系列讲座1-信号特征.ppt

2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,高精度数据采集系列讲座1信号与噪声,陈凯,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,内容,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,1信号概念,一种可以觉察的物理量或脉冲(如电压、电流、磁场强度等),通过它们能传达消息或信息。对信号的分类方法很多，信号按数学关系、取值特征、能量功率、处理分析、所具有的时间函数特性、取值是否为实数等，可以分为确定性信号和非确定性信号（又称随机信号）、连续信号和离散信号、能量信号和功率信号、时域信号和频域信号、时限信号和频限信号、实信号和复信号等。,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,磁场强度特征,非确定性信号（又称随机信号）连续信号功率信号时域信号频限信号实信号,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,2噪声,对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，它是对目的信号以外的所有信号的一个总称。,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,2噪声,频域看白噪声（宽频、限带、窄带）1/f噪声单频点多频点谐波,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,噪声与信号关系,单频点噪声与宽频带信号单频点噪声与单频点信号宽频带噪声与单频点信号宽频带噪声与宽频带信号微弱信号不仅是幅值，主要是噪声幅值大，被淹没；,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,噪声来源,外界空间（天线接收、50Hz）传感器测量电路自身（电阻热噪声、PN结散弹噪声、1/f、爆裂）电源,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,环境干扰噪声,电力线电气设备射频噪声地电位差雷电天体噪声机械起源的噪声,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,电子系统内部固有噪声源,电阻噪声（Johnson1928）PN结散粒噪声（Schottky1918）1/f噪声（Johnson1928）(金银、金属膜电阻、炭电阻)爆裂噪声（半导体杂质）（少数样品）,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,抑制噪声措施,屏蔽良好的接地隔离噪声的电路处理,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,3测量极限电阻噪声,对测量的基本限制是源电阻中的约翰逊噪声。在任何电阻中，热能都会产生带电粒子的运动。这种电荷的运动产生了噪声，通常称为约翰逊噪声或热噪声。带电粒子运动的功率为：P=4kTB其中：k=波尔兹曼常数（1.3810-23J/K）T=绝对温度，单位为KB=噪声带宽，单位为Hz金属导体接近此理论的噪声极限，而其它材料产生的噪声则更高一些。电阻器（R）上产生的约翰逊噪声电压（E）为：而电阻器（R）上产生的约翰逊噪声电流（I）为：统计分析表明，在99%以上的时间内噪声的峰-峰值都在5倍的噪声的有效值范围内。所以通常将有效值噪声电平乘以5变成峰-峰值噪声。在室温下（300K），上述公式变为：所有真实的电压源和电流源都具有内阻，所以它们都表现出约翰逊噪声。对于电流测量来说，在不同带宽下，不同电阻产生的电流噪声。注意，当电阻增加时，电流噪声减小，而电压噪声增大。约翰逊噪声给出了可以达到的电压或电流测量分辨率的理论极限值。上述公式给出了降低约翰逊噪声的几种方法，即可以减小带宽、降低源的温度或者降低源电阻。,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,温度,将信号源的温度从室温降低到-270（3K），可以将噪声电压降低10倍。同样，将信号源的温度从室温降低到液氮的温度（77K），可以将噪声电压降低一半。在某些应用中，不方便的、昂贵的低温工作需求是正当的、可行的。但是，大多数的实验则是设计工作在一定的温度范围之内，这也决定了可以预期的源噪声水平。,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,等效源电阻,讨论了带宽和温度以后，决定系统噪声的另一个因素就是等效源电阻。等效源电阻包括被测设备和测量仪器两个方面。为了降低噪声，改变源电阻通常是不实际的。然而，如果可以改变源电阻的话，公式表明，要降低电压噪声应当减小R，而要降低电流噪声应当加大R。在电压测量中，电压源的电阻是与电压表的输入电阻并联的输入电阻通常要比源电阻大很多。所以源电阻的数值通常决定了约翰逊噪声电压的大小。,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,过量电流噪声,电阻器的约翰逊噪声只与电阻值、温度和带宽有关。当电流流过电阻器时，其噪声比计算出的约翰逊噪声还要高。这种增加的噪声常常称为“过量电流噪声（ExcessCurrentNoise）”。线绕电阻器接近理想情况，其增加的噪声可以忽略。而金属膜电阻器的噪声就要大一些，碳合成电阻器的噪声则会更大。在所有这些情况下，此过量电流噪声都直接正比于流过电阻器的电流。,2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,4磁场强度信号噪声特征分析,1频带（10000s-10000Hz）2动态范围(75000nT-1nT,88dB),2019/11/23,中国地质大学（北京）地球物理与信息技术学院陈凯ck82322329科研楼1201房间,噪声分析,1传感器2空间环境（50