微弱信号课件.pdfVIP

《微弱信号检测及处理》讲义 参考教材：高晋占. 微弱信号检测. 清华大学出版社, 2004 戴逸松. 微弱信号检测方法及仪器. 国防工业出版社，1994 曾庆勇. 微弱信号检测（第二版）. 浙江大学出版社, 1994 中国仪器仪表学会. 全国微弱信号检测学术会议论文集 顾洪涛. 特殊电量测量. 机械工业出版社, 2000 要求： 撰写课程报告一份，课程结束进行综合考试 第一部分：微弱信号检测概述与随机噪声 一、微弱信号检测概述 1、研究的必要性 科学研究成果需要完整可靠的实验数据证明，实验数据的获取涉及微弱信号检 测技术。  微弱信号存在于宏观和微观世界中。例如生物学中生物电和生物磁；光学 中脉冲瞬态光谱；天文学中的星体光谱；  检测设备存在内部噪声和背景，信号往往被噪声淹没；  敌对干扰— 电子干扰对抗；  大噪声情况下测试设备无法正常工作，必须加以解决。 2、微弱信号检测技术任务  采用电子学、信息论、计算机及物理学方法；  分析噪声产生原因和规律；  研究被测信号的特点和相关性；  达到检测被噪声淹没的微弱有用信号的目的。 研究从强噪声中提取有用信号的理论、方法和设备，达到抑制噪声、提高信 噪比的目的。 3、微弱信号的理解（两方面） -1 -4  有用信号的幅度，相对于噪声显得很微弱。例如信噪比为10 — 10 ，有用 信号完全淹没在噪声中；  有用信号的幅度绝对值极小。例如 μV、nV 、pV 量级电信号；几个光子/ 秒的弱光信号与图像。 4、与常规方法比较 4 5  信噪比改善：常规方法为10；微弱信号检测方法为10 — 10 。  检测灵敏度：电压≤0.1 nV ，电流≤10-14 A，温度≤5*10-7 K ，电容≤10-5 pF ， -8 -3 -4 微量分析≤10 mol ，位移≤10 — 10 μm。比常规高3—4 个数量级。 二、常规小信号检测方法 与微弱信号相比，小信号的信噪比要高得多。从提高信噪比，从而检测出被 噪声污染的有用信号这一点看，小信号检测和微弱信号检测具有一定的共同之处。 了解小信号检测的手段和方法，对于微弱信号检测具有一定的参考价值。 1、滤波 作用：克服干扰噪声的不利影响，提高信噪比。 适用范围：噪声与信号频谱不重叠情形。设计滤波器通带仅覆盖有用信号频谱范 围，有用信号不衰减或衰减很少，通带外噪声信号大幅度衰减，提高信噪比。 常用滤波器：低通滤波器，抑制高频噪声，对低频噪声和缓慢漂移无能为力；带 通滤波器，有效抑制通带外各种频率噪声，对有用信号同频率噪声无能为力，设 计高 Q 值窄带滤波器较为困难且不稳定；带阻滤波器，抑制某一特定频率的干扰 噪声，例如50Hz工频干扰。 2、调制放大与解调 原因：缓变或直流信号直接利用DC放大器放大，传感器和前级放大器低频噪声和 缓慢漂移也同样被放大，信噪比无法改善。 原理：通过调制，缓变信号或直流信号名被搬移到高频区域；利用AC放大器实现 放大，各级放大器间可利用隔直电容耦合，传感器和前级放大器低频噪声和缓慢 漂移不会传输到后级放大器，消除了影响；通过解调和低通滤波器滤除高频分量 和附加噪声，获得放大后的有用信号。 器件：商品化斩波放大器，例如 TI 公司 TLC2652 高精度斩波稳零运算放大器， Intersil公司的ICL7650斩波稳零式高精度运算放大器。 3、零位法 原理：将被测量与对比量进行比较，调整对比量的大小使其尽量接近被测量，对 比量的大小就表征了被测量的大小；被测量和对比量在传输过程中分别叠加了干 扰噪声 和 ，被测量和对比量传输过程越