噪声测量装置分为三大类：真实均方根 (True RMS) 电表、示波器和频谱分析仪。真实均方根电表能测量交流讯号的均方根电压，完全不受其波形影响。许多电表只能侦测讯号的峰值电压，再将结果乘以0.707做为讯号的均方根电压。采用这种做法的电表并不是真实均方根电表，因为它们假设讯号为弦波；相较之下，真实均方根电表则能测量噪声之类的非弦波讯号电压。

许多精准数字万用电表 (DMM) 都具备真实均方根值测量能力。它们通常会将输入电压数字化，搜集数千个样本值，再以数学方式计算出均方根值。数字电表通常会提供两种均方根测量方式，分别是「交流」以及「交流+直流」。采用交流测量方式的数字万用电表会透过交流耦合来阻隔输入电压的直流成份，只让交流讯号送到数字器 (digitizer)。这是比较好的宽带噪声测量方式，因为测量结果在数学上等于噪声的标准偏差。交流+直流模式则直接将输入讯号数字化和计算均方根值，这种方式不适合测量宽带噪声。图一是精准真实均方根电表的典型方块图。

《图一 典型的精准真实均方根电表》

使用真实均方根数字万用电表测量噪声时，必须考虑它的规格及不同操作模式。有些数字万用电表还提供专门测量宽带噪声的操作模式，它会以交流耦合方式测量20Hz到10MHz宽带噪声的真实均方根电压；除此之外，精准数字万用电表的噪声基准 (noise floor) 通常为20μVrms。图二即为这些规格的摘要，注意只须将数字万用电表的输入端短路，即可测量它的噪声基准。

《图二 典型精准电表的规格摘要》

噪声测量装置：示波器

使用真实均方根电表测量噪声的缺点之一，在于无法帮助用户了解噪声的性质。举例来说，真实均方根电表无法分辨宽带噪声与特定频率噪声之间的差异。相形之下，示波器则能让用户在时域观察噪声波形。不同类型的噪声多半有不同的波形，用户可利用这项特性判断其中主要有那些噪声。

数字与模拟示波器都能测量噪声。噪声基本上是一种随机讯号，但模拟示波器只能由不断重复的波形触发，所以噪声无法触发示波器；尽管如此，把噪声源连接到模拟示波器后仍能显示出某些特定的模式，图三就是利用模拟示波器测量宽带噪声的结果。注意模拟示波器常会将波形平均化或柔化，这主要是受到屏幕磷质材料和模拟示波器无法由噪声触发等因素的影响。另外，多数标准模拟示波器也无法撷取低频噪声 (1/f噪声)，这是它们的缺点之一。

《图三 模拟示波器所显示的白噪声》

数字示波器则会提供一些方便的噪声测量功能，例如它们可以撷取1/f噪声之类的低频噪声波形，并以数学方式计算均方根值。图四与图三是同一个噪声源，但改由数字示波器撷取其波形。

《图四 数字示波器所显示的白噪声》

利用示波器测量噪声时必须遵守某些一般准则。首先，测量噪声前必须检查示波器的噪声基准。要做到此点，就必须将示波器的输入端接上BNC短路电容，或在使用1x探针时将探针头与探针地线短路 – 这点很重要，因为使用1x探针后的测量范围会缩小10倍。多数比较好的示波器在使用1x示波器探针或直接BNC连接时，都能提供每格1mV的测量范围，10x探针则可提供每格10mV的噪声基准测量能力。

一般而言，直接透过BNC连接会比使用1x示波器探针来得好，这是因为探针地线有时会拾取射频干扰和电磁干扰讯号 (图五)。避免这个问题的方法是拆掉探针地线和外壳 (参考图五、六)，直接使用探针端的地线 (图六)。图七所示即为BNC短路电容。

《图五 探针地线会拾取射频干扰和电磁干扰讯号》

《图六 拆掉接地线后的示波器探针》

《图七 BNC短路电容》

多数示波器都有带宽限制功能。要精确测量噪声，示波器带宽就要大于受测电路的噪声带宽；然而示波器带宽也不应超过噪声带宽太多，这样才能得到最好的噪声测量结果。举例来说，假设示波器的最大带宽为400MHz，开启带宽限制功能后则为20MHz，此时若要测量100kHz噪声带宽的电路就应开启带宽限制功能。这能除去目标频带外的射频干扰和电磁干扰噪声，使得噪声基准变小。图八和图九是典型数字示波器在未开启带宽限制功能时的噪声基准，图十显示使用10x探针后，噪声基准会大幅升高。

《图八 使用1x探针和带宽限制功能时的示波器噪声基准》

《图九 使用1x探针，但未开启带宽限制功能时的示波器噪声基准》

《图十 使用10x探针，但未开启带宽限制功能时的示波器噪声基准》

测量噪声时还应考虑示波器的耦合模式。测量宽带噪声应使用交流耦合模式，因为这类噪声经常出现在较大的直流电压上，例如1mVpp噪声就可能出现在2V直流讯号上。交流耦合模式则能阻隔直流讯号，进而得到最大增益。值得注意的是，交流耦合模式常会出现10Hz的低频截止频率，所以不适合测量1/f噪声。当然，不同示波器的低频截止频率会有差异，但它们对多数1/f噪声测量仍嫌太高。一般说来，1/f噪声主要出现在0.1-10Hz之间，因此示波器常以直流耦合搭配外接式带通滤波器来进行测量。图十一是利用示波器测量噪声的一般准则。

《图十一 利用示波器测量噪声的一般准则》

噪声测量装置：频谱分析仪

频谱分析仪是一种强大的噪声测量工具，常用来显示功率 (或电压) 与频率的关系，这很像是噪声的频谱密度曲线。事实上，有些频谱分析仪会提供特殊操作模式，直接以频谱密度单位 (亦即nV/√Hz) 显示测量结果。还有些频谱分析仪则必须将测量结果乘上某个修正因子，才能把测量单位转换为频谱密度。

频谱分析仪和示波器一样可能是数字或模拟。模拟频谱分析仪产生频谱曲线的方法之一是利用带通滤波器扫描某个范围的频率，然后显示滤波器的测量输出。另一种做法则是使用超外差技术，透过本地振荡器来扫描某个频率范围。数字频谱分析仪则是使用快速傅立叶变换 (FFT) 来产生频谱 (通常会搭配超外差技术)。

无论使用那一种频谱分析仪，有些重要参数都必须列入考虑。起始和截止频率显示带通滤波器的频率扫描范围，带宽分辨率则是该带通滤波器的通带宽度。缩小解析带宽能让频谱分析仪更准确解析个别频率的讯号，但扫描所需时间也会变长。图十二是扫描滤波器的操作原里，图十三和图十四则是频谱分析仪在不同解析带宽下的测量结果。图十三的解析带宽很小，可正确解析个别频率成份 (亦即150Hz)。相较之下，图十四的解析带宽就显得太大，无法正确解析出个别频率成份 (亦即1200Hz)。

《图十二 频谱分析仪的操作原理》

《图十三 讯号解析良好的解析带宽》

《图十四 讯号解析不佳的解析带宽》

图十三和图十四是以分贝毫瓦 (dBm) 做为频谱振幅的单位，这也是频谱分析仪常用的测量单位。分贝毫瓦是功率相对于1毫瓦的比值 (以分贝值表示)。虽然本例的频谱分析仪在测量分贝毫瓦值时，会假设输入阻抗为50Ω；但对多数频谱分析仪来说，就算输入阻抗设为1MΩ时也是如此。图十五说明如何导出分贝毫瓦到均方根电压的转换公式，图十六则以图十三、图十四测量的-10dBm讯号为例，说明如何计算它的振幅。

在图十三和图十四里，噪声基准随着解析带宽减少而从-87dBm增为-80dBm，但是67kHz和72kHz讯号的振幅却不会随着解析带宽改变。这是因为噪声基准是一种热噪声，其强度会随着带宽变大而增加，因此噪声基准才会受到解析带宽的影响。67kHz和72kHz讯号则是弦波讯号，因此无论解析带宽为何，它们在带通滤波器内的振幅都是定值，完全不受解析带宽的影响。这项区别对噪声分析很重要，它表示计算频谱密度时不应将离散讯号包含在内。举例来说，您可能在测量运算放大器的噪声频谱密度时看到60Hz的离散讯号 (从电源耦合进来)，这个60Hz讯号就不应包含在电源噪声频谱密度曲线，因为它并不是频谱密度，而是一种离散讯号。

《图十五 把dBm转换为均方根电压》

《图十六 dBm转换为均方根电压》

有些频谱分析仪能以噪声频谱密度单位nV/√Hz来显示频谱振幅。如果频谱分析仪未提供此功能，则只需将频谱振幅除以解析噪声带宽的均方根值即可得到频谱密度。注意在将解析带宽转换为解析噪声带宽时需用到一个转换因子。图十七的公式即可将dBm频谱转换为频谱密度；除此之外，图十七还提供了从解析带宽转换为噪声带宽所需用到的转换因子表。表一则是将前述频谱分析仪的频谱转换为频谱密度的例子。

《图十七 将dBm转换为频谱密度的转换公式》

《图十八 将频谱分析仪测量值转换为频谱密度的范例》

多数频谱分析仪还会提供平均功能，它会计算多次测量的平均值以消除测量变异性，使得测量结果更稳定一致。另外，用户还能透过频谱分析仪的面板设定所要平均的测量样本数目 (通常为1到100)。图十九到图二十一是以不同的平均样本数测量同一讯号的结果。

《图十九 关闭平均功能的频谱分析仪》

《图二十 将平均样本数设为2的频谱分析仪》

《图二十一 将平均样本数设为49的频谱分析仪》

噪声基准和带宽是使用或选择频谱分析仪时所需考虑的重要规格，表二列出了两种不同频谱分析仪的部份规格。

结论和预告

噪声基准和带宽是使用或选择频谱分析仪时所需考虑的重要规格，表二列出了两种不同频谱分析仪的部份规格。

本文介绍数种不同类型的噪声测量装置，并说明与噪声有关的规格及重要操作模式。值得注意的是，文中虽以特定机型为讨论对象，其观念却适用于多数装置。本文旨在帮助设计人员了解在选择噪声测量装置时所应考虑的重要规格。