第六章微弱信号检测电路课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 微弱信号检测电路,*,仪器仪表电路,第六章 微弱信号检测电路,9/17/2024,1,第六章 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,第二节 时域微弱信号的检测,采样积分检测原理,多点信号采样积分平均器,主要内容介绍,9/17/2024,2,第六章 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：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。,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,完成，在检测仪器中，常采用后一种技术。,9/17/2024,3,第六章 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,R,xx,（,）,=,lim,T,2,T,2,1,T,(t,),(t,-,),dt,T,它表示随机信号,(t,),与延时了时间间隔,之后的同一信号的,相关性。当随机函数不包含有周期性分量时，,R,xx,（,）在,= 0,时最大，随,的增加而单调下降，,时，,R,xx,（,）,趋近于,(t,),的平均值的平方，若,(t,),的平均值为,0,，则,R,xx,（,）,随,的增大而趋近于,0,。由于噪声的平均值为,0,，利用此性质，,得出噪声的自相关函数接近于,0,的结果。,9/17/2024,4,第六章 微弱信号检测电路,2,互相关函数的定义,R,xy,（,）,=,lim,T,2,T,2,1,T,1,(t),2,(t -,),dt,T,它表示两个不同的随机变量,(,如信号与噪声,),互相独立,则,互相关函数将是个常数,它等于二随机函数的平均值的乘,积,若一个平均值为,0 (,如噪声,),则互相关函数处处为,0,。,9/17/2024,5,第六章 微弱信号检测电路,互相关接收法,延迟,1,(t)=,S,i,(t)+n(t,),输入信号,参考信号,2,(t)=,S,R,(t,),乘法器,积分器,输出,R,12,( ),S,i,(t,):,有用信号,n(t,):,随机噪声信号,R,12,（,）,=,lim,T,2,T,2,1,T,1,(t),2,(t -,),dt,T,T,2,T,2,T,2,1,T,S,i,(t,),S,R,(t,-,),dt,+,T,=,lim,T,2,1,T,n,(t,),S,R,(t,-,),dt,=,Rs,i,s,R,(,) +,Rns,R,(,) ,Rs,i,s,R,(,),9/17/2024,6,第六章 微弱信号检测电路,Rns,R,(,),表示参考信号,S,R,(t,),与噪声,n(t,),之间,的相关函数,二者无依附性,互不相关,积分,时间较长时为,0,。在输入有用信号,S,i,(t,),和参,考信号,S,R,(t,),的周期一致时,它们有互相关输,出。,9/17/2024,7,第六章 微弱信号检测电路,四 自相关接收系统,激励正弦,波发生器,传感器,延迟,S,i,（,t,）,n,（,t,）,乘法器,1,(t)=,S,i,（,t,）,+n,（,t,）,1,(t),2,(t)=S,R,（,t - ,）,S,R,（,t,）,R,12,( ),设,S,i,(t,)=,V,sm,COSt,S,R,(t,)=,V,Rm,COS(t,+,),=,(,V,sm,V,Rm,)/2,COS(,）,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。,实际的相关接收电路是相敏检波器与低通滤波器的结合,Rs,i,s,R,(,)=,lim,T,1/T,T,2,T,2,V,sm,COS(t,),V,Rm,COS(t,+,)dt,9/17/2024,8,第六章 微弱信号检测电路,相敏检波器（,Phase,Sansitive,Delecter,）,-1,+1,Vs,输入信号,开关驱动电路,参考电压,V,R,LPF,V,O,低通,V,P,V,R,t,Vs,t,Vp,t,V,O,同相,V,O,0,V,R,t,Vs,t,Vp,t,V,O,反相,V,O,0,9/17/2024,9,第六章 微弱信号检测电路,V,R,t,Vs,t,Vp,t,相位差,=90,0,，,V,O,=0,当相位差为任意,，,V,O,=,V,S,COS,9/17/2024,10,第六章 微弱信号检测电路,六 相敏检波器抑制低频干扰,V,R,t,参考电压,低频干扰,V,N,PSD,输出,V,P,t,t,V,P,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,9/17/2024,11,第六章 微弱信号检测电路,七 相敏检波器对高频干扰的抑制,f,3f,参考,平均值,f,4f,参考,平均值,=0,9/17/2024,12,第六章 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,相关接收是一种高,Q,值带通滤波器,相关接收的输出是直流信号,相关接收不仅可鉴频，还可以鉴相,5,相关接收对齐次谐波不能完全去除，但已大大减小,9/17/2024,13,第六章 微弱信号检测电路,锁定放大器（,Lock-in Amplifier,）电路,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,1nV,A,1,低噪声前,置放大器,带通,滤波器,与,衰减器,A,2,交流,放大器,积分器,与直流,放大器,触发,电路,可调,移相器,方波,发生器,参考输入,信号输入,直流输出,1,结构图,9/17/2024,14,第六章 微弱信号检测电路,2,原理图例子,R,7,30k,A,AC,A,2,A,1,A,3,交流放大器,C,1,33uF,C,2,0.01uF,R,1,10k,R,2,20k,R,3,6.8k,C,3,33uF,C,4,0.01uF,+,+,+,-,-,-,R,4,30k,R,5,30k,R,6,15k,R,8,100k,D,1,D,2,T,1,T,2,R,9,100k,100k,100k,1M,1uF,参考输入,2,倍反相放大器,低通滤波器,相敏检波器,9/17/2024,15,第六章 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灵敏度和窄带化接收问题，起到去除噪声的作用。但有时需要了解真实信号的波形形状，比如，在调试放大器时，我们不但用电压表测输入输出信号的大小，求出其放大倍数，还要用示波器看波形的形状，判断是否有饱和或截止失真。这就是时域分析重要意义。,9/17/2024,16,第六章 微弱信号检测电路,一 采样积分检测原理,1,2,3,N,设信号是周期的,2,用一个采样时间极短的采样,/,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，,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,的瞬时值，但如果将保持电容,C,H,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,均值越小，,N,足够大，噪声为,0,，但稳定的有用信号不会受到,积分平均的影响。,N,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,延长测量时间为代价的。,对周期性波形固定位置采样,9/17/2024,17,第六章 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，比如沿波形采集,M,点,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。,对于,N,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,：输出信号信躁比,（,S/,N),i,：输入信号信躁比,也就是说，积分器对,N,次采集信号（包括噪声,n,和有用信号,s,），,进行线性积分累积过程中，对,s,的累积结果为,Ns,，对噪声的,累积结果为,n,，因为,N,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（,S/N),O,=,Ns,/ n,= ,s/n,= (S/N),N,N,N,N,9/17/2024,18,第六章 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,个积分器对信号进行积分平均，在输入触发脉冲,作用下，逻辑电路发出,t,1,，,t,2,，,t,3,，,t,M,顺序控制脉冲，通过模拟开关,S,1,，,S,2,，,S,3, .S,M,顺序将,C,1,，,C,2,，,C,3,，, C,M,接通，则,C,1,，,C,2,，,C,3,，, C,M,上存储了一个波形上,M,个点一次检测的瞬时电压值。继续进行对,N,个波形的类,似的检测与积分平均，,C,1,C,M,上的各电压值就十分接近有用信号波形的各点,瞬时值了，而噪声却被抑制掉了。随着电子器件的发展，多点信号平均器的,采样点数可达,2048,点。这种抑制噪声的方案适用于处理频率较低的信号。,触发,采样时间逻辑控制电路,1,2,3,M,R,S,1,S,2,S,3,S,M,C,1,C,2,C,3,C,M,.,t,1,t,2,t,3,t,M,A,1,A,2,输出,输入,触发输入,(,与输入信号同频,),9/17/2024,19,第六章 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、二进制计数器以及,M,路译码器等数字电路组成采样时序控制电路，产生,1,，,2,，,3,，,M,各点的顺序门控脉冲,它们使,S,1,S,2,S,3,S,M,在一个输入信号周期内均匀地扫描一遍,将,M,点波形瞬时值分别存储在,C,1,，,C,2,，,C,3,，,C,M,中,进行累积平均,.,只要扫描触发信号与有用信号同步好,显示的波形就稳定和清晰。,A,1,A,2,A,3,触发,M,倍频器,二进制计数器,.,.,.,C,1,C,2,C,3,C,M,模拟多路选通器,R,1,R,2,M,路门控信,号译码电路,1,2,3,.,M,触发输入,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,+,_,9/17/2024,20,第六章 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，倍频系数等于分频系数,CD4046,6,7,V,DD,16,输入,f,i,14,V,DD,En,R,2,16,4,7,8,1,1/2CD4520,二进计数器,（分频器）,56pF,9,13,11,8,3,4,1M,1F,10K,输出,f,O,=4f,i,4,分频,9/17/2024,21,第六章 微弱信号检测电路,8,点信号平均器实验电路图,A,1,A,2,A,3,C,D,4,0,5,1,6V,16,.,.,C,1,C,2,C,3,C,8,0,1,2,7,13,14,15,4,8*2.2F,V,DD,OUT,3,V,EE,-6V,Q,1,Q,2,Q,3,7,11,10,9,3,4,5,+6V,16,2,7,8,CK,CD4046,100P,6,7,16,4,3,1M,1F,10K,11,5,8,13,9,1,6,8,A,4,A,5,14,1N4148,10K,+,_,+,_,+,_,100K,10K,1.1K,10K,_,+,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,5.1K,5.1K,10K,3.6K,1/2LF353,1/2LF353,10K,10K,10K,10K,5.1K,1/2LF353,前置放大器,积分平均器,输出放大器,A,B,C,INH,V,SS,+,_,输出,CD4051:,八选一多路模拟开关,内部配置有,3/8,译码器,CD4520:,二进制计数器,1N4148:,起负电压限幅作用,本图参数适合于测量,100Hz-1kHz,的信号,CD4520,9/17/2024,22,第六章 微弱信号检测电路,BOXCAR,积分器（单点采样积分器）,A,1,S,1,R,C,输出,V,O,步进采样,脉冲发生器,T,参考输入,信号输入,放大器,积分器,t,G,V,C,1,模拟开关,S,1,控制着,RC,积分网络对输入信号,V,i,的采样。,S,1,导通时间由采样脉冲,t,G,的宽度决定，,t,G,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,V,C,。,3,设计时，一方面要满足选定门控信号宽度,t,G,，另一方面,还要使,t,G,相对参考脉冲或输入信号,V,i,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。,9/17/2024,23,第六章 微弱信号检测电路,采样脉冲步进移动示意图,1,2,3,t,G,t,2t,V,i,输入,信号,V,C,门控,信号,t,t,A,A,A”,在第一个输入波形第一次触发后，产生,1,号采样脉冲；在第二个输入波形第二次触发后，产生,2,号采样脉冲；两采样脉冲间隔,T+,t,，以后每一个采样脉冲推后,t,，形成了,t,G,周期地扫描输入波形,V,i,效果。,V,i,t,t,G,A,B,C,设计电路时，,t,比,t,G,小很多，设,N,S,=,t,G,/,t,，,t,G,是采样门每次开通的时间，在此期间积分,器对输入信号,V,i,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,次,t,），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,A,点移动到,B,点，,V,i,上,B,点将被重复观察到,N,S,=,t,G,/,t,次，即积分器对输入波形,B,点的瞬时,值将进行,N,S,次的积分平均，意味着随机噪声成,分大为减少，而,SNIR= = ,t,G,/,t,N,S,9/17/2024,24,第六章 微弱信号检测电路,BOXCAR,积分器测试一个完整波形的时间,1,2,3,t,G,t,2t,V,i,输入,信号,V,C,门控,信号,t,t,A,A,A”,实际上,，,t,一个接一个发生，被检测的波形,V,i,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,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,积分器测量完一个完整的波形周期,T,所需时间,T,t,:,设一个周期波形被分割成,M,个点,每一个点所属的区域宽度,对应一个窗口宽度,t,G,每一个点的积分平均次数为,N,S,而每输,入一个被测波形只产生一次步进,t,G,窗口移动,t,则,T,t,=MN,S,T,如,:,被测信号,1KHz,分成,100,个点,每点积分平均,100,次,那么,:,T,t,=100*,100,*1/1000=10(S) ,说明用,10S,时间才能测完一个,1KHz,的周期波形,其,SNIR=10,是以时间为代价,换取积分平均的效果,.,9/17/2024,25,第六章 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高频波形变成低频波形,上述例子将,1KHz,的信号变成了,0.1Hz,的信号,所以,即便是检测频率较高的信号,其输出仍可用笔录仪一类的低速记录仪记录其波形。,另外，有一种测量高频波形的示波器，就应用了这种技术，将高频信号变成低频信号后，用普通示波器观测信号波形。,9/17/2024,26,第六章 微弱信号检测电路,BOXCAR,积分器的电路组成结构,A,1,A,2,模拟开关驱动电路,门宽,t,G,产生电路,(,单稳触发器,),A3,延时电路,时基信号,发生器,过零触发器,前置放大器,R,1,模拟开关,S,1,R,2,R,3,X-Y,记录仪,慢扫描信号,发生器,(,斜坡,电压发生器,),扫描,S,2,慢扫描,输出,+V,W,定点,V,i,输入,R,T,门宽,控制,t,G,+,-,+,-,V,S,T,S,积分器,电压,比较器,参考,信号,V,t,t,0,负跳触发,9/17/2024,27,第六章 微弱信号检测电路,t,G,脉冲周期性线性移动工作原理,(T,S,=8T,O,),.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,t,t,t,t,t,t,t,输入,信号,V,i,过零同步,触发脉冲,时基,信号,慢扫描,信号,V,S,电压比,较器输出,采样,脉冲,t,G,复现,波形,T,O,T,S,t,G,9/17/2024,28,第六章 微弱信号检测电路,长周期电压发生器,时钟,电路,N,位二进,制计数器,10,位,D/A,转换器,（,DAC1020,）,A,1,R,fb,（,1020,内部）,+,-,10PF,I,O1,慢扫描触发,复零,-V,R,f,CK,9/17/2024,29,第六章 微弱信号检测电路,有什么问题吗？,本章结束,9/17/2024,30,第六章 微弱信号检测电路,