„Zaj mint jel” változatai közötti eltérés

A Fizipedia wikiből
(→‎Elméleti összefoglalás)
(→‎A méréshez használt eszközök)
 
(2 szerkesztő 203 közbeeső változata nincs mutatva)
5. sor: 5. sor:
  
 
==A mérés célja==
 
==A mérés célja==
−
Különböző mennyiségek mérésénél általában a vizsgált mennyiség várható értékére vagyunk kíváncsiak, és a várható érték körüli fluktuációt zavaró tényezőnek tekintjük. Sok esetben viszont egy fizikai mennyiség "zaja" több információt hordoz a rendszerről, mint maga a várható érték [1]. A mérési gyakorlatok alkalmával különböző zajjelenségeket vizsgálunk egy mérőrendszer segítségével. Az első mérési alkalom során megismerkedünk a jelfeldolgozás alapjaival, majd ellenállások termikus zajának mérése alapján meghatározzuk a Boltzmann-állandó értékét. A második mérési alkalmon egy félvezető dióda zajának méréséből az elektrontöltés értékét határozzuk meg, majd megvizsgálunk egy 1/f jellegű zajspektrumot mutató rendszert.  
+
Különböző mennyiségek mérésénél általában a vizsgált mennyiség várható értékére vagyunk kíváncsiak, és a várható érték körüli fluktuációt zavaró tényezőnek tekintjük. Sok esetben viszont egy fizikai mennyiség zaja több információt hordoz a rendszerről, mint maga a várható érték [1]. A mérési gyakorlatok alkalmával különböző zajjelenségeket vizsgálunk egy mérőrendszer segítségével. Az első mérési alkalom során megismerkedünk a jelfeldolgozás alapjaival, majd ellenállások termikus zajának mérése alapján meghatározzuk a Boltzmann-állandó értékét. A második mérési alkalmon egy félvezető dióda zajának méréséből az elektrontöltés értékét határozzuk meg, majd megvizsgálunk egy 1/f-jellegű zajspektrumot mutató rendszert.  
 
__TOC__
 
__TOC__
  
 
==Elméleti összefoglalás==
 
==Elméleti összefoglalás==
  
−
===A zaj definíciója===
+
==A zaj definíciója==
−
<wlatex>
+
<wlatex>{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
−
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
+
 
|-
 
|-
 
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_1.jpg|közép|400px|]]
 
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_1.jpg|közép|400px|]]
 
|-
 
|-
−
| align="center"|1. ábra
+
| align="center"|1. ábra. Időben változó fizikai mennyiség időbeli fluktuációi.
 
|}
 
|}
  
24. sor: 23. sor:
 
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_zajsuruseg.jpg|közép|400px|]]
 
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_zajsuruseg.jpg|közép|400px|]]
 
|-
 
|-
−
| align="center"|2. ábra
+
| align="center"|2. ábra. Időben változó mennyiség fluktuációinak mérése véges sávszélességgel.
 
|}
 
|}
 
Az így kapott szórásnégyzet kis $\Delta f$ esetén arányos a $\Delta f$ sávszélességgel, az arányossági tényezőt pedig a zaj spektrális sűrűségének nevezzük:
 
Az így kapott szórásnégyzet kis $\Delta f$ esetén arányos a $\Delta f$ sávszélességgel, az arányossági tényezőt pedig a zaj spektrális sűrűségének nevezzük:
31. sor: 30. sor:
  
 
Az áramzajhoz hasonlóan definiálhatjuk a feszültségzajt is: $$\left<(\Delta V(t|f_0,\Delta f))^2\right>=S_V(f_0)\Delta f.$$
 
Az áramzajhoz hasonlóan definiálhatjuk a feszültségzajt is: $$\left<(\Delta V(t|f_0,\Delta f))^2\right>=S_V(f_0)\Delta f.$$
−
Egy egyszerű ellenállás esetén $\Delta V=R\cdot \Delta I$, azaz $S_V=R^2\cdot S_I$. Egy nemlineáris eszköznél, pl. egy diódánál $S_V=R_d^2\cdot S_I$, ahol $R_d=dV/dI$ az eszköz differenciális ellenállása a mérésnél alkalmazott munkapontban.  
+
Egy egyszerű ellenállás esetén $\Delta V=R\cdot \Delta I$, azaz $S_V=R^2\cdot S_I$. Egy nemlineáris eszköznél, például egy diódánál $S_V=R_d^2\cdot S_I$, ahol $R_d=dV/dI$ az eszköz differenciális ellenállása a mérésnél alkalmazott munkapontban.  
 +
</wlatex>
  
−
A fenti definíciók megismerése után érdemes megnézni a mérésnél használt Femto DLPVA 100-F-S típusú erősítő [http://www.femto.de/images/pdf-dokumente/de-dlpva-100-f_4.pdf specificációit], melyek szerint a műszer bemeneti zaja 80dB erősítés esetén $5,5\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$. Ez azt jelenti, hogy az erősítő bemenetét rövidre zárva a várt zérus feszültség helyett az erősítő feszültségzaját látjuk, melynek a szórása $5,5\mathrm{nV}$ $1\mathrm{Hz}$-es sávszélességű mérés esetén.
+
==Spektrumanalízis==
 +
<wlatex>Egy időben változó jel spektrumát a Fourier-transzformáció segítségével ismerhetjük meg.
 +
$$f(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}F(t)e^{-i\omega t}dt.$$
 +
 
 +
Azonban a gyakorlatban a méréseket véges időintervallumban végezzük. A véges ideig mért jel spektrumára gyakorlatilag úgy tekinthetünk, mintha az a T ideig mért jel periodikus kiterjesztésének a spektruma lenne. Ha a mért jelünk a T időablakban nem periodikus, akkor a periodikusan kiterjesztett jel az időablak határain ugrásokat mutathat, melyek miatt fals nagyfrekvenciás komponensek jelennek meg a spektrumban. Ezen probléma kiküszöbölésére olyan ablakfüggvények használatára van szükség, amelyek a mérési intervallum szélén eltűnnek. A Fourier-transzformációt tehát a vizsgált jel és az ablakfüggvény szorzatán végezzük
 +
 
 +
$$f_W(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}W(t)F(t)e^{-i\omega t}dt,$$
 +
 
 +
ahol $W(t)$ súlyfüggvény egy T időablakon kívül zérus.
 +
 
 +
A Fourier-transzformált amplitúdó- és frekvenciapontossága, valamint a spektrális szivárgás mértéke az ablakfüggvény választásától függ. Ezen tulajdonságokra, valamint az ablakfüggvények alaposabb leírására a Méréstechnika tantárgy keretein belül került sor. Emlékeztetőül a 3. ábrán látható a mérés során használt Hanning ablakfüggvény összehasonlítva a téglalap ablakfügvénnyel.
 +
 
 +
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 +
|-
 +
| [[Fájl:750px-Ablak.jpg|közép|400px|]]
 +
|-
 +
| align="center"|3. ábra. a) $W(t)$ ablakfüggvény téglalap ablak (kék folytonos vonal) és Hanning ablak (piros szaggatott vonal) esetén. b) $F(t)=A\cdot \exp(i\omega_0 t)$ harmonikus jel Fourier-transzformáltjának abszolútérték-négyzete téglalap ablak (kék folytonos vonal) és Hanning ablak (piros szaggatott vonal) esetén. A téglalap ablakot Hanning ablakra cserélve az $\omega_0$ körüli csúcs kiszélesedik, azaz romlik a frekvenciafelbontás, azonban az $\omega_0$-tól távolabbi mellékcsúcsok amplitúdója lecsökken, azaz csökken a spektrális szivárgás. A Flat Top ablakfüggvény frekvenciafelbontása mindkettő alternatívánál rosszabb, azonban amplitúdópontossága a legjobb. A Flat Top ablakot, ezért akkor szokták használni, ha a jó amplitúdópontosság a cél, és a frekvenciafelbontás kevésbé fontos.
 +
|}
 +
 
 +
Ezen kívül a gyakorlatban a mért jelet nem folytonosan, hanem diszkrét pontokon mintavételezzük, így arra van szükség, hogy az ablakfüggvénnyel szorzott jel integrálját ennek megfelelően egy diszkrét összeggel közelítjük:
 +
$$f_W(\omega)=\sum_{n=0}^{N-1}F(n\Delta t)W(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}\Delta t,$$
 +
 
 +
ahol $\Delta t$ a két diszkrét mintavételezés között eltelt idő (a mérési idő $T=N\Delta t$). A diszkrét pontokon felvett függvény spektrumát diszkrét Fourier-transzformációnak (DFT) nevezzük.
 +
 
 +
Egy feszültségjel diszkrét Fourier-transzformáltjának abszolútérték-négyzetét a jel teljesítményspektrumának (''PS, Power Spectrum'') nevezzük. A mérést N diszkrét ponton végezve (DFT), illetve beszorozva azt egy W(t) ablakfüggvénnyel a kifejezés a következőképpen alakul:
 +
 
 +
$$PS=|f_W(\omega)|^2=|\sum_{n=0}^{N-1}V(n\Delta t)W(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}\Delta t|^2.$$
 +
 
 +
 
 +
A mérés során a zaj jellemzésére fontos spektrum, a fentebb bevezetett $S_V$ spektrális sűrűség (''PSD, Power Spectral Density''). A spektrális sűrűség a fenti, kísérleti definícióján kívül leírható a feszültség átlagtól való eltérésének $(\Delta V(t)=V(t)-\langle V(t)\rangle )$ a Fourier-transzformáltja abszolútértékének négyzetével is:
 +
 
 +
$$PSD=S_V(\omega)=\lim\limits_{T->\infty}\frac{2}{T}|\int_{-T/2}^{T/2} dt \Delta V(t)e^{-i\omega t}|^2$$.
 +
 
 +
Mindezt a gyakorlatban diszkrét mérési pontokra számíthatjuk ki, és így W(t) ablakfüggvénnyel a következő formát ölti:
 +
$$S_V(\omega)\approx\frac{2}{\sum_{n=0}^{N-1}W^2(n\Delta t)\Delta t}|\sum_{n=0}^{N-1} W(n\Delta t) V(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}\Delta t|^2=\frac{2\Delta t}{\sum_{n=0}^{N-1}W^2(n\Delta t)}|\sum_{n=0}^{N-1} W(n\Delta t) V(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}|^2.$$
 +
 
 +
A gyakorlatban használt spektrumanalizátorok ezt a számítást végzik el akkor, amikor a mintavételezett feszültség értékekből legyártják a jel zajspektrumát. Az így a feldolgozott jel amplitúdóját a W(t) ablakfüggvény ismeretében kaphatjuk vissza.
 +
 
 +
A kapott zajspektrumot a teljes frekvenciatartományra kiintegrálva a kísérleti definíció alapján a feszültség szórásnégyzetét kapjuk:
 +
 
 +
$$\langle(\Delta V(t))^2 \rangle=\int_{0}^{\infty} df S_V(f).$$
 +
 
 +
A fentiekben a legfontosabb összefüggések kerültek bemutatásra, azonban a spektrumanalízisről szükséges részletes tudnivalók összefoglalója elérhető a Méréstechnika c. tárgy [[Spektrumanalízis szerkesztőlap]] fejezetéről készített szöveges összefoglalóban.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
−
===''Puskalövések zaja''===
+
==''Aliasing'' jelenség==
−
<wlatex>
+
<wlatex>A DFT a mért jel spektrumát $0$ és $\omega_{max}=\frac{2\pi}{2\Delta t}$ frekvenciák közötti diszkrét pontokon értékeli ki. A Nyquist-Shannon mintavételezési törvény értelmében $\Delta t$ mintavételezési idővel legfeljebb $\omega_{max}$ maximális frekvenciáig lehetséges a jel rekonstrukciója. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a mintavételezési frekvenciát legalább kétszer akkorára kell megválasztani, mint a jel legmagasabb frekvenciakomponense. Azonban felmerül a kérdés, hogy ha mégsem így történik, akkor az $\omega_{max}$-nál nagyobb frekvenciakomponenseket tartalmazó jelnél mi történik a magas frekvenciakomponensekkel.
−
A zaj fogalma egy klasszikus példával is jól szemléltethető, nézzük meg hogy mi történik ha egy puskából véletlenszerűen lövöldözünk, úgy hogy a lövések időpontja egymástól teljesen független. Ha a szomszédos lövések között eltelt átlagos idő $\tau$ akkor $\Delta t$ idő alatt a lövések átlagos száma értelemszerűen $\left< N \right> =\Delta t/\tau$. A tényleges lövésszám azonban nyilvánvalóan fluktuálni fog az átlagérték körül. A szórásnégyzet meghatározásához érdemes kiszámolni a $P_N(\Delta t)$ valószínűséget, azaz annak a valószínűségét, hogy $\Delta t$ idő alatt $N$ lövés dördül. Ha $P_N(\Delta t)$ értékét ismerjük, akkor $P_N(\Delta t+dt)$ értéke a
+
 
 +
Vizsgáljunk egy $\omega_0$ frekvenciájú tiszta szinuszos jelet, és Fourier-transzformáltját:
 +
 
 +
$$F(t)=A_0e^{i\omega_0t},$$
 +
 
 +
$$f(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}A_0e^{i\omega_0t}e^{-i\omega t}dt=A_02\pi\delta(\omega-\omega_0).$$
 +
 
 +
A jel Fourier-transzformáltja tehát a várakozásnak megfelelően egy Dirac-delta. Most nézzük meg, hogy a DFT számolása során hogyan változik a spektrum meghatározása a gyakorlatban. Fontos megjegyezni, hogy egy adatgyűjtő kártya vagy oszcilloszkóp alapvetően $\Delta t$ időközönként $\Delta t$-nél jóval rövidebb ideig mintavételez, és nem az történik, hogy $\Delta t$ ideig átlagolja a jelet.
 +
 
 +
$$DFT(\omega_k)=\sum_{n=0}^{N-1}A_0e^{i\omega_0n\Delta t}W(n\Delta t)e^{-i\omega_k n\Delta t}\Delta t.$$
 +
 
 +
Vegyük észre, hogy
 +
 
 +
$$DFT(\omega_k)=DFT\left(\omega_k+\frac{2\pi  m}{\Delta t}\right),$$
 +
 
 +
ahol $m$ egész szám. Másrészt
 +
 +
$$DFT(\omega_k)=DFT^*(-\omega_k),$$
 +
 
 +
azaz
 +
 +
$$\left|DFT(\omega_k)\right|=|DFT(-\omega_k)|.$$
 +
 
 +
Így belátható, hogy tetszőleges magas körfrekvenciájú jelet úgy látunk, mintha az a $\left[0,\omega_{max}=\dfrac{2\pi}{2\Delta t}\right]$ tartományban lévő jel lenne a saját $A_0$ amplitúdójával, lásd a 4. ábrát.
 +
 
 +
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 +
|-
 +
| [[Fájl:aliasing_sinus.png|közép|400px|]]
 +
|-
 +
| align="center"|4. ábra. A mért adatpontok két, különböző frekvenciájú szinuszjelnek felelhetnek meg, és így fals frekvenciakomponens okoznak a diszkrét Fourier-spektrumban.
 +
|}
 +
 
 +
Ezt a jelenséget ''aliasingnak'', azaz magas frekvenciájú komponensek beszűrődésének nevezzük. Fontos megjegyezni, hogy az ''aliasing'' kialakulásának az oka a DFT diszkrét mintavételezése, és független a mérési pontok $N$ számától. Beláttuk, hogy a gyakorlatban a magas frekvenciájú jelek fals spektrumot okozhatnak, így gondoskodni kell kiszűrésükről egy aluláteresztő szűrővel. A gyakorlatban a legtöbbször az erősítők, vagy a mérőkártyák rendelkeznek beépített anti-aliasing szűrővel, ami a maximális frekvencia fölött rendszerint élesen levágja a spektrumot, ezzel megakadályozva, hogy a sávszélességen kívüli jelek a spektrumanalizátorba jussanak.
 +
 
 +
Zajmérésnél folytonos frekvenciaeloszlást látunk, és az egyes frekvenciakomponensek egymástól független fázisúak, így a magas frekvenciáról ''aliasing'' miatt lekonvertált frekvenciakomponensek teljesítménysűrűsége, azaz a Fourier transzformált abszolút érték négyzete hozzáadódik a valós, adott frekvencián mérendő zajsűrűséghez. Matematikailag úgy fogalmazhatjuk meg, hogy a $(2m)\dfrac{2\pi}{2\Delta t}<\omega<(2m+1)\dfrac{2\pi}{2\Delta t},$ $m=1,2,\ldots$ frekvenciatartományokban lévő komponensek az $\omega_m=\omega-\dfrac{2\pi m}{\Delta t}$ frekvencián jelennek meg a spektrumban, míg a $(2m-1)\dfrac{2\pi}{2\Delta t}<\omega<(2m)\dfrac{2\pi}{2\Delta t},$ $m=1,2,\ldots$ tartományokban lévők a $\omega_m=\dfrac{2\pi m}{\Delta t}-\omega$ frekvencián.
 +
 
 +
Ez leginkább úgy képzelhető el, mint a magas frekvenciás tartományok  $|DFT|^2$-einek a $[0,\omega_{max}]$ intervallumra történő visszahajtogatása (5. ábra). Az $\omega_{max}$  fölötti részt visszahajtjuk $[-\infty; \omega_{max}]$ intervallumra. Majd ezt a visszahajtott spektrumot $0\ \mathrm{Hz}$-nél előrehajtjuk, stb. Ezt mindaddig folytatjuk, amíg minden jelentős frekvenciakomponenst be nem hajtottunk a $[0,\omega_{max}]$ intervallumba.
 +
 
 +
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 +
|-
 +
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_aliasing.jpg|közép|400px|]]
 +
|-
 +
| align="center"|5. ábra. Anti-aliasing szűrő alkalmazásának szemléltetése.
 +
|}
 +
</wlatex>
 +
 
 +
 
 +
==Zajtípusok==
 +
 
 +
===Puskalövések zaja===
 +
<wlatex>A zaj fogalma egy klasszikus példával is jól szemléltethető, nézzük meg hogy mi történik ha egy puskából véletlenszerűen lövöldözünk, úgy hogy a lövések időpontja egymástól teljesen független. Ha a szomszédos lövések között eltelt átlagos idő $\tau$ akkor $\Delta t$ idő alatt a lövések átlagos száma értelemszerűen $\left< N \right> =\Delta t/\tau$. A tényleges lövésszám azonban nyilvánvalóan fluktuálni fog az átlagérték körül. A szórásnégyzet meghatározásához érdemes kiszámolni a $P_N(\Delta t)$ valószínűséget, azaz annak a valószínűségét, hogy $\Delta t$ idő alatt $N$ lövés dördül. Ha $P_N(\Delta t)$ értékét ismerjük, akkor $P_N(\Delta t+dt)$ értéke a
 
$$P_N(\Delta t+dt)=P_{N-1}(\Delta t)\frac{dt}{\tau}+P_N(\Delta t)\left(1-\frac{dt}{\tau}\right)$$
 
$$P_N(\Delta t+dt)=P_{N-1}(\Delta t)\frac{dt}{\tau}+P_N(\Delta t)\left(1-\frac{dt}{\tau}\right)$$
 
egyenlettel írható fel, azaz a kezdeti $\Delta t$ és az utána következő $dt<<\tau$ idő alatt vagy $N-1$ ill. $1$ vagy $N$ ill. $0$ lövés dördül. A megfelelő valószínűségeket a lövések függetlensége miatt szorozhatjuk össze.
 
egyenlettel írható fel, azaz a kezdeti $\Delta t$ és az utána következő $dt<<\tau$ idő alatt vagy $N-1$ ill. $1$ vagy $N$ ill. $0$ lövés dördül. A megfelelő valószínűségeket a lövések függetlensége miatt szorozhatjuk össze.
48. sor: 140. sor:
 
$$\left< (\Delta N)^2 \right>=\left< N \right>=\frac{\Delta t}{\tau}.$$
 
$$\left< (\Delta N)^2 \right>=\left< N \right>=\frac{\Delta t}{\tau}.$$
 
</wlatex>
 
</wlatex>
 +
 
===Elektronok sörétzaja===
 
===Elektronok sörétzaja===
−
<wlatex>
+
<wlatex>A fenti gondolatmenetet vonatkoztathatjuk elektronokra is ha teljesül az, hogy az elektronok véletlenszerűen, egymástól függetlenül jutnak át az egyik elektródából a másikba. Tegyük fel, hogy mérőrendszerünkkel az elektromos áramot $\Delta t$ időbeli felbontással tudjuk mérni. Egy $\Delta t$ szélességű mintavételezési intervallum alatt $I=Ne/\Delta t$ áramot detektálunk ahol a $\Delta t$ idő alatt áthaladó eletronok $N$ számának eloszlását a fenti Poisson eloszlás adja meg. Így a mért áram várható értéke $\left< I \right>=\left< N \right>e/\Delta t$, míg az áram szórásnégyzete $\left< (\Delta I)^2 \right>=\left< (\Delta N)^2 \right>e^2/(\Delta t)^2=\left< N \right>e^2/(\Delta t)^2=\left< I \right>e/\Delta t$.  
−
A fenti gondolatmenetet vonatkoztathatjuk elektronokra is ha teljesül az, hogy az elektronok véletlenszerűen, egymástól függetlenül jutnak át az egyik elektródából a másikba. Tegyük fel, hogy mérőrendszerünkkel az elektromos áramot $\Delta t$ időbeli felbontással tudjuk mérni. Egy $\Delta t$ szélességű mintavételezési intervallum alatt $I=Ne/\Delta t$ áramot detektálunk ahol a $\Delta t$ idő alatt áthaladó eletronok $N$ számának eloszlását a fenti Poisson eloszlás adja meg. Így a mért áram várható értéke $\left< I \right>=\left< N \right>e/\Delta t$, míg az áram szórásnégyzete $\left< (\Delta I)^2 \right>=\left< (\Delta N)^2 \right>e^2/(\Delta t)^2=\left< N \right>e^2/(\Delta t)^2=\left< I \right>e/\Delta t$.  
+
Az eddigiekben feltettük, hogy a $\Delta t$ az az időtartomány, amelyen belül az elektronok számának várható értéke és szórásnégyzete megegyezik. Ha egy ilyen $\Delta t$ időablakra átlagolunk egy jelet, az a konvolúció egy olyan szűrőként viselkedik a frekvenciatérben, melyen keresztül fehér zajt mérve az áram szórásnégyzete egyenlő lesz egy $\dfrac{1}{2\Delta t}$ tökéletes sávszűrőn mért szórásnégyzettel. Ennek a részletes levezetése a Méréstechnika tárgy [[Poisson zaj szerkesztőlap]] jegyzetében található.
−
A [http://en.wikipedia.org/wiki/Nyquist%E2%80%93Shannon_sampling_theorem Nyquist - Shannon mintavételezési törvény] szerint $\Delta t$ időfelbontás esetén a mért jelet $f_{\mathrm{max}}=1/2\Delta t$ maximális frekvenciáig tudjuk rekonstruálni. Ez alapján az áram szórásnégyzete:  
+
Ez alapján az áram szórásnégyzete:  
 
$$\left< (\Delta I)^2 \right>=\int_0^{f_\mathrm{max}}S_I(f)df=2e\left< I \right>\cdot f_\mathrm{max},$$
 
$$\left< (\Delta I)^2 \right>=\int_0^{f_\mathrm{max}}S_I(f)df=2e\left< I \right>\cdot f_\mathrm{max},$$
 
azaz:
 
azaz:
 
$$S_I=2e\left< I \right>.$$
 
$$S_I=2e\left< I \right>.$$
  
−
A puskagolyós analógia alapján az elektronok diszkrét töltéséből adódó áramzajt ''sörétzajnak'' szokták nevezni. Fontos megemlíteni, hogy a fenti képlet alapján a sörétzaj fehér zaj, azaz a spektrális sűrűség frekvenciafüggetlen. Az előbbiekben levezetett zajformula a sörétzajnak is egyik speciális esetét írja le, az ún. Poisson zajt, mely egymástól független elektronok detektálására vonatkozik. A kvantummechanikából ismert Pauli elv szerint két elektron nem lehet ugyan abban az állapotban, azaz egy adott időpontban nem tudunk két teljesen egyforma állapotú elektront detektálni. Egy makroszkópikus vezetőben az elektronok nem egymástól függetlenül, hanem inkább ''sorban egymást követve'' érkeznek az árammérőhöz, így a fenti zajformula nem érvényes. Azonban a Poisson zaj feltételét megvalósíthatjuk akkor, ha az elektronok útjába egy olyan akadályt helyezünk, melyen véletlenszerűen az elektronoknak csak egy kis része tud keresztüljutni (3a. ábra).  
+
A puskagolyós analógia alapján az elektronok diszkrét töltéséből adódó áramzajt ''sörétzajnak'' szokták nevezni. Fontos megemlíteni, hogy a fenti képlet alapján a sörétzaj fehér zaj, azaz a spektrális sűrűség frekvenciafüggetlen. Az előbbiekben levezetett zajformula a sörétzajnak is egyik speciális esetét írja le, az ún. Poisson zajt, mely egymástól független elektronok detektálására vonatkozik. A kvantummechanikából ismert Pauli elv szerint két elektron nem lehet ugyan abban az állapotban, azaz egy adott időpontban nem tudunk két teljesen egyforma állapotú elektront detektálni. Egy makroszkopikus vezetőben az elektronok nem egymástól függetlenül, hanem inkább ''sorban egymást követve'' érkeznek az árammérőhöz, így a fenti zajformula nem érvényes. Azonban a Poisson zaj feltételét megvalósíthatjuk akkor, ha az elektronok útjába egy olyan akadályt helyezünk, melyen véletlenszerűen az elektronoknak csak egy kis része tud keresztüljutni (6a. ábra).  
  
−
Az első sörétzaj-mérést Walter Schottky végezte 1918-ban [2]: híres kísérletében egy vákuumdióda anódáramának zaját vizsgálta. A vákuumdióda felépítését a 3b. ábra szemlélteti. Egy fűtött katódból véletlenszerűen kilépő elektronok a katód és anód közé kapcsolt feszültség hatására eljutnak az anódba, ahol áramot detektálunk. A vákuumdióda ideális eszköz a sörétzaj tanulmányozásához, hiszen az elektronok valóban véletlenül, és egymástól függetlenül emittálódnak, így a mért zajsűrűség és az áram hányadosából az elektrontöltés a Poisson zaj formulája alapján meghatározható.
+
Az első sörétzaj-mérést Walter Schottky végezte 1918-ban [2]: híres kísérletében egy vákuumdióda anódáramának zaját vizsgálta. A vákuumdióda felépítését a 6b. ábra szemlélteti. Egy fűtött katódból véletlenszerűen kilépő elektronok a katód és anód közé kapcsolt feszültség hatására eljutnak az anódba, ahol áramot detektálunk. A vákuumdióda ideális eszköz a sörétzaj tanulmányozásához, hiszen az elektronok valóban véletlenül, és egymástól függetlenül emittálódnak, így a mért zajsűrűség és az áram hányadosából az elektrontöltés a Poisson zaj formulája alapján meghatározható.
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
65. sor: 158. sor:
 
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_vakuumdioda.png|közép|400px|]]
 
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_vakuumdioda.png|közép|400px|]]
 
|-
 
|-
−
| align="center"|3a. ábra
+
| align="center"|6a. ábra
−
| align="center"|3b. ábra
+
| align="center"|6b. ábra
 
|}
 
|}
  
 
Poisson zajt modern elektronikai eszközökben is tapasztalhatunk, például egy diódát alkotó félvezető p-n átmenet is biztosítja az elektronok véletlen és független emisszióját megfelelően kicsi áram esetén.  
 
Poisson zajt modern elektronikai eszközökben is tapasztalhatunk, például egy diódát alkotó félvezető p-n átmenet is biztosítja az elektronok véletlen és független emisszióját megfelelően kicsi áram esetén.  
 
</wlatex>
 
</wlatex>
 +
 
===Termikus zaj===
 
===Termikus zaj===
−
<wlatex>
+
<wlatex>Az előbbiekben bemutatott sörétzaj egy nemegyensúlyi zaj, melyet csak akkor tapasztalunk, ha a vizsgált áramköri elemen áramot folyatunk keresztül. Zajt azonban egyensúlyi állapotban is tapasztalhatunk pusztán az elektronok termikus fluktuációi miatt. A ''termikus zaj'' megértése komolyabb elméleti hátteret igényel (részletes levezetés a Méréstechnika tárgy [[Termikus zaj szerkesztőlap]] jegyzeténél megtekinthető), azonban maga a jelenség egy nagyon egyszerű formulával leírható: egy $R$ elektromos ellenállással rendelkező áramköri elemen  
−
Az előbbiekben bemutatott sörétzaj egy nemegyensúlyi zaj, melyet csak akkor tapasztalunk, ha a vizsgált áramköri elemen áramot folyatunk keresztül. Zajt azonban egyensúlyi állapotban is tapasztalhatunk pusztán az elektronok termikus fluktuációi miatt. A ''termikus zaj'' megértése komolyabb elméleti hátteret igényel, azonban maga a jelenség egy nagyon egyszerű formulával leírható: egy $R$ elektromos ellenállással rendelkező áramköri elemen  
+
 
$$S_V=4k_B T\cdot R$$
 
$$S_V=4k_B T\cdot R$$
 
feszültségzaj-sűrűséget mérhetünk attól függetlenül, hogy pontosan milyen fizikai rendszer adja az $R$ ellenállást.  
 
feszültségzaj-sűrűséget mérhetünk attól függetlenül, hogy pontosan milyen fizikai rendszer adja az $R$ ellenállást.  
79. sor: 172. sor:
 
Ezen jelenség segítségével a $T$ hőmérséklet és az $R$ ellenállás ismeretében a feszültségzaj méréséből a Boltzmann-állandó meghatározható.
 
Ezen jelenség segítségével a $T$ hőmérséklet és az $R$ ellenállás ismeretében a feszültségzaj méréséből a Boltzmann-állandó meghatározható.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
−
===Egyéb zajforrások===
 
−
<wlatex>
 
−
A termikus zaj és a sörétzaj mellett érdemes megemlékezni az 1/f zajról, mely a zajsűrűség tipikus 1/f jellegű frekvenciafüggéséről kapta a nevét. Ezen zajtípus számos fizikai folyamatból származhat, például a szennyezők és rácshibák véletlen mozgásából adódó ellenállásfluktuációkból. Az 1/f zaj a sörétzajhoz hasonlóan nemegyensúlyi zaj, a spektrális sűrűség a feszültség növelésével nő. Az 1/f zaj tipikusan alacsonyfrekvenciás ($<100-1000 \mathrm{Hz}$) méréseknél dominál, míg magasabb frekvenciákon a termikus zaj illetve bizonyos eszközökben a sörétzaj a legfontosabb zajforrás.
 
  
−
Az eddigiekben csak a vizsgált rendszerünk ''belső'' zajáról beszéltünk, azonban zajmérésnél mindig fontos a külső forrásokból adódó elektromágneses zavarokra is gondolni. Egy áramkör kapacitív vagy induktív csatolással könnyen felvesz zajt a környezetből például az elektromos hálózat 50 Hz-es frekvenciájánál, monitorok képernyőjének frissítési frekvenciájánál, kapcsoló üzemű tápok működési frekvenciájánál, vagy akár rádióállomások, mobiltelefonok sugárzási frekvenciájánál. Ezen zavaró tényezők kiküszöbölésének alapvető módszere a vizsgált áramkör árnyékolása: alacsony jelszintű méréseknél mindig árnyékolt kábeleket, illetve fém dobozba zárt áramköröket érdemes használni.
+
===1/f-zaj===
 +
<wlatex>A termikus zaj és a sörétzaj mellett érdemes megemlékezni az 1/f-zajról, mely a zajsűrűség tipikus $1/f^\alpha$-jellegű frekvenciafüggéséről kapta a nevét. ($\alpha\approx1.$)
 +
Az 1/f-zaj tipikusan alacsonyfrekvenciás méréseknél dominál, míg magasabb frekvenciákon a termikus zaj, illetve bizonyos eszközökben a sörétzaj a legfontosabb zajforrás. Ezen zajtípus forrása számos fizikai folyamatból származó ellenállásfluktuáció lehet. Ilyen fizikai folyamat például a szennyezők és rácshibák véletlen mozgása, vagy egy térvezérelt tranzisztorban a kapuelektróda alatti dielektrikumban lévő töltéscsapdák hatása a töltéshordozókra.  
 +
 
 +
Az 1/f-zaj a sörétzajhoz hasonlóan nemegyensúlyi zaj, a spektrális sűrűség a feszültség növelésével nő. Ha feszültségzajt mérünk konstans árammeghajtásnál, akkor $\Delta V=I \cdot \Delta R$ alapján:
 +
 
 +
$$S_V(f_0)=\left< (\Delta V(t|f_0,\Delta f))^2 \right> / \Delta f=I^2 \cdot \left< (\Delta R(t|f_0,\Delta f))^2 \right> / \Delta f= I^2 \cdot S_R$$.
 +
 
 +
Azaz, mivel az 1/f-zaj alapvetően ellenállásfluktuációból eredő ellenállászaj, ezért az Ohm törvény alapján az 1/f-zaj
 +
miatti feszültségzaj a meghajtó áram négyzetével skálázódik!
 
</wlatex>
 
</wlatex>
−
===Spektrumanalízis===
+
 
−
<wlatex>
+
===Egyéb zajforrások===
−
A spektrumanalízisről szükséges tudnivalók összefoglalója elérhető itt.
+
<wlatex>Az eddigiekben csak a vizsgált rendszerünk ''belső'' zajáról beszéltünk, azonban zajmérésnél mindig fontos a külső forrásokból adódó elektromágneses zavarokra is gondolni. Egy áramkör kapacitív vagy induktív csatolással könnyen felvesz zajt a környezetből például az elektromos hálózat 50 Hz-es frekvenciájánál, monitorok képernyőjének frissítési frekvenciájánál, kapcsoló üzemű tápok működési frekvenciájánál, vagy akár rádióállomások, mobiltelefonok sugárzási frekvenciájánál. Ezen zavaró tényezők kiküszöbölésének alapvető módszere a vizsgált áramkör árnyékolása: alacsony jelszintű méréseknél mindig árnyékolt kábeleket, illetve fém dobozba zárt áramköröket érdemes használni.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
93. sor: 192. sor:
  
 
===A méréshez használt eszközök===
 
===A méréshez használt eszközök===
−
<wlatex>
+
<wlatex>*A méréshez egy NI myDAQ adatgyűjtő kártyát használunk. A kártya 200 kS/s sebességgel képes mintavételezni, illetve a továbbiak szempontjából fontos tulajdonsága, hogy nem rendelkezik anti-aliasing szűrűvel. Részletes specifikációk és leírás a műszer [http://www.ni.com/pdf/manuals/373061f.pdf adatlapjában] érhető el. A műszer egy analóg bemenetére (AI1) és egy analóg kimenetére (AO1) BNC csatlakozókat rögzítettünk a vizsgált rendszerek egyszerűbb csatlakoztatása céljából.
−
A méréshez egy Stanford Reserch Systems 770 típusú spektrumanalizátort használunk. A későbbiekben csak a műszer legfontosabb funkcióit ismertetjük, részletes specifikációk és leírás a műszer [http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/Catalog/SR760770c.pdf adatlapjában] és [http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/Manuals/SR770m.pdf használati utasításában] érhető el. A műszer előlapjának fényképe és a kezelőfelülete szintén az említett adatlapban tekinthetők meg.
+
  
−
A spektrumanalizátor jele egy saját fejlesztésű szoftverrel (SRS770_beolvasas.exe) számítógépbe beolvasható illetve fájlba kimenthető.
+
*Az adatgyűjtő kártya USB porton keresztül csatlakozik a számítógéphez, ahol a jelet az NI ELVISmx programcsomagban található spektrumanalizátor (Dynamic Signal Analyzer) segítségével dolgozzuk fel. A program részletes használati útmutatása lentebb olvasható.  
  
−
A termikus és a sörétzaj méréséhez egy lezárható alumínium dobozba helyezett panel áll rendelkezésre. A panelen levő csatlakozókba lehet bekötni a termikus zaj méréséhez használt R ellenállásokat és a sörétzaj méréséhez szükséges R1 és R2 ellenállásokat. (4. ábra). A dobozon három BNC csatlakozó és a tápfeszültség bekapcsolására szolgáló kapcsoló található.
+
*Az alacsony zajszintek felerősítéséhez egy [https://www.femto.de/images/pdf-dokumente/de-dlpva-100-f.pdf Femto DLPVA 100-F-S] erősítőt használunk. Az erősítő kelezőfelülete a 7. ábrán látható.
−
A méréshez különböző áramköri elemek állnak rendelkezésre: ellenállások, jumper, kondenzátorok, BNC-BNC toldó, BNC csatlakozós koax kábel.  
+
**Az erősítő AC- vagy DC-csatolásban használható. Az AC-csatolásnál egy beépített szűrő 1,5 Hz-nél levágja a DC-komponenst. A mérések szempontjából ennek nincs nagy jelentősége.
 +
**Az erősítő alaperősítése 20 dB, további 60 dB (40 dB + 20 dB) erősítés opcionális. A mérések során végig 80 dB-es erősítést használunk.
 +
**Az erősítési tartomány 1 kHz vagy 100 kHz közül választható. A választott frekvencia fölött egy beépített aluláteresztő szűrő levágja az erősített jelet. Méréseink során 100 kHz-es sávszélességet használjunk.
 +
**A feszültségerősítő bemeneti zaja - specifikációja alapján - 80 dB erősítés esetén $\sqrt{\mathrm{S_0}}\approx 5,5\mathrm{\ nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$. Ez azt jelenti, hogy az erősítő bemenetét rövidre zárva a várt zérus feszültség helyett az erősítő saját feszültségzaját látjuk, melynek a szórása 5,5 nV az 1 Hz-es sávszélességű mérés esetén.
 +
**Mindig figyeljünk oda, hogy ne kerüljön az erősítő ''overload''-ba. Ezt egy piros LED égő kigyulladása jelzi.
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
|-
 
|-
−
| [[Fájl:IMG_3432_annot.jpg|közép|300px|]]
+
| [[Fájl:DLPVA_W_R2.jpg|közép|300px|]]
 
|-
 
|-
−
| align="center"|4. ábra
+
| align="center"|7. ábra. A mérésekhez használt Femto DLPVA 100-F-S feszültségerősítő.
 
|}
 
|}
  
 +
*Mivel az erősítőbe épített 100 kHz-es sávszélesség néhány mérések szempontjából túl nagy, ezért a megadott feladatoknál egy lezárható alumínium dobozban található harmadrendű RLC aluláteresztő szűrőt építünk be az erősítő után, mely alacsonyabb levágási frekvenciával rendelkezik. A doboz oldalán lévő két BNC csatlakozó a be-, illetve kimenetet biztosítja.
 +
 +
*Több mérési feladat során vizsgálunk, vagy használunk harmonikus jeleket, melyeket egy Siglent függvénygenerátorból adunk ki. A beállított jel a kimeneti BNC csatlakozó feletti ''Output'' gomb megnyomásával kerül a kimenetre. A jel amplitúdójának beállításánál ügyeljünk a mértékegységre ($\mathrm{V}$, $\mathrm{V}_{\mathrm{rms}}$, $\mathrm{V}_{\mathrm{pp}}$).
 +
 +
*A méréshez rendelkezésre álló további eszközök:
 +
** Egy BNC csatlakozóval rendelkező, árnyékolásra szolgáló alumíniumdoboz a termikus zaj méréséhez,
 +
** Három BNC csatlakozóval, továbbá egy 9V-os elemmel és a hozzá tartozó kapcsolóval rendelkező alumíniumdoboz az elektrontöltés meghatározásához és a szénszál vizsgálatához. Kérjük győződjön meg arról, hogy a mérőgyakorlat befejeztével a tápkapcsolót kikapcsolt állapotban hagyta. Ezen dobozon belül a megfelelő kapcsolások összeállítása a hallgató feladata.
 +
** Az 1/f-zaj mérés alanyaként szolgáló szénszálköteg egy különálló feketére festett alumíniumdobozban található. A dobozt megtekintés céljából ki lehet nyitni, a dobozon belül azonban nincs szükség semmilyen műveletre.
 +
** Ellenállások, kondenzátorok, BNC-BNC toldó, BNC csatlakozós koax kábelek.
 +
 +
*A méréstechnikában ökölszabály, hogy egy alacsony szintű jel a lehető legrövidebb kábellel jusson az erősítőhöz. Ezért a mérési összeállításban a mérni kívánt rendszert tartalmazó doboz megfelelő kimenetét közvetlenül az erősítőhöz csatlakoztatjuk egy BNC-BNC toldó segítségével. A a felerősített jelet az aluláteresztő szűrőn keresztül a mérőkártyához. Bizonyos méréseknél az erősítőt és/vagy az aluláteresztő szűrőt kihagyjuk a mérési összeállításból, azonban ezt minden alkalommal jelezi a feladatleírás.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
 
===A termikus zaj mérésének elve===
 
===A termikus zaj mérésének elve===
−
<wlatex>
+
<wlatex>A termikus zaj mérésénél a mérni kívánt ellenállást közvetlenül az erősítőre kötve mérjük meg. A megfelelő árnyékolás érdekében viszont a rendelkezésre álló egy BNC csatlakozóval rendelkező dobozba rögzítjük be, a BNC csatlakozó belső pontja és földpontja közé. A BNC csatlakozót egy BNC-BNC toldó segítségével közvetlenül az erősítő bemenetére kötjük és ebben az elrendezésben mérjük az ellenállás feszültségzaját. Mivel a mért termikus zaj összemérhető az erősítő bemeneti zajával ($S_0$) ezért a mért zaj a termikus zaj és az erősítő bemeneti zajának összege lesz:
−
A termikus zaj mérésénél a doboz egyik BNC csatlakozójának belső pontja és földpontja közé egy ellenállást kötünk, a BNC csatlakozót pedig egy BNC-BNC toldó segítségével (lásd 4. ábra felső csatlakozó) közvetlenül a spektrumanalizátor ''Signal In (A)'' bemenetére kötjük és ebben az elrendezésben mérjük az ellenállás feszültségzaját. Mivel a mért termikus zaj összemérhető a műszer bemeneti zajával ($\approx 5\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$) ezért a mért zaj a termikus zaj és a műszer bemeneti zajának összege lesz:
+
 
$$S_V=4k_B T\cdot R + S_0.$$
 
$$S_V=4k_B T\cdot R + S_0.$$
−
Ha a mérést több ellenálláson is megismételjük akkor az $S_V(R)$ függvény meredekségéből a szobahőmérséklet ismeretében megkapjuk a Boltzmann-állandó értékét.
+
Ha a mérést több ellenálláson is megismételjük akkor az $S_V(R)$ függvény meredekségéből a szobahőmérséklet ismeretében megkapjuk a Boltzmann-állandó értékét, a tengelymetszetéből pedig az erősítő bemeneti zaját.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
 +
 
===A sörétzaj mérésének elve===
 
===A sörétzaj mérésének elve===
−
<wlatex>
+
<wlatex>A sörétzaj mérésekor az 8. ábrán bemutatott kapcsolást érdemes alkalmazni. Tápegységként használjunk egy 9 V-os elemet, így a meghajtó feszültségünk zaja kisebb lesz, mint ha bármilyen elektromos hálózatra kötött tápegységet használnánk. A teleppel kössünk sorba egy nagy ellenállást ($R_1$) és egy félvezető diódát. Diódaként érdemes egy alacsony zajszintű tranzisztort használni úgy, hogy azt az 8. ábra szerint nyitó irányban a bázis és emitter kontaktusokon keresztül kötjük az áramkörbe és a kollektor elektródát nem használjuk.  
−
A sörétzaj mérésekor az 5. ábrán bemutatott kapcsolást érdemes alkalmazni. Tápegységként használjunk egy 9V-os elemet, így a meghajtó feszültségünk zaja kisebb lesz mint ha bármilyen elektromos hálózatra kötött tápegységet használnánk. A teleppel kössünk sorba egy nagy ellenállást ($R_1$) és egy félvezető diódát. Diódaként érdemes egy alacsony zajszintű tranzisztort használni úgy, hogy azt az 5. ábra szerint nyitó irányban a bázis és emitter kontaktusokon keresztül kötjük az áramkörbe és a kollektor elektródát nem használjuk.  
+
  
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 
|-
 
|-
−
| [[Fájl:Zaj_mint_jel_kapcsolas.jpg|közép|500px|]]
+
| [[Fájl:elektron_mer_elr.jpg|közép|500px|]]
 +
| [[Fájl:dioda_diff_R_2.png|közép|300px|]]
 
|-
 
|-
−
| align="center"|5. ábra
+
| align="center"|8. ábra. A mérési elrendezés az elektron töltésének meghatározásához. A dióda differenciális
 +
ellenállásának meghatározásához a piros színnel jelölt elemeket kell bekötni.
 +
| align="center"|9. ábra. A  váltóáramú meghajtással való differenciális ellenállás-mérés szemléltetése.
 
|}
 
|}
  
−
A körben folyó egyenáramot könnyen meghatározhatjuk az $R_1$ ellenálláson eső feszültség mérése alapján (a biztonság kedvéért érdemes az $R_1$ ellenállás értékét is pontosan megmérni, és ezzel számolni a névleges érték helyett). A feszültség- és ellenállás-méréshez használjunk 4.5 digites Goodwill digitális multimétert.  
+
A diódán jelentkező feszültségzaj ($S_V$) meghatározásához a 8. ábrán pirossal jelölt részeket egyelőre ne kössük be az áramkörbe. Az elméleti bevezető alapján ismert, hogy a feszültségzaj felírható a következő összefüggéssel:
 +
$$S_V=S_I \cdot R_\mathrm{d}^2 +S_0=2e\left< I \right> \cdot R_\mathrm{d}^2 +S_0,$$
 +
ahol $R_\mathrm{d}$ a dióda differenciális ellenállása a beállított munkapontban, $S_0$ pedig az erősítő bemeneti zaja. A körben folyó $\left< I \right>$ egyenáramot könnyen meghatározhatjuk az $R_1$ ellenállás és a rajta eső feszültség mérése alapján. A feszültség- és ellenállás-méréshez használjunk 4.5 digites Goodwill digitális multimétert. Az áram meghatározása után mérjük meg a dióda $S_V$ feszültségzaját.
  
−
Az áram meghatározása után mérjük meg a spektrumanalizátorral a diódán jelentkező feszültségzajt. (Ennél a mérésnél az ábrán pirossal jelölt $R_2$ ellenállást és $C$ kondenzátort ne kössük az áramkörbe!) Az így mért feszültségzaj
+
A következő lépés a dióda $R_\mathrm{d}$ differenciális ellenállásának a meghatározása, szemléltetésül a 9. ábra szolgál. Emlékeztetőül a differenciális ellenállás definiciója: A diódára kapcsolt egyenfeszültség egy állandó átfolyó áramot határoz meg, vagyis meghatározza a dióda karakterisztikájának egy pontját, ezt nevezzük munkapontnak. A munkapontban tudjuk definiálni a dióda egyenáramú ellenállását, ami a rákapcsolt egyenfeszültség és az átfolyó áram hányadosa. A feszültség kis változtatásának (modulálás) hatása az áramra attól függ, hogy hol van a munkapont, hiszen a karakterisztika nemlineáris. A dióda differenciális (dinamikus) ellenállásának az adott munkaponti feszültség  kis változását és a kialakuló áramváltozás hányadosát nevezzük.
−
$$S_V=2e\left< I \right> \cdot R_d^2 +S_0,$$
+
−
ahol $R_d$ a dióda differenciális ellenállása a beállított munkapontban, $S_0$ pedig a műszer bemeneti zaja.  
+
  
−
A következő lépés a dióda differenciális ellenállásának* a meghatározása. Ehhez a spektrumanalizátor ''Source Out'' kimenetéről egy $R_2$ ellenálláson és egy $C$ kondenzátoron keresztül váltóáramot keverünk a telepből jövő egyenáramhoz, és a spektrumanalizátorral megmérjük a vátóáramú feszültségesést a meghajtó jellel azonos frekvencián. A spektrumanalizátor kimeneti feszültségszintjét és az $R_2$ ellenállást úgy kell megválasztani hogy a diódán folyó váltóáram az egyenáramnál lényegesen kisebb legyen. A $C$ kapacitás azt a célt szolgálja, hogy a telepből jövő egyenáramból semennyi ne tudjon a spektrumanalizátor kimenete felé elfolyni. Célszerű $C$ értékét úgy megválasztani hogy a meghajtó frekvencián vett impedancia lényegesen kisebb legyen $R_2$-nél. Így a differenciális ellenállást  
+
A differenciális ellenállás meghatározásához a függvénygenerátorból egy $R_2$ ellenálláson és egy $C$ kondenzátoron keresztül váltóáramot keverünk a telepből jövő egyenáramhoz, és a mérőrendszerrel megmérjük a váltóáramú feszültségesést a diódán a meghajtó jellel azonos frekvencián. A függvénygenerátorból kiadott jel feszültségszintjét és az $R_2$ ellenállást úgy kell megválasztani hogy a diódán folyó váltóáram effektív értéke az $\left< I \right>$  egyenáramnál legalább két nagyságrenddel kisebb legyen. A $C$ kapacitás azt a célt szolgálja, hogy a telepből jövő egyenáramból semennyi ne tudjon a függvénygenerátor kimenete felé elfolyni. $C$ értékét úgy választjuk meg, hogy a meghajtó frekvencián vett impedancia lényegesen kisebb legyen $R_2$-nél. Így a differenciális ellenállást  
 
$R_d=\Delta U_{\mathrm{rms}}/\Delta I_{\mathrm{rms}}$
 
$R_d=\Delta U_{\mathrm{rms}}/\Delta I_{\mathrm{rms}}$
−
képlet szerint számoljuk, ahol $\Delta I_{\mathrm{rms}}$ a ''Source Out'' kimeneten kiadott váltófeszültség rms értékének (szórásának) és $R_2$ ellenállásnak a hányadosa, $\Delta U_{\mathrm{rms}}$ pedig a diódán mért váltóáramú feszültség rms értéke.
+
képlet szerint számoljuk, ahol $\Delta I_{\mathrm{rms}}$ diódán folyó váltóáram effektív értéke, $\Delta U_{\mathrm{rms}}$ pedig a diódán mért váltóáramú feszültség effektív értéke. $\Delta I_{\mathrm{rms}}$ értékét a függvénygenerátorból kiadott váltófeszültség effektív értékének és $R_2$ ellenállásnak a hányadosa, $\Delta U_{\mathrm{rms}}$-t pedig a diódán mért teljesítményspektrum meghajtó frekvencián mért effektív amplitúdója adja.
  
−
Ha különböző $R_1$ ellenállásokkal megmérjük $S_V$, $\left< I \right>$ és $R_d$ értékét akkor az $S_V(\left< I \right> \cdot R_d^2)$ függvényre egyenest illesztve megkapjuk az elektron töltésének értékét.  
+
Ha különböző $R_1$ ellenállásokkal (különböző munkapontokban) megmérjük $S_V$, $\left< I \right>$ és $R_d$ értékét akkor az $S_V(\left< I \right> \cdot R_d^2)$ függvényre egyenest illesztve megkapjuk az elektron töltésének értékét, míg az egyenes tengelymetszete megadja az erősítő bemeneti zajának értékét.  
 
</wlatex>
 
</wlatex>
−
* A diódára kapcsolt egyenfeszültség egy állandó átfolyó áramot határoz meg, vagyis meghatározza a karakterisztika egy pontját, ezt nevezzük munkapontnak. A munkapontban tudjuk definiálni a dióda egyenáramú ellenállását, ami a rákapcsolt egyenfeszültség és az átfolyó áram hányadosa. A feszültség kis változtatásának (modulálás) hatása az áramra attól függ, hogy hol van a munkapont, hiszen a karakterisztika nemlineáris. A dióda differenciális (dinamikus) ellenállásának az adott munkaponti feszültség  kis változását és a kialakuló áramváltozás hányadosát nevezzük.
 
  
−
==Az SRS770 spektrumanalizátor használata és beállítása==
+
===Az 1/f-zaj mérésének elve===
−
<wlatex>
+
−
Az SRS770 spektrumanalizátor egy egycsatornás 100kHz sávszélességű 16bit felbontású műszer, mely a bemenetén mért jel Fourier-spektrumát határozza meg. A műszer legfontosabb funkciói a MENU gombcsoport segítségével állíthatók.
+
  
−
*A '''FREQ''' gomb segítségével lehet a vizsgált frekvenciatartományt beállítani. A ''FREQ'' gomb megnyomása után a képernyő jobb szélén jelennek meg a beállítási lehetőségek, melyeket a képernyő melletti gombokkal érünk el. Számértékeket a forgató gombbal illetve az ''ENTRY'' gombcsoporttal állíthatunk be. A legfontosabb beállítás a ''Span'', mellyel a vizsgált frekvenciatartomány szélességét állíthatjuk be. A frekvenciatartomány kezdeti vagy középfrekvenciáját a ''Start freq'' vagy ''Center freq'' menüben állíthatjuk. Fontos megjegyezni, hogy ''Span''-ben beállított frekvenciasávot a műszer mindig 400 mérési pontra osztja, így a legnagyobb 100kHz-es sávszélességnél 100kHz/400 azaz 250Hz felbontással tudjuk felvenni a spektrumot.
+
<wlatex>Az 1/f-zaj méréséhez egy szénszálköteget fogunk vizsgálni a 10. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezésben. Tápegységként ismét a 9 V-os elemet használjuk. Az egyenáram nagyságának beállításához a teleppel kössünk sorba egy, a vizsgált rendszernél jóval nagyobb ellenállást ($R_1$), illetve a vizsgált szénszálköteget. (Azért van szükség jóval nagyobb ellenállásra, hogy a rendszer meghajtása áramgenerátoros legyen. Az áramgenerátoros meghajtás ugyanis feltétele a feszültségzaj mérésének.)
  
−
*A '''MEAS''' gomb segítségével állítható be, hogy pontosan mit akarunk mérni. Ezen belül a ''Measure'' menüben választhatjuk ki, hogy a jel komplex Fourier transzformáltját (''Spectrum'') vagy a zajsűrűséget (''PSD'', [http://en.wikipedia.org/wiki/Power_spectral_density power spectral density]) akarjuk mérni. Belátható hogy a ''PSD'' a Fourier transzformált abszolút érték négyzete megfelelő normálással. A ''Display'' menüben ''Log Mag'' funkciót állítsunk be, a ''Units'' menünen pedig ''Volts RMS'' mértékegységet válasszunk ki. A ''Window'' menüben választható ki az FFT-nél alkalmazott [http://en.wikipedia.org/wiki/Window_function ablakfüggvény], ezt PSD mérésekor ''Hanning'' ablakra állítsuk.
+
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 +
|-
 +
| [[Fájl:szenszal.jpg|közép|500px|]]
 +
|-
 +
| align="center"|10. ábra. A szénszálköteg 1/f-zaj mérésének elrendezése. A sorba kötött $R_1$ ellenállás értékét a szénszál ellenállásánál jóval nagyobbra kell választani.
 +
|}
  
−
*A '''DISPLAY''' gomb segítségével állíthatjuk be a képernyőn megjelenő ''Marker''-eket. A ''CONTROL/MARKER'' gomb megnyomása után a forgató gombbal állíthajuk be a ''Marker'' pozícióját. A képernyő tetején leolvasható a ''Marker'' pozíciója és az adott pozíciónál mért érték. ''Marker width=Spot'' beállításnál egy konkrét pontnál olvashatjuk le a spektrumot, míg ''Marker width=Norm/Wide'' és ''Marker Seeks=Mean'' beállításnál pedig az adott ''Marker'' pozíció körüli szélesebb tartományban vett átlagos spektrumot kapjuk meg.
+
A soros ellenállás változtatásával az egyenáram értéke pontosan beállítható. A mért feszültségzaj spektrum négyzetes függést fog mutatni az egyenáramtól, hiszen a zaj forrása a rendszer ellenállás-fluktuációja:
 +
$$S_V(f)= I^2 \cdot S_R(f)$$.
 +
A mért spektrumra log-log skálán egyenest illesztve meghatározható az $1/f^\alpha$-függés pontos kitevője, illetve az 1 Hz-re vonatkoztatott zajsűrűség. Az illesztett egyenes extrapolálható egy szélesebb frekvenciatartományra, melyen kiintegrálva a feszültség szórásnégyzete megkapható:
 +
$$\langle(\Delta V(t))^2 \rangle=\int_{0}^{\infty} df S_V(f).$$
  
−
*Az '''INPUT''' gomb megnyomása után ''Input Source=A'', ''Grounding=Ground'', ''Coupling=AC'' beállításokat alkalmazzunk. Az ''Input range'' menüben állíthatjuk be a mérés érzékenységét, ezt mindig az adott mérésnél alkalmazható legérzékenyebb értékre állítsuk. Zajspektrum mérésekor lehetőleg a legérzékenyebb, -60dBV méréshatárt válasszuk, mely 1mV-os méréshatárnak felel meg. A képernyő alsó részén mindig láthatjuk az aktuális méréshatár értékét. Ha ez alatt az ''OVERLOAD'' felirat villog akkor a bemenetet túlvezéreltük, így a mért adatok nem használhatók.
+
A szórás és a mintán eső feszültség hányadosával meghatározható a rendszerre jellemző jel-zaj arány (Signal-Noise Ratio, SNR):
 +
$$SNR=\dfrac{\sqrt{\langle(\Delta V(t))^2 \rangle}}{I\cdot R}.$$
 +
</wlatex>
  
−
*A '''SCALE''' gomb megnyomásával változtathatjuk az ábrázolt adatok skáláját. Az ''X-axis''-t állítsuk ''log'' skálára. Az ''Y/Div'' menü segítségével nagyíthatjuk ki a számunkra érdekes görbeszakaszt y irányban. Automatikus skálát az ''ENTRY/AUTOSCALE'' gombbal állíthatunk be.
+
===A Dynamic Signal Analyzer használata és beállítása===
 +
<wlatex>A Dynamic Signal Analyzer program az adatgyűjtő kártya bemenetén mért jel Fourier-spektrumát határozza meg. Kezelőfelületét a 11. ábrán láthatjuk.
  
−
*Az '''ANALYZE''' gomb megnyomása után ''None'' beállítást alkalmazzunk.
+
{|  cellpadding="5" cellspacing="0" align="center"
 +
|-
 +
| [[Fájl:kezelofelulet.png|közép|500px|]]
 +
|-
 +
| align="center"|11. ábra
 +
|}
  
−
*Az '''AVERAGE''' gomb megnyomása után állíthatjuk be az átlagolás értékét, celszerű 1000-2000 görbére átlagolni.
+
*A program kijelzőjén láthatjuk a mért spektrumot decibeles, azaz logaritmikus skálán, míg a frekvenciatengely felosztása lineáris. Ez alatt a kisebb kijelzőn a mérőkártya által mért feszültség időfelbontása látható.
  
−
*A '''SOURCE''' gombbal állíthatjuk be a ''Source Out'' kimenetet. Ha nincs szükség meghajtó jelre akkor mindig kapcsoljuk ki a kimenetet. Kimenő jel alkalmazása esetén a ''Configure'' menüben állíthatjuk be a kimenő jel frekvenciáját és amplitudóját.
+
*A kijelző alatti legördülő menüben állítható be, hogy a jel komplex Fourier transzformáltjának négyzetgyökét (teljesítményspektrum, ''Power Spectrum'') vagy a spektrális zajsűrűség (''PSD'') akarjuk mérni. Belátható hogy a ''PSD'' a Fourier transzformált abszolútérték-négyzete megfelelő normálással.  
  
−
*A '''SYSTEM''' menü ''Setup commun'' almenüjében ''Output to=GPIB''-t válasszunk. Ezen beállítások mellett tudjuk a mért értékeket a számítógép soros portján keresztül beolvasni.  
+
*A mérőprogram teljesítményspektrum amplitúdóját $\mathrm{dBVrms}$ mértékegységgel, a zajsűrűség amplitúdóját pedig $\mathrm{dBVrms}^2/\mathrm{Hz}$ mértékegységgel adja meg. Ezeket a kiértékelés során váltsuk át a gyakorlatban használatos $\mathrm{V}$, valamint $\mathrm{V}/\sqrt\mathrm{Hz}$ mértékegységekre.
  
−
*A mintavételezést a '''CONTROL/START''' gombbal indíthatjuk.
+
*Az '''Input Settings''' menüben állítható be mintavételezési csatorna, illetve a mintavételezési feszültségtartomány. Ezek változtatására a laborgyakorlat során nincs szükség.
 +
 
 +
*Az '''FFT Settings''' menüben állítható be a maximális mintavételezési frekvencia (legfeljebb 100 kHz), a frekvenciapontok száma (''Resolution''), illetve a használni kívánt ablakfüggvény. PSD mérésnél a kis spektrális szivárgást adó ''Hanning'' ablakot, míg teljesítményspektrum mérésénél a jó amplitúdópontosságot mutató ''Flat Top'' ablakot célszerű használni.
 +
 
 +
*Az '''Averaging''' menüben állítható be az átlagolás módja, illetve az átlagolt eredmények súlyozása. Az átlagolás módjára (''Mode'') négyzetes középértéket (rms), súlyozásra (''Weighting'') lineáris (''Linear'') beállítást használjunk. Szintén itt állíthatjuk be az átlagolt görbék számát, ezt 100 kHz-es frekvenciaablaknál célszerű legalább 100-ra választani Power Spectrum mérésénél, és 500-ra állítani PSD mérésénél. A frekvenciaablak csökkentésekor a mintavételezési frekvencia csökken, így a mérési idő megnövekszik, ezért ilyenkor az átlagolt görbék számát észszerűen csökkenthetjük (ne menjünk ~30 átlagolás alá).
 +
 
 +
*A '''Frequency Display''' menüben állíthatjuk be a kapott spektrum megtekintésének módját, itt javasoljuk a dB skálán való ábrázolást, illetve az RMS mód használatát.
 +
 
 +
*A '''Instrument Control''' menüben az ''Acquisition mode'' legördülő sávban választhatjuk ki, hogy folyamatos legyen a mintavételezés, vagy a beállított görbeszámot követően álljon le.
 +
 
 +
*A mintavételezést a '''Run''' gombbal indíthatjuk, és a '''Stop''' gombbal állíthatjuk le.
 +
 
 +
*Folyamatos mintavételezés esetén a beállított görbeszám elkészülését követően a '''Restart''' gomb elérhetővé válik, ekkor az átlagolás befejeződött, és a spektrum kimenthető a '''Stop''' gomb megnyomása után. Fontos figyelembe venni ilyenkor, hogy a '''Run''' gombbal indított mérés a korábbi adatpontokat beleátlagolja a mérésbe, vagyis folytatja az átlagolást, míg a '''Restart''' a korábbi adatpontokat törli, és elölről kezdi az átlagolást. Ezért új méréseket a '''Restart''' gombbal kell indítani.
 +
 
 +
*A '''Log''' gomb megnyomásával kiválaszthatjuk, hogy mely fájlba írja ki a program a legutóbb befejeződött mérés eredményét. Kerüljük el, hogy már létező fájl kiválasztását, hiszen ekkor a friss mérési adatok a korábbi adatok után íródnak, így azok visszafejtése meglehetősen nehéz lesz. A mentéshez a D meghajtóban hozzunk létre egy saját mappát.
 +
 
 +
*A kimentett txt fájlok felépítése a következő: a fájl körülbelül 2/3-áig a dátum, idő és a nyers feszültségjel, majd utána a frekvencia és a jelből számolt PS vagy PSD. A fájlban tizedesvesszős formátumban vannak kimentve az adatok.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
 +
 +
===A decibelskála áttekintése===
 +
<wlatex>
 +
 +
Erősítés decibelben, mivel $P\sim U^2$:
 +
$$X[\mathrm{dB}] = 10\cdot \log\left( \frac{ P_{\mathrm{ki}}[\mathrm{W}] }{ P_{\mathrm{be}}[\mathrm{W}]) }\right) = 20\cdot \log\left( \frac{ U_{\mathrm{ki}}[\mathrm{V}] }{ U_{\mathrm{be}}[\mathrm{V}]) }\right)$$
 +
 +
Feszültség átváltása decibelbe, ahol $U_\mathrm{ref}=1\ \mathrm{V}$:
 +
$$U[\mathrm{dBV}] = 20\cdot \log\left( \frac{ U[\mathrm{V}] }{ U_{\mathrm{ref}} }\right)$$
 +
 +
Spektrális zajsűrűség átváltása decibelbe, ahol $S_{\mathrm{V,ref}}=1\ \mathrm{V}^2\mathrm{/Hz}$:
 +
$$S_{\mathrm{V}}[\mathrm{dBV}^2\mathrm{/Hz}] = 10\cdot \log\left( \frac{ S_{\mathrm{V}}[\mathrm{V}^2\mathrm{/Hz}] }{ S_{\mathrm{V,ref}} }\right)$$
 +
 +
</wlatex>
 +
 
==Mérési feladatok==
 
==Mérési feladatok==
 +
<wlatex>===1. Amplitúdópontosság meghatározása (első mérési alkalom)===
 +
<wlatex>Ismerkedjen meg a mérőprogram használatával a leirat ''A Dynamic Signal Analyzer használata és beállítása'' alfejezete alapján!
  
−
===0. A Spektrumanalizátor használatának begyakorlása===
+
Adjon az Siglent függvénygenerátorból rendre 1 kHz, 4 kHz, 6 kHz, 9 kHz, 11 kHz és végül 14 kHz frekvenciájú, 100 mV amplitúdójú harmonikus jelet közvetlenül a mérőkártya bemenetére. Vizsgálja a teljesítményspektrumot (''Power Spectrum'') ''Flat Top'' ablakkal 5 kHz-ig 3200 frekvenciapontos felbontással. Mit tapasztal? Mivel magyarázható a csúcsok pozíciója a spektrumban? Számítással ellenőrizze, hogy a mért főkomponens amplitúdója megegyezik-e a jelgenerátorból kiadott jel amplitúdójával!
−
Nulladik feladatként ismerkedjünk meg a spektrumanalizátor kezelésével! Az Input A bementre csatlakoztassuk Vegyük sorra az előző pontban ismertetett Menu funkciókat. Nézzük meg, hogy az egyes funkciókon belül milyen paramétereket, mérési, számítási, megjelenítési, skálázási módokat lehet állítani. Ha szükséges, nézzük meg az egyes beállítások definícióját, értelmezését a műszer gépkönyvében. Egy funkció áttekintése végén olyan értékeket, beállításokat hagyjunk, amelyek a termikus zaj méréséhez szükségesek. A készüléknek hagyományos, katódsugárcsöves monitora van. Ezen a kijelzőn rendkívül sok információ jelenik meg: leolvashatók a mérési adatok és a lényeges mérési paraméterek beállított értékei. Próbáljuk ki az adatok beolvasását a számítógépbe és a mentést excel-file-ba.
+
</wlatex>
 +
===2. Amplitúdópontosság mérése a mérési paraméterek függvényében (első mérési alkalom)===
 +
<wlatex>Állítsuk át az ''N'' frekvenciapontok számát az összes lehetséges értékere, és mérjük vissza ezekkel a beállításokkal egy 1 kHz frekvenciájú, 100 mV amplitúdójú jel amplitúdópontosságát. Mit tapasztal?
  
−
===1. Külső zajok azonosítása===
+
Állítsuk át a programot ''PSD'' (''Power Spectral Density'') mérésre, és használjunk ''Hanning'' ablakot. Ismételten vizsgáljuk, hogy a frekvenciapontok számának változtatásával különböző frekvenciafelbontásoknál milyen amplitúdót mérünk! Mit tapasztal?
−
Azonosítsuk a spektrumban jelentkező nagyobb csúcsok forrását! Ehhez az áramkört körülvevő fém dobozt levett tetővel egy hosszabb koax kábelen keresztül csatlakoztassuk a spektrumanalizátorhoz, és a doboz mozgatása közben figyeljük meg, hogy hol nő illetve csökken a spektrumban megjelenő csúcsok amplitudója.
+
−
A 0-100kHz-es frekvenciatartományban egy mérési pont 250Hz szélességű tartománynak felel meg. Ilyen felbontású mérésnél bizonyos csúcsok beleolvadhatnak a fehérzaj háttérbe, pl. az 50Hz-es hálózati frekvenciát és annak felharmonikusait nyilvánvalóan nem látjuk ilyen felbontásnál. Emiatt érdemes a spektrum különböző szűkebb tartományait lényegesen jobb frekvenciafelbontással is felvenni. Keressünk jellemző zaj-frekvenciákat a katódsugárcső előtt, a számítógép tápegységénél és a monitora körül, a multiméter közelében és értelmezzük azokat!
+
  
−
===2. A Boltzmann-állandó meghatározása===
+
''Szorgalmi feladat: Ismerve a Hanning-ablak függvényét ($W(t)=2\sin^2(\frac{t\pi}{T})$) számítsa ki a PSD mérés eredményéből a függvénygenerátorból kiadott jel amplitúdóját!''
−
<wlatex>
+
</wlatex>
−
Mérjük meg különböző ellenállások feszültségzaját, és határozzuk meg a Boltzmann-állandó értékét!
+
===3. Külső zajok azonosítása (első mérési alkalom)===
 +
<wlatex>Figyeljük meg a zajspektrumban megjelenő külső zajokat a bemenetre csatlakoztatott kábel függvényében. A zajspektrumot a teljes, 100 kHz-es frekvenciaablakban vizsgálja! Először mérje meg a myDAQ kártya bemeneti zaját a bemenet rövidre zárásával. Figyelje meg, hogy változik a zajspektrum, ha üresen hagyjuk a mérőkártya bemenetét, vagy ha egy árnyékolt BNC-kábelt kötünk rá, vagy egy árnyékolatlan kábelt kötünk rá. Milyen módszerrel csökkenthető leginkább a külső zajszint?
 +
</wlatex>
 +
<wlatex>===4. Az erősítő bemeneti zajának kísérleti meghatározása (első mérési alkalom)===
 +
<wlatex>Zárja az erősítő bemenetét rövidre, a kimenetét pedig vezesse közvetlenül a mérőkártyára! Mérje meg az erősítő bemeneti zaját 100 kHz-es frekvenciatartományon Hanning-ablakkal! Hasonlítsa össze a mért feszültségzaj-sűrűséget a Femto DLPVA 100-F-S erősítő adatlapjában megadott bemeneti zajával! Mi okozza az erősítő bemeneti zaját? Milyen frekvenciafüggést tapasztal, és miért?
 +
</wlatex>
 +
===5. Az aluláteresztő szűrő átviteli karakterisztikájának meghatározása (első mérési alkalom)===
 +
<wlatex>A nagykomponensű jelek kiszűrése céljából használja a rendelkezésre álló aluláteresztő szűrőt! Mérje meg az aluláteresztő szűrő karakterisztikáját a Siglent függvénygenerátorból kiadott fehér zaj vizsgálatával!  Mérje meg a kiadott fehér zaj spektrumát, és figyelje meg, hogyan változik a spektrum a szűrő beillesztésével. Határozza meg a szűrő levágási frekvenciáját! A továbbiakban a szűrővel és a levágási frekvenciának megfelelő mintavételezési frekvenciával mérje meg a zajspektrumokat!
 +
</wlatex>
 +
===6. A Boltzmann-állandó meghatározása (első mérési alkalom)===
 +
<wlatex>Olvassa át újra a leirat '''A termikus zaj mérésének elve''' pontját. Mérje meg különböző ellenállások feszültségzaját, majd illesztésből határozza meg a Boltzmann-állandó és az erősítő bemeneti zajának értékét! A méréshez használjon 1 k&Omega;-os, 3,3 k&Omega;-os, 6,8 k&Omega;-os  és 10 k&Omega;-os ellenállásokat. A méréshez továbbra is Hanning-ablakot használjon! A mérés során számolja ki az adott ellenállásra várt zajsűrűség értékét, és ezt hasonlítsa össze a mért értékkel!
  
−
A méréshez használjunk $0\Omega$-os ellenállást (rövidzár), illetve $1k\Omega$-os, $3.3k\Omega$-os, $6.8k\Omega$-os  és $10k\Omega$-os ellenállásokat. A spektrumanalizátort ''PSD'' mérésre állítsuk, célszerű a mértékegységet Vrms-nek beállítani. A spektrumanalizátort állítsuk a lehető legkisebb méréshatárba (-60dBV), és figyeljünk arra hogy a mérés közben soha ne villogjon az ''Overload'' jelzés. A ''PSD'' számolásához állítsunk be ''Hanning'' ablakot.  
+
A mért spektrumból csak azokat a tartományokat vegyük figyelembe, ahol egyértelműen termikus zajra utaló fehérzajt látunk. Alacsony frekvencián ettől eltérést okozhat az 1/f-zaj, magas frekvencián pedig a szűrő levágása. A spektrumban a környezetben elhelyezett műszerekre jellemző frekvenciáknál csúcsok jelenhetnek meg, ezeket ki kell hagyni az átlagos zajsűrűség számolásánál. A tipikus tartomány a fehérzaj kiértékeléséhez körülbelül 500-5000 Hz.
 +
</wlatex>
 +
<wlatex>===+ Elpakolás (első mérési alkalom)===
 +
A mérés végén tegyen rendet az asztalon maga után és kapcsolja ki a számítógépet!
 +
</wlatex>
 +
<wlatex>===+ Kiértékelés (otthoni feladat) ===
 +
Értékelje ki és ábrázolja az első mérési alkalom feladatait a második alkalomig. Az ábrákat a mérésvezető kérésének megfelelően vagy küldje el e-mailben, vagy hozza el magával a második alkalomra.
 +
</wlatex>
  
−
A spektrumot vegyük fel a műszer teljes frekvenciatartományában (0-100kHz), és számoljunk egy átlagos spektrális sűrűséget egy szélesebb frekvenciatartományra. A mért spektrumból csak azokat a tartományokat vegyük figyelembe, ahol egyértelműen termikus zajra utaló fehérzajt látunk. Alacsony frekvencián ettől eltérést okozhat az 1/f zaj, magas frekvencián pedig az ellenállásból és a műszer kapacitásából adódó levágási frekvencia. A spektrumban a környezetben elhelyezett műszerekre jellemző frekvenciáknál csúcsok jelennek meg, ezeket ki kell hagyni az átlagos zajsűrűség számolásánál. A mérés során érdemes kiszámolni az adott ellenállásra várt zajsűrűség értékét, hiszen így rögtön észrevesszük ha például egy érintkezési hiba miatt téves értékeket mérünk.
+
===7. Az elektron töltésének mérése (második mérési alkalom)===
 +
<wlatex>Olvassa át újra a leirat '''A sörétzaj mérésének elve''' pontját. A feladat első része a dióda karakterisztikájának három munkapontjának beállítása a diódán eső feszültség szabályozásával. Állítsuk össze az 8. ábrán szemléltetett kapcsolást (piros rész nélkül) olyan $R_1$ ellenállásokkal, hogy a diódán keresztül nagyjából 1, 3 és 10 &mu;A áram folyjon. Az áram értékét mindig pontosan határozzuk meg az $R_1$ ellenálláson eső feszültség mérése alapján. Mérjük meg a BD139 tranzisztor feszültségzaját a különböző $R_1$ ellenállásoknál (''PSD'' mérés, ''Hanning'' ablak). A feszültségzaj meghatározásához átlagoljuk azt a frekvenciatartományt, ahol már lecseng az alacsony frekvenciás 1/f-zaj, de még nem kezd el levágni a zajsűrűség az RC időállandók, vagy a szűrő levágása miatt. Az RC időállandók miatt ez a tartomány a korábbi feladatban megadottnál előbb levág.
  
−
   
+
Minden $R_1$ ellenállás-értéknél mérjük meg a dióda differenciális ellenállását két különböző váltófeszültség-amplitúdóval, egy fix $R_2=10\mathrm{\ M}\Omega$ ellenállással. A mérés során a függvénygenerátorból kiadott 1 kHz-es váltóáramot keverjük a 9 V-os elemből jövő egyenáramhoz egy csatoló kondenzátoron és egy $R_2$ ellenálláson keresztül. A váltófeszültség amplitúdóját úgy válassza meg, hogy az effektív váltóáram ~10 nA, valamint ~1 nA nagyságrendű legyen.
 +
 
 +
Az áramkör összeállítása előtt érdemes a függvénygenerátor által kiadott váltófeszültséget közvetlenül a mérőkártya bemenetére kötni, és megmérni a pontos kimeneti feszültséget (''PS'', ''Flat Top'' ablak), majd ebből és az $R_2$ értékéből meghatározni a $\Delta I_{\mathrm{rms}}$ váltóáram effektív nagyságát. Ezt követően csatlakoztassuk az 8. ábrán pirossal jelölt áramköri részt a diódához, és mérjük meg annak teljesítményspektrumát szintén ''Flat Top'' ablakkal. A spektrumban lévő 1 kHz-es csúcs adja a diódán eső $\Delta U_{\mathrm{rms}}$ effektív váltófeszültséget. A PS mérésekhez használhatunk kis frekvenciaablakot az 1 kHz-es csúcs pontosabb leolvasásához. Győződjünk meg róla viszont, hogy az aliasing nem okoz jelentős hibát. A diódán eső váltófeszültség és a váltóáram hányadosával a differenciális ellenállás meghatározható.
 +
 
 +
A csatoló kondenzátor értéke 100 nF, számítással igazoljuk, hogy ennek 1 kHz-es impedanciája elhanyagolható a váltóáramú kör összes ellenállása mellett.
 +
 
 +
A mérés során összesen 6 mérési pontot kapunk, mind a három munkaponthoz két különböző váltóáramú meghajtás más differenciális ellenállást eredményezhet. Ábrázoljuk a mért $S_V$ értékeket $2\left< I \right> R_d^2$ függvényében. Az ábrán jelöljük, hogy mely pontok milyen meghajtó váltóárammal lettek mérve, majd a két adatsorra egy-egy egyenes illesztéséből határozzuk meg az elektron töltését és az erősítő bemeneti zaját. Melyik váltóárammal mért adatsor meredeksége adja vissza leginkább az elektrontöltés értékét?
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
−
===4. Az elektron töltésének mérése===
+
===8. 1/f-zaj mérése (második mérési alkalom)===
−
<wlatex>
+
<wlatex>Olvassa át újra a leirat '''Az 1/f-zaj mérésének elve''' pontját. Állítsuk össze az 10. ábrán szemléltetett kapcsolást, és mérjük meg a szénszál feszültségzaját különböző $R_1$ ellenállásoknál úgy, hogy a szénszálon keresztül nagyságrendileg 10, 30, 100, 300, 1000 &mu;A áram folyjon. A mérés során az aluláteresztő szűrőt nélkülözzük, és a teljes, 100 kHz-es frekvenciaablakban mérjünk. Ügyeljünk rá, hogy teljesüljön az áramgenerátoros meghajtás.
−
Állítsuk össze az 5. ábrán szemléltetett kapcsolást, és mérjük meg a BD139 tranzisztor feszültségzaját különböző $R_1$ ellenállásoknál, úgy hogy a diódán keresztül kb. 1, 3 és 10$\mu\mathrm{A}$ áram folyjon. (''PSD'' mérés, ''Hanning'' ablak, -60dBV méréshatár.) Az áram értékét mindig pontosan határozzuk meg az $R_1$ ellenálláson eső feszültség mérése alapján. A spektrumot 0-100kHz frekvenciatartományban mérjük, az ''SCALE - Y/div'' menü segítségével nagyítsuk ki úgy a jelet, hogy ne a kiugró csúcsok, hanem a számunkra érdekes háttér dominálja a képernyőt. Válasszuk ki azt a frekvenciatartományt ahol már lecseng az alacsonyfrekvenciás 1/f zaj de még nem kezd el levágni a zajsűrűség az RC időállandók miatt. A spektrumot ''log'' x skála mellett vizsgáljuk.  
+
Az áram értékét mindig pontosan határozzuk meg az $R_1$ ellenálláson eső feszültség mérése alapján. Mérjük meg továbbá a szénszál termikus zajspektrumát is, majd a különböző áramoknál mért spektrumból ezeket vonjuk le, így tisztán az ellenállás-fluktuációkból származó 1/f-jellegű spektrumot kapjuk. Figyeljünk rá, hogy a kivonásnál $S_V$ $[\mathrm{V}^2/\mathrm{Hz}]$ spektrumokkal dolgozzunk.
  
−
Minden $R_1$ ellenállás-értéknél mérjük meg a dióda differenciális ellenállását. Ehhez a ''Source Out'' kimeneten keresztül keverjünk ~1kHz-es váltóáramot a 9V-os elemből jövő egyenáramhoz. A csatoló kondenzátor értéke 100nF, számítással igazoljuk, hogy az ellenállása elhanyagolható a kör összes ellenállása mellett. Az áramkör összeállítása előtt érdemes a ''Source Out'' kimenetet közvetlenül a ''Signal In (A)'' bemenetre kötni, és megmérni a kimeneti feszültséget. Ehhez 1kHz középfrekvencia körüli keskeny (~300Hz) frekvenciasávot használjunk, a műszerrel ''PSD'' helyett ''Spectrum''-ot mérjünk ''Flattop'' ablakkal. Állítsuk be a legkisebb méréshatárt, melynél még nem tapasztalunk ''Overload''-ot. Érdemes arra figyelni, hogy a kimeneti jel beállításánál amplitudót állítunk be, míg a Fourier spektrumban rms értéket mérünk.
+
Az így kapott spektrumokat ábrázolja log-log skálán, majd illesszen azok $1/f^\alpha$-jellegű szakaszára egyenest. Az 1/f-zajnál lineárisan mintavételezett pontokra logaritmikus skálán illesztünk, akkor a nagyfrekvenciás pontok felsűrűsödnek, és erősen elhúzzák az illesztést. Ezért érdemes az adatokat körülbelül 10-20 pontra logaritmikus skálára újramintavételezni.  
−
Ha ezen tesztméréssel meggyőződtünk a műszer helyes beállításáról, akkor csatlakoztassuk az 5. ábrán pirossal jelölt áramköri részt és mérjük meg a differenciális ellenállások értékét. Figyeljünk arra, hogy a váltóáram kicsi maradjon az egyenáramhoz képest, érdemes a tranzisztoron jelentkező váltóáramú feszültséget 5mVrms alatt tartani.  
+
  
−
A különböző $R_1$ értékeknél mért $S_V$, $\left< I \right>$ és $R_d$ értékek alapján határozzuk meg az elektron töltését.
+
Határozza meg az &alpha; kitevőt, illetve az 1 Hz-re vonatkoztatott zajsűrűséget. Hogyan függ az utóbbi paraméter a meghajtó áramtól? Az egyenest integrálja ki az 1 Hz - 1 MHz frekvenciatartományon, és határozza meg a szénszál jel-zaj arányát, és értelmezze az eredményt!
 +
</wlatex>
 +
 
 +
===+ Elpakolás (második mérési alkalom)===
 +
A mérés végén tegyen rendet az asztalon maga után, kapcsolja le az elemet és kapcsolja ki a számítógépet!
 +
 
 +
===Formai elvárások a jegyzőkönyvben===
 +
<wlatex>* Teljesítményspektrumok (PS) esetén:
 +
** $\mathrm{dBVrms}$-ből $V$-ra váltsanak át,
 +
** log-lin skálán ábrázolják a spektrumokat.
 +
* Zajspektrumok (PSD) esetén:
 +
** $\mathrm{dBVrms}^2/\mathrm{Hz}$ -ből $\mathrm{V}/\sqrt\mathrm{Hz}$ -be váltsanak át,
 +
** log-log skálán ábrázolják a spektrumokat.
 +
* Az összes mért spektrumot ábrázolják a jegyzőkönyvben, vagy tömbösítve a feladatban, vagy a függelékben.
 
</wlatex>
 
</wlatex>
  
 
==Kitekintés==
 
==Kitekintés==
−
<wlatex>
+
<wlatex>A mérési gyakorlat keretében két - más mérésből jól ismert - fizikai állandó értékét mérjük meg zajmérés segítségével. Kutató laboratóriumokban azonban a zajmérést gyakran olyan területen alkalmazzák, ahol más mérési módszer csak korlátozottan, vagy egyáltalán nem áll rendelkezésre [1]. A következőkben ilyen mérésekből adunk rövid ízelítőt.
−
A mérési gyakorlat keretében két - más mérésből jól ismert - fizikai állandó értékét mérjük meg zajmérés segítségével. Kutató laboratóriumokban azonban a zajmérést gyakran olyan területen alkalmazzák, ahol más mérési módszer csak korlátozottan, vagy egyáltalán nem áll rendelkezésre [1]. A következőkben ilyen mérésekből adunk rövid ízelítőt.
+
  
−
*A pontos hőmérsékletmérés - különösen extrém körülmények között - sokszor nehézséget jelent, hiszen számos fizikai folyamat (pl. fémek ellenállásváltozása, higanyszál megnyúlása) alkalmas a hőmérsékletváltozás detektálásra, azonban ezek a hőmérők az ''abszolút hőmérséklet'' mérésére csak pontos kalibráció után alkalmasak. Ezzel szemben a zajmérés segítségével közvetlenül az abszolút hőmérsékletet lehet meghatározni [3], így zajmérés megfelelő (a laborgyakorlat mérésénél lényegesen nagyobb) pontosság esetén akár hőmérsékletstandardként is használható.
+
*A pontos hőmérsékletmérés - különösen extrém körülmények között - sokszor nehézséget jelent, hiszen számos fizikai folyamat (pl. fémek ellenállás-változása, higanyszál megnyúlása) alkalmas a hőmérsékletváltozás detektálásra, azonban ezek a hőmérők az ''abszolút hőmérséklet'' mérésére csak pontos kalibráció után alkalmasak. Ezzel szemben a zajmérés segítségével közvetlenül az abszolút hőmérsékletet lehet meghatározni [3], így zajmérés megfelelő (a laborgyakorlat mérésénél lényegesen nagyobb) pontosság esetén akár hőmérsékletstandardként is használható.
  
 
*Az elektron töltését jól ismerjük, azonban számos olyan rendszer ismert ahol a ''kvázirészecskék'' az elektrontöltés többszörösét vagy tört részét hordozzák. Ezen rendszereknél a zajmérés kiválóan alkalmas a kvázirészecske-töltés meghatározására [4,5].
 
*Az elektron töltését jól ismerjük, azonban számos olyan rendszer ismert ahol a ''kvázirészecskék'' az elektrontöltés többszörösét vagy tört részét hordozzák. Ezen rendszereknél a zajmérés kiválóan alkalmas a kvázirészecske-töltés meghatározására [4,5].
  
−
*Az elemi részecskék speciális statisztikákat követnek. Az elektronok például ''fermionként'' viselkednek, és a Pauli elv miatt két elektron nem lehet azonos kvantummechanikai állapotban, ezzel szemben a fotonok ''bosonként'' viselkednek, és szeretnek olyan állapotba szóródni amiben már több foton is található (lásd indukált emisszió a lézerekben). Ezen különbségek zajméréssel kiválóan kimutathatók, hiszen megfelelően megválasztott rendszerekben a fermionok a Poisson zajnál kisebb, míg a bosonok a Poisson zajnál nagyobb zajt mutatnak [6-8].
+
*Az elemi részecskék speciális statisztikákat követnek. Az elektronok például ''fermionként'' viselkednek, és a Pauli elv miatt két elektron nem lehet azonos kvantummechanikai állapotban, ezzel szemben a fotonok ''bozonként'' viselkednek, és szeretnek olyan állapotba szóródni amiben már több foton is található (lásd indukált emisszió a lézerekben). Ezen különbségek zajméréssel kiválóan kimutathatók, hiszen megfelelően megválasztott rendszerekben a fermionok a Poisson zajnál kisebb, míg a bozonok a Poisson zajnál nagyobb zajt mutatnak [6-8].
  
 
*A klasszikus és kvantumos kaotikus rendszerek jelentősen különböznek egymástól. A klasszikus káosz esetén ugyan a rendszer viselkedése érzékenyen függ a kezdeti feltételektől azonban mégis teljesen determinisztikus mozgást kapunk. Ezzel szemben kvantumkáosz esetén a részecskék viselkedése alapvetően véletlenszerű. A klasszikus és a kvantumkáosz közötti átmenet jól megmutatható zajmérésekkel, hiszen az előbbi esetben zérus, míg az utóbbiban véges sörétzajt várunk [9].
 
*A klasszikus és kvantumos kaotikus rendszerek jelentősen különböznek egymástól. A klasszikus káosz esetén ugyan a rendszer viselkedése érzékenyen függ a kezdeti feltételektől azonban mégis teljesen determinisztikus mozgást kapunk. Ezzel szemben kvantumkáosz esetén a részecskék viselkedése alapvetően véletlenszerű. A klasszikus és a kvantumkáosz közötti átmenet jól megmutatható zajmérésekkel, hiszen az előbbi esetben zérus, míg az utóbbiban véges sörétzajt várunk [9].
227. sor: 423. sor:
  
 
[9] [http://www.nature.com/nature/journal/v415/n6873/abs/415765a.html S. Oberholzer et al.: ''Crossover between classical and quantum shot noise in chaotic cavities'', '''Nature 415''', p765 (2002)]
 
[9] [http://www.nature.com/nature/journal/v415/n6873/abs/415765a.html S. Oberholzer et al.: ''Crossover between classical and quantum shot noise in chaotic cavities'', '''Nature 415''', p765 (2002)]
 +
 +
== ==
 +
* NI myDAQ mérőkártya bemenete lehet differenciális ('0+' és '0-') vagy ''single-ended'' ('AGND' és '0+'). Érdemes a jelek mérésénél az 'AGND' és a '0-' bemenetet összekötni.
 +
* Nagy ellenállások mérésekor megjelenik a spektrumban egy széles csúcs 30 kHz környékén, ez nem mérési hiba, a FEMTO feszültségerősítő miatt jelenik meg.

A lap jelenlegi, 2024. február 4., 00:00-kori változata


A mérés célja

Különböző mennyiségek mérésénél általában a vizsgált mennyiség várható értékére vagyunk kíváncsiak, és a várható érték körüli fluktuációt zavaró tényezőnek tekintjük. Sok esetben viszont egy fizikai mennyiség zaja több információt hordoz a rendszerről, mint maga a várható érték [1]. A mérési gyakorlatok alkalmával különböző zajjelenségeket vizsgálunk egy mérőrendszer segítségével. Az első mérési alkalom során megismerkedünk a jelfeldolgozás alapjaival, majd ellenállások termikus zajának mérése alapján meghatározzuk a Boltzmann-állandó értékét. A második mérési alkalmon egy félvezető dióda zajának méréséből az elektrontöltés értékét határozzuk meg, majd megvizsgálunk egy 1/f-jellegű zajspektrumot mutató rendszert.

Tartalomjegyzék


Elméleti összefoglalás

A zaj definíciója

Zaj mint jel 1.jpg
1. ábra. Időben változó fizikai mennyiség időbeli fluktuációi.

Egy időben változó mennyiség (pl. \setbox0\hbox{$I(t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% áram, lásd 1. ábra) mérésekor definiálhatjuk a mért mennyiség időbeli átlagát, \setbox0\hbox{$\left<I(t)\right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, illetve az átlagtól vett eltérést, \setbox0\hbox{$\Delta I=I(t)-\left<I(t)\right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. A zajt jellemezhetnénk egyszerűen az áram szórásnégyzetével, \setbox0\hbox{$\left<(\Delta I(t))^2\right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, azonban ekkor nem vennénk figyelembe hogy mérőrendszerünk csak véges sávszélességgel tud mérni, azaz egy bizonyos határfrekvencia fölött már nem tudjuk felbontani a jel időbeli fluktuációit. Ezért célszerű a zaj értékét a 2. ábrán szemléltetett módon egy bizonyos frekvenciasávra vonatkoztatni: az \setbox0\hbox{$I(t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% jelet egy \setbox0\hbox{$f_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% középfrekvencia körüli \setbox0\hbox{$\Delta f$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% szélességű sáváteresztő szűrőn keresztül mérjük, azaz csak az adott frekvenciasávra jellemző \setbox0\hbox{$\left<(\Delta I(t|f_0,\Delta f))^2\right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% szórásnégyzetet mérünk.

Zaj mint jel zajsuruseg.jpg
2. ábra. Időben változó mennyiség fluktuációinak mérése véges sávszélességgel.

Az így kapott szórásnégyzet kis \setbox0\hbox{$\Delta f$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% esetén arányos a \setbox0\hbox{$\Delta f$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% sávszélességgel, az arányossági tényezőt pedig a zaj spektrális sűrűségének nevezzük:

\[\left<(\Delta I(t|f_0,\Delta f))^2\right>=S_I(f_0)\Delta f.\]

Áramzaj esetén az \setbox0\hbox{$S_I$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% spektrális sűrűség mértékegysége \setbox0\hbox{$\mathrm{A}^2/\mathrm{Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. A mérnöki gyakorlatban gyakran a spektrális sűrűség négyzetgyökével jellemzik egy eszköz zaját \setbox0\hbox{$\mathrm{A}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% mértékegységgel.

Az áramzajhoz hasonlóan definiálhatjuk a feszültségzajt is:
\[\left<(\Delta V(t|f_0,\Delta f))^2\right>=S_V(f_0)\Delta f.\]

Egy egyszerű ellenállás esetén \setbox0\hbox{$\Delta V=R\cdot \Delta I$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, azaz \setbox0\hbox{$S_V=R^2\cdot S_I$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Egy nemlineáris eszköznél, például egy diódánál \setbox0\hbox{$S_V=R_d^2\cdot S_I$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, ahol \setbox0\hbox{$R_d=dV/dI$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% az eszköz differenciális ellenállása a mérésnél alkalmazott munkapontban.

Spektrumanalízis

Egy időben változó jel spektrumát a Fourier-transzformáció segítségével ismerhetjük meg.

\[f(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}F(t)e^{-i\omega t}dt.\]

Azonban a gyakorlatban a méréseket véges időintervallumban végezzük. A véges ideig mért jel spektrumára gyakorlatilag úgy tekinthetünk, mintha az a T ideig mért jel periodikus kiterjesztésének a spektruma lenne. Ha a mért jelünk a T időablakban nem periodikus, akkor a periodikusan kiterjesztett jel az időablak határain ugrásokat mutathat, melyek miatt fals nagyfrekvenciás komponensek jelennek meg a spektrumban. Ezen probléma kiküszöbölésére olyan ablakfüggvények használatára van szükség, amelyek a mérési intervallum szélén eltűnnek. A Fourier-transzformációt tehát a vizsgált jel és az ablakfüggvény szorzatán végezzük

\[f_W(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}W(t)F(t)e^{-i\omega t}dt,\]

ahol \setbox0\hbox{$W(t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% súlyfüggvény egy T időablakon kívül zérus.

A Fourier-transzformált amplitúdó- és frekvenciapontossága, valamint a spektrális szivárgás mértéke az ablakfüggvény választásától függ. Ezen tulajdonságokra, valamint az ablakfüggvények alaposabb leírására a Méréstechnika tantárgy keretein belül került sor. Emlékeztetőül a 3. ábrán látható a mérés során használt Hanning ablakfüggvény összehasonlítva a téglalap ablakfügvénnyel.

750px-Ablak.jpg
3. ábra. a) \setbox0\hbox{$W(t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ablakfüggvény téglalap ablak (kék folytonos vonal) és Hanning ablak (piros szaggatott vonal) esetén. b) \setbox0\hbox{$F(t)=A\cdot \exp(i\omega_0 t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% harmonikus jel Fourier-transzformáltjának abszolútérték-négyzete téglalap ablak (kék folytonos vonal) és Hanning ablak (piros szaggatott vonal) esetén. A téglalap ablakot Hanning ablakra cserélve az \setbox0\hbox{$\omega_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% körüli csúcs kiszélesedik, azaz romlik a frekvenciafelbontás, azonban az \setbox0\hbox{$\omega_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-tól távolabbi mellékcsúcsok amplitúdója lecsökken, azaz csökken a spektrális szivárgás. A Flat Top ablakfüggvény frekvenciafelbontása mindkettő alternatívánál rosszabb, azonban amplitúdópontossága a legjobb. A Flat Top ablakot, ezért akkor szokták használni, ha a jó amplitúdópontosság a cél, és a frekvenciafelbontás kevésbé fontos.

Ezen kívül a gyakorlatban a mért jelet nem folytonosan, hanem diszkrét pontokon mintavételezzük, így arra van szükség, hogy az ablakfüggvénnyel szorzott jel integrálját ennek megfelelően egy diszkrét összeggel közelítjük:

\[f_W(\omega)=\sum_{n=0}^{N-1}F(n\Delta t)W(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}\Delta t,\]

ahol \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% a két diszkrét mintavételezés között eltelt idő (a mérési idő \setbox0\hbox{$T=N\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%). A diszkrét pontokon felvett függvény spektrumát diszkrét Fourier-transzformációnak (DFT) nevezzük.

Egy feszültségjel diszkrét Fourier-transzformáltjának abszolútérték-négyzetét a jel teljesítményspektrumának (PS, Power Spectrum) nevezzük. A mérést N diszkrét ponton végezve (DFT), illetve beszorozva azt egy W(t) ablakfüggvénnyel a kifejezés a következőképpen alakul:

\[PS=|f_W(\omega)|^2=|\sum_{n=0}^{N-1}V(n\Delta t)W(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}\Delta t|^2.\]


A mérés során a zaj jellemzésére fontos spektrum, a fentebb bevezetett \setbox0\hbox{$S_V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% spektrális sűrűség (PSD, Power Spectral Density). A spektrális sűrűség a fenti, kísérleti definícióján kívül leírható a feszültség átlagtól való eltérésének \setbox0\hbox{$(\Delta V(t)=V(t)-\langle V(t)\rangle )$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% a Fourier-transzformáltja abszolútértékének négyzetével is:

\[PSD=S_V(\omega)=\lim\limits_{T->\infty}\frac{2}{T}|\int_{-T/2}^{T/2} dt \Delta V(t)e^{-i\omega t}|^2\]
.

Mindezt a gyakorlatban diszkrét mérési pontokra számíthatjuk ki, és így W(t) ablakfüggvénnyel a következő formát ölti:

\[S_V(\omega)\approx\frac{2}{\sum_{n=0}^{N-1}W^2(n\Delta t)\Delta t}|\sum_{n=0}^{N-1} W(n\Delta t) V(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}\Delta t|^2=\frac{2\Delta t}{\sum_{n=0}^{N-1}W^2(n\Delta t)}|\sum_{n=0}^{N-1} W(n\Delta t) V(n\Delta t)e^{-i\omega n\Delta t}|^2.\]

A gyakorlatban használt spektrumanalizátorok ezt a számítást végzik el akkor, amikor a mintavételezett feszültség értékekből legyártják a jel zajspektrumát. Az így a feldolgozott jel amplitúdóját a W(t) ablakfüggvény ismeretében kaphatjuk vissza.

A kapott zajspektrumot a teljes frekvenciatartományra kiintegrálva a kísérleti definíció alapján a feszültség szórásnégyzetét kapjuk:

\[\langle(\Delta V(t))^2 \rangle=\int_{0}^{\infty} df S_V(f).\]

A fentiekben a legfontosabb összefüggések kerültek bemutatásra, azonban a spektrumanalízisről szükséges részletes tudnivalók összefoglalója elérhető a Méréstechnika c. tárgy Spektrumanalízis szerkesztőlap fejezetéről készített szöveges összefoglalóban.

Aliasing jelenség

A DFT a mért jel spektrumát \setbox0\hbox{$0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% és \setbox0\hbox{$\omega_{max}=\frac{2\pi}{2\Delta t}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% frekvenciák közötti diszkrét pontokon értékeli ki. A Nyquist-Shannon mintavételezési törvény értelmében \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% mintavételezési idővel legfeljebb \setbox0\hbox{$\omega_{max}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% maximális frekvenciáig lehetséges a jel rekonstrukciója. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy a mintavételezési frekvenciát legalább kétszer akkorára kell megválasztani, mint a jel legmagasabb frekvenciakomponense. Azonban felmerül a kérdés, hogy ha mégsem így történik, akkor az \setbox0\hbox{$\omega_{max}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-nál nagyobb frekvenciakomponenseket tartalmazó jelnél mi történik a magas frekvenciakomponensekkel.

Vizsgáljunk egy \setbox0\hbox{$\omega_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% frekvenciájú tiszta szinuszos jelet, és Fourier-transzformáltját:

\[F(t)=A_0e^{i\omega_0t},\]
\[f(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty}A_0e^{i\omega_0t}e^{-i\omega t}dt=A_02\pi\delta(\omega-\omega_0).\]

A jel Fourier-transzformáltja tehát a várakozásnak megfelelően egy Dirac-delta. Most nézzük meg, hogy a DFT számolása során hogyan változik a spektrum meghatározása a gyakorlatban. Fontos megjegyezni, hogy egy adatgyűjtő kártya vagy oszcilloszkóp alapvetően \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% időközönként \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-nél jóval rövidebb ideig mintavételez, és nem az történik, hogy \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ideig átlagolja a jelet.

\[DFT(\omega_k)=\sum_{n=0}^{N-1}A_0e^{i\omega_0n\Delta t}W(n\Delta t)e^{-i\omega_k n\Delta t}\Delta t.\]

Vegyük észre, hogy

\[DFT(\omega_k)=DFT\left(\omega_k+\frac{2\pi m}{\Delta t}\right),\]

ahol \setbox0\hbox{$m$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% egész szám. Másrészt

\[DFT(\omega_k)=DFT^*(-\omega_k),\]

azaz

\[\left|DFT(\omega_k)\right|=|DFT(-\omega_k)|.\]

Így belátható, hogy tetszőleges magas körfrekvenciájú jelet úgy látunk, mintha az a \setbox0\hbox{$\left[0,\omega_{max}=\dfrac{2\pi}{2\Delta t}\right]$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% tartományban lévő jel lenne a saját \setbox0\hbox{$A_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% amplitúdójával, lásd a 4. ábrát.

Aliasing sinus.png
4. ábra. A mért adatpontok két, különböző frekvenciájú szinuszjelnek felelhetnek meg, és így fals frekvenciakomponens okoznak a diszkrét Fourier-spektrumban.

Ezt a jelenséget aliasingnak, azaz magas frekvenciájú komponensek beszűrődésének nevezzük. Fontos megjegyezni, hogy az aliasing kialakulásának az oka a DFT diszkrét mintavételezése, és független a mérési pontok \setbox0\hbox{$N$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% számától. Beláttuk, hogy a gyakorlatban a magas frekvenciájú jelek fals spektrumot okozhatnak, így gondoskodni kell kiszűrésükről egy aluláteresztő szűrővel. A gyakorlatban a legtöbbször az erősítők, vagy a mérőkártyák rendelkeznek beépített anti-aliasing szűrővel, ami a maximális frekvencia fölött rendszerint élesen levágja a spektrumot, ezzel megakadályozva, hogy a sávszélességen kívüli jelek a spektrumanalizátorba jussanak.

Zajmérésnél folytonos frekvenciaeloszlást látunk, és az egyes frekvenciakomponensek egymástól független fázisúak, így a magas frekvenciáról aliasing miatt lekonvertált frekvenciakomponensek teljesítménysűrűsége, azaz a Fourier transzformált abszolút érték négyzete hozzáadódik a valós, adott frekvencián mérendő zajsűrűséghez. Matematikailag úgy fogalmazhatjuk meg, hogy a \setbox0\hbox{$(2m)\dfrac{2\pi}{2\Delta t}<\omega<(2m+1)\dfrac{2\pi}{2\Delta t},$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% \setbox0\hbox{$m=1,2,\ldots$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% frekvenciatartományokban lévő komponensek az \setbox0\hbox{$\omega_m=\omega-\dfrac{2\pi m}{\Delta t}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% frekvencián jelennek meg a spektrumban, míg a \setbox0\hbox{$(2m-1)\dfrac{2\pi}{2\Delta t}<\omega<(2m)\dfrac{2\pi}{2\Delta t},$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% \setbox0\hbox{$m=1,2,\ldots$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% tartományokban lévők a \setbox0\hbox{$\omega_m=\dfrac{2\pi m}{\Delta t}-\omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% frekvencián.

Ez leginkább úgy képzelhető el, mint a magas frekvenciás tartományok \setbox0\hbox{$|DFT|^2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-einek a \setbox0\hbox{$[0,\omega_{max}]$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% intervallumra történő visszahajtogatása (5. ábra). Az \setbox0\hbox{$\omega_{max}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% fölötti részt visszahajtjuk \setbox0\hbox{$[-\infty; \omega_{max}]$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% intervallumra. Majd ezt a visszahajtott spektrumot \setbox0\hbox{$0\ \mathrm{Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-nél előrehajtjuk, stb. Ezt mindaddig folytatjuk, amíg minden jelentős frekvenciakomponenst be nem hajtottunk a \setbox0\hbox{$[0,\omega_{max}]$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% intervallumba.

Zaj mint jel aliasing.jpg
5. ábra. Anti-aliasing szűrő alkalmazásának szemléltetése.


Zajtípusok

Puskalövések zaja

A zaj fogalma egy klasszikus példával is jól szemléltethető, nézzük meg hogy mi történik ha egy puskából véletlenszerűen lövöldözünk, úgy hogy a lövések időpontja egymástól teljesen független. Ha a szomszédos lövések között eltelt átlagos idő \setbox0\hbox{$\tau$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% akkor \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% idő alatt a lövések átlagos száma értelemszerűen \setbox0\hbox{$\left< N \right> =\Delta t/\tau$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. A tényleges lövésszám azonban nyilvánvalóan fluktuálni fog az átlagérték körül. A szórásnégyzet meghatározásához érdemes kiszámolni a \setbox0\hbox{$P_N(\Delta t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% valószínűséget, azaz annak a valószínűségét, hogy \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% idő alatt \setbox0\hbox{$N$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% lövés dördül. Ha \setbox0\hbox{$P_N(\Delta t)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értékét ismerjük, akkor \setbox0\hbox{$P_N(\Delta t+dt)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értéke a

\[P_N(\Delta t+dt)=P_{N-1}(\Delta t)\frac{dt}{\tau}+P_N(\Delta t)\left(1-\frac{dt}{\tau}\right)\]

egyenlettel írható fel, azaz a kezdeti \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% és az utána következő \setbox0\hbox{$dt<<\tau$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% idő alatt vagy \setbox0\hbox{$N-1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ill. \setbox0\hbox{$1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% vagy \setbox0\hbox{$N$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ill. \setbox0\hbox{$0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% lövés dördül. A megfelelő valószínűségeket a lövések függetlensége miatt szorozhatjuk össze. A fenti egyenlet átrendezésével a

\[\frac{dP_N(\Delta t)}{dt}=\frac{P_{N-1}(\Delta t)-P_N(\Delta t)}{\tau}\]

differenciálegyenletet kapjuk. Megmutatható, hogy ezen feltételt a

\[P_N(\Delta t)=\frac{(\Delta t)^N}{\tau^N N!}e^{-\Delta t/\tau}\]

Poisson eloszlás elégíti ki. A Poisson eloszlás speciális tulajdonsága, hogy a szórásnégyzet megegyezik a várható értékkel, azaz

\[\left< (\Delta N)^2 \right>=\left< N \right>=\frac{\Delta t}{\tau}.\]

Elektronok sörétzaja

A fenti gondolatmenetet vonatkoztathatjuk elektronokra is ha teljesül az, hogy az elektronok véletlenszerűen, egymástól függetlenül jutnak át az egyik elektródából a másikba. Tegyük fel, hogy mérőrendszerünkkel az elektromos áramot \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% időbeli felbontással tudjuk mérni. Egy \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% szélességű mintavételezési intervallum alatt \setbox0\hbox{$I=Ne/\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% áramot detektálunk ahol a \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% idő alatt áthaladó eletronok \setbox0\hbox{$N$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% számának eloszlását a fenti Poisson eloszlás adja meg. Így a mért áram várható értéke \setbox0\hbox{$\left< I \right>=\left< N \right>e/\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, míg az áram szórásnégyzete \setbox0\hbox{$\left< (\Delta I)^2 \right>=\left< (\Delta N)^2 \right>e^2/(\Delta t)^2=\left< N \right>e^2/(\Delta t)^2=\left< I \right>e/\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Az eddigiekben feltettük, hogy a \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% az az időtartomány, amelyen belül az elektronok számának várható értéke és szórásnégyzete megegyezik. Ha egy ilyen \setbox0\hbox{$\Delta t$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% időablakra átlagolunk egy jelet, az a konvolúció egy olyan szűrőként viselkedik a frekvenciatérben, melyen keresztül fehér zajt mérve az áram szórásnégyzete egyenlő lesz egy \setbox0\hbox{$\dfrac{1}{2\Delta t}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% tökéletes sávszűrőn mért szórásnégyzettel. Ennek a részletes levezetése a Méréstechnika tárgy Poisson zaj szerkesztőlap jegyzetében található. Ez alapján az áram szórásnégyzete:

\[\left< (\Delta I)^2 \right>=\int_0^{f_\mathrm{max}}S_I(f)df=2e\left< I \right>\cdot f_\mathrm{max},\]

azaz:

\[S_I=2e\left< I \right>.\]

A puskagolyós analógia alapján az elektronok diszkrét töltéséből adódó áramzajt sörétzajnak szokták nevezni. Fontos megemlíteni, hogy a fenti képlet alapján a sörétzaj fehér zaj, azaz a spektrális sűrűség frekvenciafüggetlen. Az előbbiekben levezetett zajformula a sörétzajnak is egyik speciális esetét írja le, az ún. Poisson zajt, mely egymástól független elektronok detektálására vonatkozik. A kvantummechanikából ismert Pauli elv szerint két elektron nem lehet ugyan abban az állapotban, azaz egy adott időpontban nem tudunk két teljesen egyforma állapotú elektront detektálni. Egy makroszkopikus vezetőben az elektronok nem egymástól függetlenül, hanem inkább sorban egymást követve érkeznek az árammérőhöz, így a fenti zajformula nem érvényes. Azonban a Poisson zaj feltételét megvalósíthatjuk akkor, ha az elektronok útjába egy olyan akadályt helyezünk, melyen véletlenszerűen az elektronoknak csak egy kis része tud keresztüljutni (6a. ábra).

Az első sörétzaj-mérést Walter Schottky végezte 1918-ban [2]: híres kísérletében egy vákuumdióda anódáramának zaját vizsgálta. A vákuumdióda felépítését a 6b. ábra szemlélteti. Egy fűtött katódból véletlenszerűen kilépő elektronok a katód és anód közé kapcsolt feszültség hatására eljutnak az anódba, ahol áramot detektálunk. A vákuumdióda ideális eszköz a sörétzaj tanulmányozásához, hiszen az elektronok valóban véletlenül, és egymástól függetlenül emittálódnak, így a mért zajsűrűség és az áram hányadosából az elektrontöltés a Poisson zaj formulája alapján meghatározható.

Zaj mint jel barrier.jpg
Zaj mint jel vakuumdioda.png
6a. ábra 6b. ábra

Poisson zajt modern elektronikai eszközökben is tapasztalhatunk, például egy diódát alkotó félvezető p-n átmenet is biztosítja az elektronok véletlen és független emisszióját megfelelően kicsi áram esetén.

Termikus zaj

Az előbbiekben bemutatott sörétzaj egy nemegyensúlyi zaj, melyet csak akkor tapasztalunk, ha a vizsgált áramköri elemen áramot folyatunk keresztül. Zajt azonban egyensúlyi állapotban is tapasztalhatunk pusztán az elektronok termikus fluktuációi miatt. A termikus zaj megértése komolyabb elméleti hátteret igényel (részletes levezetés a Méréstechnika tárgy Termikus zaj szerkesztőlap jegyzeténél megtekinthető), azonban maga a jelenség egy nagyon egyszerű formulával leírható: egy \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% elektromos ellenállással rendelkező áramköri elemen

\[S_V=4k_B T\cdot R\]

feszültségzaj-sűrűséget mérhetünk attól függetlenül, hogy pontosan milyen fizikai rendszer adja az \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállást. A termikus zaj szintén fehér zaj, azaz a zajsűrűség nem függ a frekvenciától. Ezen jelenség segítségével a \setbox0\hbox{$T$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% hőmérséklet és az \setbox0\hbox{$R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállás ismeretében a feszültségzaj méréséből a Boltzmann-állandó meghatározható.

1/f-zaj

A termikus zaj és a sörétzaj mellett érdemes megemlékezni az 1/f-zajról, mely a zajsűrűség tipikus \setbox0\hbox{$1/f^\alpha$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-jellegű frekvenciafüggéséről kapta a nevét. (\setbox0\hbox{$\alpha\approx1.$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%) Az 1/f-zaj tipikusan alacsonyfrekvenciás méréseknél dominál, míg magasabb frekvenciákon a termikus zaj, illetve bizonyos eszközökben a sörétzaj a legfontosabb zajforrás. Ezen zajtípus forrása számos fizikai folyamatból származó ellenállásfluktuáció lehet. Ilyen fizikai folyamat például a szennyezők és rácshibák véletlen mozgása, vagy egy térvezérelt tranzisztorban a kapuelektróda alatti dielektrikumban lévő töltéscsapdák hatása a töltéshordozókra.

Az 1/f-zaj a sörétzajhoz hasonlóan nemegyensúlyi zaj, a spektrális sűrűség a feszültség növelésével nő. Ha feszültségzajt mérünk konstans árammeghajtásnál, akkor \setbox0\hbox{$\Delta V=I \cdot \Delta R$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% alapján:

\[S_V(f_0)=\left< (\Delta V(t|f_0,\Delta f))^2 \right> / \Delta f=I^2 \cdot \left< (\Delta R(t|f_0,\Delta f))^2 \right> / \Delta f= I^2 \cdot S_R\]
.

Azaz, mivel az 1/f-zaj alapvetően ellenállásfluktuációból eredő ellenállászaj, ezért az Ohm törvény alapján az 1/f-zaj miatti feszültségzaj a meghajtó áram négyzetével skálázódik!

Egyéb zajforrások

Az eddigiekben csak a vizsgált rendszerünk belső zajáról beszéltünk, azonban zajmérésnél mindig fontos a külső forrásokból adódó elektromágneses zavarokra is gondolni. Egy áramkör kapacitív vagy induktív csatolással könnyen felvesz zajt a környezetből például az elektromos hálózat 50 Hz-es frekvenciájánál, monitorok képernyőjének frissítési frekvenciájánál, kapcsoló üzemű tápok működési frekvenciájánál, vagy akár rádióállomások, mobiltelefonok sugárzási frekvenciájánál. Ezen zavaró tényezők kiküszöbölésének alapvető módszere a vizsgált áramkör árnyékolása: alacsony jelszintű méréseknél mindig árnyékolt kábeleket, illetve fém dobozba zárt áramköröket érdemes használni.

Mérési elrendezés

A méréshez használt eszközök

  • A méréshez egy NI myDAQ adatgyűjtő kártyát használunk. A kártya 200 kS/s sebességgel képes mintavételezni, illetve a továbbiak szempontjából fontos tulajdonsága, hogy nem rendelkezik anti-aliasing szűrűvel. Részletes specifikációk és leírás a műszer adatlapjában érhető el. A műszer egy analóg bemenetére (AI1) és egy analóg kimenetére (AO1) BNC csatlakozókat rögzítettünk a vizsgált rendszerek egyszerűbb csatlakoztatása céljából.
  • Az adatgyűjtő kártya USB porton keresztül csatlakozik a számítógéphez, ahol a jelet az NI ELVISmx programcsomagban található spektrumanalizátor (Dynamic Signal Analyzer) segítségével dolgozzuk fel. A program részletes használati útmutatása lentebb olvasható.
  • Az alacsony zajszintek felerősítéséhez egy Femto DLPVA 100-F-S erősítőt használunk. Az erősítő kelezőfelülete a 7. ábrán látható.
    • Az erősítő AC- vagy DC-csatolásban használható. Az AC-csatolásnál egy beépített szűrő 1,5 Hz-nél levágja a DC-komponenst. A mérések szempontjából ennek nincs nagy jelentősége.
    • Az erősítő alaperősítése 20 dB, további 60 dB (40 dB + 20 dB) erősítés opcionális. A mérések során végig 80 dB-es erősítést használunk.
    • Az erősítési tartomány 1 kHz vagy 100 kHz közül választható. A választott frekvencia fölött egy beépített aluláteresztő szűrő levágja az erősített jelet. Méréseink során 100 kHz-es sávszélességet használjunk.
    • A feszültségerősítő bemeneti zaja - specifikációja alapján - 80 dB erősítés esetén \setbox0\hbox{$\sqrt{\mathrm{S_0}}\approx 5,5\mathrm{\ nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%. Ez azt jelenti, hogy az erősítő bemenetét rövidre zárva a várt zérus feszültség helyett az erősítő saját feszültségzaját látjuk, melynek a szórása 5,5 nV az 1 Hz-es sávszélességű mérés esetén.
    • Mindig figyeljünk oda, hogy ne kerüljön az erősítő overload-ba. Ezt egy piros LED égő kigyulladása jelzi.
DLPVA W R2.jpg
7. ábra. A mérésekhez használt Femto DLPVA 100-F-S feszültségerősítő.
  • Mivel az erősítőbe épített 100 kHz-es sávszélesség néhány mérések szempontjából túl nagy, ezért a megadott feladatoknál egy lezárható alumínium dobozban található harmadrendű RLC aluláteresztő szűrőt építünk be az erősítő után, mely alacsonyabb levágási frekvenciával rendelkezik. A doboz oldalán lévő két BNC csatlakozó a be-, illetve kimenetet biztosítja.
  • Több mérési feladat során vizsgálunk, vagy használunk harmonikus jeleket, melyeket egy Siglent függvénygenerátorból adunk ki. A beállított jel a kimeneti BNC csatlakozó feletti Output gomb megnyomásával kerül a kimenetre. A jel amplitúdójának beállításánál ügyeljünk a mértékegységre (\setbox0\hbox{$\mathrm{V}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$\mathrm{V}_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$\mathrm{V}_{\mathrm{pp}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%).
  • A méréshez rendelkezésre álló további eszközök:
    • Egy BNC csatlakozóval rendelkező, árnyékolásra szolgáló alumíniumdoboz a termikus zaj méréséhez,
    • Három BNC csatlakozóval, továbbá egy 9V-os elemmel és a hozzá tartozó kapcsolóval rendelkező alumíniumdoboz az elektrontöltés meghatározásához és a szénszál vizsgálatához. Kérjük győződjön meg arról, hogy a mérőgyakorlat befejeztével a tápkapcsolót kikapcsolt állapotban hagyta. Ezen dobozon belül a megfelelő kapcsolások összeállítása a hallgató feladata.
    • Az 1/f-zaj mérés alanyaként szolgáló szénszálköteg egy különálló feketére festett alumíniumdobozban található. A dobozt megtekintés céljából ki lehet nyitni, a dobozon belül azonban nincs szükség semmilyen műveletre.
    • Ellenállások, kondenzátorok, BNC-BNC toldó, BNC csatlakozós koax kábelek.
  • A méréstechnikában ökölszabály, hogy egy alacsony szintű jel a lehető legrövidebb kábellel jusson az erősítőhöz. Ezért a mérési összeállításban a mérni kívánt rendszert tartalmazó doboz megfelelő kimenetét közvetlenül az erősítőhöz csatlakoztatjuk egy BNC-BNC toldó segítségével. A a felerősített jelet az aluláteresztő szűrőn keresztül a mérőkártyához. Bizonyos méréseknél az erősítőt és/vagy az aluláteresztő szűrőt kihagyjuk a mérési összeállításból, azonban ezt minden alkalommal jelezi a feladatleírás.

A termikus zaj mérésének elve

A termikus zaj mérésénél a mérni kívánt ellenállást közvetlenül az erősítőre kötve mérjük meg. A megfelelő árnyékolás érdekében viszont a rendelkezésre álló egy BNC csatlakozóval rendelkező dobozba rögzítjük be, a BNC csatlakozó belső pontja és földpontja közé. A BNC csatlakozót egy BNC-BNC toldó segítségével közvetlenül az erősítő bemenetére kötjük és ebben az elrendezésben mérjük az ellenállás feszültségzaját. Mivel a mért termikus zaj összemérhető az erősítő bemeneti zajával (\setbox0\hbox{$S_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%) ezért a mért zaj a termikus zaj és az erősítő bemeneti zajának összege lesz:

\[S_V=4k_B T\cdot R + S_0.\]

Ha a mérést több ellenálláson is megismételjük akkor az \setbox0\hbox{$S_V(R)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% függvény meredekségéből a szobahőmérséklet ismeretében megkapjuk a Boltzmann-állandó értékét, a tengelymetszetéből pedig az erősítő bemeneti zaját.

A sörétzaj mérésének elve

A sörétzaj mérésekor az 8. ábrán bemutatott kapcsolást érdemes alkalmazni. Tápegységként használjunk egy 9 V-os elemet, így a meghajtó feszültségünk zaja kisebb lesz, mint ha bármilyen elektromos hálózatra kötött tápegységet használnánk. A teleppel kössünk sorba egy nagy ellenállást (\setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%) és egy félvezető diódát. Diódaként érdemes egy alacsony zajszintű tranzisztort használni úgy, hogy azt az 8. ábra szerint nyitó irányban a bázis és emitter kontaktusokon keresztül kötjük az áramkörbe és a kollektor elektródát nem használjuk.

Elektron mer elr.jpg
Dioda diff R 2.png
8. ábra. A mérési elrendezés az elektron töltésének meghatározásához. A dióda differenciális

ellenállásának meghatározásához a piros színnel jelölt elemeket kell bekötni.

9. ábra. A váltóáramú meghajtással való differenciális ellenállás-mérés szemléltetése.

A diódán jelentkező feszültségzaj (\setbox0\hbox{$S_V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%) meghatározásához a 8. ábrán pirossal jelölt részeket egyelőre ne kössük be az áramkörbe. Az elméleti bevezető alapján ismert, hogy a feszültségzaj felírható a következő összefüggéssel:

\[S_V=S_I \cdot R_\mathrm{d}^2 +S_0=2e\left< I \right> \cdot R_\mathrm{d}^2 +S_0,\]

ahol \setbox0\hbox{$R_\mathrm{d}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% a dióda differenciális ellenállása a beállított munkapontban, \setbox0\hbox{$S_0$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% pedig az erősítő bemeneti zaja. A körben folyó \setbox0\hbox{$\left< I \right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% egyenáramot könnyen meghatározhatjuk az \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállás és a rajta eső feszültség mérése alapján. A feszültség- és ellenállás-méréshez használjunk 4.5 digites Goodwill digitális multimétert. Az áram meghatározása után mérjük meg a dióda \setbox0\hbox{$S_V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% feszültségzaját.

A következő lépés a dióda \setbox0\hbox{$R_\mathrm{d}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% differenciális ellenállásának a meghatározása, szemléltetésül a 9. ábra szolgál. Emlékeztetőül a differenciális ellenállás definiciója: A diódára kapcsolt egyenfeszültség egy állandó átfolyó áramot határoz meg, vagyis meghatározza a dióda karakterisztikájának egy pontját, ezt nevezzük munkapontnak. A munkapontban tudjuk definiálni a dióda egyenáramú ellenállását, ami a rákapcsolt egyenfeszültség és az átfolyó áram hányadosa. A feszültség kis változtatásának (modulálás) hatása az áramra attól függ, hogy hol van a munkapont, hiszen a karakterisztika nemlineáris. A dióda differenciális (dinamikus) ellenállásának az adott munkaponti feszültség kis változását és a kialakuló áramváltozás hányadosát nevezzük.

A differenciális ellenállás meghatározásához a függvénygenerátorból egy \setbox0\hbox{$R_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenálláson és egy \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% kondenzátoron keresztül váltóáramot keverünk a telepből jövő egyenáramhoz, és a mérőrendszerrel megmérjük a váltóáramú feszültségesést a diódán a meghajtó jellel azonos frekvencián. A függvénygenerátorból kiadott jel feszültségszintjét és az \setbox0\hbox{$R_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállást úgy kell megválasztani hogy a diódán folyó váltóáram effektív értéke az \setbox0\hbox{$\left< I \right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% egyenáramnál legalább két nagyságrenddel kisebb legyen. A \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% kapacitás azt a célt szolgálja, hogy a telepből jövő egyenáramból semennyi ne tudjon a függvénygenerátor kimenete felé elfolyni. \setbox0\hbox{$C$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értékét úgy választjuk meg, hogy a meghajtó frekvencián vett impedancia lényegesen kisebb legyen \setbox0\hbox{$R_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-nél. Így a differenciális ellenállást \setbox0\hbox{$R_d=\Delta U_{\mathrm{rms}}/\Delta I_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% képlet szerint számoljuk, ahol \setbox0\hbox{$\Delta I_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% diódán folyó váltóáram effektív értéke, \setbox0\hbox{$\Delta U_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% pedig a diódán mért váltóáramú feszültség effektív értéke. \setbox0\hbox{$\Delta I_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értékét a függvénygenerátorból kiadott váltófeszültség effektív értékének és \setbox0\hbox{$R_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállásnak a hányadosa, \setbox0\hbox{$\Delta U_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-t pedig a diódán mért teljesítményspektrum meghajtó frekvencián mért effektív amplitúdója adja.

Ha különböző \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállásokkal (különböző munkapontokban) megmérjük \setbox0\hbox{$S_V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, \setbox0\hbox{$\left< I \right>$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% és \setbox0\hbox{$R_d$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értékét akkor az \setbox0\hbox{$S_V(\left< I \right> \cdot R_d^2)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% függvényre egyenest illesztve megkapjuk az elektron töltésének értékét, míg az egyenes tengelymetszete megadja az erősítő bemeneti zajának értékét.

Az 1/f-zaj mérésének elve

Az 1/f-zaj méréséhez egy szénszálköteget fogunk vizsgálni a 10. ábrán bemutatott kapcsolási elrendezésben. Tápegységként ismét a 9 V-os elemet használjuk. Az egyenáram nagyságának beállításához a teleppel kössünk sorba egy, a vizsgált rendszernél jóval nagyobb ellenállást (\setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%), illetve a vizsgált szénszálköteget. (Azért van szükség jóval nagyobb ellenállásra, hogy a rendszer meghajtása áramgenerátoros legyen. Az áramgenerátoros meghajtás ugyanis feltétele a feszültségzaj mérésének.)

Szenszal.jpg
10. ábra. A szénszálköteg 1/f-zaj mérésének elrendezése. A sorba kötött \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállás értékét a szénszál ellenállásánál jóval nagyobbra kell választani.

A soros ellenállás változtatásával az egyenáram értéke pontosan beállítható. A mért feszültségzaj spektrum négyzetes függést fog mutatni az egyenáramtól, hiszen a zaj forrása a rendszer ellenállás-fluktuációja:

\[S_V(f)= I^2 \cdot S_R(f)\]
.

A mért spektrumra log-log skálán egyenest illesztve meghatározható az \setbox0\hbox{$1/f^\alpha$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-függés pontos kitevője, illetve az 1 Hz-re vonatkoztatott zajsűrűség. Az illesztett egyenes extrapolálható egy szélesebb frekvenciatartományra, melyen kiintegrálva a feszültség szórásnégyzete megkapható:

\[\langle(\Delta V(t))^2 \rangle=\int_{0}^{\infty} df S_V(f).\]

A szórás és a mintán eső feszültség hányadosával meghatározható a rendszerre jellemző jel-zaj arány (Signal-Noise Ratio, SNR):

\[SNR=\dfrac{\sqrt{\langle(\Delta V(t))^2 \rangle}}{I\cdot R}.\]

A Dynamic Signal Analyzer használata és beállítása

A Dynamic Signal Analyzer program az adatgyűjtő kártya bemenetén mért jel Fourier-spektrumát határozza meg. Kezelőfelületét a 11. ábrán láthatjuk.

Kezelofelulet.png
11. ábra
  • A program kijelzőjén láthatjuk a mért spektrumot decibeles, azaz logaritmikus skálán, míg a frekvenciatengely felosztása lineáris. Ez alatt a kisebb kijelzőn a mérőkártya által mért feszültség időfelbontása látható.
  • A kijelző alatti legördülő menüben állítható be, hogy a jel komplex Fourier transzformáltjának négyzetgyökét (teljesítményspektrum, Power Spectrum) vagy a spektrális zajsűrűség (PSD) akarjuk mérni. Belátható hogy a PSD a Fourier transzformált abszolútérték-négyzete megfelelő normálással.
  • A mérőprogram teljesítményspektrum amplitúdóját \setbox0\hbox{$\mathrm{dBVrms}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% mértékegységgel, a zajsűrűség amplitúdóját pedig \setbox0\hbox{$\mathrm{dBVrms}^2/\mathrm{Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% mértékegységgel adja meg. Ezeket a kiértékelés során váltsuk át a gyakorlatban használatos \setbox0\hbox{$\mathrm{V}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%, valamint \setbox0\hbox{$\mathrm{V}/\sqrt\mathrm{Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% mértékegységekre.
  • Az Input Settings menüben állítható be mintavételezési csatorna, illetve a mintavételezési feszültségtartomány. Ezek változtatására a laborgyakorlat során nincs szükség.
  • Az FFT Settings menüben állítható be a maximális mintavételezési frekvencia (legfeljebb 100 kHz), a frekvenciapontok száma (Resolution), illetve a használni kívánt ablakfüggvény. PSD mérésnél a kis spektrális szivárgást adó Hanning ablakot, míg teljesítményspektrum mérésénél a jó amplitúdópontosságot mutató Flat Top ablakot célszerű használni.
  • Az Averaging menüben állítható be az átlagolás módja, illetve az átlagolt eredmények súlyozása. Az átlagolás módjára (Mode) négyzetes középértéket (rms), súlyozásra (Weighting) lineáris (Linear) beállítást használjunk. Szintén itt állíthatjuk be az átlagolt görbék számát, ezt 100 kHz-es frekvenciaablaknál célszerű legalább 100-ra választani Power Spectrum mérésénél, és 500-ra állítani PSD mérésénél. A frekvenciaablak csökkentésekor a mintavételezési frekvencia csökken, így a mérési idő megnövekszik, ezért ilyenkor az átlagolt görbék számát észszerűen csökkenthetjük (ne menjünk ~30 átlagolás alá).
  • A Frequency Display menüben állíthatjuk be a kapott spektrum megtekintésének módját, itt javasoljuk a dB skálán való ábrázolást, illetve az RMS mód használatát.
  • A Instrument Control menüben az Acquisition mode legördülő sávban választhatjuk ki, hogy folyamatos legyen a mintavételezés, vagy a beállított görbeszámot követően álljon le.
  • A mintavételezést a Run gombbal indíthatjuk, és a Stop gombbal állíthatjuk le.
  • Folyamatos mintavételezés esetén a beállított görbeszám elkészülését követően a Restart gomb elérhetővé válik, ekkor az átlagolás befejeződött, és a spektrum kimenthető a Stop gomb megnyomása után. Fontos figyelembe venni ilyenkor, hogy a Run gombbal indított mérés a korábbi adatpontokat beleátlagolja a mérésbe, vagyis folytatja az átlagolást, míg a Restart a korábbi adatpontokat törli, és elölről kezdi az átlagolást. Ezért új méréseket a Restart gombbal kell indítani.
  • A Log gomb megnyomásával kiválaszthatjuk, hogy mely fájlba írja ki a program a legutóbb befejeződött mérés eredményét. Kerüljük el, hogy már létező fájl kiválasztását, hiszen ekkor a friss mérési adatok a korábbi adatok után íródnak, így azok visszafejtése meglehetősen nehéz lesz. A mentéshez a D meghajtóban hozzunk létre egy saját mappát.
  • A kimentett txt fájlok felépítése a következő: a fájl körülbelül 2/3-áig a dátum, idő és a nyers feszültségjel, majd utána a frekvencia és a jelből számolt PS vagy PSD. A fájlban tizedesvesszős formátumban vannak kimentve az adatok.

A decibelskála áttekintése



Erősítés decibelben, mivel \setbox0\hbox{$P\sim U^2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%:

\[X[\mathrm{dB}] = 10\cdot \log\left( \frac{ P_{\mathrm{ki}}[\mathrm{W}] }{ P_{\mathrm{be}}[\mathrm{W}]) }\right) = 20\cdot \log\left( \frac{ U_{\mathrm{ki}}[\mathrm{V}] }{ U_{\mathrm{be}}[\mathrm{V}]) }\right)\]

Feszültség átváltása decibelbe, ahol \setbox0\hbox{$U_\mathrm{ref}=1\ \mathrm{V}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%:

\[U[\mathrm{dBV}] = 20\cdot \log\left( \frac{ U[\mathrm{V}] }{ U_{\mathrm{ref}} }\right)\]

Spektrális zajsűrűség átváltása decibelbe, ahol \setbox0\hbox{$S_{\mathrm{V,ref}}=1\ \mathrm{V}^2\mathrm{/Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%:

\[S_{\mathrm{V}}[\mathrm{dBV}^2\mathrm{/Hz}] = 10\cdot \log\left( \frac{ S_{\mathrm{V}}[\mathrm{V}^2\mathrm{/Hz}] }{ S_{\mathrm{V,ref}} }\right)\]


Mérési feladatok

1. Amplitúdópontosság meghatározása (első mérési alkalom)

Ismerkedjen meg a mérőprogram használatával a leirat A Dynamic Signal Analyzer használata és beállítása alfejezete alapján!

Adjon az Siglent függvénygenerátorból rendre 1 kHz, 4 kHz, 6 kHz, 9 kHz, 11 kHz és végül 14 kHz frekvenciájú, 100 mV amplitúdójú harmonikus jelet közvetlenül a mérőkártya bemenetére. Vizsgálja a teljesítményspektrumot (Power Spectrum) Flat Top ablakkal 5 kHz-ig 3200 frekvenciapontos felbontással. Mit tapasztal? Mivel magyarázható a csúcsok pozíciója a spektrumban? Számítással ellenőrizze, hogy a mért főkomponens amplitúdója megegyezik-e a jelgenerátorból kiadott jel amplitúdójával!

2. Amplitúdópontosság mérése a mérési paraméterek függvényében (első mérési alkalom)

Állítsuk át az N frekvenciapontok számát az összes lehetséges értékere, és mérjük vissza ezekkel a beállításokkal egy 1 kHz frekvenciájú, 100 mV amplitúdójú jel amplitúdópontosságát. Mit tapasztal?

Állítsuk át a programot PSD (Power Spectral Density) mérésre, és használjunk Hanning ablakot. Ismételten vizsgáljuk, hogy a frekvenciapontok számának változtatásával különböző frekvenciafelbontásoknál milyen amplitúdót mérünk! Mit tapasztal?

Szorgalmi feladat: Ismerve a Hanning-ablak függvényét (\setbox0\hbox{$W(t)=2\sin^2(\frac{t\pi}{T})$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%) számítsa ki a PSD mérés eredményéből a függvénygenerátorból kiadott jel amplitúdóját!

3. Külső zajok azonosítása (első mérési alkalom)

Figyeljük meg a zajspektrumban megjelenő külső zajokat a bemenetre csatlakoztatott kábel függvényében. A zajspektrumot a teljes, 100 kHz-es frekvenciaablakban vizsgálja! Először mérje meg a myDAQ kártya bemeneti zaját a bemenet rövidre zárásával. Figyelje meg, hogy változik a zajspektrum, ha üresen hagyjuk a mérőkártya bemenetét, vagy ha egy árnyékolt BNC-kábelt kötünk rá, vagy egy árnyékolatlan kábelt kötünk rá. Milyen módszerrel csökkenthető leginkább a külső zajszint?

4. Az erősítő bemeneti zajának kísérleti meghatározása (első mérési alkalom)

Zárja az erősítő bemenetét rövidre, a kimenetét pedig vezesse közvetlenül a mérőkártyára! Mérje meg az erősítő bemeneti zaját 100 kHz-es frekvenciatartományon Hanning-ablakkal! Hasonlítsa össze a mért feszültségzaj-sűrűséget a Femto DLPVA 100-F-S erősítő adatlapjában megadott bemeneti zajával! Mi okozza az erősítő bemeneti zaját? Milyen frekvenciafüggést tapasztal, és miért?

5. Az aluláteresztő szűrő átviteli karakterisztikájának meghatározása (első mérési alkalom)

A nagykomponensű jelek kiszűrése céljából használja a rendelkezésre álló aluláteresztő szűrőt! Mérje meg az aluláteresztő szűrő karakterisztikáját a Siglent függvénygenerátorból kiadott fehér zaj vizsgálatával! Mérje meg a kiadott fehér zaj spektrumát, és figyelje meg, hogyan változik a spektrum a szűrő beillesztésével. Határozza meg a szűrő levágási frekvenciáját! A továbbiakban a szűrővel és a levágási frekvenciának megfelelő mintavételezési frekvenciával mérje meg a zajspektrumokat!

6. A Boltzmann-állandó meghatározása (első mérési alkalom)

Olvassa át újra a leirat A termikus zaj mérésének elve pontját. Mérje meg különböző ellenállások feszültségzaját, majd illesztésből határozza meg a Boltzmann-állandó és az erősítő bemeneti zajának értékét! A méréshez használjon 1 kΩ-os, 3,3 kΩ-os, 6,8 kΩ-os és 10 kΩ-os ellenállásokat. A méréshez továbbra is Hanning-ablakot használjon! A mérés során számolja ki az adott ellenállásra várt zajsűrűség értékét, és ezt hasonlítsa össze a mért értékkel!

A mért spektrumból csak azokat a tartományokat vegyük figyelembe, ahol egyértelműen termikus zajra utaló fehérzajt látunk. Alacsony frekvencián ettől eltérést okozhat az 1/f-zaj, magas frekvencián pedig a szűrő levágása. A spektrumban a környezetben elhelyezett műszerekre jellemző frekvenciáknál csúcsok jelenhetnek meg, ezeket ki kell hagyni az átlagos zajsűrűség számolásánál. A tipikus tartomány a fehérzaj kiértékeléséhez körülbelül 500-5000 Hz.

+ Elpakolás (első mérési alkalom)

A mérés végén tegyen rendet az asztalon maga után és kapcsolja ki a számítógépet!

+ Kiértékelés (otthoni feladat)

Értékelje ki és ábrázolja az első mérési alkalom feladatait a második alkalomig. Az ábrákat a mérésvezető kérésének megfelelően vagy küldje el e-mailben, vagy hozza el magával a második alkalomra.

7. Az elektron töltésének mérése (második mérési alkalom)

Olvassa át újra a leirat A sörétzaj mérésének elve pontját. A feladat első része a dióda karakterisztikájának három munkapontjának beállítása a diódán eső feszültség szabályozásával. Állítsuk össze az 8. ábrán szemléltetett kapcsolást (piros rész nélkül) olyan \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállásokkal, hogy a diódán keresztül nagyjából 1, 3 és 10 μA áram folyjon. Az áram értékét mindig pontosan határozzuk meg az \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenálláson eső feszültség mérése alapján. Mérjük meg a BD139 tranzisztor feszültségzaját a különböző \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállásoknál (PSD mérés, Hanning ablak). A feszültségzaj meghatározásához átlagoljuk azt a frekvenciatartományt, ahol már lecseng az alacsony frekvenciás 1/f-zaj, de még nem kezd el levágni a zajsűrűség az RC időállandók, vagy a szűrő levágása miatt. Az RC időállandók miatt ez a tartomány a korábbi feladatban megadottnál előbb levág.

Minden \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállás-értéknél mérjük meg a dióda differenciális ellenállását két különböző váltófeszültség-amplitúdóval, egy fix \setbox0\hbox{$R_2=10\mathrm{\ M}\Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállással. A mérés során a függvénygenerátorból kiadott 1 kHz-es váltóáramot keverjük a 9 V-os elemből jövő egyenáramhoz egy csatoló kondenzátoron és egy \setbox0\hbox{$R_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenálláson keresztül. A váltófeszültség amplitúdóját úgy válassza meg, hogy az effektív váltóáram ~10 nA, valamint ~1 nA nagyságrendű legyen.

Az áramkör összeállítása előtt érdemes a függvénygenerátor által kiadott váltófeszültséget közvetlenül a mérőkártya bemenetére kötni, és megmérni a pontos kimeneti feszültséget (PS, Flat Top ablak), majd ebből és az \setbox0\hbox{$R_2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értékéből meghatározni a \setbox0\hbox{$\Delta I_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% váltóáram effektív nagyságát. Ezt követően csatlakoztassuk az 8. ábrán pirossal jelölt áramköri részt a diódához, és mérjük meg annak teljesítményspektrumát szintén Flat Top ablakkal. A spektrumban lévő 1 kHz-es csúcs adja a diódán eső \setbox0\hbox{$\Delta U_{\mathrm{rms}}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% effektív váltófeszültséget. A PS mérésekhez használhatunk kis frekvenciaablakot az 1 kHz-es csúcs pontosabb leolvasásához. Győződjünk meg róla viszont, hogy az aliasing nem okoz jelentős hibát. A diódán eső váltófeszültség és a váltóáram hányadosával a differenciális ellenállás meghatározható.

A csatoló kondenzátor értéke 100 nF, számítással igazoljuk, hogy ennek 1 kHz-es impedanciája elhanyagolható a váltóáramú kör összes ellenállása mellett.

A mérés során összesen 6 mérési pontot kapunk, mind a három munkaponthoz két különböző váltóáramú meghajtás más differenciális ellenállást eredményezhet. Ábrázoljuk a mért \setbox0\hbox{$S_V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% értékeket \setbox0\hbox{$2\left< I \right> R_d^2$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% függvényében. Az ábrán jelöljük, hogy mely pontok milyen meghajtó váltóárammal lettek mérve, majd a két adatsorra egy-egy egyenes illesztéséből határozzuk meg az elektron töltését és az erősítő bemeneti zaját. Melyik váltóárammal mért adatsor meredeksége adja vissza leginkább az elektrontöltés értékét?

8. 1/f-zaj mérése (második mérési alkalom)

Olvassa át újra a leirat Az 1/f-zaj mérésének elve pontját. Állítsuk össze az 10. ábrán szemléltetett kapcsolást, és mérjük meg a szénszál feszültségzaját különböző \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenállásoknál úgy, hogy a szénszálon keresztül nagyságrendileg 10, 30, 100, 300, 1000 μA áram folyjon. A mérés során az aluláteresztő szűrőt nélkülözzük, és a teljes, 100 kHz-es frekvenciaablakban mérjünk. Ügyeljünk rá, hogy teljesüljön az áramgenerátoros meghajtás. Az áram értékét mindig pontosan határozzuk meg az \setbox0\hbox{$R_1$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% ellenálláson eső feszültség mérése alapján. Mérjük meg továbbá a szénszál termikus zajspektrumát is, majd a különböző áramoknál mért spektrumból ezeket vonjuk le, így tisztán az ellenállás-fluktuációkból származó 1/f-jellegű spektrumot kapjuk. Figyeljünk rá, hogy a kivonásnál \setbox0\hbox{$S_V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% \setbox0\hbox{$[\mathrm{V}^2/\mathrm{Hz}]$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% spektrumokkal dolgozzunk.

Az így kapott spektrumokat ábrázolja log-log skálán, majd illesszen azok \setbox0\hbox{$1/f^\alpha$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-jellegű szakaszára egyenest. Az 1/f-zajnál lineárisan mintavételezett pontokra logaritmikus skálán illesztünk, akkor a nagyfrekvenciás pontok felsűrűsödnek, és erősen elhúzzák az illesztést. Ezért érdemes az adatokat körülbelül 10-20 pontra logaritmikus skálára újramintavételezni.

Határozza meg az α kitevőt, illetve az 1 Hz-re vonatkoztatott zajsűrűséget. Hogyan függ az utóbbi paraméter a meghajtó áramtól? Az egyenest integrálja ki az 1 Hz - 1 MHz frekvenciatartományon, és határozza meg a szénszál jel-zaj arányát, és értelmezze az eredményt!

+ Elpakolás (második mérési alkalom)

A mérés végén tegyen rendet az asztalon maga után, kapcsolja le az elemet és kapcsolja ki a számítógépet!

Formai elvárások a jegyzőkönyvben

  • Teljesítményspektrumok (PS) esetén:
    • \setbox0\hbox{$\mathrm{dBVrms}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-ből \setbox0\hbox{$V$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%-ra váltsanak át,
    • log-lin skálán ábrázolják a spektrumokat.
  • Zajspektrumok (PSD) esetén:
    • \setbox0\hbox{$\mathrm{dBVrms}^2/\mathrm{Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% -ből \setbox0\hbox{$\mathrm{V}/\sqrt\mathrm{Hz}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0% -be váltsanak át,
    • log-log skálán ábrázolják a spektrumokat.
  • Az összes mért spektrumot ábrázolják a jegyzőkönyvben, vagy tömbösítve a feladatban, vagy a függelékben.

Kitekintés

A mérési gyakorlat keretében két - más mérésből jól ismert - fizikai állandó értékét mérjük meg zajmérés segítségével. Kutató laboratóriumokban azonban a zajmérést gyakran olyan területen alkalmazzák, ahol más mérési módszer csak korlátozottan, vagy egyáltalán nem áll rendelkezésre [1]. A következőkben ilyen mérésekből adunk rövid ízelítőt.

  • A pontos hőmérsékletmérés - különösen extrém körülmények között - sokszor nehézséget jelent, hiszen számos fizikai folyamat (pl. fémek ellenállás-változása, higanyszál megnyúlása) alkalmas a hőmérsékletváltozás detektálásra, azonban ezek a hőmérők az abszolút hőmérséklet mérésére csak pontos kalibráció után alkalmasak. Ezzel szemben a zajmérés segítségével közvetlenül az abszolút hőmérsékletet lehet meghatározni [3], így zajmérés megfelelő (a laborgyakorlat mérésénél lényegesen nagyobb) pontosság esetén akár hőmérsékletstandardként is használható.
  • Az elektron töltését jól ismerjük, azonban számos olyan rendszer ismert ahol a kvázirészecskék az elektrontöltés többszörösét vagy tört részét hordozzák. Ezen rendszereknél a zajmérés kiválóan alkalmas a kvázirészecske-töltés meghatározására [4,5].
  • Az elemi részecskék speciális statisztikákat követnek. Az elektronok például fermionként viselkednek, és a Pauli elv miatt két elektron nem lehet azonos kvantummechanikai állapotban, ezzel szemben a fotonok bozonként viselkednek, és szeretnek olyan állapotba szóródni amiben már több foton is található (lásd indukált emisszió a lézerekben). Ezen különbségek zajméréssel kiválóan kimutathatók, hiszen megfelelően megválasztott rendszerekben a fermionok a Poisson zajnál kisebb, míg a bozonok a Poisson zajnál nagyobb zajt mutatnak [6-8].
  • A klasszikus és kvantumos kaotikus rendszerek jelentősen különböznek egymástól. A klasszikus káosz esetén ugyan a rendszer viselkedése érzékenyen függ a kezdeti feltételektől azonban mégis teljesen determinisztikus mozgást kapunk. Ezzel szemben kvantumkáosz esetén a részecskék viselkedése alapvetően véletlenszerű. A klasszikus és a kvantumkáosz közötti átmenet jól megmutatható zajmérésekkel, hiszen az előbbi esetben zérus, míg az utóbbiban véges sörétzajt várunk [9].

Zajmérésekkel részletesebben az Új kísérletek a nanofizikában tárgy keretében ismerkedhetünk meg.


Hivatkozások

[1] C. W. J. Beenakker, C. Schönenberger: Quantum shot noise, Physics Today 56, p37 (2003)

[2] W. Schottky: Über spontane Stromschwankungen in verschiedenen Elektrizitätsleitern, Annalen der Physik 57 p541–567 (1918)

[3] Lafe Spietz et al.: Primary Electronic Thermometry Using the Shot Noise of a Tunnel Junction, Science 300, p1929 (2003)

[4] Jehl et al.: Detection of doubled shot noise in short normal-metal/ superconductor junctions, Nature 405, p50 (2000)

[5] R. de-Picciotto et al.: Direct observation of a fractional charge, Nature 389, p162 (1997)

[6] R. Hanbury Brown and R. Q. Twiss: Correlation between Photons in two Coherent Beams of Light, Nature 177, p27 (1956).

[7] W.D. Oliver et al.: Hanbury Brown and Twiss-Type Experiment with Electrons, Science 284, p299 (1999)

[8] M. Henny et al.: The Fermionic Hanbury Brown and Twiss Experiment, Science 284, p296 (1999)

[9] S. Oberholzer et al.: Crossover between classical and quantum shot noise in chaotic cavities, Nature 415, p765 (2002)

  • NI myDAQ mérőkártya bemenete lehet differenciális ('0+' és '0-') vagy single-ended ('AGND' és '0+'). Érdemes a jelek mérésénél az 'AGND' és a '0-' bemenetet összekötni.
  • Nagy ellenállások mérésekor megjelenik a spektrumban egy széles csúcs 30 kHz környékén, ez nem mérési hiba, a FEMTO feszültségerősítő miatt jelenik meg.
A lap eredeti címe: „https://fizipedia.bme.hu/index.php?title=Zaj_mint_jel&oldid=29116”