第六章微弱信号检测电路.ppt

1、第六章 微弱信号检测电路,主要内容介绍,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。,自相关和互相关函数,1 自相关函数的定义,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， Rxx（）在= 0时最大，随的增加 而单调下降， 时， Rxx（）趋近于 (t) 的平均值的平方，若(t)的平均值为0，则Rxx（） 随 的增大而趋近于0

2、。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,2 互相关函数的定义,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。,互相关接收法,= RsisR() +RnsR() RsisR(),RnsR() 表示参考信号SR(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Si(t)和参考信号SR(t) 的周期一致时,它们有互相关输出,四 自相关接收系统,激励正弦 波发生器,传感器,延迟,Si（t）,n（t）,乘法

3、器,1(t)=Si（t）+n（t）,1(t),2(t)=SR（t - ）,SR（t）,R12( ),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 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,五 相敏检波器（Phase Sansitive Delecter）,当相位差为任意，VO=VSCOS,六 相敏检波器抑制低频干扰,VP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,七 相敏检波器对高频干扰的抑制,八 结论,相关接收能有效抑

4、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,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,1 结构图,2 原理图例子,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

5、。这就是时域分析重要意义。,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CH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，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,

6、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。,（S/N)o：输出信号信噪比 （S/N)i：输入信号信噪比,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t1，t2，t3，tM顺序控制脉冲，通过模拟开关S1， S2，S3, .SM,顺序将C1，C2，C3， CM接通，则C1，C2，C3， CM 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，C1CM上的各电压值就十分接近

7、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。,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S1,S2,S3SM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C1，C2，C3， CM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,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,8点信号平均器

8、实验电路图,BOXCAR积分器（单点采样积分器）,采样脉冲步进移动示意图,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tG周期地扫描输入波形Vi效果。,BOXCAR积分器测试一个完整波形的时间,实际上， t 一个接一个发生，被检测的波形Vi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Tt: 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tG,每一个点的积分平均次数为NS,而每输 入一个被测波形只产生一次步进,tG窗口移动t,则Tt=MNST 如:被测信号1KHz,分成100个点,每点积分平均100次,那么: Tt=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.,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