第八微弱信號檢測演示文稿

第八微弱信號檢測演示文稿1現(xiàn)在是1頁\一共有97頁\編輯于星期四2（優(yōu)選）第八微弱信號檢測現(xiàn)在是2頁\一共有97頁\編輯于星期四1引言微弱信號檢測是一門新興的技術(shù)學科它利用電子學、信息論和物理學的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點和相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱信號。在檢測系統(tǒng)、圖象傳榆和通信設(shè)備中出現(xiàn)噪聲時，儀器的精度、穩(wěn)定性及重復性就明顯降低,由于噪聲電報誤碼率增高，使通信無法正常進行，雷達無法跟蹤目標，在電視熒光屏上呈現(xiàn)一片“雪花”，圖象模糊不清?，F(xiàn)在是3頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲與干擾通常把由于材料或器件的物理原因產(chǎn)生的擾動稱為噪聲。把來自外部的原因的擾動稱為干擾，有一定的規(guī)律性，可以減少或消除。鎖定放大器要解決的就是如何在很強的外部干擾環(huán)境中檢測弱信號?，F(xiàn)在是4頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲與干擾寬帶的或持續(xù)的無用信號瞬時的或窄帶的無用信號市電50Hz或100Hz（整流等）；電臺；開關(guān)通/斷；高能量的脈沖電流或電壓；機械振動；太陽活動；雷電等現(xiàn)在是5頁\一共有97頁\編輯于星期四對有用信號來講，干擾和噪聲是討嫌的擾動。為了區(qū)別，常把可以減少或消除的外部擾動稱為干擾，而把由于材料或器件的物理原因所產(chǎn)生的擾動稱為噪聲。來自檢測系統(tǒng)外部干擾，如市電50或100HZ交流干擾，電臺的調(diào)幅廣播信號或電源的開關(guān)火花干擾；脈沖激光、雷達發(fā)射或電路中高能窄脈沖引起的寬帶干擾；元件或部件的機械振動產(chǎn)生額噪效應(yīng)等。這些干擾絕大多數(shù)是“人為的”，采取適當?shù)钠帘?、濾波或元件合理配置等措施干擾是可以減小和消除的。

現(xiàn)在是6頁\一共有97頁\編輯于星期四材料、器件或部件的物理原因產(chǎn)生的噪聲。如處于絕對零度以上的任何導電體均具有的熱噪聲；晶體管、電子管或光電器件中，因電子隨機作用而產(chǎn)生的散粒噪聲等，均屬于這類噪聲。這類噪聲是由大量的短尖脈沖組成，其幅度和相位部是隨機的，脈沖的形狀(時間函數(shù))也不一定相同。但任一噪聲脈沖的能量只占總噪聲能量的極微小部分。這些脈沖的疊加，即產(chǎn)生所謂的隨機噪聲。

現(xiàn)在是7頁\一共有97頁\編輯于星期四在檢測系統(tǒng)中，可以處理的最高信號電平受電路特性的限制，但最小可檢測電平取決于噪聲。也就是說，噪聲限制了傳感器的分辨率和系統(tǒng)的動態(tài)范圍。當一個系統(tǒng)的信號擾動很大，在無法區(qū)分是干擾還是噪聲時，可先加以屏蔽。頻率高于1000Hz或阻擾大于1000歐時，一般采用金屬導體屏蔽，如鋁或銅等。對于低頻擾動或低阻抗的情況，可采用磁屏蔽，如鐵鎳導磁合金等。此外，也可先給前置放大器單獨供電如有效果，說明噪聲主要來自外部干擾，則可進一步采取屏蔽措施。如果還不能減少擾動，就應(yīng)認為噪聲主要是系統(tǒng)內(nèi)部元部件的隨機的基本噪聲?，F(xiàn)在是8頁\一共有97頁\編輯于星期四實驗室中的典型噪聲環(huán)境50Hz電源布線，儀器內(nèi)部功率單元等50Hz的諧波可控硅斬波，整流，電感等造成正弦波失真或毛刺電氣觸點的通/斷觸點的通/斷總伴隨著電火花或電弧現(xiàn)在是9頁\一共有97頁\編輯于星期四實驗室中的典型噪聲環(huán)境高頻信號開關(guān)電源大功率高頻振蕩器1/f噪聲現(xiàn)在是10頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是11頁\一共有97頁\編輯于星期四檢測系統(tǒng)的屏蔽與接地噪聲的引入:電容性耦合：電場引起，噪聲源內(nèi)阻高電感性耦合：磁場引起，噪聲源內(nèi)阻低現(xiàn)在是12頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲的屏蔽電容性耦合：降低電路的阻抗，在噪聲源與信號線之間建立導電屏障，屏障接地。例屏蔽線，銅罩殼等?，F(xiàn)在是13頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲的屏蔽電感性耦合減少回路面積，用鐵磁性物質(zhì)包圍噪聲源。例如，變壓器的外殼，雙絞線?，F(xiàn)在是14頁\一共有97頁\編輯于星期四接地接大地：消除電位差；消靜電。接信號地：信號的公共點，提供信號回路，減少阻抗。1MHz低頻以下可采用一點接地，10MHz以上高頻可采用大面積多點接地。還要注意區(qū)分模擬地和數(shù)字地。現(xiàn)在是15頁\一共有97頁\編輯于星期四電阻熱噪聲檢測系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲主要由電阻和各種器件產(chǎn)生的。噪聲是自由電子熱運動所產(chǎn)生，故通常稱它為熱噪聲。熱噪聲電流在電阻內(nèi)流動時，電阻兩端就產(chǎn)生噪聲電壓。因此在必須考慮熱噪聲的情況下，任何一個電阻器在電路中的作用，等效于一個無噪聲電阻和一個熱噪聲電壓串聯(lián)現(xiàn)在是16頁\一共有97頁\編輯于星期四電阻的過剩噪聲

當電阻中流過直流電流時，往往產(chǎn)生過剩噪聲。過剩噪聲是指在電阻的基本熱噪聲之外多余出來的噪聲。由于它是電流通過電阻時產(chǎn)生的噪聲，所以又稱電流噪聲。在電流流過不連續(xù)的導體，如電阻器時即產(chǎn)生這種噪聲。合成碳質(zhì)電阻是碳粒同粘合劑的混合物壓制而成的.由于電導率是不均勻的.直流電流不是均勻地流過電阻器,在碳粒之間有一些象微弧跳變的東西，因而產(chǎn)生電流尖峰或脈沖。這些電流尖峰或脈沖即是過剩噪聲。電阻器越均勻，過剩噪聲越小。合成碳質(zhì)電阻器噪聲最大，金屬膜和線繞電阻器的噪聲較小.現(xiàn)在是17頁\一共有97頁\編輯于星期四典型電阻器的總噪聲現(xiàn)在是18頁\一共有97頁\編輯于星期四各種電阻的噪聲指數(shù)

現(xiàn)在是19頁\一共有97頁\編輯于星期四半導體二極管的散粒噪聲半導體二極管中的散粒噪聲是在接通電壓后，電流通過PN結(jié)產(chǎn)生的。在不同時刻通以PN結(jié)位壘的載流子的數(shù)目是隨機的,時多時少，因而造成電流的起伏。這種由于位壘中載流子的散粒性所產(chǎn)生的噪聲，稱為散較噪聲。現(xiàn)在是20頁\一共有97頁\編輯于星期四半導體三極管的內(nèi)部噪聲放大器的噪聲是檢測系統(tǒng)的主要成份之一，也是影響測量儀器靈敏度的重要因素。(1)電阻熱噪聲.半導體三極管內(nèi)的損耗電阻產(chǎn)生電阻熱噪聲。具體地講它是由基極電阻和各電極接線的損耗電阻產(chǎn)生的。

(2)散粒噪聲.與PN結(jié)二極管一樣，半導體三報管的兩個PN結(jié)的電流也產(chǎn)生散粒噪聲電流?，F(xiàn)在是21頁\一共有97頁\編輯于星期四(3)分配噪聲(高頻噪聲)

半導體三極管中載流子從發(fā)射結(jié)注入基區(qū)后，大部分流向集電極，成為集電極電流，小部分在基區(qū)與異性的載流子復合，成為基極電流。載流子在基極中的復合作用是隨機的,時多時少,復合較少時流向集電極的載流子就多，因而集電極電流大；反之，集電極電流小，基極電流大。從而集電極電流中包含著由于的集電極電流和基極電流分配比例發(fā)生變化而引起的輸出電流起伏，這種起伏分量而形成的噪聲稱分配噪聲。現(xiàn)在是22頁\一共有97頁\編輯于星期四(4)閃耀噪聲(1／f噪聲)

閃耀噪聲的功率譜密度與頻率成反比，它是低頻噪聲。實驗表明，它的大小與半導體材料及其表面漏電流有關(guān)?，F(xiàn)在是23頁\一共有97頁\編輯于星期四(5)尖峰噪聲。一般認為產(chǎn)生原因是器件中PN結(jié)的缺陷所造成的。在信息檢測中尖蜂噪聲影響校嚴重。在揚聲器中會發(fā)出象炒玉米的爆炸聲，故又叫爆裂噪聲?，F(xiàn)在是24頁\一共有97頁\編輯于星期四低噪聲設(shè)計中，在選譯電路元、器件時應(yīng)盡且減少或避免噪聲的引入。

(一)電容器的選擇在低噪聲設(shè)計中常用云母和瓷介電容器。大容量電容器中，鋁殼的電解電容器漏電較大，鉭電解電容器漏電小，所以鉭電解電容器適合在低噪聲電路中使用?，F(xiàn)在是25頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是26頁\一共有97頁\編輯于星期四在微弱信號檢測技術(shù)中，需要處理的主要是基本噪聲且絕大多數(shù)是隨機噪聲。隨機噪聲是一種前后獨立的平穩(wěn)隨機過程，在任何時刻它的幅度、波形及相位那是隨機的。但每一種噪聲還是服從于一定的統(tǒng)計分布規(guī)律，因此又是可統(tǒng)計的。例如，只要產(chǎn)生噪聲過程的條件不變，噪聲功率或給定時間區(qū)間內(nèi)的能量就不變，它在時間域內(nèi)的幅度平均值是零。大多數(shù)噪聲瞬時幅度的概率分布是正態(tài)的，即符合高斯分布規(guī)律現(xiàn)在是27頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲電壓不僅某一瞬間取值是隨機的，且噪聲電壓隨時間變化也是隨機的、故稱為隨機過程。但系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，不同時刻噪聲的概率分布規(guī)律是一樣的，因此又稱為平穩(wěn)隨機過程?，F(xiàn)在是28頁\一共有97頁\編輯于星期四平穩(wěn)隨機過程的另一個重要特征量是它的相關(guān)函數(shù)。它表示隨機過程二個不同時間上的相關(guān)性，其定義現(xiàn)在是29頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是30頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲的相關(guān)函數(shù)現(xiàn)在是31頁\一共有97頁\編輯于星期四測量技術(shù)的分類非相關(guān)測量普通的電壓表，示波器，頻率計等使用方便，用途廣泛相關(guān)測量鎖定放大器，同步積分器，光子計數(shù)器,數(shù)字濾波器等抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，靈敏度高現(xiàn)在是32頁\一共有97頁\編輯于星期四取樣積分器

取樣積分器(Boxcar)，是一種微弱信號檢測系統(tǒng)。它在原理上是很古老的，它利用周期性信號的重復特性，在每個周期內(nèi)對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信號提取(取樣)是經(jīng)過多次重復的，而噪聲多次重復的統(tǒng)計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形?，F(xiàn)在是33頁\一共有97頁\編輯于星期四一、取樣積分器的工作原理1、取樣門及積分器

取樣點的值，應(yīng)是信號和噪聲的和，我們以信號和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。若輸入信號為Vsi，經(jīng)過積分器M次積累后所得到的輸出電壓為現(xiàn)在是34頁\一共有97頁\編輯于星期四噪聲電壓是隨機量Vni

，經(jīng)過m次積累以后，相加所得值Vn仍為隨機變量現(xiàn)在是35頁\一共有97頁\編輯于星期四通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后信號噪聲幅值比(SNIR)為現(xiàn)在是36頁\一共有97頁\編輯于星期四一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器，通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)，使在取樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果(輸出)保持到下一次取樣現(xiàn)在是37頁\一共有97頁\編輯于星期四取樣門及積分器現(xiàn)在是38頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是39頁\一共有97頁\編輯于星期四取樣積分器通常有兩種工作模式，即定點式和掃描式。定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬態(tài)平均值；掃描式取樣積分器則可以恢復和記錄被測信號的波形。下面分別討論這兩種模式?，F(xiàn)在是40頁\一共有97頁\編輯于星期四2．定點式取樣積分器現(xiàn)在是41頁\一共有97頁\編輯于星期四定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，其幅值信噪比改善為定點式取樣積分器僅能在噪聲中提取信號瞬時值，其功能與鎖定放大器相同，不同的定點可通過手控延時電路來實現(xiàn)?，F(xiàn)在是42頁\一共有97頁\編輯于星期四3．掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣，可以恢復被測信號波形。它主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個過程。掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測信號相同，而在時間上大大放慢了的輸出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號并恢復波形?，F(xiàn)在是43頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是44頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是45頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是46頁\一共有97頁\編輯于星期四定點式取樣積分器按照定點取樣m次的法則，不難理解幅值信噪比改善為的結(jié)論。對掃描式取樣積分器由于可變時延的取樣脈沖在取樣過程中取樣點是逐漸變化的，所以它的取樣過程受到門脈沖寬度的限制，只有在門寬范圍內(nèi)才能被取樣。信噪比改善現(xiàn)在是47頁\一共有97頁\編輯于星期四由于慢掃描電壓相對于時基電壓變化十分緩慢，因而取樣脈沖相對于觸發(fā)脈沖的移動也是十分緩慢的，以至在輸入的被測信號波形上每一“點”依次可以掠過多個門寬的取樣脈沖，從而對波形每個取樣“點”進行多次積累平均。現(xiàn)在是48頁\一共有97頁\編輯于星期四舉例舉例用取樣法組成的測光系統(tǒng)使用雙通道取樣積分器的激光分析現(xiàn)在是49頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是50頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是51頁\一共有97頁\編輯于星期四具有基線取樣的取樣積分器現(xiàn)在是52頁\一共有97頁\編輯于星期四雙通道取樣積分系統(tǒng)現(xiàn)在是53頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖相放大器鎖相放大器又稱鎖定放大器．它也是一種微弱信號的檢測儀器。它起到了一個極窄的帶通濾波器的作用，而不是普通濾波器。它的原理也是基于信號和噪聲在相關(guān)特性方面的差別?，F(xiàn)在是54頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定放大器的工作原理1962年第一臺儀器問世。據(jù)統(tǒng)計，已在幾百種場合中得到應(yīng)用。在弱信號探測儀器中鎖定放大器是一個非常重要的品種。信噪比可低達10-5。BW=0.0004Hz（相當于Q值=108）?，F(xiàn)在是55頁\一共有97頁\編輯于星期四兩個隨機過程的相關(guān)性對兩個信號，定義相關(guān)函數(shù)互相關(guān)Rxy函數(shù)現(xiàn)在是56頁\一共有97頁\編輯于星期四兩個隨機過程的相關(guān)性互相關(guān)Ryx

函數(shù)：現(xiàn)在是57頁\一共有97頁\編輯于星期四隨機過程的相關(guān)性自相關(guān)函數(shù)：白噪聲，自相關(guān)函數(shù)=0現(xiàn)在是58頁\一共有97頁\編輯于星期四相關(guān)檢測現(xiàn)在是59頁\一共有97頁\編輯于星期四相關(guān)檢測設(shè)有信號S(t)，通過如上圖所示的功能器件，則有：如果參考信號是“干凈”的，則只剩下第一項。現(xiàn)在是60頁\一共有97頁\編輯于星期四相關(guān)檢測的矢量解釋參考信號：可看成是基矢(正弦波)或基矢的線性組合（非正弦波，如方波）檢測信號：可看成是由多個正弦信號的線性組合旋轉(zhuǎn)坐標系，ωR檢測信號繞參考信號作相對轉(zhuǎn)動現(xiàn)在是61頁\一共有97頁\編輯于星期四相關(guān)檢測的矢量解釋檢測結(jié)果(對基矢投影)：被檢信號與參考信號相對穩(wěn)定不動；有穩(wěn)定輸出--直流被檢信號與參考信號有相對運動；有不穩(wěn)定輸出--交流通過阻容電路（積分器）可濾除交流，取出直流現(xiàn)在是62頁\一共有97頁\編輯于星期四典型鎖相放大器原理現(xiàn)在是63頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定（鎖相）放大器（lock-inamplifier）就是利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀，利用參考信號與被測信號的互相關(guān)特性，提取出與參考信號同頻率和同相位的被測信號。鎖定放大器可在比被測光信號強100dB的外來干擾中檢測出目的信號。從鎖定放大器問世以來，由于其在微弱信號檢測方面的優(yōu)越性能，在科學研究的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在是64頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定放大器有三個特點：用調(diào)制器將直流或漸變信號調(diào)制，進行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測器實現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，同時檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很?。焕玫屯V波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高?，F(xiàn)在是65頁\一共有97頁\編輯于星期四設(shè)輸入信號為：根據(jù)傅立葉變換，r(t)可用三角函數(shù)的形式表示。

現(xiàn)在是66頁\一共有97頁\編輯于星期四檢相器是一個相位比較裝置，它把輸人信號和參考信號進行比較。當兩個信號的相位完全相同時，經(jīng)低通濾波器后，輸出信號的直流分量達到最大?，F(xiàn)在是67頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是68頁\一共有97頁\編輯于星期四相敏檢測器是鎖定放大器的核心部件，它實現(xiàn)了被測信號與參考信號的互相關(guān)運算。相敏檢測器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式，其中電子開關(guān)式相敏檢測器由于受到參考信號幅度波動的影響較小，所以得到更廣泛的應(yīng)用。電子開關(guān)式相敏檢測器的輸出等效為被測信號與幅度為1、占空比為50％的方波信號r(t)的乘積?，F(xiàn)在是69頁\一共有97頁\編輯于星期四r(t)與相乘的結(jié)果為：式右邊的第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過低通濾波器（LPF），所有的和頻項與的差頻項都被慮除，最后濾波器的輸出為：現(xiàn)在是70頁\一共有97頁\編輯于星期四說明被測信號通過相敏檢測器(PSD)和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測信號的幅度、同時正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，此時，輸出最大，從而實現(xiàn)鑒幅和鑒相?，F(xiàn)在是71頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是72頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定放大器的輸出Vo=Vicosθθ是檢測信號與參考信號的相位角現(xiàn)在是73頁\一共有97頁\編輯于星期四參考信號的要求從以上特點可知，參考信號一定要有被測信號中某個特定成分。參考信號源同時驅(qū)動被測設(shè)備，在實驗室常用這種方法。從被測信號中提取同步信號，再轉(zhuǎn)為本地的參考信號。在無線通訊中只能用這種方法，如電視?，F(xiàn)在是74頁\一共有97頁\編輯于星期四傳輸窗口（參考信號：方波）現(xiàn)在是75頁\一共有97頁\編輯于星期四偶次分量的測量利用鎖相環(huán)產(chǎn)生兩倍頻的參考信號方波只有奇次諧波，但如燈泡的光的頻率是驅(qū)動信號頻率的兩倍。用鎖相環(huán)產(chǎn)生倍頻?，F(xiàn)在是76頁\一共有97頁\編輯于星期四乘法器的工作過程現(xiàn)在是77頁\一共有97頁\編輯于星期四積分器工作過程現(xiàn)在是78頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是79頁\一共有97頁\編輯于星期四現(xiàn)在是80頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定放大器的改進矢量型：兩個正交的參考信號VR’(t)VO’(t)

VS(t)現(xiàn)在是81頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定放大器的改進正弦化型：參考信號正弦化，消除多窗口多基矢f3f5f現(xiàn)在是82頁\一共有97頁\編輯于星期四鎖定放大器的改進f正弦化現(xiàn)在是83頁\一共有97頁\編輯于星期四

適合于鎖相放大器檢測的信號應(yīng)該是單頻率的，或者說傳導頻譜所占寬度是較窄的，也就是要求信號所攜帶的檢測量(信息)的變化是很緩慢的，否則檢出的信息就會因丟失高額分量而畸變?，F(xiàn)在是84頁\一共有97頁\編輯于星期四通道A和B屬高精度、高速集成運放，其中開環(huán)電壓增益Avd≥100dB，輸入失調(diào)電壓VOS≤100μV，輸入失調(diào)電流IOS≤10nA，輸入偏置電流IIB≤100nA，共模抑制比KCMR≥110dB，電源電壓抑制比KSVR≥100dB，轉(zhuǎn)換速率SR≥45V/μs，開環(huán)帶寬積BXG≥2MHz。現(xiàn)在是85頁\一共有97頁\編輯于星期四AD630S現(xiàn)在是86頁\一共有97頁\編輯于星期四AD630由兩個運算放大器A和B、切換開關(guān)S、輸出積分放大器、比較器COMP(含三極管T)、片內(nèi)電阻、片內(nèi)補償電容組成。由CO