取样积分与锁相放大

1、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

2、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。2 2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它表示随机信号它表示随机信号(t)与延时了时间间隔与延时了时间间隔之后的之后的同一信号的相关性。当随机函数不包含有周期性同一信号的相关性。当随机函数不包含有周期性分量时，分量时， Rxx（）在）在= 0时最大，随时最大，随的增加的增加而单调下降，而单调下降， 时，时， Rxx（）趋近于）趋近于

3、(t)的平均值的平方，若的平均值的平方，若(t)的平均值为的平均值为0，则，则Rxx（）随随 的增大而趋近于的增大而趋近于0。由于噪声的平均值为。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利用此性质，得出噪声的自相关函数接近于0的结果的结果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

4、噪声如噪声) 则互相关函数处处为则互相关函数处处为0。3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()RnsR() 表示参考信号表示参考信号SR(t)与噪声与噪声n(t)之间的之间的相关函数相关函数,二者无依附性

5、二者无依附性,互不相关互不相关,积分时间较积分时间较长时为长时为0。在输入有用信号。在输入有用信号Si(t)和参考信号和参考信号SR(t)的周期一致时的周期一致时,它们有互相关输出它们有互相关输出四四 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

6、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+ )dt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VP-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VPVRtVstVpt

7、VO同相同相VO0VRtVstVptVO反相反相VO0VRtVstVpt相位差相位差=900 ，VO=0当相位差为任意当相位差为任意，VO=VSCOS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经过低通经过低通滤波器后，滤波器后，不产生输出，不产生输出，说明能够抑说明能够抑制低频干扰制低频干扰信号信号七七 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参考平均值f4f参考平均值=0八八 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

8、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5 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9 9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

9、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2 2 原理图例原理图例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第二节第二节 时域微弱信号检测时域微弱信号检测利用相关检测技术解决频域

10、信号的高灵敏度和窄带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，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。有饱和或截止失真。这就是时域分析重要意义。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2 用一个采样时间极短的

11、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，亦即它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；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，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，但如果将保持电容但如果将保持电容CH取得足够大，起积分平均做用，则噪声的影响取得足够大，起积分平均做用，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，就会减弱，且采集的次数越多，噪声的平均值越小，N

12、足够大，噪声足够大，噪声为为0，但稳定的有用信号不会受到积分平均的影响。，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，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。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对周期性波形固定位置采样一 采样积分检测原理（续）另外，应在一个周期内采集多个点，比如沿波形采集另外，应在一个周期内采集多个点，比如沿波形采集M点点,点点数越多，其复现的越好，但增加了系统复杂性。测量波形上数越多，其复现的越好，但增加了系统复杂

13、性。测量波形上的一个点要一个积分器。的一个点要一个积分器。对于对于N次积累后，采样积分器的信噪比改善系数为：次积累后，采样积分器的信噪比改善系数为： SNIR=（S/N)o/（S/N)i=N（S/N)o：输出信号：输出信号信噪比信噪比 （S/N)i：输入信号：输入信号信噪比信噪比也就是说，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

14、器的输出和法则，故积分器的输出信噪比信噪比（S/N)O=Ns/ n= s/n= (S/N)NNNN2 2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一个波形分成将一个波形分成M个点个点,用用M个积分器对信号进行积分平均，在输入触发脉冲个积分器对信号进行积分平均，在输入触发脉冲作用下，逻辑电路发出作用下，逻辑电路发出t1，t2，t3，tM顺序控制脉冲，通过模拟开关顺序控制脉冲，通过模拟开关S1，S2，S3, .SM,顺序将顺序将C1，C2，C3， CM接通，则接通，则C1，C2，C3， CM上存储了一个波形上上存储了一个波形上M个点一次检测的瞬时电压值。继续进行对个点一次检测的瞬时

15、电压值。继续进行对N个波形的类个波形的类似的检测与积分平均，似的检测与积分平均，C1CM上的各电压值就十分接近有用信号波形的各点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。点。这种抑制噪声的方案适用于处理频率较低的信号。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

16、号同频)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触发器、由触发器、M倍频器、二进制计倍频器、二进制计数器以及数器以及M路译码器等数字电路路译码器等数字电路组成采样时序控制电路，产生组成采样时序控制电路，产生1，2，3，,M各点的顺序门控脉各点的顺序门控脉冲冲,它们使它们使S1,S2,S3SM在一个输在一个输入信号周期内均匀地扫描一遍入信号周期内均匀地扫描一遍,将将M点波形瞬时值分别存储在点波形瞬时值分别存储在C1，C2，C3， CM中中,进行累积平进行累积平均均.只要扫描触发信号与有用信号只要扫描触发信号与有用信号同步好同步好,显示的波形就稳定和清晰显示的波形

17、就稳定和清晰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+_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fO4分频分

18、频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BACINHVSS+_

19、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CD45203 3BOXCARBOXCAR积分器（单点采样积分积分器（单点采样积分器）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

20、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VC3 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，

21、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周期地周期地扫描输入波形扫描输入波形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

22、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 NSBOXCARBOXCAR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”

23、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积分器测量完一个完整的波形周期积分器测量完一个完整的波形周期T所需时间所需时间Tt:设一个周期波形被分割成设一个周期波形被分割成M个点个点,每一个点所属的区域宽度每一个点所属的区域宽度对应一个窗口宽度对应一个窗口宽度tG,每一个点的积分平均次数为每一个点的积分平均次数为NS,而每输而每输入一个被测波形只产生一次步进入一个被测波形只产生一次步进,tG窗口移动窗口移动t,则则Tt=MNST如如:被测信号被测信号1KHz,分成分成100个点个点,每点积分平均每点积分平均100次次,那么那么:Tt=100*100*1/1000=10(S) ,说明用说明用10S时间才能测完一个时间才能测完一个1KHz的周期波形的周期波形,其其SNIR=10,是以时间为代价是以时间为代价,换取积分平均的效果换取积分平均的效果.BOXCARBOXCAR积分器的另一种用途积分器的另一种用途上