微弱信号检测电路

1、第六章 微弱信号检测电路11 元件固有噪声与他的规律2 噪声因数与噪声测量方法3 低噪声放大器4 频域微弱信号的检测5 时域微弱信号的检测234第一部分 噪声与噪声的测量热噪声是一种最普遍的噪声，由于导体内部自由电子做无规则的热运动而产生的，是杂乱无章的，温度越高越激烈。随机性：自由电子的无规则的碰撞运动，在导体内部形成许多小的窄脉冲电流波动，其幅度、持续时间和方向都是随机的，在导体两端产生小的波动电势噪声电压振幅平均值为0概率谱密度函数呈正态分布（平稳随机过程）可以用功率谱密度（单位频带的噪声功率）函数描述。功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 所有频率具有相同能量的随机噪声。567电阻热

2、噪声的有效电压R:电阻值f：系统带宽k:波尔兹曼常数（1.3810-23J/K)；T:绝对温度（室温下T=290K）；8例题 放大器的工作带宽为2MHZ，信号源电阻为200。当工作温度为27oC，电压增益为200，输入信号有效值为5V时，试该系统的性能，假定放大器的其它噪声可以忽略。9输入放大器噪声放大器输出10111213141516171819202122232425262728293031323334356.4 频域微弱信号检测一 关于相关检测相关检测技术：利用信号的周期性和噪声的随机性的差别，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。自相关或互相关运算功能可利用现代计算技术和微机

3、系统来实现，也可以由电子电路来完成，在检测仪器中，常采用后一种技术。36自相关和互相关函数1 自相关函数的定义Rxx（）= lim T2T21T(t) (t - ) dtT它表示随机信号(t)与延时了时间间隔之后的同一信号的相关性。当随机函数不包含有周期性分量时， Rxx（）在= 0时最大，随的增加而单调下降， 时， Rxx（）趋近于 (t)的平均值的平方，若(t)的平均值为0，则Rxx（）随 的增大而趋近于0。由于噪声的平均值为0，利用此性质，得出噪声的自相关函数接近于0的结果372 互相关函数的定义Rxy（）= lim T2T21T1(t) 2(t - ) dtT它表示两个不同的随机变量(

4、如信号与噪声)互相独立,则互相关函数将是个常数,它等于二随机函数的平均值的乘积,若一个平均值为 0 (如噪声) 则互相关函数处处为0。38延迟1(t)=Si(t)+n(t)输入信号参考信号2(t)=SR(t)乘法器积分器输出R12( )Si(t):有用信号n(t):随机噪声信号R12（）= lim T2T21T1(t) 2(t - ) dtTT2T2T21TSi(t) SR(t - ) dt +T= lim T21Tn(t) SR(t - ) dt = RsisR() +RnsR() RsisR()39激励正弦波发生器传感器延迟Si（t）n（t）乘法器1(t)=Si（t）+n（t）1(t)2(

5、t)=SR（t - ）SR（t）R12( )设Si(t)=VsmCOSt , SR(t)=VRmCOS(t+ )=(VsmVRm)/2 COS(）这是一个不衰减的周期函数，是可测的。说明相关接收法能有效去除随机噪声，使输出信噪比提高许多。实际的相关接收电路是相敏检波器与低通滤波器的结合RsisR()=limT1/TT2T2 VsmCOS(t) VRmCOS(t+ )dt4041 相敏检波器424344-1+1Vs输入信号开关驱动电路参考电压VRLPFVO低通VPVRtVstVptVO同相VO0VRtVstVptVO反相VO0VRtVstVpt相位差=900 ，VO=0当相位差为任意，VO=VS

6、COS45六 相敏检波器抑制低频干扰VRt参考电压低频干扰VNPSD输出VPttVP经过低通滤波器后，不产生输出，说明能够抑制低频干扰信号466.5 时域微弱信号检测利用相关检测技术解决频域信号的高灵敏度和窄带化接收问题，起到去除噪声的作用。但有时需要了解真实信号的波形形状，比如，在调试放大器时，我们不但用电压表测输入输出信号的大小，求出其放大倍数，还要用示波器看波形的形状，判断是否有饱和或截止失真。这就是时域分析重要意义。47一 采样积分检测原理123N设信号是周期的2 用一个采样时间极短的采样/保持器周期地对其采样若信号是无噪声的稳定的周期信号，则每次采到的数值不变，亦即它的积分平均值仍为

7、该信号此时刻的瞬时值；若信号混杂有随机噪声，则各次采样值有可能偏离有用信号的瞬时值，但如果将保持电容CH取得足够大，起积分平均做用，则噪声的影响就会减弱，且采集的次数越多，噪声的平均值越小，N足够大，噪声为0，但稳定的有用信号不会受到积分平均的影响。N值取得越大，一次检测需要的波形个数越多，即要花费更长的时间，提取有用信号波形的效果是以延长测量时间为代价的。对周期性波形固定位置采样48一 采样积分检测原理另外，应在一个周期内采集多个点，比如沿波形采集M点,点数越多，其复现的越好，但增加了系统复杂性。测量波形上的一个点要一个积分器。对于N次积累后，采样积分器的信噪比改善系数为： SNIR=（S/

8、N)o/（S/N)i=N（S/N)o：输出信号信噪比 （S/N)i：输入信号信噪比也就是说，积分器对N次采集信号（包括噪声n和有用信号s），进行线性积分累积过程中，对s的累积结果为Ns，对噪声的累积结果为 n，因为n次的噪声求和应当服从于均方根和法则，故积分器的输出信噪比（S/N)O=Ns/ n= s/n= (S/N)NNNN49多点信号采样积分平均器原理图将一个波形分成M个点,用M个积分器对信号进行积分平均，在输入触发脉冲作用下，逻辑电路发出t1，t2，t3，tM顺序控制脉冲，通过模拟开关S1，S2，S3, .SM,顺序将C1，C2，C3， CM接通，则C1，C2，C3， CM上存储了一个波

9、形上M个点一次检测的瞬时电压值。继续进行对N个波形的类似的检测与积分平均，C1CM上的各电压值就十分接近有用信号波形的各点瞬时值了，而噪声却被抑制掉了。随着电子器件的发展，多点信号平均器的采样点数可达2048点。这种抑制噪声的方案适用于处理频率较低的信号。触发采样时间逻辑控制电路123MRS1S2S3SMC1C2C3CM.t1t2t3tMA1A2输出输入触发输入(与输入信号同频)50BOXCAR积分器（单点采样积分器）A1S1RC输出VO步进采样脉冲发生器T参考输入信号输入放大器积分器tGVC1 模拟开关S1控制着RC积分网络对输入信号Vi的采样。 S1导通时间由采样脉冲tG的宽度决定，tG是

10、可选定的2 步进采样脉冲发生器在采样信号触发下，产生门控信号VC3 设计时，一方面要满足选定门控信号宽度tG，另一方面 还要使tG相对参考脉冲或输入信号Vi能发生线性的移动4 参考输入的脉冲周期和输入信号的周期相同51采样脉冲步进移动示意图123tGt2tVi输入信号VC门控信号ttAAA”在第一个输入波形第一次触发后，产生1号采样脉冲；在第二个输入波形第二次触发后，产生2号采样脉冲；两采样脉冲间隔T+t，以后每一个采样脉冲推后t形成了tG周期地扫描输入波形Vi效果。VittGABC设计电路时，t比tG小很多，设NS= tG/ t ， tG是采样门每次开通的时间，在此期间积分器对输入信号Vi进

11、行积分累积。由于这个窗口比较宽，而窗口的移动速度又比较慢（每次t），所以由这个窗口观察到的波形有相当多的部分是多次重叠的，采样门的前沿从A点移动到B点，Vi上B点将被重复观察到NS=tG/ t 次，即积分器对输入波形B点的瞬时值将进行NS 次的积分平均，意味着随机噪声成分大为减少，而SNIR= = tG/ t NS52BOXCAR积分器测试一个完整波形的时间123tGt2tVi输入信号VC门控信号ttAAA”实际上， t 一个接一个发生，被检测的波形Vi上任何一点都受到了上述这种积分平均处理，积分器的输出波形对应输入的有用信号，而随机噪声信号则被积分平均作用抑制掉了。BOXCAR积分器测量完一个完整的波形周期T所需时间Tt:设一个周期波形被分割成M个点,每一个点所属的区域宽度对应一个窗口宽度tG,每一个点的积分平均次数为NS,而每输入一个被测波形只产生一次步进,tG窗口移动t,则Tt=MNST如:被测信号1KHz,分成100个点,每点积分平均100次,那么:Tt=100*100*1/1000=10(S) ,说明用10S时间才能测完一个1KHz的周期波形,其SNIR=10,是以时间为代价,换取积分平均的效果.53BOXCAR积分器的电路组成结构A1A2模拟开关驱动电路门宽tG产生电路(单稳触发器)A3延时电路时基