第六章微弱信号检测电路课件

仪器仪表电路第六章 微弱信号检测电路6/18/20241第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路第六章 微弱信号检测电路8/9/20231第六章 微仪器仪表电路第一节第一节 频域微弱信号的检测频域微弱信号的检测相关检测原理相关检测原理锁定放大器组成电路锁定放大器组成电路第二节第二节 时域微弱信号的检测时域微弱信号的检测采样积分检测原理采样积分检测原理多点信号采样积分平均器多点信号采样积分平均器主要内容介绍主要内容介绍6/18/20242第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路第一节 频域微弱信号的检测相关检测原理锁定放大器组成电路第二仪器仪表电路第一节第一节 频域微弱信号检测频域微弱信号检测一一 关于相关检测关于相关检测相关检测技术：利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，相关检测技术：利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。自相关或互相关运算功能可利用现代计算技自相关或互相关运算功能可利用现代计算技术和微机系统来实现，也可以由电子电路来术和微机系统来实现，也可以由电子电路来完成，在检测仪器中，常采用后一种技术。完成，在检测仪器中，常采用后一种技术。6/18/20243第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路第一节 频域微弱信号检测一 关于相关检测相关检测技术：仪器仪表电路二二自相关和互相关函数自相关和互相关函数1 自相关函数的定义自相关函数的定义Rxx（）=lim T2T21T(t)(t -)dtT它它表表示示随随机机信信号号(t)与与延延时时了了时时间间间间隔隔之之后后的的同同一一信信号号的的相相关关性性。当当随随机机函函数数不不包包含含有有周周期期性性分分量量时时，Rxx（）在在=0时时最最大大，随随的的增增加加而而单单调调下下降降，时时，Rxx（）趋趋近近于于 (t)的的平平均均值值的的平平方方，若若(t)的的平平均均值值为为0，则则Rxx（）随随 的的增增大大而而趋趋近近于于0。由由于于噪噪声声的的平平均均值值为为0，利利用用此此性性质质，得得 出出 噪噪 声声 的的 自自 相相 关关 函函 数数 接接 近近 于于0 的的结结果果。6/18/20244第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路自相关和互相关函数1 自相关函数的定义Rxx（）=l仪器仪表电路2 互相关函数的定义互相关函数的定义Rxy（）=lim T2T21T1(t)2(t -)dtT它表示两个不同的随机变量它表示两个不同的随机变量(如信号与噪声如信号与噪声)互相独立互相独立,则则互相关函数将是个常数互相关函数将是个常数,它等于二随机函数的平均值的乘它等于二随机函数的平均值的乘积积,若一个平均值为若一个平均值为 0 (如噪声如噪声)则互相关函数处处为则互相关函数处处为0。6/18/20245第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路2 互相关函数的定义Rxy（）=lim 仪器仪表电路三三互相关接收法互相关接收法延迟延迟1(t)=Si(t)+n(t)输入信号输入信号参考信号参考信号2(t)=SR(t)乘法器乘法器积分器积分器输出输出R12()Si(t):有用信号有用信号n(t):随机噪声信号随机噪声信号R12（）=lim T2T21T1(t)2(t -)dtTT2T2T21TSi(t)SR(t -)dt+T=lim T21Tn(t)SR(t -)dt =RsisR()+RnsR()RsisR()6/18/20246第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路互相关接收法延迟1(t)=Si(t)+n(t)输入信号仪器仪表电路RnsR()表示参考信号表示参考信号SR(t)与噪声与噪声n(t)之之间间的相关函数的相关函数,二者无依附性二者无依附性,互不相关互不相关,积分积分时间较长时为时间较长时为0。在输入有用信号。在输入有用信号Si(t)和和参参考信号考信号SR(t)的周期一致时的周期一致时,它们有互相关它们有互相关输输出。出。6/18/20247第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路RnsR()表示参考信号SR(t)与噪声n(t)之间8/仪器仪表电路四四 自相关接收系统自相关接收系统激励正弦激励正弦波发生器波发生器传感器传感器延迟延迟Si（t）n（t）乘法器乘法器1(t)=Si（t）+n（t）1(t)2(t)=SR（t-）SR（t）R12()设设Si(t)=VsmCOSt,SR(t)=VRmCOS(t+)=(VsmVRm)/2 COS(）这是一个不衰减的周期函数，是可测的。说明相关接这是一个不衰减的周期函数，是可测的。说明相关接收法能有效去除随机噪声，使输出信噪比提高许多。收法能有效去除随机噪声，使输出信噪比提高许多。实际的相关接收电路是相敏检波器与低通滤波器的结合实际的相关接收电路是相敏检波器与低通滤波器的结合RsisR()=limT1/TT2T2 VsmCOS(t)VRmCOS(t+)dt6/18/20248第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路四 自相关接收系统激励正弦传感器延迟Si（t）n（t）仪器仪表电路五五相敏检波器相敏检波器（Phase Sansitive DelecterPhase Sansitive Delecter）-1+1Vs输入信号输入信号开关驱动电路开关驱动电路参考电压参考电压VRLPFVO低通低通VPVRtVstVptVO同相同相VO0VRtVstVptVO反相反相VO06/18/20249第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路相敏检波器（Phase Sansitive Delecte仪器仪表电路VRtVstVpt相位差相位差=900，VO=0当相位差为任意当相位差为任意，VO=VSCOS6/18/202410第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路VRtVstVpt相位差=900，VO=0当相位差为任意仪器仪表电路六六 相敏检波器抑制低频干扰相敏检波器抑制低频干扰VRt参考电压参考电压低频干扰低频干扰VNPSD输出输出VPttVP经过低通滤波器后，不产生输经过低通滤波器后，不产生输出，说明能够抑制低频干扰信号出，说明能够抑制低频干扰信号6/18/202411第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路六 相敏检波器抑制低频干扰VRt参考电压低频干扰VNPSD输仪器仪表电路七七 相敏检波器对高频干扰的抑制相敏检波器对高频干扰的抑制f3f参考参考平均值平均值f4f参考参考平均值平均值=06/18/202412第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路七 相敏检波器对高频干扰的抑制f3f参考平均值f4f参考平均仪器仪表电路八八 结论结论1相关接收能有效抑制噪声，提取有用信号相关接收能有效抑制噪声，提取有用信号2相关接收是一种高相关接收是一种高Q值带通滤波器值带通滤波器 3相关接收的输出是直流信号相关接收的输出是直流信号4相关接收不仅可鉴频，还可以鉴相相关接收不仅可鉴频，还可以鉴相55 相关接收对齐次谐波不能完全去除，但已大大减小相关接收对齐次谐波不能完全去除，但已大大减小6/18/202413第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路八 结论相关接收能有效抑制噪声，提取有用信号8/9/202仪器仪表电路九九锁定放大器（锁定放大器（Lock-in AmplifierLock-in Amplifier）电路）电路锁定放大器是以相关检测原理为基础的信号处理电锁定放大器是以相关检测原理为基础的信号处理电路，它能检测出极其微弱的有用信号，可低于路，它能检测出极其微弱的有用信号，可低于1nVA1低噪声前低噪声前置放大器置放大器带通带通滤波器滤波器与与衰减器衰减器A2交流交流放大器放大器积分器积分器与直流与直流放大器放大器触发触发电路电路可调可调移相器移相器方波方波发生器发生器参考输入参考输入信号输入信号输入直流输出直流输出1 结构图结构图6/18/202414第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路锁定放大器（Lock-in Amplifier）电路锁定放大仪器仪表电路2 2 原理图例子原理图例子R7 30kAACA2A1A3交流放大器交流放大器C1 33uFC2 0.01uFR1 10kR2 20kR3 6.8kC3 33uFC4 0.01uF+-R4 30kR5 30kR6 15kR8 100kD1D2T1T2R9 100k100k 100k1M1uF参考输入参考输入2倍反相放大器倍反相放大器低通滤波器低通滤波器相敏检波器相敏检波器6/18/202415第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路2 原理图例子R7 30kAACA2A1A3交流放大器仪器仪表电路第二节第二节 时域微弱信号检测时域微弱信号检测利利用用相相关关检检测测技技术术解解决决频频域域信信号号的的高高灵灵敏敏度度和和窄窄带带化化接接收收问问题题，起起到到去去除除噪噪声声的的作作用用。但但有有时时需需要要了了解解真真实实信信号号的的波波形形形形状状，比比如如，在在调调试试放放大大器器时时，我我们们不不但但用用电电压压表表测测输输入入输输出出信信号号的的大大小小，求求出出其其放放大大倍倍数数，还还要要用用示示波波器器看看波波形形的的形形状状，判判断断是是否否有有饱饱和和或或截截止止失失真真。这这就就是是时时域域分分析析重重要要意意义义。6/18/202416第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路第二节 时域微弱信号检测利用相关检测技术解决频域信号的高仪器仪表电路一一 采样积分检测原理采样积分检测原理123N1设信号是周期的设信号是周期的22 用一个采样时间极短的采样用一个采样时间极短的采样/保持器周期地对其采样保持器周期地对其采样若信号是无噪声的稳定的周期信号，则每次采到的数值不变，若信号是无噪声的稳定的周期信号，则每次采到的数值不变，亦即它的积分平均值仍为该信号此时刻的瞬时值；亦即它的积分平均值仍为该信号此时刻的瞬时值；若信号混杂有随机噪声，则各次采样值有可能偏离有用信号若信号混杂有随机噪声，则各次采样值有可能偏离有用信号的瞬时值，但如果将保持电容的瞬时值，但如果将保持电容CH取得足够大，起积分平均作取得足够大，起积分平均作用，则噪声的影响就会减弱，且采集的次数越多，噪声的平用，则噪声的影响就会减弱，且采集的次数越多，噪声的平均值越小，均值越小，N足够大，噪声为足够大，噪声为0，但稳定的有用信号不会受到，但稳定的有用信号不会受到积分平均的影响。积分平均的影响。N值取得越大，一次检测需要的波形个数值取得越大，一次检测需要的波形个数越多，即要花费更长的时间，提取有用信号波形的效果是以越多，即要花费更长的时间，提取有用信号波形的效果是以延长测量时间为代价的。延长测量时间为代价的。对周期性波形固定位置采样对周期性波形固定位置采样6/18/202417第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路一 采样积分检测原理123N设信号是周期的若信号是无噪声的稳仪器仪表电路一 采样积分检测原理（续）另外，应在一个周期内采集多个点，比如沿波形另外，应在一个周期内采集多个点，比如沿波形采集采集M点点,点数越多，其复现的越好，但增加了点数越多，其复现的越好，但增加了系统复杂性。测量波形上的一个点要一个积分器。系统复杂性。测量波形上的一个点要一个积分器。对于对于N次积累后，采样积分器的信躁比改善系数为：次积累后，采样积分器的信躁比改善系数为：SNIR=（S/N)o/（S/N)i=N（S/N)o：输输出出信信号号信信躁躁比比（S/N)i：输输入入信信号号信信躁躁比比也就是说，积分器对也就是说，积分器对N次采集信号（包括噪声次采集信号（包括噪声n和有用信号和有用信号s），），进行线性积分累积过程中，对进行线性积分累积过程中，对s的累积结果为的累积结果为Ns，对噪声的，对噪声的累积结果为累积结果为 n，因为，因为N次的噪声求和应当服从于均方根次的噪声求和应当服从于均方根和法则，故积分器的输出信躁比（和法则，故积分器的输出信躁比（S/N)O=Ns/n=s/n=(S/N)NNNN6/18/202418第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路一 采样积分检测原理（续）另外，应在一个周期内采集多个点，比仪器仪表电路二二多点信号采样积分平均器原理图多点信号采样积分平均器原理图将将一一个个波波形形分分成成M个个点点,用用M个个积积分分器器对对信信号号进进行行积积分分平平均均，在在输输入入触触发发脉脉冲冲作作用用下下，逻逻辑辑电电路路发发出出t1，t2，t3，tM顺顺序序控控制制脉脉冲冲，通通过过模模拟拟开开关关S1，S2，S3,.SM,顺顺序序将将C1，C2，C3，CM接接通通，则则C1，C2，C3，CM上上存存储储了了一一个个波波形形上上M个个点点一一次次检检测测的的瞬瞬时时电电压压值值。继继续续进进行行对对N个个波波形形的的类类似似的的检检测测与与积积分分平平均均，C1CM上上的的各各电电压压值值就就十十分分接接近近有有用用信信号号波波形形的的各各点点瞬瞬时时值值了了，而而噪噪声声却却被被抑抑制制掉掉了了。随随着着电电子子器器件件的的发发展展，多多点点信信号号平平均均器器的的采采样样点点数数可可达达2048点点。这这种种抑抑制制噪噪声声的的方方案案适适用用于于处处理理频频率率较较低低的的信信号号。触发触发采样时间逻辑控制电路采样时间逻辑控制电路123MRS1S2S3SMC1C2C3CM.t1t2t3tMA1A2输出输出输入输入触发输入触发输入(与输入信号同频与输入信号同频)6/18/202419第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路多点信号采样积分平均器原理图将一个波形分成M个点,用M个积分仪器仪表电路多点信号采样积分平均器电路组成结构图多点信号采样积分平均器电路组成结构图由由触触发发器器、M倍倍频频器器、二二进进制制计计数数器器以以及及M路路译译码码器器等等数数字字电电路路组组成成采采样样时时序序控控制制电电路路，产产生生1，2，3，,M各各点点的的顺顺序序门门控控脉脉冲冲,它它们们使使S1,S2,S3SM在在一一个个输输入入信信号号周周期期内内均均匀匀地地扫扫描描一一遍遍,将将M点点波波形形瞬瞬时时值值分分别别存存储储在在C1，C2，C3，CM中中,进进行行累累积积平平均均.只只要要扫扫描描触触发发信信号号与与有有用用信信号号同同步步好好,显显 示示 的的 波波 形形 就就 稳稳 定定 和和 清清 晰晰。A1A2A3触发触发M倍频器倍频器二进制二进制计数器计数器.C1C2C3CM模拟多路选通器R1R2M路门控信路门控信号译码电路号译码电路1,2,3,.,M触发输入触发输入信号输入信号输入输出放大器通用示波器同步扫描触发信号输入放大器输入放大器+_6/18/202420第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路多点信号采样积分平均器电路组成结构图由触发器、M倍频器、二进仪器仪表电路用用CD4046CD4046组成的锁相倍频器组成的锁相倍频器这是一个倍频系数为这是一个倍频系数为4的倍频器，倍频系数等于分频系数的倍频器，倍频系数等于分频系数CD404667VDD16输入输入fi14VDDEnR21647811/2CD4520二进计数器二进计数器（分频器）（分频器）56pF913118341M1F10K输出输出fO=4fi4分频分频6/18/202421第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路用CD4046组成的锁相倍频器这是一个倍频系数为4的倍频器，仪器仪表电路8 8点信号平均器实验电路图点信号平均器实验电路图A1A2A3CD40516V16.C1C2C3C8012713141548*2.2FVDDOUT3VEE-6VQ1Q2Q3711109345+6V16278CKCD4046100P6716431M1F10K1158139168A4A5141N414810K+_+_+_100K10K1.1K10K_+1F过零比较器参考通道放大器参考输入信号输入人为噪声输入5.1K5.1K10K3.6K1/2LF3531/2LF35310K10K10K10K5.1K1/2LF353前置放大器前置放大器积分平均器积分平均器输出放大器输出放大器ABCINH VSS+_输出输出CD4051:八选一多路模拟开关八选一多路模拟开关内部配置有内部配置有3/8译码器译码器CD4520:二进制计数器二进制计数器1N4148:起负电压限幅作用起负电压限幅作用本图参数适合于测量本图参数适合于测量100Hz-1kHz的信号的信号CD45206/18/202422第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路8点信号平均器实验电路图A1A2A3C6V16.C1C2C3仪器仪表电路三三BOXCARBOXCAR积分器（单点采样积分器）积分器（单点采样积分器）A1S1RC输出输出VO步进采样步进采样脉冲发生器脉冲发生器T参考输入参考输入信号输入信号输入放大器放大器积分器积分器tGVC1 模拟开关模拟开关S1控制着控制着RC积分网络对输入信号积分网络对输入信号Vi的采样。的采样。S1导通时间由采样脉冲导通时间由采样脉冲tG的宽度决定，的宽度决定，tG是可选定的。是可选定的。2 步进采样脉冲发生器在采样信号触发下，产生门控信号步进采样脉冲发生器在采样信号触发下，产生门控信号VC。3 设计时，一方面要满足选定门控信号宽度设计时，一方面要满足选定门控信号宽度tG，另一方面，另一方面 还要使还要使tG相对参考脉冲或输入信号相对参考脉冲或输入信号Vi能发生线性的移动。能发生线性的移动。4 参考输入的脉冲周期和输入信号的周期相同。参考输入的脉冲周期和输入信号的周期相同。6/18/202423第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路BOXCAR积分器（单点采样积分器）A1S1RC输出VO步进仪器仪表电路采样脉冲步进移动示意图采样脉冲步进移动示意图123tGt2tVi输入输入信号信号VC门控门控信号信号ttAAA”在第一个输入波形第一次在第一个输入波形第一次触发后，产生触发后，产生1号采样脉号采样脉冲；在第二个输入波形第冲；在第二个输入波形第二次触发后，产生二次触发后，产生2号采号采样脉冲；两采样脉冲间隔样脉冲；两采样脉冲间隔T+t，以后每一个采样脉，以后每一个采样脉冲推后冲推后t，形成了，形成了tG周期周期地扫描输入波形地扫描输入波形Vi效果。效果。VittGABC设计电路时，设计电路时，t比比tG小很多，设小很多，设NS=tG/t ，tG是采样门每次开通的时间，在此期间积分是采样门每次开通的时间，在此期间积分器对输入信号器对输入信号Vi进行积分累积。由于这个窗进行积分累积。由于这个窗口比较宽，而窗口的移动速度又比较慢（每口比较宽，而窗口的移动速度又比较慢（每次次t），所以由这个窗口观察到的波形有相），所以由这个窗口观察到的波形有相当多的部分是多次重叠的，采样门的前沿从当多的部分是多次重叠的，采样门的前沿从A点移动到点移动到B点，点，Vi上上B点将被重复观察到点将被重复观察到NS=tG/t 次，即积分器对输入波形次，即积分器对输入波形B点的瞬时点的瞬时值将进行值将进行NS 次的积分平均，意味着随机噪声成次的积分平均，意味着随机噪声成分大为减少，而分大为减少，而SNIR=tG/t NS6/18/202424第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路采样脉冲步进移动示意图123tGt2tVi输入VC门控t仪器仪表电路BOXCARBOXCAR积分器测试一个完整波形的时间积分器测试一个完整波形的时间123tGt2tVi输入输入信号信号VC门控门控信号信号ttAAA”实际上实际上，t 一个接一个发生，被检测的波形一个接一个发生，被检测的波形Vi上任何一点上任何一点都受到了上述这种积分平均处理，积分器的输出波形对应输都受到了上述这种积分平均处理，积分器的输出波形对应输入的有用信号，而随机噪声信号则被积分平均作用抑制掉了。入的有用信号，而随机噪声信号则被积分平均作用抑制掉了。BOXCAR积积分分器器测测量量完完一一个个完完整整的的波波形形周周期期T所所需需时时间间Tt:设设一一个个周周期期波波形形被被分分割割成成M个个点点,每每一一个个点点所所属属的的区区域域宽宽度度对对应应一一个个窗窗口口宽宽度度tG,每每一一个个点点的的积积分分平平均均次次数数为为NS,而而每每输输入入一一个个被被测测波波形形只只产产生生一一次次步步进进,tG窗窗口口移移动动t,则则Tt=MNST如如:被被测测信信号号1KHz,分分成成100个个点点,每每点点积积分分平平均均100次次,那那么么:Tt=100*100*1/1000=10(S),说说明明用用10S时时间间才才能能测测完完一一个个1KHz的的周周期期波波形形,其其SNIR=10,是是以以时时间间为为代代价价,换换取取积积分分平平均均的的效效果果.6/18/202425第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路BOXCAR积分器测试一个完整波形的时间123tGt2t仪器仪表电路BOXCARBOXCAR积分器的另一种用途积分器的另一种用途上上述述的的这这种种步步进进扫扫描描采采样样技技术术可可将将高高频频波波形形变变成成低低频频波波形形,上上述述例例子子将将1KHz的的信信号号变变成成了了0.1Hz的的信信号号,所所以以,即即便便是是检检测测频频率率较较高高的的信信号号,其其输输出出仍仍可可用用笔笔录录仪仪一一类类的的低低速速记记录录仪仪记记录录其其波波形形。另另外外，有有一一种种测测量量高高频频波波形形的的示示波波器器，就就应应用用了了这这种种技技术术，将将高高频频信信号号变变成成低低频频信信号号后后，用用 普普 通通 示示 波波 器器 观观 测测 信信 号号 波波 形形。6/18/202426第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路BOXCAR积分器的另一种用途上述的这种步进扫描采样技术可将仪器仪表电路BOXCARBOXCAR积分器的电路组成结构积分器的电路组成结构A1A2模拟开关驱动电路模拟开关驱动电路门宽门宽tG产生电路产生电路(单稳触发器单稳触发器)A3延时电路延时电路时基信号时基信号发生器发生器过零触发器过零触发器前置放大器前置放大器R1模拟开关模拟开关S1R2R3X-YX-Y记录仪记录仪慢扫描信号慢扫描信号发生器发生器(斜坡斜坡电压发生器电压发生器)扫描扫描S2慢扫描慢扫描输出输出+VW定点定点Vi输入输入RT门宽门宽控制控制tG+-+-VSTS积分器积分器电压电压比较器比较器参考参考信号信号Vtt0负跳触发负跳触发6/18/202427第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路BOXCAR积分器的电路组成结构A1A2模拟开关驱动电路门宽仪器仪表电路tG脉冲周期性线性移动工作原理(TS=8TO).ttttttt输入输入信号信号Vi过零同步过零同步触发脉冲触发脉冲时基时基信号信号慢扫描慢扫描信号信号VS电压比电压比较器输出较器输出采样采样脉冲脉冲tG复现复现波形波形TOTStG6/18/202428第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路tG脉冲周期性线性移动工作原理(TS=8TO).仪器仪表电路长周期电压发生器长周期电压发生器时钟时钟电路电路N位二进位二进制计数器制计数器10位位D/A转换转换器器（DAC1020）A1Rfb（1020内部）内部）+-10PFIO1慢扫描触发慢扫描触发复零复零-VRfCK6/18/202429第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路长周期电压发生器时钟N位二进10位D/A转换器A1Rfb（1仪器仪表电路有什么问题吗？本章结束本章结束6/18/202430第六章第六章 微弱信号检测电路微弱信号检测电路有什么问题吗？本章结束8/9/202330第六章 微弱