшая полосу пропускания, мы можем уменьшать величину
.
Спектральная плотность мощности шумов на входе и выходе прибора связаны между собой соотношением, где
– квадрат модуля АЧХ прибора. Отсюда и из формулы (*) для шумов на выходе прибора имеем
. Следовательно, при фиксированной мощности шума уменьшить
можно двумя способами: уменьшив величину Δf и уменьшив среднее значение квадрата модуля АЧХ прибора
.
Первый способ реализуют установкой частотного фильтра на входе прибора. Второй способ реализуют путем выбора оптимальной частотной характеристики, т.е. вида функцииH(ω) прибора, обеспечивающей минимум .
Поскольку частотный фильтр так же характеризуется видом своей АЧХ, в обоих случаях необходимо уметь оценить так называемую эквивалентную полосу частот пропускания шумов.
Эквивалентная полоса частот пропускания шумов
Существуют различные критерии оценки эквивалентной полосы пропускания Δfэкв шумов для элементов, характеристики которых зависят от частоты сигнала. В данном случае воспользуемся следующим определением: , где интегрирование проводится по физическим (положительным) частотам.
Рассмотрим расчет Δfэкв на примере интегрирующей RC – цепочки, которая на практике часто используется в качестве фильтра низких частот. Сначала найдем АЧХ цепочки. Для этого будем считать, что на вход цепочки подается напряжение , а напряжение на выходе, снимаемое с конденсатора,
. Тогда
. Проведя несложный расчет стандартным методом, найдем, что
. Отсюда
, или
, где
,
– постоянная этой цепочки.
Максимальное значение АЧХ – Hмакс=1. Оно достигается при f=0. Поэтому . Отсюда
. На рис. показан вид функции
, где
. Рисунок раскрывает смысл понятия эквивалентной полосы пропускания шумов: площадь заштрихованного прямоугольника
равна площади под всей кривой
на участке
. Следовательно, эквивалентная полоса пропускания элемента – это полоса пропускания идеального прямоугольного фильтра, через который проходит столько энергии шума, сколько ее проходит через рассматриваемый элемент. Мы видим, что интегрирующаяRC – цепочка представляет собой НЧ – фильтр с полосой пропускания Δfэкв.
Метод усреднения (накопления) сигнала
Ширина полосы наблюдения сигнала (и, естественно, и шума) Δf и время измерения T в самом общем виде связаны между собой соотношением неопределенности . При измерениях периодических сигналов Δf можно уменьшить, увеличив время измерения, увеличивая количество наблюдаемых периодов или количество стимуляций процесса.
Если число периодов равно, то дисперсия оценки среднего значения сигнала вместе с шумом , где Dш – дисперсия шума. Это означает, что отношение амплитуд сигнала и шума увеличится в
раз. В частности, если N=100, то
, т.е. погрешность уменьшается в 10 раз. Однако, если увеличить N, то дополнительное увеличение точности невелико. Так, при N=1000, точность дополнительно увеличится только в 3,16 раз.