直接探测和外差探测讲稿.ppt

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1、关于直接探测和外差探测第一页，讲稿共九十七页哦光电信号变换光电信号变换 光电光电 探测器探测器光信号光信号电信号电信号响应平均光功率响应平均光功率 直接探测直接探测响应光的频率响应光的频率 相干探测相干探测第二页，讲稿共九十七页哦(1)(1)基本物理过程：基本物理过程：若探测器的负载电阻是若探测器的负载电阻是R RL L，则光电探测器的输出功率为，则光电探测器的输出功率为光波：光波：光功率：光功率：1.直接探测的基本原理直接探测的基本原理平方定律：平方定律：第三页，讲稿共九十七页哦(2)信噪比信噪比 设输入的信号功率和噪声功率分别为设输入的信号功率和噪声功率分别为s si i和和n ni i，

2、输出的分，输出的分别为别为s so o和和n no o。由平方律有。由平方律有考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为考虑到信号和噪声的独立性，可得输出信噪比为讨论：讨论：（1 1）s si i/n/ni i1 1，则有，则有 ，说明直接探测不适合微弱信号的探，说明直接探测不适合微弱信号的探测；测；（2 2）s si i/n/ni i1 1，则有，则有 ，转换后信噪比损失不大；，转换后信噪比损失不大；第四页，讲稿共九十七页哦5(3)等效噪声功率等效噪声功率 具有内增益的光电探测器的电输出功率为具有内增益的光电探测器的电输出功率为输出的噪声功率为输出的噪声功率为信号光电流：信号光电流：背景光电

3、流：背景光电流：暗电流：暗电流：电阻温度噪电阻温度噪声电流声电流：对于光电二极管，对于光电二极管，M=1M=1，对于光电导探，对于光电导探测器前面的测器前面的2 2改为改为4.4.输出信噪比为输出信噪比为探测器的噪声等效功率为探测器的噪声等效功率为第五页，讲稿共九十七页哦6讨论：讨论：（1 1）热噪声优势）热噪声优势（2 2）散粒噪声优势）散粒噪声优势（3 3）散粒噪声和热噪声相当）散粒噪声和热噪声相当（4 4）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。）信号噪声极限，只考虑光信号噪声。例：例：为为1，f为为1Hz，NEP2h，已很接近单个光子的能量，已很接近单个光子的能量h。光电二极管光电二极管光电倍

4、增管光电倍增管雪崩光电二极管雪崩光电二极管第六页，讲稿共九十七页哦提高系统信噪比的基本途径：提高系统信噪比的基本途径：光学方法光学方法，如场镜、光锥、浸没透镜如场镜、光锥、浸没透镜 应用光学应用光学电学方法电学方法，如滤波、低噪声放大、弱信如滤波、低噪声放大、弱信 号检测号检测热力学方法热力学方法，制冷降低探测器噪声制冷降低探测器噪声 信噪比信噪比是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标是衡量光电探测系统质量好坏的一个重要指标 第七页，讲稿共九十七页哦82.2.直接探测的应用举例直接探测的应用举例激光制导、飞行物自动跟踪激光稳频、机器人视觉几何量（长度、位移）表面形状参量（工件粗糙度、伤痕）光

5、学参量（吸收、反射）电磁量（电流、电场、磁场）应用于测量：应用于测量：应用于控制：应用于控制：特点：特点：信息加载信息加载辐通量（光强）辐通量（光强）第八页，讲稿共九十七页哦93.3 前置前置放大放大器的噪声匹配器的噪声匹配 当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信当光信号功率较小时，光电探测器的电信号输出也相应地减小。为了信号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统号处理、显示的需要，往往需要跟随前置放大器。放大器的引入对探测系统的输出信噪比将产生影响。的输出信噪比将产生影响。光探测器及光探测器及其偏置电路其偏置电路耦合耦合网络网络低噪声低噪声前

6、置放大前置放大器器多级放大多级放大系统系统反馈电路反馈电路放大器放大器偏置电路偏置电路后级信号后级信号处理电路处理电路光探测电路示意图光探测电路示意图第九页，讲稿共九十七页哦10Vs信号源，信号源，RS信号源内阻，信号源内阻，EnsRS的热噪声的热噪声En放大器噪声电压源，放大器噪声电压源，In放大器噪声电流源，放大器噪声电流源，Av放大放大器电压增益，器电压增益，Zi放大器的输入阻抗，放大器的输入阻抗，Eni放大器输入放大器输入端的噪声电压，端的噪声电压，Eso放大器的输出端电压，放大器的输出端电压，Eno放大器放大器输出端的总噪声电压输出端的总噪声电压EsoEno3.3.1 前放噪声等效电

7、路前放噪声等效电路根据电路根据电路叠加原理叠加原理，各噪声源在输出端的贡献分别为：，各噪声源在输出端的贡献分别为：Ens的贡献为：的贡献为：En的贡献为：的贡献为：In的贡献为：的贡献为：E Ensns的贡献的贡献的贡献的贡献E En n的贡献的贡献的贡献的贡献I In n的贡献的贡献的贡献的贡献第十页，讲稿共九十七页哦11将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：将上述各项均方相加便得总的输出噪声为：因此等效输入噪声为：因此等效输入噪声为：放大器的电压传递函数放大器的电压传递函数（考虑源在内的系统增益，注意和（考虑源在内的系统增益，注意和（考虑源在内的系统增益，注意和（考虑源在内的系统增益，注意

8、和A Av v的区别！）的区别！）的区别！）的区别！）放大器的功率传递函数放大器的功率传递函数可以看出，可以看出，放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中放大器的输入阻抗不出现在等效输入噪声的表达式中。放大。放大器便视为是器便视为是无噪声无噪声的。的。第十一页，讲稿共九十七页哦12这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻这个模型中所采用的各个参数容易测量。首先，源电阻Rs的热噪声的热噪声Ens，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器前的电路的，可以由电阻的热噪声公式求出；其次计算放大器前的电路的开路输出开路输出噪声电压噪声电压(或短路输出噪声电流或短路输出噪声电流)；然后折合

9、到源端位置就得到等效输入然后折合到源端位置就得到等效输入噪声电压噪声电压Eni的大小。的大小。放大器的输入信噪比为：放大器的输入信噪比为：放大器的输出信噪比为：放大器的输出信噪比为：放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。放大器噪声的存在，使放大器的输出信噪比受到损失。第十二页，讲稿共九十七页哦132.噪声系数（噪声系数（Noise Factor）：）：输出端总噪声功率输出端总噪声功率 源电阻产生的输出噪声功率源电阻产生的输出噪声功率F=即Kp为放大器系统的功率增益为放大器系统的功率增益（1）基本定义）基本定义从输出端角从输出端角度出发度出发第十三页，讲稿共九十七页哦14（2）推导式一

10、）推导式一总的等效输入噪声功率总的等效输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=上下同除以上下同除以Kp，即即放大器噪声总是存在，放大器噪声总是存在，F大于大于1的原因的原因从输入端角从输入端角从输入端角从输入端角度出发度出发度出发度出发从输入端角从输入端角从输入端角从输入端角度出发度出发度出发度出发第十四页，讲稿共九十七页哦15（3）推导式二）推导式二放大器输入噪声功率放大器输入噪声功率输入端源电阻噪声功率输入端源电阻噪声功率F=1+第十五页，讲稿共九十七页哦16（4）推导式三）推导式三输入端信噪比输入端信噪比输出端信噪比输出端信噪比F=不为不为Eni，此时输入端噪声功率仅为，

11、此时输入端噪声功率仅为源电阻产生的热噪声功率源电阻产生的热噪声功率用分贝表示则写成：用分贝表示则写成：第十六页，讲稿共九十七页哦17 放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度放大器的噪声系数的定义表示信号通过放大器后，信噪比变坏的程度：如如果果放放大大器器是是理理想想的的无无噪噪声声的的线线性性网网络络，那那么么其其输输入入端端的的信信号号与与噪噪声声得得到到同同样样的的放放大大，即即输输出出端端的的信信噪噪比比与与输输入入端端的的信信噪噪比比相相同同，于于是是F=1或或NF=0dB；如果如果放大器本身有噪声放大器本身有噪声，又，又无滤波功能无滤波功能(如前放一般不采取带限

12、措施如前放一般不采取带限措施)，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则输出噪声功率等于，信号通过放大器后，则信号和噪声都同样放大，则输出噪声功率等于放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器，放大后的输入噪声功率和放大器本身的噪声功率之和。对这样的放大器，信号经放大后，信噪比不可能变好，输出端的信噪比就比输入端的信噪信号经放大后，信噪比不可能变好，输出端的信噪比就比输入端的信噪比低，则比低，则F1。噪声系数意义：噪声系数意义：第十七页，讲稿共九十七页哦18 求偏导求偏导：得：得：因因此此，当当信信号号源源的的内内阻阻等等于于放放大大器器的的源源电电阻阻时时噪噪声声系系

13、数数NF取得最小值取得最小值 与功率匹配区与功率匹配区别！别！当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检测电路附当信号源的内阻等于放大器的最佳源电阻值时，放大器对检测电路附加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设加的噪声最小，称为信号源与放大器之间达到了噪声匹配。这是低噪声设计的一个重要原则。计的一个重要原则。称称称称此此此此时时时时的的的的源源源源电电电电阻阻阻阻为为为为放放放放大大大大器器器器的的的的最最最最佳佳佳佳源源源源电电电电阻阻阻阻，记记为为R Ro op pt t 当当R Rs s=R Ro op pt t时时，可可使使放放大大器器的的噪噪声声系

14、系数数为为最最小小，这这时时源源电电阻阻和和放放大大器器的的配配置置称称为为“噪噪噪噪声声声声匹匹匹匹配配配配”，这这是是低低噪噪声声设设计计的的一一个个重重要要原原则则。3.3.3 匹配方法匹配方法1.最佳源电阻最佳源电阻第十八页，讲稿共九十七页哦19第十九页，讲稿共九十七页哦202.放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法放大器最佳源电阻与实际源阻抗的匹配方法1、用输入变压器实现噪声匹配、用输入变压器实现噪声匹配（1）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。）应用对象：信号源电阻小于最佳源电阻情形下。（2）原理：）原理：选用适当变压比选用适当变压比源电阻的阻抗升高源电阻的阻抗升高n2倍。倍

15、。第二十页，讲稿共九十七页哦212、利用并联放大器的方法实现噪声匹配、利用并联放大器的方法实现噪声匹配 N个完全相同的放大器并联，如下图所示，个完全相同的放大器并联，如下图所示，该方法等效于减小该方法等效于减小并联以后的等效噪声电压和电流并联以后的等效噪声电压和电流并联后的噪声系数并联后的噪声系数结论，多管并联可减小最佳源电阻，但不会影响并联后的噪声系数。结论，多管并联可减小最佳源电阻，但不会影响并联后的噪声系数。第二十一页，讲稿共九十七页哦22 各种典型探测器的内阻和响应时间各种典型探测器的内阻和响应时间 探测器探测器内阻（内阻（）响应时间（响应时间（s）低低阻阻热电偶11010-21蒸发型

16、热电偶5020010-310-2金属测辐射热计11010-210-1PIN型锗二极管5010-7HgCdTe（PV 77K）2.55010-8HgCdTe（PC 77K）205010-810-7中中阻阻锗测辐射热计（2.1K）104410-4碳测辐射热计（2.1K）10510610-2PbS（PC 常温）105107510-5510-4PbSe（PC 常温）106107210-6InSb（PV 77K）10310510-6高高阻阻Ge:Au（PC 77K）10510710-6热释电探测器108310-9410-5第二十二页，讲稿共九十七页哦23习习 题题（1）最最佳佳源源电电阻阻是是信信号号源

17、源的的参参数数，还还是是前前放放的的参参数数。它它的的表表达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。达式是什么？式中各项代表什么？什么是噪声匹配。（2）已已知知集集成成运运算算OP07E的的噪噪声声参参数数En10.3nV，In0.32pA，试试计计算算应应用用于于Rs100k，f1Hz及及T300k时时，其其NF及及Eni值值（3）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小：）根据下列条件判断那一种器件产生的等效输入噪声最小：a在在Rs10k时，测出其时，测出其NF20dB。b在在Rs1M时，测出其时，测出其NF20dB。第二十三页，讲稿共九十七页哦24二二.多级放大器噪声系数多级

18、放大器噪声系数NFPni 三级放大器的噪声系数三级放大器的噪声系数KP1Pn1F1KP2Pn2F2KP3Pn3F3PnoF1,2,3总的输出噪声功率总的输出噪声功率Pno为为总的输出噪声系数总的输出噪声系数F为为第二十四页，讲稿共九十七页哦25考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：考虑第一级放大器单独和源相连接时，得到噪声功率和噪声系数为：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：考虑每个放大器单独和源相连接时，得到：代入代入第二十五页，讲稿共九十七页哦26对于对于n级放大器，可以得出其噪声系数为：级放大器，可以得出其噪声系数为：这就是多级放大器的噪声系数理论的这就是多级放大

19、器的噪声系数理论的Friis公式公式 从这个公式可以看出：从这个公式可以看出：如果第一级的功率增益如果第一级的功率增益Kp1很大，则多级放大器噪声系数的大小，主很大，则多级放大器噪声系数的大小，主要取决于要取决于第一级放大器第一级放大器的噪声系数的噪声系数F1。设计中，为了使多级放大器设计中，为了使多级放大器的噪声系数减小，应尽量的噪声系数减小，应尽量提高第一级的功率放大倍数提高第一级的功率放大倍数Kp1；尽量减；尽量减小第一级的噪声系数小第一级的噪声系数，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要，这就是指导我们设计低噪声前放的又一个重要原则。原则。如果第一级的功率增益不是很大如果第一级的功率

20、增益不是很大，减小噪声系数的关键在于使本级，减小噪声系数的关键在于使本级具有高增益和低噪声。具有高增益和低噪声。第二十六页，讲稿共九十七页哦27总 结 放大器的噪声模型：放大器的噪声模型：等效输入噪声：等效输入噪声：噪声系数：噪声系数：噪声匹配噪声匹配最佳源电阻最佳源电阻FriisFriis公式公式 与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。与探测器直接相连接的放大器必须是低噪声的。第二十七页，讲稿共九十七页哦283.5相关检测相关检测 利利用用信信号号在在时时间间上上相相关关这这一一特特性性，可可能能把把深深埋埋于于噪噪声声信信号号中中的的周周期期信信号号提提取取出出来来，这这种种提提取取方

21、方法法称称为为相相关关检检测测或或相关接收相关接收。信信号号的的相相关关性性用用相相关关函函数数来来描描述述，它它代代表表线线性性相相关关的的度度量量，是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。是随机过程在两个不同时间相关性的一个重要统计参量。第二十八页，讲稿共九十七页哦291.相关函数相关函数3.5.1 相关原理相关原理相关函数分为相关函数分为自相关函数自相关函数和和互相关函数互相关函数。1）自相关函数）自相关函数为延迟时间，为延迟时间，T为观察时间，为观察时间，x(t)是随机过程的一个样本函数。是随机过程的一个样本函数。根据根据Wiener-khintchine(维纳欣钦维纳欣钦)

22、定理：定理：傅里叶变换傅里叶变换 式中式中Sx()是是x(t)的功率谱密度函数。的功率谱密度函数。第二十九页，讲稿共九十七页哦30（1）正弦波：正弦波：根据定义式根据定义式,可得可得:由此可见，周期信号的自相关函数仍为周期信号，且周期不由此可见，周期信号的自相关函数仍为周期信号，且周期不变，但相位信息损失。变，但相位信息损失。第三十页，讲稿共九十七页哦31（2）白噪声）白噪声 其功率谱密度与频率无关，为一常数其功率谱密度与频率无关，为一常数 根根据据Wiener-khinthine定定理理，白白噪噪声声的的自自相相关关函函数数 这就说明白噪声的自相关函数只在这就说明白噪声的自相关函数只在=0时

23、存在，随时存在，随着着的增大，衰减很快。的增大，衰减很快。第三十一页，讲稿共九十七页哦32（3）带通白噪声）带通白噪声 实实际际的的白白噪噪声声是是在在一一定定带带宽宽之之内内的的白白噪噪声声，其其功功率率谱密度为：谱密度为：这种带通白噪声的带宽决定于系统中的通频带。这种带通白噪声的带宽决定于系统中的通频带。第三十二页，讲稿共九十七页哦33第三十三页，讲稿共九十七页哦34 Rxx()Rxx()，即，即Rxx()为为的偶函数。的偶函数。Rxx(0)Rxx()，Rxx(0)是最大值，并且代表是最大值，并且代表x(t)变化量的平变化量的平均功率。均功率。如果如果x(t)是周期函数，则是周期函数，则R

24、xx()也是周期函数，且周期相等，也是周期函数，且周期相等，但失去原函数全部相位信息。但失去原函数全部相位信息。如果如果x(t)是非周期函数，则是非周期函数，则Rxx()从从Rxx(0)最大值迅速随最大值迅速随 增大增大单调递减单调递减。（4）自相关函数特点自相关函数特点第三十四页，讲稿共九十七页哦352）互相关函数）互相关函数互相关函数特点互相关函数特点 Rxy()Ryx()，即，即Rxy()与与Ryx()互为镜像对称。互为镜像对称。如果两个信号或随机过程互相完全没有关系，（例如信号与噪声）如果两个信号或随机过程互相完全没有关系，（例如信号与噪声）则其互相关函数将为一个常数，并且等于两个信号

25、平均值的乘积；则其互相关函数将为一个常数，并且等于两个信号平均值的乘积；若其中一个（如噪声）的平均值为零，则它们的互相关函数若其中一个（如噪声）的平均值为零，则它们的互相关函数 Rxy()将处处为零，即完全不相关。将处处为零，即完全不相关。如果两个信号是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关如果两个信号是具有相同基波频率的周期函数，则它们的互相关函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波成分，而相位则函数将保存它们基波频率以及两者所共有的谐波成分，而相位则为两个原信号相应频率成份的相位差。为两个原信号相应频率成份的相位差。自相关函数是互相关函数的一个特例。自相关函数是互相关函数的一个特例。

26、第三十五页，讲稿共九十七页哦36原理：信号在时间上相关，噪声在时间上不相关。原理：信号在时间上相关，噪声在时间上不相关。这两种不同的相关特性，可以把深埋于噪声中的周期信号这两种不同的相关特性，可以把深埋于噪声中的周期信号提取出来，这是微弱信号检测的一种有效方法。提取出来，这是微弱信号检测的一种有效方法。根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进根据相关函数的性质，可以利用乘法器，延时器及积分器进行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所行相关运算，从而将周期信号从噪声中检测出来，这就是所谓的谓的“相关检测相关检测”。相关检测可分为相关检测可分为自相关检测自相关检测与与互相关

27、检测互相关检测。2.相关检测相关检测第三十六页，讲稿共九十七页哦37si(t):信号信号ni(t):噪声噪声;x(t)=Si(t)+ni(t)1）自相关检测自相关检测自相关检测的原理框图自相关检测的原理框图 第三十七页，讲稿共九十七页哦38通过积分器输出得到通过积分器输出得到:Rsn()、Rns()分别表示信号和噪声的互相关函数，由于信号与噪声不相分别表示信号和噪声的互相关函数，由于信号与噪声不相关，故几乎为零；关，故几乎为零；而而Rnn()代表噪声的自相关函数，随着积分时间的适当延长，代表噪声的自相关函数，随着积分时间的适当延长，Rnn()也也很快趋于零；很快趋于零；因此，经过不太长的时间积

28、分，积分器之输出中只会有一项因此，经过不太长的时间积分，积分器之输出中只会有一项R Rssss()，故，故:这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。这样，便可顺利地将淹没在噪声中的信号检测出来。第三十八页，讲稿共九十七页哦39例如，被检测信号为一余弦信号时，例如，被检测信号为一余弦信号时，设设 则则:Rss()为信号的自相关函数，它与信号同频的余弦函数，为信号的自相关函数，它与信号同频的余弦函数，Rnn()为噪声的自相关函数，随为噪声的自相关函数，随的增加，衰减得很快，的增加，衰减得很快，Rxx()为输出端最初的波形，仍混有噪声的干扰。为输出端最初的波形，仍混有噪声的干扰。相应的自相关检

29、测输出波形如图所示相应的自相关检测输出波形如图所示:第三十九页，讲稿共九十七页哦402)互相关检测互相关检测 互相关检测的原理框图如图所示互相关检测的原理框图如图所示:输输入入乘乘法法器器的的是是被被含含有有噪噪声声ni(t)的的信信号号x(t)=ni(t)+Si(t)和和被被延延时时的的与与被被检检测测信信号号Si(t)同同频频率率的的参参考考信信号号y(t)，最最后积分器的输出为后积分器的输出为:第四十页，讲稿共九十七页哦41Rny()是是噪噪声声与与参参考考信信号号的的互互相相关关函函数数，参参考考信信号号和和噪噪声声是是不不相相关关的的，Rny()随积分时间延长而趋于零随积分时间延长而

30、趋于零;互相关检测特点互相关检测特点比自相关输出的噪声有关项要少比自相关输出的噪声有关项要少2项，故互相关检测比自相项，故互相关检测比自相关检测抑制噪声的能力强。关检测抑制噪声的能力强。互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号互相关检测要求用与被测信号同频率的参考信号y(t)，当被测信，当被测信号号Si(t)未知时，要取得与未知时，要取得与Si(t)同频率的信号在某些情况下是同频率的信号在某些情况下是困难的。这时一般不采用互相关检测。困难的。这时一般不采用互相关检测。第四十一页，讲稿共九十七页哦423.5.2锁定放大器锁定放大器（LIA，Lockin Amplifier）锁定放大器是根据锁定

31、放大器是根据互相关检测原理互相关检测原理使输入待测的周期信号使输入待测的周期信号与参考信号实现互相关来抑制噪声、检测微弱信号。它采用了与参考信号实现互相关来抑制噪声、检测微弱信号。它采用了一个相敏检波器一个相敏检波器(PSD)，故锁定放大器通常又称为，故锁定放大器通常又称为相敏检波交相敏检波交流电压表流电压表。第四十二页，讲稿共九十七页哦431.1.锁定放大器的原理框图锁定放大器的原理框图典型的锁定放大器主要由三大部分组成：典型的锁定放大器主要由三大部分组成：信号通道、参考通道、相关器信号通道、参考通道、相关器 第四十三页，讲稿共九十七页哦441.1.信号通道信号通道 从从探探测测器器输输出出

32、的的信信号号或或源源发发出出的的信信号号经经过过被被测测物物体后十分微弱，其信噪比甚至低于体后十分微弱，其信噪比甚至低于1/101/103 3。信号。信号l首先经过首先经过低噪声前置放大器低噪声前置放大器进行放大；进行放大；l然然后后再再通通过过各各类类滤滤波波器器和和陷陷波波器器（如如同同步步积积分分器器或或旋旋转转电电容容滤滤波波器器）将将信信号号进进行行初初步步的的预预处处理理，将带外噪声和干扰尽量排除；将带外噪声和干扰尽量排除；l然后再作进一步的然后再作进一步的放大放大，以便送到相关器进行检测。，以便送到相关器进行检测。第四十四页，讲稿共九十七页哦45 2.2.参考通道参考通道l参参考

33、考通通道道信信号号和和被被检检测测信信号号频频率率相相同同，这这是是进进行行锁锁定定放放大大的的一一个个必必要要条条件件。若若被被检检测测信信号号的的频频率率不不稳稳定定，频频率率改改变变或或漂漂移移了了，参参考考信信号号的的频频率率也也必必须须跟跟着着改改变变，总总是是保保持持着着两两种种信信号号的的频频率率相相等等。因因此此锁锁定定放放大大器器所所进进行行的工作又称为的工作又称为频域相干检测频域相干检测。l参考信号送入参考通道后，首先进入参考信号送入参考通道后，首先进入触发触发电路，产生电路，产生和被检信号同频的方波，再经过和被检信号同频的方波，再经过移相移相电路进行移相，然电路进行移相，

34、然后经过后经过驱动电路驱动电路功率放大后，再送达相关器去控制相关功率放大后，再送达相关器去控制相关器的乘法器。器的乘法器。第四十五页，讲稿共九十七页哦463.3.相关器（相关器（PSD）相相关关器器是是锁锁定定放放大大器器的的核核心心部部件件，锁锁定定放放大大器器之之所所以以有有很很强强的的抑抑噪噪能能力力，主主要要是是靠靠相相关关器器消消除除噪噪声声和和干干扰扰。相相关关器器又又称称之之为为相相敏敏检检波波器器（PSDPhase Sensitive Detector）或或相相关关解解调调器器，主主要要是是由由一一个个乘乘法法器器（经常使用的是经常使用的是开关乘法器开关乘法器）和一个低通滤波器

35、和一个低通滤波器组成。组成。第四十六页，讲稿共九十七页哦47开关式开关式乘法乘法器器VBVAV1R1C0V0-+R0i1i2i3相敏检波器的原理图相敏检波器的原理图输入信号为正弦波输入信号为正弦波参考信号参考信号V VB B是如图所示的对称周期矩形方波：是如图所示的对称周期矩形方波：VR0Tt参考信号参考信号VB波形波形第四十七页，讲稿共九十七页哦48那么乘法器的输出（积分器的输入电压）那么乘法器的输出（积分器的输入电压）：若积分器的输出电压为若积分器的输出电压为V V0 0，则则V V1 1、V V0 0满足微分方程：满足微分方程：即可求出即可求出V V0 0：一级近似一级近似第四十八页，讲

36、稿共九十七页哦49输入信号与参考信号的基波输入信号与参考信号的基波(n=0)(n=0)频率相等时频率相等时为积分器的时间常数。为积分器的时间常数。且且包含待测信号的幅度包含待测信号的幅度VA0；R0/R1是近似积分器（或低通滤波器）的直流放大倍数是近似积分器（或低通滤波器）的直流放大倍数（或直流增益）；（或直流增益）；V V0 0与输入信号与参考信号之间相位差的余弦成正比：与输入信号与参考信号之间相位差的余弦成正比：0 0，V V0 0最大；最大；/2/2，V V0 00 0。稳态输出电压。稳态输出电压。第四十九页，讲稿共九十七页哦50（1）锁定放大器在工作时需要注意选择参考信号的相位，）锁定

37、放大器在工作时需要注意选择参考信号的相位，以保证信号输出最大。以保证信号输出最大。（2）锁定放大器把输入的交流信号变为直流信号。也就）锁定放大器把输入的交流信号变为直流信号。也就是说它不能恢复原有信号的波形。是说它不能恢复原有信号的波形。第五十页，讲稿共九十七页哦511).等效噪声带宽等效噪声带宽fN：表示系统（电路）对噪声的通过能：表示系统（电路）对噪声的通过能力或抑制能力力或抑制能力.2.2.锁定放大器的主要性能参数锁定放大器的主要性能参数 RCRC低通滤波器等效噪声带宽低通滤波器等效噪声带宽2).等效信号带宽等效信号带宽fs：第五十一页，讲稿共九十七页哦52 信噪比改善是指系统输出端信噪

38、比与输入信噪比信噪比改善是指系统输出端信噪比与输入信噪比 的比的比值，即值，即例：设系统输入噪声带宽为例：设系统输入噪声带宽为100kHz，输出等效噪声带宽为，输出等效噪声带宽为10-3Hz，则信噪比（电压）改善为：则信噪比（电压）改善为：1043.5.3 信噪比改善信噪比改善 锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与PSD的输出噪声带宽之比的平方根表示：的输出噪声带宽之比的平方根表示：表明锁定放大器具有很强的抑制噪声的能力。表明锁定放大器具有很强的抑制噪声的能力。第五十二页，讲稿共九十七页哦53思考题思考题画出锁定放大器的工作原理框图，并简

39、述其画出锁定放大器的工作原理框图，并简述其工作原理。工作原理。强噪声背景下的带宽周期信号可以采用锁相强噪声背景下的带宽周期信号可以采用锁相放大器吗？为什么？放大器吗？为什么？第五十三页，讲稿共九十七页哦543.8取样积分器取样积分器 第五十四页，讲稿共九十七页哦55一一.概述概述1.LIA的局限性的局限性l（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。信号无能为力。l（2）LIA实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压缩带宽

40、的办法效果不明显。缩带宽的办法效果不明显。第五十五页，讲稿共九十七页哦56 2.解决途径：解决途径：取取样样积积分分器器（信信号号平平均均器器、Boxcar积积分分器器）将将待待测测的的周周期期信信号号逐逐点点多多次次取取样样并并进进行行同同步步积积累累。这这种种方方法法是是利利用用信信号号在在时时间间上上的的相相关关性性，经经多多次次重重复复能能够够有有效效地地积积累累，而而噪噪声声前前后后不不相相关关，积积累累效效果果就就差差。利利用用它它可可以以解解决决在在强强噪噪声声背背景景下下任任意意形形状状的的宽宽带带周周期期信信号号的的检检测测和和波形再现问题。波形再现问题。第五十六页，讲稿共九

41、十七页哦573.8.1 取样积分器的工作原理取样积分器的工作原理一一.工作原理工作原理 一个取样积分器的核心组件是一个取样积分器的核心组件是取样门取样门和和积分器积分器。通常采用取。通常采用取样脉冲控制样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果作同步积累，并将所积累的结果(输出输出)保持到下一次取样。保持到下一次取样。Tg:取样脉冲门宽；取样脉冲门宽；TR:取样周期；取样周期；第五十七页，讲稿共九十七页哦58取样门及积分器取样门及积分器第五十八页，讲稿共九十七页哦593 取样积分器信噪比改善取样积分器信噪比改善输入

42、端信噪比：输入端信噪比：输输出出端端经经过过n次次取取样样并并积积分分后后，得得到到的的信信号号是是Vso=nVsi。而而噪噪声声是是随随机机的的，且且其其均均值值为为零零，经经过过n次次取取样样并并积积分分后后，得得到到的的是是n次功率相加，即：次功率相加，即：因此，输出端信噪比是：因此，输出端信噪比是：由上式可得：噪声的幅值比由上式可得：噪声的幅值比SNIR是：是：第五十九页，讲稿共九十七页哦60二二.分类分类 单单点点取取样样积积分分器器（单单点点信信号号平平均均器器或或Boxcar积积分分器器）：在在每每个个信信号号周周期期内内只只在在一一点点取取样样积积分分，经经多多次次取取样样积积

43、分分后后得得到到该该点点幅幅值值，即即变变换换取取样样工作原理。工作原理。取取样样积积分分器器（信号平均器）（信号平均器）定定点点式式：测测某某一一特特定定时时刻刻的幅值的幅值多多点点信信号号平平均均器器：在在信信号号每每个个周周期期内内对对信信号号进进行行多多点点取取样，是样，是实时取样实时取样工作原理。工作原理。扫扫描描式式：逐逐点点扫扫描描可可恢恢复复波形波形第六十页，讲稿共九十七页哦61三三.取样积分器的工作方式取样积分器的工作方式1.定点式取样积分器定点式取样积分器 VR与与VA保持同步产生触发信号，保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定要取样经延迟电路（可调，以确定要取样的

44、时刻）作的时刻）作td 延迟，经过取样脉冲延迟，经过取样脉冲（Tg）控制取样门的开断时间，经过）控制取样门的开断时间，经过累加平均，经累加平均，经n次取样平均后，次取样平均后，只能恢复周期性信号某一点的幅值只能恢复周期性信号某一点的幅值PMT：光电倍增管：光电倍增管第六十一页，讲稿共九十七页哦622.扫描式取样积分器扫描式取样积分器如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础上，对如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式

45、。恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累两个过程。样脉冲控制下作同步积累两个过程。第六十二页，讲稿共九十七页哦63取样脉冲的形成过程取样脉冲的形成过程可变时延的取样脉冲可变时延的取样脉冲第六十三页，讲稿共九十七页哦64 在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：描方式工作的取样积分器。如图所示：当取样脉冲对准当取样脉冲对准t1位置取样积分位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间轴上延次后，将取样脉冲在时间轴上

46、延时时t（一般来说（一般来说tTg）对准）对准t2位置再取样位置再取样m次，然后又向右移动次，然后又向右移动t，对准，对准t3取样积分取样积分m次次直到取样脉冲移动扫过信号的一个直到取样脉冲移动扫过信号的一个完整的周期。完整的周期。信号取样积累过程信号取样积累过程第六十四页，讲稿共九十七页哦65设被恢复的弱信号之周期为设被恢复的弱信号之周期为T，取样脉冲步进时间为，取样脉冲步进时间为t，要对弱信号，要对弱信号一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为：一个周期取样完毕，而每个周期又只取样一次，故所需时间为：因此在积分器输出端得到的输出波形是将原被测信号拉长了因此在积分器输出端得到的

47、输出波形是将原被测信号拉长了n n倍的波倍的波形形;因此这种取样方式又称之为因此这种取样方式又称之为变换取样变换取样，波形如图，波形如图:第六十五页，讲稿共九十七页哦66思考题思考题简述简述Boxcar积分器的定点和扫描工作方式的积分器的定点和扫描工作方式的工作过程。工作过程。第六十六页，讲稿共九十七页哦673.9 3.9 光子计数光子计数第六十七页，讲稿共九十七页哦 利利用用弱弱光光照照射射下下光光电电探探测测器器输输出出电电信信号号自自然然离离散散的的特特点点，采采用用脉脉冲冲甄甄别别技技术术和和数数字字计计数数技技术术把把极极其其弱弱的的信信号号识识别别并提取出来。也称为并提取出来。也称

48、为单光子计数技术单光子计数技术。单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。它它所所探探测测的的光光的的光光电电流流强强度度比比光光电电检检测测器器本本身身在在室室温温下下的的热热噪噪声声水水平平（10-14W）还还要要低低，通通常常的的直直流流检检测测方方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。光子计数器原理光子计数器原理单光子计数技术单光子计数技术第六十八页，讲稿共九十七页哦光光子子计计数数技技术术只只适适用用于于测测量量大大约约每每秒秒发发射射10108 8个个以以内内分分立立光子的弱信号光子的弱信号，其特点是：，

49、其特点是：系系统统稳稳定定测测量量结结果果受受光光电电探探测测器器的的漂漂移移、系系统统增增益益变变化化以以及及其其它它不稳定因素的影响较小；不稳定因素的影响较小；系统探测灵敏度高，抗噪声能力强；系统探测灵敏度高，抗噪声能力强；输出数字信号，适合与计算机接口。输出数字信号，适合与计算机接口。第六十九页，讲稿共九十七页哦3.9.1 3.9.1 光子计数器的原理光子计数器的原理 单光子计数器由单光子计数器由光电倍增管光电倍增管(PMTPMT)，前置放大器前置放大器，幅度幅度鉴别器鉴别器和和计数器计数器构成。构成。1.光子计数器的组成光子计数器的组成高压电源高压电源是是PMT正常工作正常工作的前提的

50、前提；PMT必须配备必须配备制冷制冷器器以减少阴极的热电子发射。以减少阴极的热电子发射。第七十页，讲稿共九十七页哦PMT接受光辐射；接受光辐射；阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出；阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出；经过放大器信号放大后送到鉴别器；经过放大器信号放大后送到鉴别器；鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰；电流和干扰；计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。光子计数器的工作原理光子计数器的工作原理第七十一页，讲稿共九十七页哦72用光子计数器对波长为用光子计数器对波长为560nm的弱光