微弱信號(hào)檢測(cè)ppt課件-展示頁
2025-01-27 16:26本頁面
【正文】 式中： A為被測(cè)直流或慢變信號(hào)； ?0為載波頻率（通常?s≈ ?0）； n(t)為噪聲。 參考通道 對(duì)信號(hào)通道的輸出與參考通道的輸出完成 乘法運(yùn)算 ， 從而得到兩信號(hào)的和頻與差頻信號(hào) 。 信號(hào)通道 信號(hào)通道對(duì)輸入的 幅度調(diào)制正弦信號(hào) 進(jìn)行 交流放大 、 濾波 等處理 。 利用 鎖定放大器 卻可很好地解決上述問題 。 要達(dá)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 。 ?頻域微弱信號(hào)檢測(cè) 頻域微弱信號(hào)檢測(cè)是指利用鎖定放大器對(duì)淹沒在噪聲中的正弦信號(hào)的幅值和相位進(jìn)行檢測(cè) 。 選擇合適的 n， 可實(shí)現(xiàn)噪聲匹配 。 可考慮利用變壓器進(jìn)行噪聲匹配 。 所以 ， Rs一定時(shí) ， 可 通過改變直流工作點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)噪聲匹配 。 (a)利用射頻扼流圈 (b)利用調(diào)諧電路 圖 4 射頻電路偏置 ?直流工作點(diǎn)低噪聲設(shè)計(jì) 對(duì)與信號(hào)源直連的直接耦合式放大器 ， 選定有源器件后 ， 還須選擇合適工作點(diǎn) ， 使放大器噪聲系數(shù)最小 。 對(duì)于射頻微弱信號(hào)檢測(cè) ， 可用圖 4所示 低噪聲偏置電路 。 因此，微弱信號(hào)檢測(cè)的首要問題是盡量地降低放大器的噪聲。 圖 3 ?A741的噪聲特性 為放大微弱信號(hào)，必然要用放大器。 圖 (a)所示接信號(hào)源的放大器 ， 其綜合噪聲等效電路可用圖 (b)表示 。 減小平均直流電流和帶寬 源頭 ：電子自由運(yùn)動(dòng) 熱噪聲 ；越過 PN結(jié)的 載流子擴(kuò)散 和電 子空穴對(duì)的產(chǎn)生 復(fù)合 ；接觸噪聲 導(dǎo)體連接處點(diǎn)到的隨機(jī)漲落 。 減小輸入電阻和帶寬 減小平均直流電流 散粒噪聲 接觸噪聲 屬有色噪聲，頻率增加，功率譜減小。 使用微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù) ， SNIR可達(dá) 103～ 105， 甚 至 107。 減小系統(tǒng)的等效噪聲帶寬 ， 可提高 SNIR。 白噪聲情況下 信噪比 系數(shù)： 信噪比改善 （ SNIR）＝ 222020//nisinsEVEV＝輸入信噪比輸出信噪比 Eni：位于信號(hào)源處放大系統(tǒng)的等效輸入噪聲 ，假定 Eni是白噪聲 ， 其功率譜密度為常數(shù) 。 信號(hào)通過一個(gè)放大器或一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)后 ，SNR可能提高 ， 也可能降低 。 這種噪聲具有隨機(jī)性質(zhì) ， 其瞬時(shí)幅值和相位不可預(yù)測(cè) ， 只能用概率統(tǒng)計(jì)方法描述其大小和特征 。 本講涉及如何降低元器件內(nèi)部固有噪聲影響 噪聲來源 元器件固有噪聲及其規(guī)律 把微弱信號(hào)放大到可測(cè)幅度 ， 須使用放大器和其他電路 。 上述三者缺一不可 。 這是與非微弱信號(hào)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵差別 。如輸入信號(hào)的信噪比為 102或更小，即信號(hào)完全淹沒在噪聲之中。 6 反饋測(cè)量技術(shù) 及其他技術(shù) 1 概述 ? 有用信號(hào)的幅度絕對(duì)值很小，如 ?V 、 nV 乃至 pV量級(jí)電壓信號(hào)；檢測(cè)每秒鐘多少個(gè)光子的弱光信號(hào)。 4 微弱信號(hào)檢測(cè)方法 167。 2 噪聲基本知識(shí) 167。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù) 167。 1 概述 167。 3 低噪聲放大器 167。 5 利用噪聲檢測(cè)信號(hào)的技術(shù)方法示例 167。 ? 相對(duì)于噪聲而言，幅度很小的有用信號(hào)。 ?微弱信號(hào)的定義 ?微弱信號(hào)檢測(cè) (Weak Signal Detection) ? 從噪聲中提取信號(hào) ， 從而使測(cè)量下限可低于測(cè)量系 統(tǒng)的噪聲水平 。 科學(xué)研究中常需檢測(cè)極微弱的信號(hào) ， 例如： 生物學(xué)中細(xì)胞發(fā)光特性 、 光合作用 、 生物電 天文學(xué)中的星體光譜 化學(xué)反映中的物質(zhì)生成過程 物理學(xué)中表面物理特性 光學(xué)中的拉曼光譜 、 光聲光譜 、 脈沖瞬態(tài)光譜 微機(jī)電系統(tǒng) （ MEMS） 的微位移 、 微力 、 微電流 、 電壓等 1 概述 ?微弱信號(hào)檢測(cè)途徑 ● 降低傳感器與放大器的固有噪聲 ， 盡量提高信噪比； ● 研制適合弱信號(hào)檢測(cè)原理并滿足特殊需要的器件； ● 研究并采用各種弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù) ， 通過各種手段提取信號(hào) 。 2. 噪聲基本知識(shí) ? 檢測(cè)裝置外部 ， 如宇宙射線 、 廣電信號(hào)等； ? 檢測(cè)裝置內(nèi)部 ， 如各部分之間的靜電耦合 、電磁耦合 、 共阻抗耦合等； ? 元器件內(nèi)部 ， 如載流子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)所造成的固有噪聲等 。 但電子電路中幾乎所有的元器件本身往往就是噪聲源 。 ?信噪比改善系數(shù) （ 1）信噪比 SNR NS)( ＝信號(hào)中含有的噪聲功率有用信號(hào)功率信噪比 ?SNR SNR用來評(píng)價(jià)信號(hào)的品質(zhì)優(yōu)劣 ， SNR越高 ，測(cè)量誤差越小 。 信噪比改善系數(shù) SNIR被引入 ， 以 描述放大器或測(cè)試系統(tǒng)對(duì) SNR的改善作用 。 Δfin為輸入噪聲的帶寬； Δfn為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬 。 SNIR越高 ， 系統(tǒng)檢測(cè)微弱信號(hào)的能力越強(qiáng) 。 SNIR 可等效 為 ： ninffSN IR????幾種常見電子噪聲 噪聲種類 特點(diǎn) 降低途徑 熱噪聲 屬于白噪聲，功率譜密度在很寬的頻率范圍內(nèi)恒定。 微弱信號(hào)檢測(cè)中要處理的絕大多數(shù)是隨機(jī)噪聲。 ?電子器件的固有噪聲 工程上常用 測(cè)量綜合噪聲效果 衡量電子器件的噪聲 ，不再區(qū)分具體噪聲源 。 (a)實(shí)際電路 (b)等效噪聲電路 圖 2 連接到信號(hào)源的放大器 us— 待放大信號(hào)； Rs— 信號(hào)源電阻； unt— Rs≠ 0引起的熱噪聲； uni— 折算到輸入端的噪聲電壓； ini— 折算到輸入端的噪聲電流 舉例： ?A741的輸入端的噪聲電壓 、 噪聲電流功率譜密度函數(shù) Su(f)、 Si(f)的曲線如下圖所示 。放大器本身不可避免地產(chǎn)生噪聲，對(duì)信噪比本來就比較低的微弱信號(hào)造成進(jìn)一步影響。 ?偏置電路低噪聲設(shè)計(jì) 通常 ， 電阻分壓式直流偏置電路會(huì)產(chǎn)生較大的熱噪
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