第三章微弱信号检测.ppt

第二节 锁相放大器 3 锁相放大器的性能指标 第三节 取样平均器（BOXCAR) 3、boxcar参数的选择 2 光子计数系统 2 CCD光电列阵 * * * 第一节 信号与噪声 1、信号与噪声概念 信号是携带了某种被测信息的某个物理量。在光谱测量中，可以是电流、电压或光波的各个参数等。 一般来说，一个信号中除了有用的信号以外，总还伴随着噪声。噪声是一种无规的随机涨落。除噪声外，还可能由环境造成的干扰。 光谱检测的时候，常常是信号淹没于噪声之中。 为了评价有用的信号在一个总信号中所占的份额，引进信噪比SNR： S/N越高，测量误差越小。 通常使信号通过一个系统（放大器或滤波网络等）来提高信噪比， 信噪比改善SNIR（Signal to Noise Improvememnt）： 2 噪声的统计特性 （1）概率分布 随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，瞬时幅度的概率分布是正态的，即高斯分布 ， 称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。瞬时噪声的幅度 基本上在 范围之内. 噪声功率谱密度S(f) : 为在频率f处，带宽为 内的1Ω电阻上的噪声平均功率. 噪声平均功率 : 常把在很宽的频率范围内具有恒定的噪声功率谱密度的噪声称为白噪声。 (2) 自相关函数 随机变量x(t)的自相关函数 表示随机过程在 和 两个不同时刻的相关性 白噪声功率谱密度与自相关函数 自相关函数 3 噪声来源 （1）热噪声 由导体内自由电子的随机运动引起的。运动电荷的随机运动表现为电流的涨落。属白噪声。 一个阻值为R的电阻的热噪声的均方根值为 一个阻值为1k的 光导元件，在室温（290K）下热噪声电压为4nV。 (2) 散粒噪声(shot noise) 在晶体管中当载流子越过PN结时，或者，真空器件中电子越过阴极表面的势垒时，由于各别载流子的运动速度差异，使电流发生波动，形成散粒噪声。属白噪声。 散粒噪声电流的均方根值为： 为了减小散粒噪声需要压缩系统带宽以及降低工作电流 噪声 (3) 主要存在于电子器件中，它与元器件的制造工艺有关，特别是与表面的处理有关。特点：随频率的降低而增加，所以又称为低频噪声 锁相放大器是一种高性能的通用测量仪器，它能精确测量被掩埋在噪声中的微弱信号。随着科学技术的飞速发展，在电子学、信息科学、光学、磁学、力学、低温物理、声学、生物学等许多领域，越来越需要测量深埋在噪声中的微弱信号。 1 模拟相关器 锁相放大器(Lock-in amplifier-LIA)是利用信号与噪声的互不相关性来抑制噪声的。核心部件是模拟相关器。相关器由乘法器与积分器组成，乘法器也称相敏检波器。 可以调节参考信号的相位 ，使之与输入信号的相位差为零，这时，相关器 的输出信号为最大。 在参考信号的幅值 已知的情况下，就可以测定输入 信号的幅值 与参考信号之间的相位差 2、 锁相放大器的组成 信号通道、参考通道与相关器三部分 为幅值恒定的方波 参考通道：把频率为 参考信号变换 为了同时测定输入信号的幅值与位相，锁相放大器通常有两个相关器，分别输出相差为π/2的两个正交参考信号与输入信号相关 积分输出一正比于输入信号幅值的平滑直流信号 积分输出电压为零 为了得到好的噪声抑制，相应的积分时间常数RC越大越好。但RC越大，对信号的反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量就要受到影响。 √最小可分辩信号电平(MDS)：输出端能够辩别的最小输入无噪声信号电压 ； √满刻度信号输入电平(FS)：输出端满刻度时所需的输入电压 大小 √最大过载电平(OVL)：不造成仪器过载的最大输入噪声电压 √总动态范围：反映锁相放大器整体性能的重要指标 ，定义为不引起仪器过载的最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比 4 调制技术 在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。 机内都有一组小光源，它们对准地照在光电管上，当斩波盘对小光源的光束进行斩波，光电管的输出信号通过整形，输出0-5V的TTL信号，它们用作为参考信号。 取样也称抽样，是一种信息的提取方法，取样平均即对取出的样本采用平均的方法去除噪声与干扰，以获取有用的信息 1 取样原理 取样的基本过程:一个被测信号f(t)经适当放大后加到场效应管开关电路的输入端，而在场效应管的栅极加上一个窄矩形门脉冲。当门脉冲到来时，场效应管导通，被测信号在门的持续时间内通过，场效应管的输出端出现一个该信号的取样脉冲。如果连续改变门脉冲与被测信号的相对时间，就可以完成对整个被测信号的取样。