《微弱信號檢測》ppt課件-文庫吧
2025-01-03 16:26 本頁面
【正文】 如圖 6(a)所示 ， 假設(shè)變壓器是理想的 ， 初級線圈與次級線圈的匝數(shù)比為 1： n， 那么由初級變換到次級的信號電壓為 nus、 噪聲電壓為 nunt、 源電阻為 n2Rs， 如圖 6(b)所示 。 選擇合適的 n， 可實現(xiàn)噪聲匹配 。 (a)電路連接及噪聲源 (b)等效電路 圖 6 變壓器噪聲匹配電路 按信號處理方式，微弱信號檢測可分兩類： 1） 時域處理，即信號的所有處理都是在時域內(nèi)進行； 2） 頻域處理，即將信號變換到頻域，然后按照信號的頻域特性對信號進行處理。 ?頻域微弱信號檢測 頻域微弱信號檢測是指利用鎖定放大器對淹沒在噪聲中的正弦信號的幅值和相位進行檢測 。 對較小幅值的直流或慢變信號 ， 為減小 1/f噪聲和直流放大器漂移的影響 ， 一般采用調(diào)制器或斬波器先將其變換成交流信號再放大 ， 并用帶通濾波器提高信噪比 ， 之后再解調(diào)和低通濾波 ， 得到放大的被測信號 . 對微弱直流或慢變信號 ， 調(diào)制后的正弦信號也必然微弱 。 要達到足夠的信噪比 ， 帶通濾波器的帶寬必須非常窄 、 Q值必須非常高 、 中心頻率須非常穩(wěn)定 。這在實際中很難實現(xiàn) 。 利用 鎖定放大器 卻可很好地解決上述問題 。 ?鎖定放大器的構(gòu)成原理 如下圖所示，鎖定放大器主要由信號通道、參考通道、 相敏檢波 (器 )及低通濾波 (器 )等部分組成。 信號通道 信號通道對輸入的 幅度調(diào)制正弦信號 進行 交流放大 、 濾波 等處理 。 為相敏檢波器提供一個與輸入信號同相的方波或正弦波等處理 。 參考通道 對信號通道的輸出與參考通道的輸出完成 乘法運算 ， 從而得到兩信號的和頻與差頻信號 。 濾除 和頻信號 而保留差頻信號 。 相敏檢波 低通濾波 輸入信號 輸出信號 1） 鎖定放大器改善信噪比的原理 ? ?tntAx ( t ) ??? )c o s ( 0 ??式中： A為被測直流或慢變信號； ?0為載波頻率（通常?s≈ ?0）； n(t)為噪聲。 ( 49) 信號通道中使用帶通濾波器可減小噪聲 ， 但為了帶通濾波器的穩(wěn)定性 ， 不能刻意壓縮其帶寬 ， 所以其輸出中仍含有較多噪聲 。 可認(rèn)為 ， 信號通道的輸出中所含噪聲僅均勻分布在 (?0B/2)～ (?0+B/2)之間 （ ?0和 B分別為帶通濾波器的中心頻率和帶寬 ） 。 則信號通道的輸出可寫成： )c o s ( ?? ?? tCn ( t ))c o s ()( 0 ?? ?? tDty令 則相敏檢波器的輸出為 ? ? ])c o s [ ()2c o s (c o s{2)( ??????? tCtAADtz ss ???????)]()c o s [ ( ???? ???? tC s 經(jīng)低通濾波后 ， 上式右邊的直流成分被保留；第二 、 四兩項被濾除；至于第三項 ， 只有滿足 |??s|?B′ (B′ 為低通濾波器的帶寬 )時才對輸出有影響 。 然而 ，即使第三項被保留了 ， 其影響也會減小 。 ( 50) ( 51) ( 52) 由于低通濾波器的 B可以很小 ， 因此分布在(?0－ B/2)～ (?0+B/2)之間的噪聲大部分都被濾除掉 ，使得鎖定放大器的信噪比得到了非常明顯的提高 。 可見 ， 鎖定放大器避開了幅度較大的 1/f 噪聲；同時又用相敏檢波器實現(xiàn)解調(diào) ， 用穩(wěn)定性更高的低通濾波器實現(xiàn)窄帶化過程 ， 從而使檢測系統(tǒng)的性能大為改善 。 2） 移相器 如圖所示為一個移相器的電路圖。 設(shè)集成運放是理想的 ， 可得該電路的頻率響應(yīng)函數(shù)為： 1111)(1122??????wwwwRCωjRCωjRCωjRCωjωjH 顯然 ， 其幅頻特性 A(?)＝ ?H(j?)?=l， 無論 RW如何改變 ，輸出幅度都不變 。 其相頻特性為 所以，通過調(diào)節(jié) RW改變相位，既可超前于輸入信號，又可滯后于輸入信號。 )(1a r c t a n2)(21212WWRCRCωRRCCωωφ???( 61) 3） 相敏檢波及低通濾波器電路 如圖所示 ， FET管 V1～ V 二極管 VD1～ VD4和電阻 R1～R4組成全波相敏檢波器；運放 A及電阻 R7～ R10組成減法器 ，并依靠電容 C1和 C2實現(xiàn)低通濾波 。 電路具有對稱性 。 在互為反相的參考方波電壓 (分別從圖中 B、 E兩點加入 )控制下 ， 完成相敏檢波和低通濾波的功能 。 圖 36 相敏檢波及低通濾波器電路 工作原理： 當(dāng)輸入信號為正半周時 ， B點參考方波為高電平 ，V V2導(dǎo)通 ， E點參考方波為低電平 ， V3和 V4截止 ， 輸入信號經(jīng) V1加到 A的同相端 ， A的反相端經(jīng) V2接地 ， 此時 ， 輸出電壓對應(yīng)輸入信號正半周的積分平均值 ， 極性為正 。 當(dāng)輸入信號為負(fù)半周時 ， 參考方波電平也翻轉(zhuǎn)了， V V2截止 ， V V4導(dǎo)通 ， 輸入信號經(jīng) V3加到 A的反相端 ， A的同相端則經(jīng) V4接地 ， 此時 ， 輸出電壓對應(yīng)輸入信號負(fù)半周的積分平均值 ， 但極性仍為正 。 ?時域微弱信號檢測 主要方法： 常規(guī)方法 相關(guān)函數(shù)計算法：自相關(guān) 、 互相關(guān) 互相關(guān)需要與被測信號同頻參考信號 ， 但能抑制與參考信號不相關(guān)的各種形式的噪聲 周期信號取樣積分法 使用鎖定放大器檢測淹沒在噪聲中的脈沖信號的波形時 ， 會濾除脈沖波形的上升沿和下降沿中包含的豐富的高頻分量 ， 從而導(dǎo)致脈沖波形畸變 。 但是取樣積分器可解決這些問題 ， 但效率低 。 取樣積分器的核心是門積分器 。 門積分器不同于一般的積分器 ， 它僅在取
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