《工学取样积分》教学课件

1、第5章 取样积分锁相放大：频域信号的窄带化处理，可得到淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位（正交矢量型可得到相位）取样积分：时域信号的累积平均，可恢复被噪声淹没的信号波形。信号波形重复出现，且形状不变战争影片中经常见到通话场面：“听不清！再说一遍！”为什么多听几遍就能明白对方的意思？噪声是随机的，信号是确定的。多次累积平均，随机噪声互相抵消，从而提高信噪比1第1页，共32页。5.1 取样积分的基本原理积分门脉冲电路参考信号与被测信号同频率，或者直接就是被测信号工作方式单点式多点式：每个周期中在不同时间点多点取样积分，可快速恢复波形定点式：每一周期中脉冲出现在固定时刻，只能获得信号周期中固定时刻的

2、幅度信息扫描式：脉冲出现时间逐渐后移（BOXCAR），能够获得信号周期中不同时刻的幅度信息，可恢复信号波形门积分器门积分器：积分器与取样门的串联，取样积分器的核心2第2页，共32页。5.1.1 线性门积分-+-+线性积分电路零状态阶跃响应：为阶跃电压时间常数：书上图5-2有误！3第3页，共32页。-+-+线性门积分器门脉冲电路取样门K取样门开关K闭合：积分取样门开关K断开：电容的维持作用，输出保持不变门脉冲周期门脉冲宽度线性积分器与取样门开关的串联零状态阶跃响应（近似）：等效时间常数：4第4页，共32页。积分器时间常数门积分器等效时间常数线性积分器与线性门积分器阶跃响应曲线输出幅度受运放线性工

3、作范围限制，适于信号幅度较小的场合。信号幅度较大时运放很容易饱和，应采用指数式门积分器经过N次累积后的信噪改善比：累积次数越多越好5第5页，共32页。普通RC指数式积分器5.1.2 指数式门积分普通RC指数式积分器的零状态阶跃响应：时间常数：时，时，时，接近稳定值6第6页，共32页。门脉冲电路取样门K取样门开关K闭合：积分取样门开关K断开：电容的维持作用，输出保持不变普通RC指数式积分器与取样门开关的串联指数式门积分器零状态阶跃响应（近似）：等效时间常数：7第7页，共32页。指数式积分器与指数式门积分器阶跃响应曲线指数式门积分器的优点：随着取样次数的增加，积分输出的增量逐渐减小，不会象线性门积

4、分器那样因积分时间过长而饱和8第8页，共32页。而线性门积分器信噪比的改善则不受时间常数的限制。在不超过电路线性范围的前提下，取样积分次数N越大，信噪改善比越大。线性门积分器信噪改善比为：，N不受Tc限制指数式门积分器缺点：积分时间大于2Te(或NTg2Tc)以后，积分作用明显降低，继续增加积分时间对提高信噪比意义不大。指数式门积分器所能达到的信噪改善比：或者。为了让电容充分充电，NTg会达到5Tc，但在用计算信噪改善比时，仍按NTg=2Tc计算9第9页，共32页。定点式与扫描式5.2 单点式取样积分器工作方式5.2.1 定点式工作方式定点式用于检测信号波形上某一特定位置的幅度信息，功能类似于

5、锁相放大器扫描式用于恢复被测信号的波形积分门脉冲电路被测信号参考信号10第10页，共32页。定点式波形被测信号取样脉冲输出信号输出信号最终趋于被测信号在取样点处的平均值，噪声因平均而得到衰减11第11页，共32页。定点式取样脉冲的产生被测信号取样脉冲输出信号参考触发延时脉冲TgTd12第12页，共32页。5.2.2 扫描式工作方式被测信号取样脉冲输出信号被测信号上被取样平均的小区域（BOX）象CAR一样缓缓移动，从而依次得到各个小区域的取样平均值，信号波形得到复现距离起点的时间间隔逐渐增大titi+1注意：取样脉冲推迟得十分缓慢，相邻两脉冲取样范围大部分重叠13第13页，共32页。扫描式脉冲产

6、生过程被测信号取样脉冲输出信号参考触发时基与慢扫描TSTB比较器输出Tg时基TB的始末位置决定了信号周期中被恢复区间的范围T14第14页，共32页。积分门脉冲电路被测信号参考信号触发时基TB慢扫描TS比较器门脉冲在各周期中的出现时间逐渐缓慢推迟，从而使信号周期中各点依次得到平均，实现信号波形的复现扫描式取样积分结构框图15第15页，共32页。被测信号取样脉冲参考触发时基与慢扫描TSTBTgT取样脉冲逐次移动间隔被测信号每一点被取样的次数16第16页，共32页。5.3 取样积分器参数选择1. 取样脉冲宽度Tg的选择取样脉冲宽度Tg反映了对信号中的高频分量的滤波程度令被恢复信号为正弦信号宽度Tg的

7、取样脉冲在t0时刻对其取样积分后的输出为低频：高频：高频损失程度：17第17页，共32页。高频损失程度：要求高频损失不超过3dB取样脉冲宽度Tg确定以后，被恢复信号的最高频率被恢复信号的最高频率确定以后，取样脉冲宽度的上限脉冲宽度Tg越窄，能恢复的信号频率越高取样脉冲宽度Tg与被测脉冲信号上升时间tr的关系若被测信号为脉冲信号，则其陡峭的上升沿含有丰富的高频分量，上升时间(从稳态值的10%上升至90%)正是反映了这些高频分量。下降沿与此类似上升时间与频带宽度的关系为0.35被称为上升时间与频带宽度的转换系数18第18页，共32页。2. 时基锯齿波宽度TB的选择时基锯齿波的宽度TB决定了被测信号

8、周期中恢复区段的长度，在实际需要恢复区段的两端都要留有余地3. 积分时间常数Tc=RC的选择指数式门积分器在NTg2Tc以后，积分作用明显降低，继续增加积分时间对提高信噪比意义不大。所能达到的信噪改善比：所以线性门积分器信噪比的改善则不受时间常数的限制。在不超过电路线性范围的前提下，取样积分次数N越大，信噪改善比越大。线性门积分器信噪改善比为：需要从测量时间等方面综合考虑积分时间常数增大Tc有利于提高信噪改善比，但需要更长的测量时间19第19页，共32页。4. 慢扫描时间Ts的选择慢扫描时间也就是恢复波形所需要的测量时间被测信号每一点被取样的次数取样脉冲逐次移动间隔测量时间（1）线性门积分信噪

9、改善比的需求决定了取样次数N：20第20页，共32页。（2）指数式门积分为了使电容充分充电，希望NTg能够达到5Tc(充至99.33%)Tc与信噪改善比有关：21第21页，共32页。线性取样积分器参数选择步骤估计信号最高频率分量f0计算门脉冲宽度Tg0.42/f0要求的SNIR计算慢扫描时间信号周期T根据信号周期中需恢复的波形区间范围确定TB22第22页，共32页。指数式取样积分器参数选择步骤估计信号最高频率分量f0计算门脉冲宽度Tg0.42/f0要求的SNIR计算积分时间常数信号周期T根据信号周期中需恢复的波形区间范围确定TB计算慢扫描时间书上图5-23此处有误！23第23页，共32页。例：

10、被测信号周期为T=10ms，测量范围TB=2ms（要求选TB=3ms以确保全部覆盖），要求信噪改善比SNIR=10，取样门宽Tg=0.1ms，求指数式取样积分器的参数Tc和Ts。解：积分时间常数总测量时间24第24页，共32页。5.4 基线取样与双通道取样积分器1. 基线取样若基线存在漂移，则既要对信号进行取样，又要对基线进行取样，两者相减可扣除基线漂移的影响无基线漂移有基线漂移25第25页，共32页。积分1信号输入参考输入时基控制信号选通积分2输出+-具有基线补偿的取样积分器基线选通26第26页，共32页。被测信号取样脉冲参考触发时基及比较电平V1V2A B A B取样脉冲A和B控制两个积分

11、器交替工作，分别对基线和信号进行取样积分，两个积分器积分结果相减便扣除了基线漂移定点式取样积分27第27页，共32页。被测信号取样脉冲参考触发时基及比较电平V1V2A B A BV2换成慢扫描锯齿波， V1不变信号：扫描式取样积分基线：定点式取样积分28第28页，共32页。2. 双通道取样积分器积分信号信号选通积分+-基线选通积分激励信号选通积分+-基线选通运算激励的变化会导致传感器的输出也发生变化，但这不是有用信号，必须加以扣除，因此应对激励进行监测AB若最后的运算选用A/B的运算，则可从被测信号中消除激励强度变化的影响29第29页，共32页。5.5 多点取样积分器扫描式取样积分器属于单点式取样积分器，虽然能恢复信号波形，但由于一个信号周期中只取样积分一次，信号利用率很低，所需要的测量时间较长，有时甚至长得难以实现例：被测信号周期为T=0.1s，用指数式取样积分器恢复波形，取样门宽Tg=0.1ms，要求信噪改善比SNIR=100，全周期恢复波形，即测量范