微弱信号检测

1、微弱信号检测课程论文 题 目 微弱信号检测中的噪声与直流误差分析 学生姓名 学 号 院 系 专 业 电子信息工程任课教师 二一六 年 六月 十二日摘要在实际的数据采集和信号处理系统中，由于信号的幅值较小，测量时又受到信号端、传输器件及变换器件等本身存在的本底噪声的影响，表现出的总体效果是有用信号被大量的噪声和干扰所淹没。如何检测这种强噪声干扰情况下的微弱信号，是信号处理中的重要研究内容。许多科研工作者已提出了一些有效的处理方法，如基于高增益的宽带波束形成的微弱信号检测方法及微弱信号的相干检测法等，但都存在灵敏度不高或适应性不强的问题。要提高灵敏度，就需要对面电路及过程进行误差分析。In the

2、 actual data acquisition and signal processing system, due to the small amplitude signals, measured by signal terminal, transmission device and transform device itself has the background noise effects showed the overall effect is the useful signal is flooded with a lot of noise and interference. How

3、 to detect the weak signal under the condition of strong noise interference is an important research content in signal processing. Some effective approaches have been proposed by many researchers, such as those based on the broadband and high gain beam formation of weak signal detection method and t

4、he weak signal of the coherent detection method, but there are sensitivity is not high or do not have a strong adaptability. In order to improve the sensitivity, we need to analyze the error of the circuit and process.关键字 直流误差分析 热噪声 设计误差引言 在几乎所有的微弱信号测量领域微弱的物理量信号最终都是转变为微弱的电信号再进行放大处理。微弱信号不仅表现为其幅值极其微弱更

5、表现在其可能被各种噪声信号所严重淹没。在广泛意义上可以认为噪声就是扰乱或干扰被测信号的某种不期望的假信号。噪声可以来自检测系统内部也可以来自系统外部而且噪声源的种类可以有很多并且可以具有不同的特点对信号检测的影响可以不同。噪声的大小决定了检测系统的分辨率和可检测的最小信号幅度。因此分析微弱信号检测系统存在的噪声及其特点研究和分析相应的抑制噪声的手段对微弱信号检测相当重要。很多情况下微弱信号是直流信号微弱直流信号的测量除了受噪声的影响外还会受到诸如接触电势、温差电势、电化学电势、放大电路偏置电流与失调电压等直流误差信号的严重影响因此研究和分析微弱信号检测系统的存在的直流误差源及其特点寻求降低或减

6、小此类误差信号的方法显得同样重要。1 微弱信号检测中的噪声 1.1 电阻的热噪声 电阻器如果不外加电动势，那么用普通的电表去测量它的电流或端电压时读数为零。但事实上，电阻两端时刻都存在着瞬时噪声电压，如果把它接到一个放大量足够大的理想放大器输入端，并用示波器观察它的输出时，可以看到一片“茅草”状的无规则杂波。这说明即使没有外加电动势，电阻R也会在其两端呈现噪声电压起伏这就是电阻的热噪声也称为约翰逊噪声。这是由于在任何一个处于绝对零度以上的导体中内部的载流子做无规则的热运动。由于运动会随温度的升高而加剧，因此热噪声的幅度会随温度的上升而提高。我们可将热噪声视为组件(如电阻器)电压的不规则变化。下

7、图 2-1显示了标准示波器测得的一定时域中热噪声波形从图中还可看到如果从统计学的角度来分析随机信号的话，那么它可表现为高斯分布曲线。 可见电阻的热噪声是频谱很平的白噪声不可预见呈高斯分布。一个电阻产生的噪声电压由下式决定： (2-1)式中k波尔兹曼常数(KJ/1038.123×) T绝对温度(K) B测量带宽(Hz) R电阻阻值()一个阻值为1M的电阻在27°C温度下100KHz带宽时的均方根为7.40uV一个阻值为10k的电阻在27°C温度下1HZ带宽时的均方根为9.12。可见对于检测uV级甚至nV级信号电阻的噪声是不容忽视的。 任何测量仪器都有其测量的理论极限

8、这一测量灵敏度的理论极限取决于信号源的内阻所产生的噪声(约翰逊噪声)显示了任何仪器电压测量的理论极限灵敏度。图2-2表明信号源内阻为1时电压的检测极限为1nV如果该信号源的内阻变为1T,则毫伏级以下的电压测量就会变得几乎不可能。显然,在电子测量系统其它噪声和误差完全被消除的情况下,能够分辨的微弱信号极限值为信号源内阻的热噪声。根据式(2-1)为了能够有效地测量微弱信号,必须尽可能地减小测量带宽,即增加仪器的响应时间,比如增加仪器的积分时间,同时也可以降低检测系统的温度,并尽可能减小放大电路前端的电阻阻值。 在不少情况下,电阻的阻值不可能选得很小,为此可在电阻两端并联一个电容,如图2-3所示。图

9、中,是电阻R的热噪声电压则电容两端的噪声电压为 (2-2)等效热噪声带宽为B=1/RC4 (2-3)代入(2-1)得电容两端的热噪声电压有效值为(2-4)式。(2-4)证明，阻容并联电路的热噪声的输出有效值与电阻阻值无关，只取决于电容和绝对温度，热噪声带宽取决于电阻电容的乘积，增大电容量可以减小热噪声电压，减小热噪声带宽。例如一个阻值为1M的电阻和1000pF的电容并联在27°C温度下的噪声电压为3.2uV比没有并联电容时的噪声电压小了20倍。 1.2 1/F噪声 不同的导体相互接触时,由于接触面电导的随机涨落引起的噪声电压,该噪声电压与频率成反比所以又称1/F噪声为接触噪声。相关研

10、究表明接触噪声功率为 （2-5） 几十年来1/f噪声产生的物理机理一直是国际上研究的一个热点分别提出了表面载流子数涨落模型、迁移涨落模型和量子1/f噪声理论。 需要指出的是即使电阻内部由于阻值的波动也会产生一种过量噪声这也是一种1/f噪声。下面给出了几种电阻的过量噪声电压有效值(以电阻两端每1V电压10倍频范围内测得)。 与电阻的热噪声处理一样为了能够有效地测量微弱信号应尽可能地减小测量带宽。 1.3 工频噪声 在工频电网供电的地方工频噪声是存在普遍的。工频噪声会通过各种途经进入测量系统与被测信号叠在一起使测量值发生偏移直接影响到精度有时甚至造成无法测量因此对微弱信号测量的影响尤为显著。如果测

11、量结果中出现异常现象或有较大的误差则很有可能是由于工频噪声的影响。工频噪声的影响可由图2-5看出 图中(a)为放大器输入端短路输出的工频噪声信号其基波为50Hz(b)为含有工频噪声的放大器输出信号显然输出波形叠加了工频噪声(信号频率为工频的4倍)。 常见的工频干扰源有高压工频电力线产生的工频电场大电流工频电力线产生的工频磁场实际工频电力线产生的工频电磁场电源变压器的容性泄漏电源变压器产生的工频磁场工频地电流变频器、软起动器等变流、调速装置产生的谐波干扰等。可见工频噪声的影响是广泛的。工频噪声进入检测系统的途经有多种由于不存在彻底绝缘的材料所以工频电压会通过泄漏电阻进入检测系统例如380V交流电

12、压通过高达10000M的绝缘材料的电流为nA38。工频噪声还存在频移。 工频电压也会通过与检测系统之间的分布电容耦合进入检测系统。两根平行直导线间的分布电容为式中是空气的介电常数D是导线的中心距L是较短的一根导线的长度d是较细的一根导线的直径。例如空气中两根直径mm长10cm相距1m的导线间的分布电容约为0.pF366220V交流电压通过其的耦合电流可达nA3.25。空气中直导线与金属平面间的分布电容为式中h是导线中心与平面间距单位mmL是导线的长度单位mmd是导线的直径单位m。例如一根直径1mm长10cm直径的导线与金属平面相距m1.0其间的分布电容约为927.0pF220V交流电压通过其的

13、耦合电流可达nA1.64。 工频噪声还会通过工频磁场耦合进入检测系统。空气中一根长直导线通以电流则在离导线中心距r处的磁感应强度为 (2-9)则有显然对于检测 Vµ级和pA级以下的微弱信号例如本课题的微弱光电流信号可小到只有pA1.0以下工频噪声对其检测的影响是很大的。 抑制工频噪声的通常方法是良好的屏蔽、正确的接地、设置保护环、采用高共模抑制比的输入电路和陷波器或窄带滤波器。然而很多时候即使采用了上述措施也并不能彻底消除工频噪声。此外工频噪声中还存在谐波噪声而且谐波噪声的频率较高即使源噪声分量很小通过分布电容和电磁耦合进入检测系统的分量仍然较大。因此只有同时采用合理的信号检测技术才

14、能有效地抑制和消除工频噪声。 1.4 地线噪声 检测系统工作时必然存在工作电流由于系统的复杂性地线回路难以做到足够短另外由于面积空间的限制地线回路的宽度难以做到足够宽这样地线回路就存在一定的阻抗工作电流流过地线地线上必然产生压降。如果系统的工作频率较高或存在频率较高的数字电路那么地线上除了直流压降外还会产生交流噪声。数字电路产生的地线噪声是很显著的不但与其工作频率有关还与其开关速度密切相关。例如一条长2cm宽mm6.0的印刷地线的电感约有10nH流过10mA 1MHz正弦波电流时的地线压降为1mV而如果一个普通数字集成电路的上升或下降沿时间为10nS电流的变化为10mA那么在该地线上产生的峰值

15、噪声电压可达到16mV。地线除了存在直流电阻和分布电感引起地线压降外在频率较高时还存在集肤效应引起的阻值变化这同样会产生一种地线噪声。测量系统除了存在数字电路引起的地线噪声外还存在由于调制引起的信号幅度的变化导致模拟放大电路工作电流的变化而产生的地线噪声不仅于此电源电压本身的纹波噪声也会引起工作电流的变化从而产生又一种地线噪声。由上可见地线噪声对微弱信号的检测有着不可忽视的影响。 地线噪声的抑制措施通常有尽量缩短地线长度和增加地线宽度设置就地高频去耦电容降低工作电源的纹波采用低功耗电路PCB分区布线数字与模拟电路单点共地。2 微弱信号检测中的直流误差 2.1 热电势 热电势是影响微弱直流信号测

16、量的主要因素之一。热电势是由接触电势和温差电势共同作用的结果。(1) 接触电势 接触电势又称为帕尔帖效应：它是由两种不同的导体内部电子密度不同在接触面上扩散运动造成的并且随着温度变化而变化。电子测量系统中存在着多种导体如铜、金、银、锡、硅、锗、碳、铅、氧化铜等必然存在接触电势。测量系统放大电路内部的接触电势的影响可采用多种技术消除但信号输入回路的接触电势的影响有时很难消除这时应尽可能的采用同质材料连接。 (2) 温差电势 温差电势是同一种导体当其两端温度不同高温端电子向低温端迁移运动造成的这一现象又称为汤姆逊效应。显然电子测量系统由于温度场的分部不均元器件内外温度不同不同的区域温度不同必然存在

17、温差电势。虽然电子测量系统内部的温差电势的影响可以消除但信号输入回路的温差电势的影响有时难以消除这时应尽可能的采用同质材料连接这样回路中的温差电势会自动抵消。同时尽可能地保持测量系统温度场分布均匀。 接触电势和温差电势的共同作用叫做热电势。在微弱直流信号测量中最常见的误差源就是热电势(热电EMF)。如前面所分析热电势是由不同材料的导体接触以及导体结点温度的差异造成的。 由上可见虽然铜铜接触所产生的热电动势很小但如果铜质材料连接不良并且存在氧化时热电势对微弱直流信号测量的影响是相当大的。 因此为了减小微弱直流测量时的误差检测系统应尽可能选择同质测量导线或尽可能减小测量端的接触电势电路内部导体间的

18、接触电势也尽可能小。减小测量电路内部和测量环境的温度差异保持测试仪器内部的通风尽可能实现温度一致。如果有可能应在测量前使仪器预热一段时间使测量仪器内部的温度与环境温度尽可能接近。2.2 放大电路的失调 集成运算放大器的差分输入级不可能完全匹配必然存在失调电压与失调电流。运算放大器的失调信号很多时候要比被测微弱信号大得多。此外运算放大器的失调信号还会随着温度和时间而变化。在直流微弱信号测量中应选用低失调、低温漂的运放但即使超精密运放输入失调电压也可达到1Vµ失调电流可达1pA普通运放则达到15mV以上失调电流可达Aµ级。 2.3 共模误差的影响 通常运算放大器放大的是差模信号

19、但即使被测差分信号为零如果差分信号对地存在共模电压由于运算放大器的共模抑制比CMRR有限放大电路的输出并不为零。衡量运放对差模干扰和共模干扰抑制能力的指标为差模抑制比(NMRR)与共模抑制比。共模抑制比表示对出现在运放两输入端与地之间共模干扰信号的抑制能力。共模抑制比越高抑制共模噪声的能力就越强然而共模抑制比是有限的这就导致共模电压在运算放大器的输出中产生误差。例如假使一个超精密运算放大器的共模抑制比为140dB模电压为10V则即使差模输入电压为0输入失调电压也为0输出也会有1Vµ的误差。由于反相运算放大器的输入共模电压为零所以采用反相运算放大器的放大电路不存在共模误差但输入电阻较同

20、相放大器小很多。 2.4 增益误差 设负反馈放大器的闭环增益为A,放大器的开环增益为放大器输入为iV则放大器输出为 只有当AK>>时, 才有OiVAV即输出与放大器的开环增益K无关。例如某运算放大器的开环增益为dB100如果闭环放大倍数为100则实际闭环放大倍数为99.9。放大器的开环增益有限引起的闭环放大倍数误差是非线性的而且开环增益随着温度、时间变化特别是随变化很大并随放大器内部各种参数及信号大小作非线性变化。因此每一级放大器的闭环增益不可很大否则将会造成较大的误差而且存在无法消除的较大的非线性误差。 3 小结 目前针对微弱信号检测系统的噪声特别是直流误差的种类、性质与影响的分析研究的成果和文献比较零散。本文对微弱信号检测系统存在的各种噪声和直流误差进行较全面系统的分析和研究并对它们对微弱信号检测的影响作了基本的评估。研究表明工频噪声和高频辐射噪声是最主要的噪声工频噪声不但频率较低而且幅度较大对低频和直流微弱信号影响很大由于射频噪声会产生非线性的整流效应同样会对低频和直流微弱信号产生较大影响。热电势和电化学电势是影响微弱直流信号检测的主要因素并且随着温度的变化而变化。要对微弱信号进行有效的检测必须针对不同的噪声和直流误差的特点采取屏蔽、合理接地、抗振、滤波、隔离等抑制措施。