锁定放大器PPT课件

.,1,微弱信号检测技术第2讲正弦波微弱信号的检测,.,2,6.1低噪声电子设计的适用范围,1低噪声电子设计的适用范围低噪声电子设计的方法：使用的前提：是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。如果在信号处理系统的输入端，信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。这时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应的方法将信号与噪声分离。这就是微弱信号检测的方法。,.,3,2微弱信号检测的途径,一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比二是研制适合弱信号检测的原理，并能满足特殊需要的器件三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号这三者缺一不可。,.,4,回顾：噪声的性质,平坦的频谱在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。随着频带宽度不同测量电压会改变在用毫伏计测量白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有的BW平方根以及电平成比例。测量得到的电压值，与右图中的浅蓝色部分的面积成比例。,.,5,即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器（BPF）来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。把测量所得的噪声电压（Vrms），除以BW的平方根，就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度（V/Hz）来衡量的值。BW如果缩小到1/100，那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。,.,6,白噪声：当其通过一个电压传输系数为Kv，带宽为B=f2-f1的系统后，则输出噪声为：由上式可以看出：噪声输出总功率与系统的带宽成正比，通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。,.,7,1/f噪声的情况：其输出噪声即由1/f噪声产生的输出噪声功率为：由上式可见，通过减小通频带B来减小输出端的1/f噪声功率。,.,8,再看一看正弦波的性质,频谱非常集中与频带宽度无关，测量所得电压保持一定的值。因为频谱是集中分布的，所以不受频带宽度的影响，测量所得的电压保持一定的值。但是，必须要使信号频率存在于所取的频带之内。,.,9,用交流电压表所测量的电压值，与频带宽度无关,.,10,在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢？,当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果：想要测量的信号的电平不变；白噪声的强度减小；频率不同的其它成分也被削弱。,.,11,功率谱密度曲线：有限正弦信号白噪声由图看出：使用了窄带通滤波器后，如果B选得很窄，则输出信噪比还能更大一些，带通滤波器在白噪声条件下的信噪比改善：,.,12,输出端信号功率Pso：输出端噪声功率Pno:即：也就是：fn为窄带通滤波器的等效噪声带宽，fni为输入噪声的带宽，即使是白噪声，它也有一个带宽，实际上并不是到无穷大。,.,13,结论：为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。如果将频带宽度缩小到1/N，那么噪声功率就减小到1/N，而信号却不改变，其SNIR为1/N。,.,14,带通滤波器的限制,使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过，可以抑制噪声，让目的信号浮现出来。但是，使带通滤波器的通带宽度变窄，这也是有限度的。在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作Q值，作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。Q值越大，通带宽度就越窄，抑制噪声的能力就越强。但是，一般的滤波器所能够实现的Q值，大约在100左右。（1kHz的中心频率，相应的通带宽度的限界大约在10Hz左右）Q值不能任意增大的原因，在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。,.,15,窄带滤波法,一、基本原理设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密度比较窄。工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以输出信噪比能得到很大改善。特点：滤波器带宽B越窄，信噪比提高越好缺点：带宽BW与f0、Q有关，BW很窄的滤波器无法实现。无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性要求不高的场合,.,16,窄带通滤波器的实现方式很多：常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等，其中双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右（f0为带通滤波器的中心频率）晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方法是用锁定放大器和取样积分器,.,17,同步相干检测(重点),一、相关函数的重要性质相关函数的定义与计算相关函数基本性质周期信号相关函数的特点随机噪声信号的相关函数二、自相关检测三、互相关检测,.,18,一、相关函数的定义与计算,能量有限信号的自相关函数,功率有限信号的自相关函数,.,19,2、相关函数的基本性质,=0时，R()取最大值。对实函数，R()为偶函数,对复函数,.,20,2、周期信号相关函数特征,正弦信号自相关函数,.,21,3、噪声的相关函数,随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，其相关函数随的增加而减小，如红色曲线所示。对于白噪声，其相关性很小。相关函数函数随的增加而迅速减小如蓝色曲线所示。,.,22,二、自相关检测,基本原理利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的目的基本原理是从强噪声中提取弱信号的重要手段。,实现方法混有噪声的信号送入相关接收机两个通道（不延时和延时）相乘器积分器,.,23,自相关检测理论推导,信号的自相关函数,在一般情况下，噪声和信号不相关，有,所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数,此外，若时延足够大，则,.,24,例：已知正弦弦信号，混合有随机噪声n(t),求自相关检测输出信号。,解：根据自相关检测的特点，有,由以前推导可知：,.,25,三、互相关检测,1、基本原理：若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发出一个与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能力。,.,26,2、互相关检测实现方法,输入信号与本地信号送入相关接收机的两个通道（输入信号不延时、本地信号延时）相乘器积分器,.,27,3、互相关检测理论推导,若噪声与信号不相关，则所以,互相关接收机只有信号与本地信号的相关输出，去掉了噪声项，因此提高了输出的信噪比,.,28,锁定放大器法,锁定放大器法的原理框图如下:,V1(t)为输入信号，V2(t)为参考信号，这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，再经过积分器，得到输出信号V0(t)。,.,29,1考虑最简单的情况:信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号,则两信号相乘后，输出：,参考信号为：,且,.,30,两信号相乘后，通过积分器进行积分，假定积分器的积分时间常数为T，而且积分时间也取T，则：由上式可见，锁定接收法最后得到的是直流输出信号，而且这个直流信号的大小和两信号的相位有关。,.,31,2只有噪声输入时，即：其中幅度A(t)，相角均为随机变量，Vn1(t)代表了噪声中的频率为的分量，则此时锁定放大器的输出为：当积分时间T时，上式中两项积分均趋于零。故Vn0(t)=0。,.,32,当噪声的频率不为时，亦有同样结果。这表明当积分时间很大时，锁定放大器对噪声的抑制能力很强。在实际中，由于T不可能做得很大，或者积分器用低通滤波器来代替，这时锁定放大器的输出的噪声不为零，而在零附近起伏变化。,.,33,锁定放大器的特点,把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。交流输入，直流输出：输出电压正比于输入信号幅度和被测信号与参考信号相位差的余弦。极高的放大倍数：若有前置放大器，总增益可达1011。能检测极微弱的信号。灵敏度：满刻度灵敏度v、nv、pv信噪改善比：可达104噪声大于信号数千倍仍能正常检测，具有极强的抗干扰能力。,.,34,锁定放大器的构造,基本构成：信号通道、参考通道、相关器,.,35,锁定放大器各部分功能说明,信号通道：将弱信号放大到足以推动相关器工作前置放大器：要求低噪声、高增益，放大倍数一般为1001000倍。有源滤波与衰减：提高信号进入相关器前的信噪比；抑制和虑除部分干扰及噪声，扩大仪器动态范围。,.,36,锁定放大器各部分功能说明,参考信号通道：将输入的正弦波、方波、三角波、脉冲波等周期信号转化成与之同频的对称方波。过零触发电路：将各种波形的输入信号变换成同步脉冲。倍频电路：将触发器输出的脉冲信号倍频。移相电路：改变参考通道输出方波的相位，要求在0360度范围内可调,.,37,锁定放大器各部分功能说明,相关器：完成被测信号与参考信号的互相关运算。乘法器：一般由相敏检波器组成积分器：由运放构成,.,38,1）用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率0处，再进行放大，以避开1/f噪声的不利影响；2）利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率0和相角进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低；3）用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频带可以做得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。,锁定放大器工作原理,.,39,锁定放大器工作原理,.,40,模拟乘法器型相敏检测器,1.x(t)和r(t)均为正弦波,相敏检波原理,.,41,经过LPF,当=0时，输出uo(t)最大，从而实现了鉴幅又鉴相,1)幅频特性,如果在=0的情况下。,采用一阶RC低通滤波器的频率响应为,幅频响应为,相角为,.,42,LPF的输出为：,在稳态情况下，,.,43,2）相敏特性,.,44,2.信号输入x(t)为正弦波，参考输入r(t)为方波,将方波展开为傅立叶级数：,因为方波为均值等于0的偶函数，所以a0=0，bm=0。,.,45,与正弦参考波结果类似，而且幅度更大,.,46,3.X(t)为正弦波含单频噪声，r(t)为正弦波,.,47,4.X(t)为正弦波含窄带噪声，r(t)为正弦波,.,48,经过低通滤波器,.,49,正弦波含窄带噪声情况下的信噪改善比,相敏检测器前的选频放大器的带宽为Bi，即窄带噪声的带宽。设窄带噪声的功率谱密度N0/2,则窄带噪声的功率为：,输入信号为：,其功率为：,.,50,乘法器输出中的信号成分为,乘法器输出的窄带噪声为,Be为相敏检测器的等效噪声带宽,.,51,（1）相敏检测器的等效噪声带宽Be取决于低通滤波器的带宽，可以很窄；而其之前的带通滤波器的带宽受到谐振回路Q值的限制，所以Bi不可能太窄，所以PSD的SNIR较大。（2）在实际应用中，因为当输入噪声幅度太大，模拟乘法器可能进入非线性区，称为PSD过载，使得SNIR有限。,当LPF为一阶RC低通滤波器时，Be=1/(2RC),所以：,.,52,5.x(t)为正弦波含噪声，r(t)为方波,第二项所表示的和频项被滤除，讨论第三项（1）如果n(t)为单频信号，其频率为n，那么只有,.,53,(2)如果n(t)为宽带噪声或x(t)的高次谐波，其频率为n的分量与方波相乘结果为：,经过LPF后,.,54,噪声输出不仅出现在n=0处，而且出现在n=（2n-1）0附近。,总的等效噪声带宽,采用带通滤波器滤除