3.6-微弱信号检测PPT.ppt

微弱信号检测技术;1 概述;科学研究中常需检测极微弱的信号，例如： 生物学中细胞发光特性、光合作用、生物电 天文学中的星体光谱 化学反映中的物质生成过程 物理学中表面物理特性 光学中的拉曼光谱、光声光谱、脉冲瞬态光谱 微机电系统（MEMS）的微位移、微力、微电流、电压等;微弱信号检测途径;2. 噪声基本知识;白噪声情况下信噪比系数：;Δfin为输入噪声的带宽； Δfn为系统的等效噪声带宽。 减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。 SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。 使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚 至107。 ;几种常见电子噪声;电子器件的固有噪声;举例：?A741的输入端的噪声电压、噪声电流功率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。;3.低噪声放大器;偏置电路低噪声设计 ;直流工作点低噪声设计 ;利用变压器实现噪声匹配 ; 如图6(a)??示，假设变压器是理想的，初级线圈与次级线圈的匝数比为1：n，那么由初级变换到次级的信号电压为nus、噪声电压为nunt、源电阻为n2Rs，如图 6(b)所示。选择合适的n，可实现噪声匹配。 ;4.微弱信号检测方法 ;频域微弱信号检测 ;锁定放大器的构成原理 ;信号通道 ;1）锁定放大器改善信噪比的原理 ;令 ; 由于低通滤波器的B可以很小， 因此分布在(?0－B/2)～(?0+B/2)之间的噪声大部分都被滤除掉，使得锁定放大器的信噪比得到了非常明显的提高。 可见，锁定放大器避开了幅度较大的1/f 噪声；同时又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。 ;2）移相器 ;3）相敏检波及低通滤波器电路 ; 工作原理： 当输入信号为正半周时，B点参考方波为高电平，V1、V2导通，E点参考方波为低电平，V3和V4截止，输入信号经V1加到A的同相端，A的反相端经V2接地，此时，输出电压对应输入信号正半周的积分平均值，极性为正。当输入信号为负半周时，参考方波电平也翻转了， V1、V2截止，V3、V4导通，输入信号经V3加到A的反相端，A的同相端则经V4接地，此时，输出电压对应输入信号负半周的积分平均值，但极性仍为正。 ;时域微弱信号检测 ; 取样积分器的核心是门积分器。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。 ;（2）线性门积分器电路; 若x(t)为阶跃信号，且t=0时，u0=0，可绘出u0随时间变化的曲线如下图中折线②所示。下图中直线①是S常闭时的响应，相当于普通线性积分器的阶跃响应。如果S常闭时u0积分到等于输入电压所需时间为? (?=RC)，则在取样脉冲作用下所需时间约为(T/Tg)?。;（3）线性门积分器的信噪比改善系数 ;（4）指数式门积分器电路 ; 若x(t)为阶跃信号，且t=0时，u0＝0，则u0随时间变化的曲线如下图中曲线②所示。下图中曲线①是当S常闭时的响应，相当于普通指数式积分器的阶跃响应。如果S常闭时u0积分到等于输入电压的所需时间为?(?=RC)，则在取样脉冲作用下所需时间约为(T/Tg) ? 。; 对于阶跃信号输入，指数式门积分器经过m次积分后的输出相当于普通指数式积分器经历了mTg时间后的输出。而普通指数式积分器在经历了5?(?=RC)时间后，积分效果就很不明显了。因此，应该保证; 用数学分析的方法推导出准确的信噪比改善系数是非常烦琐的，因为即使s(t)恒定不变，每次采样因有用信号引起的输出电压增量都不相同，而每次采样因噪声引起的输出电压增量也不相同，不能像推导式( -62)那样简单地得到信噪比改善系数。 这里直接给出指数式门积分器可达到的信噪比改善系数如下： ;2）取样积分器的工作方式; 定点方式的取样积分器电路原理如图 -37(a)和图 -38(a)所示，参考信号与被测信号保持同步，经延时后产生固定宽度的取样脉冲信号，只要在测量期间延时量固定不变，取样积分就总是在被测信号周期的固定部位进行。延时电路的延时量一般做成可调的，以便调整取样部位。 定点方式适于检测处理周期信号的幅度，例如接收斩波光的光电倍增管的输出电流、心电图一定部位的幅度等。 ; 扫描式取样积分器的结构框图如图所示。慢扫描电路用于产生覆盖多个信号周期的锯齿波，其宽度为Ts。时基电路