超低噪声基准源(IceRef)的低频噪声与稳定性测量

本文面向科研用户,给出与实验室一致的测量流程:IceRef 基准源直接接入 8.5 位数字万用表,以 10 Hz 采样率长时间记录电压序列;数据处理仅做去直流均值(不做趋势拟合/去漂移);采用 Welch 方法估计噪声功率谱密度(PSD),并计算指定频带内的均方根噪声(RMS)与长期稳定性。

测量目标与口径

  • 噪声功率谱密度:SV(f),单位 V/√Hz;对基准源常报告相对值 Sppm(f)=SV(f)/Vout×106(ppm/√Hz)。
  • 带内均方根噪声:VRMS=√∫f1→f2SV(f)df(µV)。
  • 长期稳定性:固定量程、固定采样率下统计 24 h 电压波动(RMS 或 p-p),注明环境与设备。

关键约束( 10 Hz 采样率)

  • 奈奎斯特频率:fN=Fs/2,Fs=10 Hz ⇒ fN=5 Hz。
  • 最低可分辨频率:Δf≈Fs/L(L 为 Welch 段长)。例如 L=131 072 点 ⇒ Tseg=13 107.2 s(≈3.64 h/段),Δf≈0.000076 Hz(≈0.076 mHz)。

测试装置与参数

  • 连接:IceRef OUT/GND → 8.5 位 DMM HI/LO(同材质端子,降低热电势)。
  • 采样:Fs=10 Hz;连续记录 ≥ 24 h;量程固定 10 V 档;仅去直流均值(不做趋势消除)。
  • 电源与接地:低噪声线性供电;星形单点接地;机壳接地;屏蔽线缆。
  • 环境:样品与线缆置于普通实验室环境中,实测过程中未开启空调,温差约10℃;上电稳定时间 ≥ 20 min 后开始记录。
IceRef 低频噪声测量(DMM 直连·10 Hz 采样)
图 1|基准直连 8.5 位 DMM(10 Hz 采样)示意图

采集步骤(与实验一致)

  • 系统本底:短接输入或接等效假负载,记录 10–30 min,得到本底 PSD。
  • 基准采样:Fs=10 Hz 连续记录 ≥ 24 h,导出 CSV(time, voltage)。
  • 处理前提:仅去直流均值;不做任何趋势拟合/去漂移,保留超低频慢变信息。
24 小时时域记录(示意)
图 2|24 h 电压时域记录

频谱估计与 RMS 计算

  • Welch 参数:Hann 窗;段长 L=65 536~131 072 点;重叠 50%;平均 ≥ 20 段。
  • PSD 单位:先算 SV(f)(V/√Hz);如需相对值,换算 Sppm(f)=SV(f)/Vout×106(ppm/√Hz)。
  • 带内 RMS:在声明的频带(示例:0.01–10 Hz 或 0.1 mHz–10 Hz)对 PSD 数值积分并开方,得到 µV(RMS)。
基准 PSD 与累计 RMS(示意)
图 3|基准 PSD

报告规范清单(便于对比与复现)

  • 单位与频带:PSD(V/√Hz 或 ppm/√Hz),RMS 积分带宽(f1–f2)。
  • 采集参数:采样率、总时长、量程、上电稳定时间、环境温度范围。
  • Welch 参数:窗口类型、段长 L、重叠率、平均段数;频轴推荐对数刻度展示低频细节。
  • 接地与屏蔽:接地拓扑(星形单点)、线缆类型与长度、屏蔽/隔热措施。

常见误差与排查

  • 温度与热电势:导致超低频抬升;使用隔热罩、统一触点材料,降低温度梯度。
  • 地环与工频耦合:50/100 Hz 梯级明显;改星形地,必要时电池/隔离供电核对。
  • 带宽不统一:不同积分带宽的 RMS 不可直接对比;报告中必须声明带宽。
  • 设置变化:量程/采样率变更会改变噪声地板;保持一致并在报告中注明。

参考值(以IceRef 为例)

项目代表值说明
相对噪声密度≈ 0.2 ppm/√Hz @ 0.1 Hz按 7.18 V 输出换算
24 h 稳定性< 5 µV(普通实验室)8.5 位 DMM 连续采样
上电稳定时间≤ 20 min预热完成后开始记录

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