微弱信号检测课件.ppt

1、 14.3.0 概述概述4.3.1 信噪比改善（信噪比改善（SNIR）4.3.2 相关检测原理相关检测原理4.3.3 锁定放大器锁定放大器4.3.4 取样积分器取样积分器 4.3 24.3.0概概 述述 3一一. .微弱信号检测定义微弱信号检测定义 前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产生噪声生噪声“污染污染”；但；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信

2、号或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同特点，借助一些特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。将信号从噪声中提取出来。 S/N 1 微弱信号微弱信号（微弱光电信号）（微弱光电信号） 4 微弱信号检测定义：微弱信号检测定义：利用电子学、信息论和利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的规律找到抑

3、物理学的方法，分析噪声产生的规律找到抑制的方法；研究被测信号的特点和相干性，制的方法；研究被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。检测被背景噪声淹没的弱信号。 微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合领微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合领域，可划归域，可划归“低噪声电子学低噪声电子学”。 5二二 . 微弱信号检测的途径微弱信号检测的途径 根据不同信号的特点，微弱信号检测的途径一根据不同信号的特点，微弱信号检测的途径一般有三条：般有三条：l一是降低探测器与放大器的固有噪声，尽量提高一是降低探测器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；其信噪比；l二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器件

4、二是研制适合弱检原理并能满足特殊需要的器件，例如，超导红外探测器；，例如，超导红外探测器； l三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号。手段提取信号。 这三者缺一不可。这三者缺一不可。 6 1时域相关与频域的窄带化技术时域相关与频域的窄带化技术 利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱相利用时域中周期信号的相关性而噪声的随机、不相关性（或弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下提取周期信号的提取周期信号的“相关检测相关检测”。这相当于在频率中

5、窄带化滤除干扰和。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。 2平均积累处理平均积累处理 对于一些对于一些宽带周期信号宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据时应用上述方法处理效果不佳，一种根据时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器取样积分器可获得良可获得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每周期如在固定的取样间隔内取样周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则次积累则信噪比改善信噪

6、比改善。因为。因为“信号信号电压幅值为线性叠加电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而（有规律的周期信号）而“噪声功率为矢量相噪声功率为矢量相加加”（无规律的随机信号）。（无规律的随机信号）。mSNIR 三三 .各种弱信号检测技术各种弱信号检测技术 7例：窄带滤波法例：窄带滤波法 由图看出：使用了窄由图看出：使用了窄带通滤波器后，则带通滤波器后，则 1划斜线的矩形面积信号主峰下的面积输出信噪比如果如果B选得很窄，则输出信选得很窄，则输出信噪比还能更大一些。噪比还能更大一些。窄带通滤波器的实现方式很多，常见的有双窄带通滤波器的实现方式很多，常见的有双T选频，选频，LC调谐，调谐，晶体窄带滤波器

7、等，但这种方法晶体窄带滤波器等，但这种方法不能检测深埋在噪声中的信不能检测深埋在噪声中的信号号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方法是用锁定放大器和取样积分器。法是用锁定放大器和取样积分器。 AV2（f） 8 3离散量的统计计数技术离散量的统计计数技术 用用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完成）实现光子计算。成）实现光子计算。 4单次信息的并行检测技术单次信息的并行检测技术 对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期信对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期信号的检测，

8、可采用并行检测技术。实现并行检测需要一个探号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以依次将测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路传输和多存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMAOptical Multichannel Analyzer ）。）。 9 5自适应噪声抵消法（双路消噪法）自适应噪声抵消法（双路消噪法） 如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另

9、外找到一个通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通道通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合在信相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。低噪声放大器窄带通滤波器+低噪声放大器带阻滤波器 (f0)比较器计数正弦波加噪声(f0)噪声双路消噪原理框图双路消噪原理框图只能用来检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能复现波形。 10可供选用的弱检仪器，目前有如下几种：可供选用的弱检仪器，目前有如下几种： 低噪声前放；低噪声前放； 各种锁定放大器（各

10、种锁定放大器（LIA）；）； 各种取样积分器（各种取样积分器（Boxcar）；）； 多点信号平均器；多点信号平均器； 光子计数器；光子计数器； 光多通道分析仪（光多通道分析仪（OMA）四四 .常用弱检仪器常用弱检仪器 114.3.1信噪比改善（信噪比改善（SNIR） 12 定义：设系统的功率增益为定义：设系统的功率增益为AV2（f），且），且f = f 0时时AV2（f）取）取得最大值得最大值AV2（f0），那么，系统的等效噪声带宽为），那么，系统的等效噪声带宽为 一、有关带宽的一些定义一、有关带宽的一些定义 )()(02 0 2fAdffAfVVn)(02fAfVn1. 等效噪声带宽（等效噪

11、声带宽（ENBW） )(2fAV 133dB带宽带宽 RCjCjRCjUUjAioV1111频率响频率响应函数应函数211RCjAV幅频响应幅频响应例：求一阶例：求一阶RC低通滤波器电路的低通滤波器电路的3dB带宽带宽和和等效噪声带宽等效噪声带宽RCf21jAV 14RCdRCjAdRCVn2111011022022等效噪声带宽等效噪声带宽角频率表示角频率表示等效噪声带宽等效噪声带宽频率表示频率表示或或RCdfRCfn41211022)()(02 0 2fAdffAfVVn由等效噪声带宽的定义由等效噪声带宽的定义取零频时具有最大值取零频时具有最大值 15时间常数相同的时间常数相同的RC网络网络

12、等效噪声带宽比等效噪声带宽比3dB带宽要宽：带宽要宽：对于二阶低通滤波器，对于二阶低通滤波器，1.22对于三阶低通滤波器，对于三阶低通滤波器，1.15对于四阶低通滤波器，对于四阶低通滤波器，1.13对于五阶低通滤波器，对于五阶低通滤波器，1.11滤波器的阶次越高，滤波器的阶次越高，fn和和f的比值越来越接近于的比值越来越接近于1，其幅频响其幅频响应曲线越接近于理想滤波器。应曲线越接近于理想滤波器。22141 RCRCffn对于一阶低通滤波器，对于一阶低通滤波器， 16 噪声是一种平稳随机信号；噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值噪声一般采用长周期测定其均方值( (即噪声功率

13、即噪声功率) )的方法，通的方法，通常采用先计算噪声电压常采用先计算噪声电压( (电流电流) )的平方值，然后将其对时间作的平方值，然后将其对时间作平均，来求噪声电压平均，来求噪声电压( (电流电流) )的均方值，即：的均方值，即： dttTUTnTnu)(1lim022dttTiTnTni)(1lim022或或1 1） 噪声功率噪声功率2. 噪声通过系统的情况噪声通过系统的情况 17ffffifSnfn ),(lim)(20dffSn )(),(2fffin 2 2） 噪声功率谱密度噪声功率谱密度 18 设输入端的噪声功率谱密度为设输入端的噪声功率谱密度为Si（f），则输出端的），则输出端的

14、噪声功率谱密度噪声功率谱密度S0（f）为：）为： )()()(20fSfAfSiV噪声输入噪声输入噪声输出噪声输出)(2fAV3）噪声通过系统的情况）噪声通过系统的情况 19 根据噪声功率谱的含义，那么线性网络输出端的噪根据噪声功率谱的含义，那么线性网络输出端的噪声电压均方值声电压均方值(即输出的噪声功率即输出的噪声功率)为：为： )( )( )()()(022 0 2 0 0 0 20fAfSdffASdffAfSdffSvVniViVinkTRfSi4)(则则 nVnffkTRAv)(40220通常已知对白噪声，可方便计算输出对白噪声，可方便计算输出端噪声电压的均方值。端噪声电压的均方值。

15、 20 信噪比改善信噪比改善（SNIRSignal Noise Improvement Ratio）是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。 信噪比改善的定义为信噪比改善的定义为 iiooNSNSSNIR/输入信噪比输出信噪比二、二、 21 从数学表达式看，从数学表达式看，SNIR似乎是噪声系数似乎是噪声系数F的倒的倒数，但实质上两者是有差别的数，但实质上两者是有差别的:噪声系数仅适用于不采取带宽限制的信号源加前置噪声系数仅适用于不采取带宽限制的信号源加前置放大器的系统；并且得到结论放大器的系统；并且得到结论F1。这个结论的产。这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带

16、宽等于或小于放大系生是由于假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的噪声带宽。统的噪声带宽。对整个信号处理系统而言，实际上对整个信号处理系统而言，实际上输入噪声的带宽输入噪声的带宽要大于整个信号处理系统的带宽要大于整个信号处理系统的带宽，因而，因而噪声系数噪声系数F便有可能要小于便有可能要小于1，不适宜描述整个系统，因此而，不适宜描述整个系统，因此而给出信噪比改善的概念。给出信噪比改善的概念。 22Eni是等效输入宽带白噪声电压，其功率谱密度是等效输入宽带白噪声电压，其功率谱密度S(f)为常数，输入噪声带宽为为常数，输入噪声带宽为fin，ininnifffSE)(2下面导出系统存在白噪声情况下下

17、面导出系统存在白噪声情况下SNIR的表示式：的表示式：信号处理系统信号处理系统VsiEniVsoEsodffAEvno)(2 0 2sisovVVfA)(dffAfVVfVdffAVEVEVSNIRvinsisoinsivsonisinoso)(/)(/2 0 2222 0 22222输入信噪比输出信噪比 则等效输入噪声功率为则等效输入噪声功率为 23放大系统的信噪比改善：放大系统的信噪比改善： 等于等于输入噪声的带宽输入噪声的带宽fin与系统的与系统的等效噪声带宽等效噪声带宽fn之比。之比。因此，因此，减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善。nv

18、vffAdffA)()(022ninffSNIR22sisoVV是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即所以：所以：)(02220fAVVvsisdffAffASNIRvinv)()(202 和系统的和系统的3dB带宽带宽相等吗？相等吗？dffAfVVfVdffAVEVEVSNIRvinsisoinsivsonisinoso)(/)(/2 0 2222 0 22222输入信噪比输出信噪比 24 由此可见，由此可见，那么只要检测放大系统的等效噪声带那么只要检测放大系统的等效噪声带宽做得很小，使宽做得很小，使fnR R0 0C C0 0时，可得到：时

19、，可得到：cos)12(2100nVRRVAm当当n=0n=0时，即为基波输出，振幅为：时，即为基波输出，振幅为： 0102AmAmVVRR)12(10 122nAmAmVnVRR记作则：则： 1210)12(nVVAmnAm 651210)12(nVVAmnAm用图表示：用图表示： 011/31/51/71/9/R13579相关器奇次谐波输出的频率响应相关器奇次谐波输出的频率响应0)12(AmnAmVV 66 若输入信号频率偏离奇次谐波若输入信号频率偏离奇次谐波 ) 12(Rn当当可简化为：可简化为：100CRR)(00cTCRt 20012100)(1) cos() 12(2CRtnVRR

20、VnAm12 n代表奇次谐波与参考信号的相位差。代表奇次谐波与参考信号的相位差。 由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图 67相关器输出函数的幅频特性图： 0)12(AmnAmVV20012100)(1) cos() 12(2CRtnVRRVnAm 68相位相同，频率在变相位相同，频率在变 69 以上是输入信号为正弦波的情况，实际测量中，以上是输入信号为正弦波的情况，实际测量中，常把慢变化或直流信号斩波，使之成为方波信号后常把慢变化或直流信号斩波，使之成为方波信号后再进行测量，这时：再进行测量，这时： )() 12sin(12140tnnVVRnAmA可按

21、同样的方法运算，求解化简得到：可按同样的方法运算，求解化简得到： )21 (100AmVRRV为两方波的相位差为两方波的相位差参考信号为对称方波，且参考信号为对称方波，且 ： )12sin(12140tnnVRnB为输入信号相对于参考信号的延迟时间。为输入信号相对于参考信号的延迟时间。 70 /2 V V0 00相关器的输出与相位差的线性关系相关器的输出与相位差的线性关系)21 (100AmVRRV 输入信号为对称方波时，相输入信号为对称方波时，相关器输出直流电压为信号幅关器输出直流电压为信号幅度（度（VAm）乘以积分器的直）乘以积分器的直流放大倍数（流放大倍数（R0/R1），），且与且与两方

22、波的相位差两方波的相位差成线性关成线性关系，动态范围大，系，动态范围大，AmVRRVV10max0000VmAVRRVV10max0020 71四四. 同步积分器同步积分器 721. 同步积分器（平均器）抑噪机理同步积分器（平均器）抑噪机理 基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，将基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，将已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。根已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。根据据“噪声的随机性和信号的稳定性噪声的随机性和信号的稳定性”，周期信号在，周期信号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪声则没时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪声则没有相关或很

23、弱，这样在积累中按不同规律相加，多有相关或很弱，这样在积累中按不同规律相加，多次积累之后，我们可以把信号从噪声中分离出来。次积累之后，我们可以把信号从噪声中分离出来。显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。 73若测量次数为若测量次数为n，则累积的信号等于：，则累积的信号等于：ssnsssnsoVnVVVnnVV 1211sjnjsVnV1122222212222121)(1nnnnnnnnnnnnnoVnVnVVVnnVVVVV222222nisinsnosoVVnVVnVVnPPPPVVVVSNIRnisinosonisinoso/2222 74

24、 于是根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的于是根据输入信噪比的大小以及对输出信噪比的数值要求，可由上式算出重复测量的次数数值要求，可由上式算出重复测量的次数n。 例如，若已知例如，若已知 ，要求，要求 则则 :101nisiPP400nsPP401014/00nisinsPPPPn 75 用累加的方法提高信噪比，要保证信号能用累加的方法提高信噪比，要保证信号能线性地叠加线性地叠加。对。对于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现同步地进行同步地进行，这就是同步累积。，这就是同步累积。 为了利用同步累积的方法获得信噪比改善，为了利用同步

25、累积的方法获得信噪比改善，通常将待测信通常将待测信号调制成周期的正弦波或对称方波号调制成周期的正弦波或对称方波。正弦波和周期性对称。正弦波和周期性对称方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常常用两个累加器来实现同步累加。常用两个累加器来实现同步累加。 信号累加由信号累加由同步开关同步开关与与累加器累加器相连同步进行。由于采用了相连同步进行。由于采用了积分器作为累加器故称积分器作为累加器故称“同步积分器同步积分器”。2. 工作原理工作原理 76 同步累积器的原理框图同步累积器的原理框图 其中其中V1（t）为输入信号，）为输入信号， V2

26、（t）为与）为与V1（t）周期相同的参考信号，）周期相同的参考信号，同步开关受同步开关受V2（t）产生的控制信号控制，能保）产生的控制信号控制，能保证证V1（t）在累积器中同相地累积起来。）在累积器中同相地累积起来。 77其中其中Vi（t）为输入信号，）为输入信号， VR（t）为与）为与Vi（t）周期相）周期相同的参考信号，同步开关受同的参考信号，同步开关受VR（t）产生的控制信号控制，能）产生的控制信号控制，能保证保证Vi（t）在累积器中同相地）在累积器中同相地累积起来。累积起来。 78注意注意: : 在实际应用同步累积法的时候，必须注意满足三个在实际应用同步累积法的时候，必须注意满足三个条

27、件：条件： （1） 信号应重复（周期）信号应重复（周期） （2） 有适当的累积器（积分电路的时间常量）有适当的累积器（积分电路的时间常量） （3） 能做到同相累积能做到同相累积 要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波形，确定不同的参考信号。形，确定不同的参考信号。 793. 特性分析特性分析时间常数时间常数T=2RC注意：相关器输出为直流，而同步注意：相关器输出为直流，而同步积分器输出为交流！积分器输出为交流！)12sin(12140tnnVRnR 80 1）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，且且2R

28、C1，t2RC时，则稳压解为：时，则稳压解为： cos2AmmRVV 输出方波幅值输出方波幅值Vm正比于正比于信号幅值信号幅值和和信号与参考信号之间的相位差余弦信号与参考信号之间的相位差余弦。R如采用如图所示的运放，则：如采用如图所示的运放，则：cos21AmmVRRV ) sin(tVVAmA 813）输入信号为参考信号的奇次谐波）输入信号为参考信号的奇次谐波2）输入信号为参考信号的偶次谐波时）输入信号为参考信号的偶次谐波时0mVRl) 1(24）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个小量）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个小量2/1)2(1)cos(2RCtKRIVKimKmR

29、K) 12(lKcos2KRVVAmm 82注意：输出交流信号为方波，其频率为参考信号频率注意：输出交流信号为方波，其频率为参考信号频率 83 5）当输入信号为与参考信号同频的方波时：）当输入信号为与参考信号同频的方波时：)() 12sin(12140tnnVVRnAmA)21 (1AmmVRRV 输出方波的振幅与输出方波的振幅与（两方波（两方波的相位差）成线性关系的相位差）成线性关系)12sin(12140tnnVRnB 841. 等效噪声带宽等效噪声带宽fN ：表示系统（电路）对噪声的通：表示系统（电路）对噪声的通过能力或抑制能力过能力或抑制能力 000617. 0CRfN0000159.

30、 021CRCRfS0015 . 0CRfNRC低通滤波器低通滤波器00CRTcRC低通滤波器等效噪声带宽低通滤波器等效噪声带宽对于对于PSD，考虑到在基波附近，考虑到在基波附近 的输出噪声都将在输出端产生噪声的输出噪声都将在输出端产生噪声分量，故分量，故PSD的基波等效噪声带宽应为的基波等效噪声带宽应为RC低通滤波器等效噪声带宽的低通滤波器等效噪声带宽的2倍，倍， 0041CRfN对于白噪声，对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽相应谐波等效噪声带宽为：为： 85 国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器总的等效噪声带宽，这是不太严格的。总的

31、等效噪声带宽，这是不太严格的。 从抑制噪声的角度来看，时间常数从抑制噪声的角度来看，时间常数RC越大越好。但是越大越好。但是RC越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量将受到限制。所以在锁定放大器中用减小带宽来抑制噪声是将受到限制。所以在锁定放大器中用减小带宽来抑制噪声是以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。 862. 信噪比改善（信噪比改善（SNIR）：信噪比改善是

32、指系统输入端信噪比）：信噪比改善是指系统输入端信噪比 与输出信噪比与输出信噪比 的比值，锁定放大器的信噪比改善常用输入的比值，锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与信号的噪声带宽与PSD的输出噪声带宽之比的平方根表示的输出噪声带宽之比的平方根表示： 87输入总动态范围一般取决于前置放大器输入总动态范围一般取决于前置放大器的输入端噪声及输出直流漂移，往往是的输入端噪声及输出直流漂移，往往是给定的。当噪声大时应增加动态储备，给定的。当噪声大时应增加动态储备，使放大器不因噪声而过载，但这是以增使放大器不因噪声而过载，但这是以增大漂移为代价的。当噪声小时，可增大大漂移为代价的。当噪声小时，可增

33、大输出动态范围，相对压缩动态储备，而输出动态范围，相对压缩动态储备，而获得低漂移的准确测量值。获得低漂移的准确测量值。 88 1. 以相关器为核心的以相关器为核心的LIA 2. 双相锁定放大器双相锁定放大器 特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号的振幅和相位（差）信息，实现的振幅和相位（差）信息，实现“双相锁定双相锁定”功能，而且不需要调整参考信号和信号的功能，而且不需要调整参考信号和信号的相位差。相位差。 89双相锁定放大器原理框图双相锁定放大器原理框图 同相输出分量为IV正交输出分量为QV cossIKeV sinsQKeV A22QIVV 10-2-

34、8 arctgIQVV 90 4. 外差式外差式LIA：AC放大与滤波混频频率合成移相带通低通利用频率变换将输入信号的频率变换到一个固定频率上，利用频率变换将输入信号的频率变换到一个固定频率上，然后进行带通滤波和相敏检测，以便带通滤波器和相敏然后进行带通滤波和相敏检测，以便带通滤波器和相敏检波器的最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。检波器的最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。 91 1电调制电调制 2用机械调制盘获取同步的参考信号用机械调制盘获取同步的参考信号 3利用锁相技术获取同步参考信号利用锁相技术获取同步参考信号 921LIA输入的是正弦或方波，输出的是输入的是正弦或方波，输出的是DC。

35、若是输入为。若是输入为DC要先变为要先变为AC。2如参考信号为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动频如参考信号为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动频率跟踪率跟踪LIA。3信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测器信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测器的最佳调制频率。如果强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频率。的最佳调制频率。如果强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频率。4. 时间常数时间常数T0R0C0 的选择。的选择。 T0增大，增大， fN降低，降低，抑噪能力上升，测量时间（

36、抑噪能力上升，测量时间（系统稳定时间）增大。对于某些快速响应是不允许的，需要折衷考虑。可见提高系统稳定时间）增大。对于某些快速响应是不允许的，需要折衷考虑。可见提高LIA的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。 5动态协调。背景噪声大时：动态协调。背景噪声大时：AC增益下降、增益下降、DC增益上升，使系统动态贮备上升增益上升，使系统动态贮备上升，以免过载；背景噪声小时：，以免过载；背景噪声小时：AC增益增大、增益增大、DC增益下降，使系统输出动态范围上增益下降，使系统输出动态范围上升，减小漂移，使测量更准确。升，减小漂移，使测量更准确。6为了增大动态范围，提高整机性

37、能，注意屏蔽、接地等措施。为了增大动态范围，提高整机性能，注意屏蔽、接地等措施。 934.3.4取样积分器取样积分器 94一一. 概述概述1. LIA的局限性的局限性l（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。信号无能为力。l（2）LIA实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压缩带宽的办法效果不明显。用压缩带宽的办法效果不明显。 95 2. 解决途径：解决途径： 取样积分器（信号平均器、取样积分器（信号平均器、Boxcar积

38、分器）积分器）将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累。将时间变化的。将时间变化的模拟量模拟量转变为对时间变化的转变为对时间变化的离散离散量量的集合，这种集合即为信号的的集合，这种集合即为信号的低频复制低频复制。利用。利用它可以解决在强噪声背景下任意形状的宽带周期它可以解决在强噪声背景下任意形状的宽带周期信号的检测和波形再现问题。信号的检测和波形再现问题。 96 首先，微弱周期信号的周期是已知的，首先，微弱周期信号的周期是已知的， 这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，性信号与被

39、测物体作用后产生的， 被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。在某种函数关系。 97 如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；进行取样，并把取样值保存在积分器中； 经过次取样后，如同同步累积法一样，信号经过次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了得到了增强，而噪声由于随机性

40、，相互抵消了一部分所以信号在噪声中显现出来。一部分所以信号在噪声中显现出来。 如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。可能将被噪声淹没的信号恢复波形。 98二二. 取样积分器的工作原理和分类取样积分器的工作原理和分类1. 工作原理工作原理 99取样门及积分器取样门及积分器 1002. 分类分类 单点取样积分器（单点信号单点取样积分器（单点信号平均器或平均器或Boxcar积分器）：积分器）：在每个信号周期内只在一点在每个信号周期内只在一点取样积分，经多次取样积分取样积分，经多次取样积分后得到该点幅值，即后得到该点幅值，即变换

41、取变换取样样工作原理。工作原理。取 样 积 分 器取 样 积 分 器（信号平均器）（信号平均器）定点式：测某一特定时刻定点式：测某一特定时刻的幅值的幅值多点信号平均器：多点信号平均器：在信号每在信号每个周期内对信号进行多点取个周期内对信号进行多点取样，是样，是实时取样实时取样工作原理。工作原理。扫描式：逐点扫描可恢复扫描式：逐点扫描可恢复波形波形 101三三. 取样积分器的工作方式取样积分器的工作方式1. 定点式取样积分器定点式取样积分器 VR与与VA保持同步产生触发信保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定号，经延迟电路（可调，以确定要取样的时刻）作要取样的时刻）作td 延迟，经过延迟

42、，经过取样脉冲（取样脉冲（Tg）控制取样门的开）控制取样门的开断时间，经过累加平均，经断时间，经过累加平均，经n次取次取样平均后，样平均后，SNIRn 1022. 扫描式取样积分器扫描式取样积分器 103 104 在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示： l当取样脉冲对准当取样脉冲对准t1位置取样积分位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间次后，将取样脉冲在时间轴上延时轴上延时t（一般来说（一般来说tTg）对准）对准t2位置再取样位置再取样m次，然次，然后又向

43、右移动后又向右移动t，对准，对准t3取样积分取样积分m次次直到取样脉冲移直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。动扫过信号的一个完整的周期。 105 设被恢复的弱信号之周期为设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为，取样脉冲步进时间为t，要对，要对弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为：时间为： 因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了n n倍倍的波形的波形; ;因此这种取样方式又称之为因此这种取样方式又称之为变换取样变换取样，波形如图，波形如图:

44、 : nTTtT 106扫描取样积分器的动画演示扫描取样积分器的动画演示 1073. 多点信号平均器多点信号平均器 前面已经说明，扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期前面已经说明，扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次。因此要取出信号一个周期内的完整波内只对信号取样一次。因此要取出信号一个周期内的完整波形需要形需要nT的时间。因此，取样积分器在时间上的利用率是很的时间。因此，取样积分器在时间上的利用率是很低的。低的。 为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。在有效的观，

45、在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。在有效的观察时间内，信号每重复一次，各取样积分器上存储的信号电察时间内，信号每重复一次，各取样积分器上存储的信号电压就进行一次累加，多次累加的结果，使信噪比得到改善压就进行一次累加，多次累加的结果，使信噪比得到改善; ; 多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。 108 多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号是一个强有力的工具，由于一个强有力的工具，由于Boxc

46、ar是单点步进多次是单点步进多次取样平均，因此需要测量时间很长。取样平均，因此需要测量时间很长。 而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，多点取样，在获得同样在获得同样SNIR的情况下多点信号平的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。所以可节省测量时间。所以可节省测量时间。 多点信号平均器是多点信号平均器是实时取样实时取样，不会使被恢复的弱信，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是号变形（拉长），这是Boxcar所不能比拟的。所不能比拟的。 109 多点信号平均器有模拟式

47、和数字式两种多点信号平均器有模拟式和数字式两种: 模拟式多点平均器的存贮器是电容，模拟式多点平均器的存贮器是电容， 数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，模模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：拟式多点信号平均器原理框图如图所示： 110多点信号平均器的动画演示多点信号平均器的动画演示 111 同步积分器使信号同相地累积起来，在同步积分器使信号同相地累积起来，在信信号持续的半个周期内号持续的半个周期内对信号进行积分。对信号进行积分。 而取样积分器，是对而取样积分器，是对周期信号的某一点周期信号的某一点取取样并累积。样并累积。 112取样积分器取样积分器 113作业 强噪声背景下的带宽周期信号用什么方法进行探测？可以采用锁相放大器吗？为什么？ 简述Boxcar积分器的定点和扫描工作方式的工作过程。 画出锁相放大器的工作原理框图，并简述其工作原理。