第八章_微弱信号检测

1、1微弱信号检测技术锁相放大器取样积分器光子计数2l空间物体检测l光谱测量l生物荧光检测31 引言l 微弱信号检测是一门新兴的技术学科它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。l 在检测系统、图象传榆和通信设备中出现噪声时，仪器的精度、稳定性及重复性就明显降低,由于噪声电报误码率增高，使通信无法正常进行，雷达无法跟踪目标，在电视荧光屏上呈现一片“雪花”，图象模糊不清。4噪声与干扰噪声与干扰l通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。l把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性，可以减少或消除。l锁定放大器要解决

2、的就是如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。5噪声与干扰噪声与干扰l宽带的或持续的无用信号l瞬时的或窄带的无用信号l市电50Hz或100Hz（整流等）；电台；开关通/断；高能量的脉冲电流或电压；机械振动；太阳活动；雷电等6l 对有用信号来讲，干扰和噪声是讨嫌的扰动。为了区别，常把可以减少或消除的外部扰动称为干扰，而把由于材料或器件的物理原因所产生的扰动称为噪声。 l来自检测系统外部干扰，如市电50或100HZ交流干扰，电台的调幅广播信号或电源的开关火花干扰；脉冲激光、雷达发射或电路中高能窄脉冲引起的宽带干扰；元件或部件的机械振动产生额噪效应等。这些干扰绝大多数是“人为的”，采取适当的屏蔽、滤波

3、或元件合理配置等措施干扰是可以减小和消除的。l 7l材料、器件或部件的物理原因产生的噪声。如处于绝对零度以上的任何导电体均具有的热噪声；晶体管、电子管或光电器件中，因电子随机作用而产生的散粒噪声等，均属于这类噪声。这类噪声是由大量的短尖脉冲组成，其幅度和相位部是随机的，脉冲的形状 (时间函数)也不一定相同。但任一噪声脉冲的能量只占总噪声能量的极微小部分。这些脉冲的叠加，即产生所谓的随机噪声。l 8l在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限制，但最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制了传感器的分辨率和系统的动态范围。l 当一个系统的信号扰动很大，在无法区分是干扰还是噪声时，可先加

4、以屏蔽。频率高于1000Hz或阻扰大于1000欧时，一般采用金属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰动或低阻抗的情况，可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。此外，也可先给前置放大器单独供电如有效果，说明噪声主要来自外部干扰，则可进一步采取屏蔽措施。如果还不能减少扰动，就应认为噪声主要是系统内部元部件的随机的基本噪声。9实验室中的典型噪声环境实验室中的典型噪声环境l50Hz电源布线，仪器内部功率单元等l50Hz的谐波可控硅斩波，整流，电感等造成正弦波失真或毛刺l电气触点的通/断触点的通/断总伴随着电火花或电弧10实验室中的典型噪声环境实验室中的典型噪声环境l高频信号开关电源大功率高频振荡器l1/f 噪声1

5、1-8-6-4-20+2+4+6+8-8-6-4-2+2+4+6+80110+2+3+4+5+6+7频率频率单位带宽的相对功率单位带宽的相对功率实验室环境的噪声与干扰分布实验室环境的噪声与干扰分布市电市电50Hz150Hz100Hz200Hz典型宽带典型宽带干扰范围干扰范围调幅调幅广播广播调频调频广播广播12检测系统的屏蔽与接地检测系统的屏蔽与接地l噪声的引入噪声的引入:电容性耦合：电场引起，噪声源内阻高电感性耦合：磁场引起，噪声源内阻低13噪声的屏蔽噪声的屏蔽l电容性耦合：降低电路的阻抗，在噪声源与信号线之间建立导电屏障，屏障接地。例屏蔽线，铜罩壳等。14噪声的屏蔽噪声的屏蔽l电感性耦合减少

6、回路面积，用铁磁性物质包围噪声源。例如，变压器的外壳，双绞线。15接地接地l接大地：消除电位差；消静电。l接信号地：信号的公共点，提供信号回路，减少阻抗。1MHz低频以下可采用一点接地，10MHz以上高频可采用大面积多点接地。还要注意区分模拟地和数字地。16电阻热噪声l检测系统的内部噪声主要由电阻和各种器件产生的。l噪声是自由电子热运动所产生，故通常称它为热噪声。热噪声电流在电阻内流动时，电阻两端就产生噪声电压。因此在l必须考虑热噪声的情况下，任何一个电阻器在电路中的作用，等效于一个无噪声电阻和一个热噪声电压串联17电阻的过剩噪声l 当电阻中流过直流电流时，往往产生过剩噪声。过剩噪声是指在电阻

7、的基本热噪声之外多余出来的噪声。由于它是电流通过电阻时产生的噪声，所以又称电流噪声。在电流流过不连续的导体，如电阻器时即产生这种噪声。合成碳质电阻是碳粒同粘合剂的混合物压制而成的.由于电导率是不均匀的. 直流电流不是均匀地流过电阻器,在碳粒之间有一些象微弧跳变的东西，因而产生电流尖峰或脉冲。这些电流尖峰或脉冲即是过剩噪声。电阻器越均匀，过剩噪声越小。合成碳质电阻器噪声最大，金属膜和线绕电阻器的噪声较小.18典型电阻器的总噪声19各种电阻的噪声指数20半导体二极管的散粒噪声l 半导体二极管中的散粒噪声是在接通电压后，电流通过PN结产生的。在不同时刻通以PN结位垒的载流子的数目是随机的,时多时少，

8、因而造成电流的起伏。这种由于位垒中载流子的散粒性所产生的噪声，称为散较噪声。21半导体三极管的内部噪声l 放大器的噪声是检测系统的主要成份之一，也是影响测量仪器灵敏度的重要因素。l(1)电阻热噪声.半导体三极管内的损耗电阻产生电阻热噪声。具体地讲它是由基极电阻和各电极接线的损耗电阻产生的。l (2)散粒噪声.与PN结二极管一样，半导体三报管的两个PN结的电流也产生散粒噪声电流。22l(3)分配噪声(高频噪声)l 半导体三极管中载流子从发射结注入基区后，大部分流向集电极，成为集电极电流，小部分在基区与异性的载流子复合，成为基极电流。载流子在基极中的复合作用是随机的,时多时少,复合较少时流向集电极

9、的载流子就多，因而集电极电流大；反之，集电极电流小，基极电流大。从而集电极电流中包含着由于的集电极电流和基极电流分配比例发生变化而引起的输出电流起伏，这种起伏分量而形成的噪声称分配噪声。23l(4)闪耀噪声(1f噪声)l 闪耀噪声的功率谱密度与频率成反比，它是低频噪声。实验表明，它的大小与半导体材料及其表面漏电流有关。24l(5)尖峰噪声l。一般认为产生原因是器件中PN结的缺陷所造成的。在信息检测中尖蜂噪声影响l校严重。在扬声器中会发出象炒玉米的爆炸声，故又叫爆裂噪声。25l低噪声设计中，在选译电路元、器件时应尽且减少或避免噪声的引入。l (一)电容器的选择l在低噪声设计中常用云母和瓷介电容器

10、。大容量电容器中，铝壳的电解电容器漏电较大，钽电解电容器漏电小，所以钽电解电容器适合在低噪声电路中使用。2627l在微弱信号检测技术中，需要处理的主要是基本噪声且绝大多数是随机噪声。l 随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，在任何时刻它的幅度、波形及相位那是随机的。但每一种噪声还是服从于一定的统计分布规律，因此又是可统计的。例如，只要产生噪声过程的条件不变，噪声功率或给定时间区间内的能量就不变，它在时间域内的幅度平均值是零。大多数噪声瞬时幅度的概率分布是正态的，即符合高斯分布规律28l噪声电压不仅某一瞬间取值是随机的，且噪声电压随时间变化也是随机的、故称为随机过程。但系统处于稳态时，不同时刻噪

11、声的概率分布规律是一样的，因此又称为平稳随机过程。29l平稳随机过程的另一个重要特征量是它的相关函数 。它表示随机过程二个不同时l间上的相关性，其定义3031噪声的相关函数32测量技术的分类测量技术的分类l非相关测量普通的电压表，示波器，频率计等使用方便，用途广泛l相关测量锁定放大器，同步积分器，光子计数器,数字滤波器等抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高33取样积分器取样积分器 取样积分器取样积分器(Boxcar)， 是一种微弱信号检测系统。是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重它在原理上是很古老的，它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，复特

12、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。样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取因为信号提取(取样取样)是经过多次重复的，而噪声是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。噪比，再现被噪声淹没的信号波形。34一、取样积分器的工作原理一、取样积分器的工作原理1、取样门及积分器、取样门及积分器 取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以取样点的值，应是信号和噪声的和

13、，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为化。若输入信号为Vsi，经过积分器，经过积分器M次积累后所次积累后所得到的输出电压为得到的输出电压为35噪声电压是随机量噪声电压是随机量Vni ，经过，经过m次积累以后，次积累以后，相加所得值相加所得值Vn仍为随机变量仍为随机变量36通过累积以后获得的信噪比为通过累积以后获得的信噪比为通过累积以后信号噪声幅值比通过累积以后信号噪声幅值比(SNIR)为为37 一个取样积分器的核心组件是取样门和积分一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制器，通常采用取样脉冲控制RC积分

14、器来实积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果积累，并将所积累的结果(输出输出)保持到下一保持到下一次取样次取样38取样门及积分器取样门及积分器3940 取样积分器通常有两种工作模式，即定取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；周期信号的某一瞬态平均值； 扫描式取样积分器则可以恢复和记录被扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。412定点式取样积分器定点式取样积分器42

15、定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经定点取样、平均，所以经m次取样平均后，次取样平均后，其幅值信噪比改善为其幅值信噪比改善为 定点式取样积分器仅能在噪声中提取信定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。同的定点可通过手控延时电路来实现。433扫描式取样积分器扫描式取样积分器 扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲

16、和在取样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这两个过程。脉冲控制下作同步积累这两个过程。 扫描式取样积分器可得到形状与输入的扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。中提取信号并恢复波形。44454647 定点式取样积分器按照定点取样定点式取样积分器按照定点取样m次的法则，次的法则，不难理解幅值信噪比改善为不难理解幅值信噪比改善为 的结论。的结论。 对扫描式取样积分器由于可变时延的取对扫描式取样积分器由于可变时延的取样

17、脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化的，样脉冲在取样过程中取样点是逐渐变化的，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制，所以它的取样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。只有在门宽范围内才能被取样。信噪比改善信噪比改善48由于慢扫描电压相对于时基电压变化十分缓慢，因而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至在输入的被测信号波形上每一“点点”依次可以掠过依次可以掠过多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样多个门宽的取样脉冲，从而对波形每个取样“点点”进进行多次积累

18、平均。行多次积累平均。49举例l举例l用取样法组成的测光系统l使用双通道取样积分器的激光分析505152具有基线取样的取样积分器53双通道取样积分系统54 锁相放大器锁相放大器 锁相放大器又称锁定放大器它也是一锁相放大器又称锁定放大器它也是一种微弱信号的检测仪器。它起到了一个极种微弱信号的检测仪器。它起到了一个极窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波窄的带通滤波器的作用，而不是普通滤波器。它的原理也是基于信号和噪声在相关器。它的原理也是基于信号和噪声在相关特性方面的差别。特性方面的差别。55锁定放大器的工作原理锁定放大器的工作原理l1962年第一台仪器问世。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱

19、信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。l信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。56两个随机过程的相关性两个随机过程的相关性l对两个信号，定义相关函数互相关Rxy 函数2/2/)()()(1TTTxydttytxRTLim57两个随机过程的相关性两个随机过程的相关性互相关Ryx 函数：2/2/)()()(1TTTyxdttxtyRTLim58随机过程的相关性随机过程的相关性自相关函数：2/2/)()()(1TTTdttxtxRTLiml白噪声，自相关函数=059相关检测相关检测60相关检测相关检测l设有信号S(t)，通过如上图所示的功能器件，则有：dttnt

20、StntSTR)()()()(1)()()(nnSSRR如果参考信号是“干净”的，则只剩下第一项。61相关检测的矢量解释相关检测的矢量解释l参考信号：可看成是基矢(正弦波)或基矢的线性组合（非正弦波，如方波）l检测信号：可看成是由多个正弦信号的线性组合l旋转坐标系，R检测信号绕参考信号作相对转动62相关检测的矢量解释相关检测的矢量解释l检测结果(对基矢投影)：被检信号与参考信号相对稳定不动；有稳定输出-直流被检信号与参考信号有相对运动；有不稳定输出-交流l通过阻容电路（积分器）可滤除交流，取出直流63典型锁相放大器原理64l锁定（锁相）放大器（lock-in amplifier）就是利用互相关

21、原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。锁定放大器可在比被测光信号强100dB 的外来干扰中检测出目的信号。从锁定放大器问世以来，由于其在微弱信号检测方面的优越性能，在科学研究的各个领域得到广泛的应用。l65l锁定放大器有三个特点：用调制器将直流或渐变信号调制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，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。 66l设输入信号为：l根据傅立叶

22、变换，r(t)可用三角函数的形式表示。l 0( )cos()x tVt1014( 1)( )cos(21)21nnr tntn67检相器是一个相位比较装置，它把输人信号检相器是一个相位比较装置，它把输人信号和参考信号进行比较。当两个信号的相位完和参考信号进行比较。当两个信号的相位完全相同时，经低通滤波器后，输出信号的直全相同时，经低通滤波器后，输出信号的直流分量达到最大。流分量达到最大。6869l相敏检测器是锁定放大器的核心部件，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。相敏检测器有模拟乘法器式和电子开关式，其中电子开关式相敏检测器由于受到参考信号幅度波动的影响较小，所以得到更广泛的应用。l电子

23、开关式相敏检测器的输出等效为被测信号与幅度为1、占空比为50的方波信号r(t)的乘积。70lr(t)与 相乘的结果为：l式右边的第一项为差频项，第二项为和频项。经过低通滤波器（LPF），所有的和频项与的差频项都被虑除，最后滤波器的输出为： ( )x t1001( )( )( )4( 1)cos()cos(21)21pnnutx tr tVtntn1100112( 1)2( 1)cos(22)cos22121nnnnVVntntnn71l说明被测信号通过相敏检测器(PSD)和低通滤波器(LPF)后，输出正比于被测信号的幅度、同时正比于参考信号与被测信号的相位差的余弦函数，此时，输出最大，从而实现

24、鉴幅和鉴相。 2( )cos( )oVu t7273锁定放大器的输出锁定放大器的输出Vo=Vi cos是检测信号与参考信号的相位角74参考信号的要求l从以上特点可知，参考信号一定要有被测信号中某个特定成分。参考信号源同时驱动被测设备，在实验室常用这种方法。从被测信号中提取同步信号，再转为本地的参考信号。在无线通讯中只能 用这种方法，如电视。75相对振幅fR3fR5fR频率 传输窗口（参考信号：方波）传输窗口（参考信号：方波）76 偶次分量的测量偶次分量的测量l利用锁相环产生两倍频的参考信号方波只有奇次谐波，但如灯泡的光的频率是驱动信号频率的两倍。用锁相环产生倍频。77乘法器的工作过程乘法器的工

25、作过程V+ +- -接差动积分器信号地参考信号被测信号78积分器工作过程积分器工作过程低通滤波器及特性f100%79内外前置被测信号滤波器主放灵敏度乘法器T积分器DC放大输出参考信号方波产生内部振荡相位80=902 VsV0t测 量信 号参 考 信 号V10t+2 VsV0t输出经低通 后 的 输出(平均 电 压 )(a)=0oV0t输出V0tV0tV0tV0tV0tV0t 0tt0VV平均 电压平均 电压平均 电压(b)=180o(c)o任意 相 位(d)81锁定放大器的改进锁定放大器的改进l矢量型：两个正交的参考信号矢量型：两个正交的参考信号V (t)RV (t)S低通V (t)PV (t

26、)OV (t)RV (t)S低通V (t)PV (t)OVR(t)VO(t) VS(t)82锁定放大器的改进锁定放大器的改进l正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗正弦化型：参考信号正弦化，消除多窗口口多基矢f3f5f83锁定放大器的改进锁定放大器的改进f正弦化84 适合于锁相放大器检测的信号应该适合于锁相放大器检测的信号应该是单频率的，或者说传导频谱所占宽是单频率的，或者说传导频谱所占宽度是较窄的，也就是要求信号所携带度是较窄的，也就是要求信号所携带的检测量的检测量(信息信息)的变化是很缓慢的，的变化是很缓慢的，否则检出的信息就会因丢失高额分量否则检出的信息就会因丢失高额分量而畸变。而畸变。85l通道A和B属高精度、高速集成运放，其中l开环电压增益Avd100dB，l输入失调电压VOS100V，l输入失调电流IOS10nA，l输入偏置电流IIB100nA，l共模抑制比KCMR110dB，l电源电压抑制比KSVR100dB，l转换速率SR45V/s，l开环带宽积B