微弱信号PPT.ppt

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1、微弱信号检测,第一章 噪声,1 噪声统计特征,1.1 概率密度： (probability density function ) PDF 噪声的均值、方差、均方值及物理意义,1.2 分布函数,a 二项式（伯努利）分布q=1-p,=E（x）=np，2=npq,b 泊松分布：=2=np,c 高斯（正态）分布,最常见白噪声,零均值噪声,各态遍历 平稳随机过程,大，离散,=0，2为方均值，有效值。 要求放大器的动态范围电压大于3.3rms。,1.3 随机噪声及其统计特征,1. 随机噪声的自相关函数 一、自相关函数 Rx(t1，t2),自相关函数特征：,2. 互相关函数 两个不同的随机噪声x(t)、y(

2、t)在不同时刻t1、t2取值 的相关程度 (t1 = t, t2 =t - ) Rxy( )= Ex( t - ) y( t ),xi(t)与ni(t)相互独立，则互不相关，因而为零。,互相关函数的特征：,1.4 随机噪声的功率谱密度函数,根据维纳辛钦(Wiener-Khinchin)定理,Fourier变换的定义,白噪声 全频带(-，)上能量均等，Sx()为常量。功率与带宽B成正比，B/N，信噪比改善。,限带白噪声,B越宽，相关性越差，R衰减越快。,可知 其形状取决于通带内 的形状，0类似载波。,设 在其通带B内为恒定值,窄带噪声,噪声源,内部固有噪声,外部干扰噪声,电场干扰噪声 磁场干扰噪

3、声 电磁辐射噪声 地电位差噪声 公共阻抗耦合噪声,热噪声 散粒噪声 1/f噪声 爆烈噪声,2 噪声,2.1 热噪声,等效电路,电阻中电子的随机热运动。1928年Johnson发现（贝尔实验室）， Nyquist用热力学描述。 K=1.3810-23 J/K,h=6.62 10-34 Js,2.2 散粒噪声,真空器件的阳极电流因阴极发射电子的无规则性；或P-N结载流子的随机发射与随机扩散（起伏）；空穴电子对的随机产生与组合。（效果是电流的波动） 1918年Schottky发现 I是平均电流，e是电荷量。 总电流： i = I + inR,2.3 1/f 噪声,I是电流，r=12，K实验常数。,两

4、种导体接触点电导的随机涨落（接触不良），因此又称接触噪声或闪烁噪声。 与材料表面状态和pn节漏电流有关。 1925年Johnson发现,2.4 爆裂噪声,1 半导体材料中的杂质（通常是金属杂质) 随机发射或俘获载流子。20世纪70年代发现。 2 爆裂噪声脉冲的宽度：1 ms0.1 s 量级。 3 脉冲的幅度：约为1nA10nA量级。（电流噪声） 4 出现的几率：每秒几百个到几分钟一个。,S是f的函数，非白噪声,小结,2.5 集成运放的噪声,f0为优值标准， f0处为1/f角。 f0越小，运放低频特性越好。 白噪声越小，高频特性好。,在给出的典型噪声值中：1Hz（1/f噪声），100Hz（参考）

5、1kHz（白噪声）,（举例）,3 噪声因子,实际 等效(罗斯模型),NF0,NF越大，噪声越大。NF越小越好？,限制压缩带宽很重要，可有效减小噪声。,3.1 NF的测量方法,（1）噪声发生器法,困难？,（2）正弦波发生器法,困难？,（3）LIA法,3.2 噪声因数等值图（NF图）,最佳工作点：,最佳源电阻 最佳工作频率约为,在最佳工作点附近： Rs=100k，f0=10kHz，NF=0.5dB，则： 最小可检测信号MDS en 若Rs=1M，f0=10kHz，NF=0.5dB,则en 137nV/ Hz 若Rs=3M，f0=10kHz，NF=1dB，则en 223nV/ Hz 若Rs=70k，

6、f0=10kHz，NF=1dB，则en 34nV/ Hz 若Rs=0.5k，f0=10kHz，NF=20dB，则en 410nV/ Hz 源电阻Rs的白噪声可使MDS增大。NF仍是决定性因素。,(总噪声),阻抗变换,3.4 低噪声前置放大器的结构,宽带低噪声前置放大器设计要点： 1 确定源电阻Rs。 2 测定选择元器件噪声，确定最佳工作点。 3 根据NF设定多级放大，确定级数及各级级设。（阻抗变换、滤波等的位置） 4 考虑屏蔽隔离，高输入阻抗分立元件引脚绝缘问题。 例子：ICL7650，LM725，op07,上世纪80年代，太老了！,微弱信号检测,第二章 硬件抗干扰技术,1. 无源滤波器,1.

7、1 电容滤波器,1.2 电感滤波器,常模扼流圈,共模扼流圈,1.3 RC低通滤波器,型，T型RC低通滤波器,阻抗电路等效转换！Y变换！,1.4 LC低通滤波器,1.5 低通滤波器的结构选择,1.6 低通滤波器的平衡结构与串联形式,抑制共模干扰,U1,U2,U3,T=RC,两级间加跟随器可达同样效果。,1.7 双T滤波器-带阻滤波器,=0=1/RC时，谐振频率不通过，Z12+Z112=0（并联断路）；Uo/Ui=0； 当0时，Uo/Ui=Rl/(2R+Rl)； 当时，Uo/Ui=1； 例子： R=144k，C=22000pF，f=50Hz。,有源双T带阻滤波器,不受负载Rl影响,无源滤波器的不足

8、之处：,2. 有源滤波器,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,2.1 一阶低通有源滤波器,2.2 多阶滤波器,巴特沃斯滤波器：Q=1/(3-Aup)=0.707,q,p,四阶巴特沃兹低通滤波器,2.3 不同类型的滤波器幅频特性,2.4 可编程滤波器,MAX260/261/262芯片是美国Maxim公司开发的一种通用有源滤波器，可用微处理器控制，方便的构成各种低通、高通、带通、带阻以及全通滤波器，不需外接元件。,MAX262引脚排列图,MAX262采用CMOS工艺制造 （双二阶）,Max280,MF4-50(4阶低通),3. 去耦电路,数字电路电平转换过程中产生冲击

9、电流，在传输线和公用电源内阻上产生较大压降，形成严重干扰。为了抑制这一干扰，在电路中适当配置去耦电容，及去耦电路。,3.1 尖峰电流产生的原因,输出级晶体管或MOS管瞬时同时导通。 负载电容充电的影响。（电源线压降）,统计表明：由负载电容充电引起的尖峰电流占主导位置。,3.2 去耦电容的配置,合理布线，降低杂散电容。 降低供电电源的内阻，减少尖峰电流在内阻上的电压波动。 在门电路的电源线与底线端加去耦电容。,去耦电容估算：假定尖峰电流的变化为 ，持续时间 ，要求电源端电压的跳动 ，则去耦电容的 大小为？,（二）屏蔽与接地1 耦合噪声,噪声的引入: a电容性耦合：电场引起，噪声源内阻高； b电感

10、性耦合：磁场引起，噪声源内阻低。 场耦合 1.静电耦合又称电容耦合，噪声源与被干扰电路之间存在着电容通路。 2.磁场耦合，又称电磁耦合、互感耦合，它是由于两电路之间存在互感而产生的，一个电路中电流的改变引起磁交链而耦合到另一电路。 3.电磁辐射耦合（远场高频）兼有电场和磁场特点。,2 屏蔽技术和双绞线传输,2.1 屏蔽技术 a.电屏蔽,b. 电磁屏蔽,c.磁屏蔽,屏蔽效果,2屏蔽层上的开孔和接缝,1多层屏蔽,匹配变压器的屏蔽接地,2.2 屏蔽线抗干扰原理及应用 （电场）,1. 平行导线无屏蔽,C与R应尽量小。要求线，放大器？,2 平行导线有屏蔽,C与R应尽量小。,但是！对磁场耦合噪声,1. S

11、不接地,2. S两端接地,噪声衰减0dB,(屏蔽对A及介质性质无影响),高频时， ， 减少，屏蔽效果好。因为iG=i1-is，uG=iGRG。,低频效果不好，且 影响大。,一端接地，传感器浮空。,还有？,2.3 双绞线抗干扰原理及应用,差动传输,1. 双绞线有抵消电磁感应干扰的作用，但两股导线间的分布电 容却比较大，因而对静电干扰几乎没有抵抗力。 2. 屏蔽层接地的屏蔽线能有效抵抗静电干扰，但对外界交变磁 场产生的感应干扰的抑制能力较差。,工程中：将双绞线穿在钢管或金属蛇皮管中，并将管子接地。,3. 电路接地，地回路及浮地技术,3.1 电路接地方式,1. 串行单点接地,特点：（1）接线简单，经

12、常使用； （2）低噪电路不宜，相互线路有影响。,2. 并行单点接地,特点：（1）各路地电流不耦合叠加，各支独立； （2）高频时，各级经分布C及L耦合，适于几M Hz以下。,3. 多点接板地(就近接地),4混和接地方式,特点：兼顾高频低频，但复杂。,特点：（1）适于高频，板地镀银降低高频阻抗； （2）低频特性劣于单点接地，尤其大电流（地）。,3.2 地回路及浮地,1. 两点接地（R2为屏蔽线）,2单点接地,减小un的方法,源和前置放大器在同一地点接地，uG0； 使用短线或金属板屏蔽连接，使得R20； 信号源浮地，RSG； 放大器用电池供电，或在放大器出加电阻（101k）浮地； 用隔离放大器放大。

13、,3差动放大,uG共模干扰,减小un的方法,源和前置放大器在同一地点接地，uG0； 使用短线或金属板屏蔽连接，使得R20； 信号源浮地，RSG； 放大器用电池供电，或在放大器出加电阻（101k）浮地； 用隔离放大器放大。,应用例举,屏蔽体不接地，0dB 屏蔽体两端接地，-27dB 源浮地，屏蔽体一端接地，-80dB 源浮地，双绞线一端接地，-55dB 源浮地，双绞线屏蔽一端接地，-70dB,4.1 光电隔离,局限：线性较差，更适于数字信号加反馈用于模拟信号,4 隔离技术,特点：输入阻抗低，而干扰源内阻大（in），分压到光电耦合器的干扰电压很小。噪声只能形成很小的电流，因为光电二极管正向死区较大

14、，所以噪声不能令二极管发光，干扰不易反馈到系统中，封闭的壳内，不受外界影响。,4.2 继电器隔离,特点：继电器线圈和触点仅有机械上的联系，而没有直接的电的联系，因此可利用继电器线圈接收电信号，而利用其触点控制和传输电信号，从而可实现强电和弱电的隔离。同时，继电器触点较多，且其触点能承受较大的负载电流，因此应用非常广泛。,开关噪声？IGBT代替？,局限：对高频地差模噪声不能起到很好隔离效果。不适于低频及超低频信号。,4.3 变压器隔离,特点：对于交流信号的传输, 隔离变压器是常用的隔离部件。（a）阻断交流信号中的直流干扰和抑制低频干扰信号的强度。（b）两端不同接地点，传输信号通过变压器获得通路，

15、而共模干扰由于不形成回路而被抑制。,4.4 布线隔离,将弱信号线与噪声干扰电路分开； 信号线与强电控制及电源线隔开； 电源线，数字信号和模拟信号线分开等。,5.4 保护接地,是将电气设备在正常工作条件下不带电的金属外壳与大地之间用良好的金属连接。 要求地电阻远小于人电阻，使得地电流远大于人电流，安全。 人的安全电流33 mA（AC）50 mA（DC）,人体流过0.21mA，麻木感； 520mA，肌肉收缩； 几十mA，心肌停止工作。,rren=1500，rd=3 ， Id=16A，安全电压约50V。,5.5 保护接零,指在低压三相四线制中（电压为380/220V ），变压器二次侧中性点接地。（零

16、线） 它要求接地极电阻过小；工作电流很大。实际上r0、rd差不多（410）。,Usafe=50V,保护接地即适用于一般不接地的高低压电 网；保护接零只适用于中性点直接接地的 低压电网 。,rd过小！很难！,5.6 接零保护,指设备外壳接到零线，当一相短路与外壳相连；该相，设备外壳、零线形成闭合回路。 电流很大；保护接零一般在内部装漏电保护器，一旦超流保险丝断。,当零线发生意外断线时，断线后面任一设备均会因绝缘损坏 而使外壳带电（几乎是相电压！），存在危险。,5.7 重复接地,零线回路上并联了接地的分支电路，降低回路的阻抗R并，使短路电流增加，使开关或熔断器迅速跳闸或熔断。 由于短路电流增加，使

17、变压器绕组和根线的压降也增加，零线上的压降减小，从而进一步降低了故障设备的对地电压。,重复接地一般布置在容量较大的 用电设备、线路的分支点、线路 终点等处。,设备少， 较危险？,三相五线制，引入地线，与工作零线分开。,微弱信号检测,第三章 频域信号的相干检测 锁相放大器 Lock-In Amplifier (LIA),1.2 LIA出发点,1频谱迁移,1962年美国(Xerox)PARC第一台想干检测的锁相放大器诞生，信噪比达到108 1.3 锁定放大器有三个特点： 用调制器将直流或渐变信号调制(载波)，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响； 利用相敏检测器(PSD)实现对调制信号的解调，同时

18、检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小； 利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。,2.相敏检波器（ phase sensitive detector PSD）,2.1 原理,（1）幅频特性,（2）相敏特性,（3）等效噪声带宽,阶数越多，BeNB0,RC LPF,PSD的结构和性能： 将固定频率的交流信号变成比例的直流信号 要求具有良好的线性度 参考相干,实际用r(t)正弦波还是方波？为什么？,若用积分器作低通LPF，则,Vr方波计算方便！,2.2 PSD在LIA中的位置,积分器的工作过程,2.3 电子开关型相敏检测

19、器,a. 变压器式电子开关PSD,b. 运放式电子开关PSD,使用注意： 变压器特性影响， 分布参数影响。,使用注意： 电子开关速度影响， 电子开关注入电荷影响。,c. 半波相检和全波相检,d. 相检特性与幅检特性,相敏检测器的波形,e. 开关式相敏检测器与全波整流的不同,调制载波,2.4 相敏检波器的具体电路,开关器件型 电流控制型 对称互补型 斩波型 数字型 书上具体例子！,3.锁相放大器,3.1 LIA基本框图,3.1.1 信号通道,信号通道位于相关器之前。由输入放大器、低噪声前置放大器、各种有源滤波器和放大器组成。 作用：放大弱信号到足以推动相关器工作的电平，并兼有抑制和滤除部分噪声和

20、干扰的功能，扩大仪器的动态范围。 信号通道对输入的幅度调制正弦信号进行交流放大、滤波等处理。由于被测信号微弱，要求前置放大器必须具备低噪声、高增益的特点。 其前置放大器最佳信号源电阻必须能够与不同传感器进行噪声匹配以得到最佳噪声特性。 带通滤波器通常是由低通滤波器和高通滤波器组合而成的，中心频率为载波频率，但带宽不能太窄，以防各种频率漂移因素引起信号的频谱偏离带通滤波器的通频带。 为抑制50Hz的工频干扰，在信号通道中还常常设有中心频率为50Hz的陷波器。,3.1.2 参考通道,由触发电路、倍频电路、相移电路、方波产生和驱动电路等组成。其作用是输出和输入信号同步的、占空比为1 ：1 的、具有一

21、定幅度的对称方波，以驱动相关器。 功能是为相敏检波器提供一个与输入信号同相方波或正弦波。 参考信号可是与载波频率相同的任意波形的周期信号，由整形电路将其变换成方波或正弦波。 为了防止正弦波幅度的漂移影响锁定放大器的输出，最好变换成方波。 移相器用于保证参考通道的输出与信号通道的输出相位相同，以提高信噪比。,3.1.3 移相电路,Ic与Id同量级,3.2 实际LIA,国产FS-1型,PARC124A型,3.3 正交矢量型LIA,频率合成器结构框图,3.4 外差式LIA,BPF,3.5 开关电容滤波LIA,旋转电容滤波器,1. 电路,2传递函数,(2) 有源,(1) 无源,3等效噪声带宽,大，幅度

22、小； RC大，衰减快，通带窄； 意义：赋予信号有一种频率 特征。 增益可调，扩大动态范围。 达130dB，比普通高40dB。,4基于旋转电容滤波器的同步外差锁定放大器,3.6 微机化数字式相敏检测器（DPSD）,系统组成,多次采样数字式 相敏检测波形,DPSD的特点： DPSD具有很大变化范围的时间常数，几乎可以不受限制的任意增加。 DPSD为测量极低频信号实现了可能性。 DPSD具有很高的线性度。 DPSD具有很好的灵活性，这是计算机固有的特点。 动态范围大于120dB，SNIR达70dB。可测量mHz信号。,SIGNALRECOVERY Model 7265 Dual Phase DSP

23、Lock-in Amplifier (PerkinElmer),工作频率频率：0.001 Hz250 kHz 电压满刻度灵敏度：2 nV1 V; 噪声：5 nV/Hz（FET）;2 nV/Hz （Bipolar） 电流满刻度灵敏度：2 fA10 nA（噪声）； 2 fA1 A 噪声： 1.3 fA/Hz（500Hz）;1.3 pA/Hz （1kHz）,4锁定放大器性能指标与动态协调,4.1 LIA的主要性能指标,1过载电平OVL：使LIA任一级出现过载的输入信号电 平，为允许噪声峰值。(Vpp=6.6Vrms) 2. 最小可测信号MDS(Minimum Discernible Signal)：

24、 输出能辨别的最小输入信号，是测量下限。（时漂、温漂等） 3满刻度输出时的输入电平FS：表征灵敏度,取决于增益。为允许信号峰值。 4输入总动态范围= OVL / MDS (dB) 5输出动态范围= FS / MDS (dB) 6动态储备= OVL / FS (dB),输入总动态范围（dB）=输出动态范围（dB）+动态储备 （dB）,4.2 动态范围与频率的关系,1. 未加滤波器,2. 加BPF,3. 加BRF,4. 加LPF,滤波增加动态储备,例：LIA满刻度输出为1V时，输入电平1uV，当输入为0.45mV时过载。输入端短路，漂移2.5mV。则： 例：参考信号频率10kHz， OVL= 10

25、0Fs，干扰白噪声带宽100kHz，有效值170FS，若在信号通道加BPF，其等效带宽Be？,4.3 动态协调,PSD最易过载,1. 两种工作状态: 高稳定态(适于低噪声情 况)，高储备态(适于高噪声情况),2LIA增益分配,4.4 谐波响应与脉冲载波调制PCM技术,脉冲载波调制PCM技术,小结,LIA应用中的需要考虑的几个问题 1输入是交流信号，否则需用调制或斩波的方式将其变换成交流信号。 2实际应用中，LPF带宽要与信号的变化速度相适 应，尽量提高输出的信噪比。 3适当地分配LIA的交流增益和直流增益，噪声不严重 应使LIA工作在高稳定态；如果噪声严重，必须使 LIA协调在高储备态。 4良

26、好的屏蔽与接地。 5参考信号输入必须是与被测信号相干的同频信号。(同源) 6前置级放大器必须进行低噪声设计。,振动样品磁强计(VSM),相敏检波器 锁相放大器,XY记录仪 电子计算机,5. 应用,斩波盘光调制光吸收测量,微弱信号检测,第四章 时域信号的累积平均 取样积分器,1. 技术背景,问题的提出：锁定放大器不能恢复脉冲波形，其中的低通会滤除其高频分量，导致脉冲波形的畸变。 原理上利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。 信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零

27、，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。,方法：对于多个周期内采集的同一时刻点的数据进行积分，经过多个周期后就可以通过积分滤除干扰。 核心：门积分器 门积分器不同于一般的积分器，它仅在取样时间内进行积分，其余时间积分结果处于保持状态。根据实现电路的不同，可分为线性门积分器和指数式门积分器两种。 上世纪50年代初，英国神经专家Dawson提出了Boxcar积分的概念；1955年Holcomb提出了取样原理；1962年加利福尼亚大学劳伦茨实验室的Klein用电子技术实现。,2. 门积分器,2.1 线性门积分器,线性门积分器电路及其阶跃响应,特点：受电路线性范围限制，适于小信号。,阶跃响应

28、近似为：,2.2 指数门积分器,1. 如果开关K始终闭合：,等效积分电阻：,2. 如果 周期为T，采样门闭合时间宽度为 ：,等效时间常数为：,4. 取样积分器的工作方式,4.1 定点工作方式,（1）原理,（2）采样积分次数N,4.2 扫描工作方式,1. 原理 用于恢复波形,起始点可控，斜率可控，便于选择恢复波形的 位置和宽度。,2. 扫描模式的SNIR,对于被测信号的任一点，被采样,次数为：,由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而取样脉冲相对于触发脉冲的移动也是十分缓慢的，以至在输入的被测信号波形上每一“点”依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点”进行多次积累平均。,4.3 定点方式与扫描方式相结合,4. 指数式取样积分器参数选择流程,Boxcar积分器分辨率高（Tg最小可达100 ps）。但每个信号周期只采样一次，信号利用率低，低频信号不宜。处理时间太长，漂移失真。,6. 数字式平均,数字式多点平均器原理,特点：数字平均每个信号周期采样多次，信号利用率高，数字存储无漂移。大幅减小测量时间。29天41分钟（M=1000） 局限：处理器速度、采样保持电路和AD转换电路速度限制了数字式多点平均速度。5s100ms。,BOXCAR积分和数字式多点平均器的特点比较：,