微弱信号检测课件.ppt

为分析方便，假设n(t)及参考信号y(t)可写成 则相敏检波器的输出为 　　经低通滤波后，式(1)中的第一项直流成分被保留；第二、四两项属高频成分被滤除；第三项满足|w?-?ws|??B′时才被保留(B′为低通滤波器的带宽)，即对输出有影响。然而，即使第三项被保留了，其影响也会减小，因为通常情况下总是通过移相器使b?=?0，从而使cosb?=?1，但无论如何，绝大多数情况下cos[(w?-?ws)t?+?(q?-?b)]的绝对值都小于1，因为噪声与被测信号同频又同相的概率极低。由于低通滤波器的B′可以很小，所以分布在(w0?-?B?/?2)?~?(w0?+?B?/?2)之间的噪声大部分都被滤除掉了，使得锁定放大器的信噪比得到了非常明显的提高。 锁定放大器继承了调制放大器使用交流放大而不使用直流放大的原理，从而避开了幅度较大的1/f噪声； 用相敏检波器实现解调，用稳定性更高的低通滤波器实现窄带化过程，从而使检测系统的性能大为改善。 　根据式(1)还可知道，参考信号为正弦信号时，对其幅度D的稳定性要求很高，否则将影响输出信号的稳定性。为此，在实际电路中常采用方波作为相敏检波器的参考信号，这时的相敏检波器称为开关型相敏检波器。但也有其不足之处，即存在奇次谐波响应。 适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携带的检测量(信息)的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。 正交矢量锁定放大器 具有两个相敏放大器 P172 同一输入信号，两个参考输入相位上差了90度 输出信号也相差90度，分别为 外差式锁定放大器 克服被测信号频率变化的问题 利用频率合成器得到频率 参考信号频率为 输入信号频率通过混频为 见P173，图4－18 主要性能指标 满刻度输出时的输入电平 过载电平 最小可测信号 输入总动态范围 输出动态范围 动态储备 第五章 取样积分 一种微弱信号检测系统。 原理上利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。 信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。 取样积分器 基本思想 对象：具有周期的快速变化的信号。不重复出现的信号是不行的。 核心：门积分器。 方法：对于多个周期内采集的同一时刻点的数据进行积分，经过多个周期后就可以通过积分滤除干扰。 取样积分器的基本原理 核心：门积分器。 门积分器不同于一般的积分器，它仅在取样时间内进行积分，其余时间积分结果处于保持状态。根据实现电路的不同，可分为线性门积分器和指数式门积分器两种。 下图为线性门积分器电路，图中x(t)为被测信号，它包含周期为T的有用信号s(t)和随机噪声n(t)。r(t)是与s(t)同频的参考信号，甚至可以是被测信号本身。r(t)经延时后送入触发电路，产生宽度为Tg的取样脉冲。在r(t)的每个周期内开关K只在Tg时段闭合。K闭合时x(t)经缓冲放大后通过电阻R对积分电容C充电，只要输入电压不变，充电电流也不变；K断关时，C两端电压保持不变。 线性门积分器电路 线性门积分器电路及其阶跃响应 　　若x(t)为阶跃信号，且t?=?0时uo?=?0，可绘出uo随时间的变化曲线如图(b)中折线②所示。图(b)中直线①是K常闭时的响应，相当于普通线性积分器的阶跃响应。如果K常闭时uo积分到等于输入电压所需时间为t(t?=?RC)，则在取样脉冲作用下所需时间约为(T?/?Tg)t，也就是说等效时间常数为普通线性积分器的T?/?Tg倍。 　线性门积分电路的输出幅度受到运算放大器线性工作范围的限制，比较适用于信号幅度较小场合。如果信号幅度较大，为数不多的若干次取样积分就有可能使运算放大器进入非线性区，导致测量误差，在这种情况下只能使用指数式门积分器。 　 下图(a)为指数式门积分器电路，与线性门积分器的区别是，即使输入电压不变，充电电流也会随着电容上电压的增加而逐渐减小，输出电压则按指数规律增加。若x(t)为阶跃信号，且t?=?0时uo?=?0，则uo随时间的变化曲线如图(b)中曲线②所示。图(b)中曲线①是当K常闭时的响应，相当于普通指数式积分器的阶跃响应。如果K常闭时uo积分到等于输入电压的0.632倍所需时间为t(t?=?RC)，则在取样脉冲作用下所需时间约为(T?/?Tg)t，等效时间常数也为普通指数式积分器的T?/?Tg倍。 指数式门积分器电路 指数式门积分器电路 指数式门积分器电路及其阶跃响应 线性门积分器的信噪比改善