微弱信号检测方法的研究

1、本科生毕业论文设计题目 微弱信号检测方法的研究 作者姓名 田纪光_ 指导教师 _ 所在学院 河北师范职技学院_ 专业（系）电气工程及其自动化_ 班级（届） 2012届_ 完成日期 年 月 日 TOC o 1-3 h z u 目录 HYPERLINK l _Toc324243860 摘要、关键词I HYPERLINK l _Toc324243861 英文摘要、关键词II HYPERLINK l _Toc324243862 第1章 引言 PAGEREF _Toc324243862 h 1 HYPERLINK l _Toc324243863 第2章 锁定放大器的基本组成 PAGEREF _Toc32

2、4243863 h 2 HYPERLINK l _Toc324243864 PAGEREF _Toc324243864 h 2 HYPERLINK l _Toc324243865 2. 2参考通道 PAGEREF _Toc324243865 h 3 HYPERLINK l _Toc324243866 2. 3相敏检测器 PAGEREF _Toc324243866 h 3 HYPERLINK l _Toc324243867 PAGEREF _Toc324243867 h 4 HYPERLINK l _Toc324243868 第3章 锁定放大器的工作原理 PAGEREF _Toc32424386

3、8 h 6 HYPERLINK l _Toc324243869 3.1输入信号x(t)与参考信号r(t)都为正弦波 PAGEREF _Toc324243869 h 6 HYPERLINK l _Toc324243870 为正弦波，参考输入为方波 PAGEREF _Toc324243870 h 9 HYPERLINK l _Toc324243871 第4章 锁定放大器应用 PAGEREF _Toc324243871 h 12 HYPERLINK l _Toc324243872 PAGEREF _Toc324243872 h 12 HYPERLINK l _Toc324243873 PAGEREF

4、 _Toc324243873 h 13 HYPERLINK l _Toc324243875 第5章 应用虚拟仪器软件的仿真简介 PAGEREF _Toc324243875 h 17 HYPERLINK l _Toc324243876 5.1虚拟仪器 PAGEREF _Toc324243876 h 17 HYPERLINK l _Toc324243877 PAGEREF _Toc324243877 h 18 HYPERLINK l _Toc324243878 PAGEREF _Toc324243878 h 19 HYPERLINK l _Toc324243879 结论 PAGEREF _Toc3

5、24243879 h 20 HYPERLINK l _Toc324243880 参考文献 PAGEREF _Toc324243880 h 21 HYPERLINK l _Toc324243882 致谢 PAGEREF _Toc324243882 h 22微弱信号检测方法的研究 职业技术学院电气工程及其自动化专业 指导教师 作 者 田纪光摘要：微弱信号常常的淹没在大量的噪音背景中 ,对其检测的目的就是改善信噪比 ,恢复信号的幅度。锁定放大器在检测微弱信号时采用了相干检测技术 ,有很好的精确性和灵敏度 ,已成为现代科学技术中必不可少的仪器。锁定放大电路具有极强的抗噪声性能,它和一般的交流放大电路不

6、同,输出的信号并不是对待测信号的简单放大,而是把待测信号中与参考信号同步的那部分信号放大检测出来,并变成相应的直流信号。由于旋转电容滤波器也可以用来从噪声中检测已知频率的正弦信号或方波信号，只要选择较大的时间参数RC,其等效噪声带宽也可以做的很窄，所以它具有很强的抑制噪声能力。把旋转电容滤波器引入到锁定放大器的信号通道，就可以再次赋予调制信号一种频率特性，所以基于旋转电容滤波器的锁定放大器可以提高交流增益，降低直流增益，从而展宽整个系统的动态储备，提高输出的稳定性，从而提高了整个锁定放大器的检测性能。 关键词： 锁定放大器 滤波器 信号通道 Abstract:A weak signal of

7、the submered in a large number of often noise background, the testing purpose is to improve the signal-to-noise ratio, and restore amplitude of a signal. Lock-in amplifier in detect weak signal used the coherent detection technology, has the very good accuracy and sensitivity, has become necessary i

8、n modern science and technology of the instrument. Lock amplifier circuit with strong resistance to noise performance, it and general communication amplifier circuit is different, the output signal and not treat the measured signal simple amplifier, but for the signal of the reference signal synchro

9、nization with that part of the amplification detected, and become the corresponding dc signal. For rotary capacitance filter can also be used to the noise from the known frequency sine signal detection or square wave signal, as long as the choice of large time parameters RC, its equivalent noise ban

10、dwidth also can do is very narrow, so it has a strong ability to reduce the noise. The rotating capacitance filter is introduced to lock the amplifiers signal channel, again give modulation signal a frequency characteristics, so based on the lock-in amplifier rotating capacitance filter can improve

11、the exchange gain and lower dc gain, and to enhance the whole system dynamic reserves, improve the stability of the output, thus improving the detection performance of the lock-in amplifier.key words：lock-in amplifier; Filter; Signal channel第1章 引言锁定放大器是微弱信号检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物医学、通信、电子技术等领域的研究工作中

12、。在微弱信号检测方面显示出优秀的性能，在科学研究的各个领域得到了广泛的应用，对有些激光器用户来说，其中最普通最重要的应用之一是光谱学研究，既用以恢复微弱电光信号。然而其它重要的应用还包括测量瞬间交流信号，如超导体、低温研究、工业质量控制，以及物理、化学、生物医学、地震、海洋学的研究噪声系数是衡量低噪声放大器的重要指标。放大器本身产生噪声，其输入端的信噪比总大于输出端的信噪比，噪声系数反映了放大器使信噪比不同程度的降低。因为它是在不同系统和不同器件同器件进行选择，需要进行测量和对比它们的噪声系数，而且放大器的噪声系数属于频率函数，并且还需要对其噪声系数进行频率的测量以至于能在不同频率时放大器的噪

13、声特性。利用锁定放大器进行测量可满足要求。本文就全面介绍锁定放大电路的组成，原理和具体的几个应用。本文还介绍利用虚拟软件系统在锁定放大中的应用。第2章 锁定放大器的基本组成 锁定放大器，简称LIA,它是一个以相关器为核心的微弱信号检测仪器，它在强噪声情况下检测微弱正弦信号的幅度和相位.它有四个主要部分组成：信号通道、参考通道、相关器（即相关检测器）和直流放大器. 任何仪器均有自己的主要性能指标,等效噪声带宽、信噪比改善和动态范围作为锁定放大器的主要性能指标。 图2-1-2 锁定放大器基本组成图信号通道在相关器的前面，它是由输入放大器、有源滤波器和放大器构成的。它有将微弱信号进行放大能使相关器正

14、常工作所需电平的作用，并且带有滤除和抵制噪声干扰的能力，使仪器的动态范围扩大。 信号通道对输入的幅度调制正弦信号进行交流放大，滤波等处理。因为被测信号微弱（例如nV数量级），而伴随的噪声相对较大，所以信号通道的前置放大器必须有低噪声，高增益，而且动态范围要大的特点。为了能达到最好的噪声性能前置放大的等效噪声阻抗要与信号源的输出阻抗相匹配。对不同的传感器，例如热电偶，压敏电阻，应变片等，它们的输出阻抗各不相同，为了使前置放大器与传感器实现噪声匹配，以达到最小的噪声系数，需要设计和制作针对不同传感器的前置放大器。在信号通道中被人们经常用到其中心频率是载波频率的带通滤波器，锁定放大器中的带通滤波器，

15、它是用低通滤波器和高通滤波器组合而成的，如图所示高通滤波器的拐点频率和低通滤波器的拐点频率都是可以调节的，从而可以根据被测信号的情况对设定带通滤波器的带宽B和中心频率进行选择。(a)电路结构(b)LPF幅频响应(c)HPF幅频响应(d)组合成的BPF2. 2参考通道参考通道的作用是为了给相敏检测器（PSD）提供控制信号，它是与被测信号相干的。参考通道由方波发生电路和移相电路组成,其作用是提供一个与输入信号同相的方波,调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致,从而信噪比改善为最佳.参考输入一般是三角波、方波、脉冲波、正弦波有的是一些其他不同类别的周期信号，它的频率和载波频率相同，由触发电路将它变

16、成较为规则的同步脉冲波。参考通道的输出r(t)可以是正弦波，也可以是方波。为了防止r(t)的幅度漂移影响锁定放大器的输出精度，r(t)最好采用方波开关信号，其正负半周之比为11，在下节说明锁定放大原理时我们分别以正弦波和方波为例，来进行比较。移相电路作为参考通道的中心部件，它可以实现按级跳变的相移（，）和连续可调的相移（0）。移相电路可以用锁相环实现，也可以用模拟积分比较器，有或者还可以用环路滤波和压控振荡器VCO和集成化的数字式鉴相器构成。2. 3相敏检测器 相敏检测器的输出是通过使低通滤波器压缩带宽从而滤除大量的的宽带噪声，所以使锁相放大器具有很强的抑制噪声的能力，锁相放大器的通带宽度取是

17、由低通滤波器的时间常数决定的，时间常数越长，带宽越窄，信噪比的改善越高，信噪比的改良正比于时间常数的平方根，为了使LPF的输出满足其要求常常使用直流放大器对输出进行放大，总而言之锁相放大器就是将深埋在噪声中特定频率的微弱信号提取出来并进行放大。相敏检测器的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算，得到他们的和频与差频的谐波信号，然后再经过低通滤波器过滤掉高频信号和成分高次谐波，这个时候的时的等效噪声带宽应该很窄，那么就可以将深埋在 噪声中的微弱信号提取出来。精密交直流转换电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电压来测量和与计算机接口。PSD是对基波或其奇次谐波均有相应的梳齿状滤波器，由于谐波的

18、相应幅度按谐波数递减，所以对一般测量影响不大，但是要检测很大噪声掩盖下的弱正弦信号，需要避免奇次谐波频率处的ENBW所通过的噪声。被测信号一般是已知频率的正弦波或者是方波，由于动态范围和线性，通常在相敏检测器中采用动态范围比较大、线性好和电路相对简单的开关式乘法器。所以在锁定放大器中的参考信号是方波并且与待测信号同步而不是一个任意的函数。然后就可以用相敏检波器使待测信号和单位幅度同步方波相乘。低通滤波器锁定放大器改善信噪比的作用主要用低通滤波器（LPF）实现，低通滤波器的时间常数RC越大，锁定放大的通频带宽度越窄，抑制噪声的能力越强。在节我们提到了锁定放大器中运用积分器，实际上锁定放大器的积分

19、器常用低通滤波器代替。虽然相敏检测器得到了与相位差成正比例的脉冲信号，但是必须将这个脉冲信号变为直流信号，提取直流分量，为下一步的数据处理做好准备为了使LPF的输出能够显示设备和驱动合适的指示，一般会采用用直流放大器来使其输出放大，而且，温度漂移和时间漂移要小，直流放大器的输入失调电压也要小，LPF的拐点频率通常是可以调节的，来适应不同的被测信号频率特性的需要。此外还应注意的是，信号通道中常用的滤波器是中心频率为载波频率w。的带通滤波器，如节所介绍。在锁定放大器中，常采用低通滤波器和高通滤波器组合而成的带通滤波器。锁定放大器的各部分电路必须采用必要的屏蔽和接地措施，为的是抑制外部干扰的影响。各

20、部分的信号和电源电路还应采取必要的隔离措施。第3章 锁定放大器的工作原理锁定放大器的关键是在还原调制前被测信号的过程中利用输入信号与参考信号的相关性进行相敏检波，它的技术核心是相关器。锁定放大器基本原理框图如图3-1-1所示。图中经参考信号调制的传感器输出作为锁定放大器的输入信号被送到信号通道进行阻抗匹配、幅度匹配和交流窄带放大，信号通道采用成本相对低廉的交流窄带放大器；参考信号通过参考通道触发整形、移相加工形成单位对称方波；相关器通过把输入信号与参考信号相乘后再积分的办法，抑制各种噪声和干扰，提取信号中与参考信号相关的成分，把它还原成传感器输出的被测信号。本文以模拟乘法器式为例来介绍其原理。

21、 交流窄带放大器滤波器调制后的传感器输出信号输入参考信号信号通道（阻抗匹配、滤波、放大）相关器（相敏检波PSD）DC输出参考通道传感器参考信号发生器被测物理量信号检测与调制部分锁定放大器部分整形移相、输出单位对称方波PSD输出图3-1-1锁定放大器基本原理框图输入信号x(t)与参考信号r(t)都为正弦波即 = (+) (3-1)=() (3-2)是被测信号和参考信号的频率，是它们之间的相位差。模拟乘法器型相敏检测的输出是它的两路输入信号的乘积，如图3-1-1所示：图 3-1-2即 = (3-3)把(3-1)、(3-2)式代入(3-3)式中 （3-4）第一项为乘法器的差频分量，第二项为和频分量，

22、由第（3-4）式说明，经过相敏检测后，原来的频率为的信号频谱迁移到了=0和=2处。如图3-1-2所示： 图 3-1-3 相敏检测器实现的频谱迁移(a)原频谱；(b)迁移后的频谱经过图2-1-1中的LPF滤波后，其中和频分量被滤除，LPF外的噪声也被滤除。则最后输出为 （3-5）当=0时输出最大，正比于被测信号的幅度同时正比于被测信号与参考信号的相位差的余弦函数，从而实现了鉴幅又鉴相。在上一节中我们提到了低通滤波器时间常数RC越大，锁定放大器的通频带宽越窄，抑制噪声的能力就越强，下面来具体介绍其原理。如果被测信号的中心频率偏离参考信号频率，即 0,则 (3-6）所以= （3-7）再经LPF滤波后

23、 （3-8） 假设采用一阶RC低通滤波器，其频率响应应为 幅频响应： 相角： 对于的正弦输入信号，LPF的输出为 （3-9） 若则式（3-9）可化简为 （3-10） 式（3-10）说明，当时，输出的幅度最大（）；当时，输出幅度要减小，不但按而减小，还要乘以小于1的系数。如图3-1-3所示。图3-1-4 相敏检测器的幅频特性又因为一阶RC低通滤波器的等效噪声带宽为，相敏检测器的等效噪声带宽为其两倍，即 可见，低通滤波器的时间常数越大，等效噪声带宽越窄，相敏检测器的信噪 改 善比（SNIR）越大，抑制噪声的能力越强。为正弦波，参考输入为方波设信号输入为：参考信号是幅度为的方波，周期为T，角频率。如

24、图3-2-1所示：图 3-2-1 参考方波的波形根据傅立叶分析的方法 ， 其中 如图3-2-1所示，方波为偶函数且均值为零。所以 由此看出，当m偶数时，,m为奇数时为+1或-1。则 经LPF滤波后，因为的差频项及所有的和频项均被滤除，利用方波作为参考可以得到与正弦波参考完全相同的的结果，并且还可可以看出的幅度要更大。当方波的幅度时，可以用电子开关来实现方波信号与被测信号的相乘，就是当为-1时，电子开关的输出连接到-当为+1时，电子开关的输出连接到； LPF的输出： 从而可以看出电子开关和模拟乘法器相比不仅工作稳定性好，而且成本较低，速度更快。第4章 锁定放大器应用锁定放大器（LIA）是微弱信号

25、检测的重要手段，已经被广泛应用于物理、化学、生物、医学、天文、通信电子技术等领域的研究工作中。例如，分子束质谱仪扫描电镜软X射线激发电位能谱仪4等仪器中都采用了锁定放大器。这里只介绍几个典型的应用事例。阻抗微小变化的测量很多种传感器可以将被测物理量或化学量转换成电感电容或电阻的变化，之后检测这些阻抗的变化，并指出被测量。例如，热电阻将温度的变化转换为电阻的变化，贴在构件表面的应变片将构件应变的变化转换为电阻的变化，电感式电位移传感器或差动变压器将位移转换成电感的变化，被测介质的位置湿度密度等的变化都可以通过合适的传感器转换成电容的变化。交流电桥经常用来测量阻抗的变化，一检测出被测物理量或化学量

26、。如图4-1-1所示，交流激励电压源为E，为被测阻抗，交流电源E使得被测（阻抗变化）得到调制，同时也为LIA提供了参考信号。当电桥后续电路的输入阻抗比桥臂阻抗大得很多时，电桥的电压输出为 （4-1）电桥平衡条件为： （4-2）图4-1-1 交流电桥检测阻抗变化当被测阻抗变化为时，式（4-1）变为 （4-3）如果变化量相对于很微小，则式（4-2）基本成立，而且式（4-3）式中的可以略去，得 （4-4）当是，式（4-4）可以近似为 （4-5）式（4-4）和式（4-5）说明，交流电桥输出信号的幅度正比于被测阻抗的相对变化量，而且正比于电桥的激励电压E。对于负阻抗 式中，和分别表示的电阻分量，式（4-

27、5）可以改写为用图4-1-1所示的LIA来检测的微小变化，参考信号就是电桥的交流激励电源E。由于也是复数，所以它呈现为互相正交的两个分量。如果利用正交矢量型锁定放大器分别测量出的实部与虚部，就可以计算出的幅度和相位。当被测量为微弱信号时，交流电桥各臂的分布电容和分布电感对检测结果会有较大影响。当激励电源E的频率较高时，这种影响尤其明显，只采取适当措施，使这些分布参数不随温度和时间而变化，才能得到较精确的检测结果。放大器噪声系数测量由于放大器的特性使其本身就可以产生噪声，其输入端的信噪比要大于输出端的信噪比，信噪比的程度是由噪声系数反映出来的。需要对它们的噪声系数进行对比和测量来进行不同器件或系

28、统之间的选择，。此外，放大器的噪声系数因为是频率的函数，为了更好的了解放大器在不同频率点的噪声特性,还需要对噪声系数进行频率扫描的测量。测量放大器的噪声系数需要对两个方面进行测量：一个是测量响应，它是放大器对校准了的信号源的响应，另一个功率，它是当放大器输入端对地短路时 ，放大器自身的噪声在其输出端所展现的噪声功率；然后在他们两者之间进行计算和比照从而能够求出噪声系数。信号源是一般采用宽带噪声发生器或者是正弦波发生器。但是当使用锁定放大器进行测量时，信号源必须用正弦波发生器。 锁定放大器可以相当于一个滤波器，它的中心频率为，频带很窄，它有别于普通带通滤波器，锁定放大器的输出不是正弦波而是是相应

29、于输入正弦波幅度的支流信号。如果让他变成一个中心频率可以变化的带通滤波器只要改变参考输入的频率即可，为了可以测量各种频率点处放大器的噪声系数。其测量电路示于图7中，是外加的信号源电阻，放大器的噪声系数是信号源电阻的函数，es是正弦信号电压源，输出电阻近似为零；图 4-2-1 LIA测量放大器噪声系数 先要把放大器的输入端接地，将开关转向A，为了测出放大器在有信号源电阻情况下，在LIA等效噪声带宽内的输出噪声功率，其中为输出噪声有效值。有 （4-6） 上式中，为放大器功率增益，注意，不同于放大器电压增益的平方，它包括和放大器输入电阻所形成的衰减器的效应。是放大器总的等效输入噪声功率，它可以表示为

30、 （4-7）式中的第一项为电阻的热噪声功率，第二项为放大器等效输入电压噪声功率，第三项为放大器等效输入电流噪声功率。然后为了使正弦信号施加到放大器输入端，所以要将开关K转向B，从而能够算出放大器的输出（正弦信号加噪声）功率，并且单独由正弦信号产生的输出功率为 （4-8）设的有效值为，那么放大器功率增益表示为 （4-9）将式（4-9）代入式（4-6），可得 （4-10） 根据噪声系数的定义，在LIA的等效噪声带宽内，放大器的噪声系数为 （4-11）将式（4-10）代入式（4-11）得 （4-12）将式（4-8）代入式（4-12）得 （4-13）式中，从图4-2-1所示电路中测出、和的值，从而就可

31、以计算出放大器的噪声系数。然后再调整正弦信号源的频率，重复几次上述的计算和测量和过程，就可以知道不同工作频率处的噪声系数。连续调整正弦信号源的和，还能测量绘制出放大器的噪声因数等值图（NF图）。使上述计算得以简化，目前有两种方法：第一种办法就是为了使放大器的输出频率大出第一步很多，在第二步测量中使正弦信号的幅度增加到足够大，这样式（4-13）就可以简化 （4-14）在使用这种方法时，要注意正弦信号的幅度也不能太大，不能使被测放大器进入非线性区。 第二种方法是在开关K打到B点所做的第二步测量中，通过调整正弦信号的幅度来使放大器输出功率等于第一步测量时（K打到A点）的2倍，这时信号源的输出功率就等

32、于放大器的等效输入噪声功率5，因此 （4-15）但是，在窄带测量情况下，就把实现输出功率调整到给定值变得有些麻烦。 第5章 应用虚拟仪器软件的仿真简介虚拟仪器虚拟仪器（Virtual instruments 简称VI）是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略的说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机的功能日益强大以及其体积的日益缩小，这种仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方法是仪器装入计算机。以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。虚拟仪器主要指这种方式。如图5-1-1

33、示：图5-1-1虚拟仪器方案图虚拟仪器的主要特点有：尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。 可充分发挥计算机的能力，数据处理功能很强大，从而可以创造出比它功能更好的的仪器。可以很方面的根据自己的需要来制作仪器传统仪器虚拟仪器技术更新比较慢技术更新较快维护花费高维护花费低期长硬件重要软件重要价格高价格相对较低是固定的，不能被重新配可以重新配置连接有限的设备可以用网络连接设备操作麻烦，功能简单智能化 网络化距离远表5-1-1 虚拟仪器和传统仪器的比较 目前“虚拟”仪器技术发展非常迅速，是目前国内外测试技术界和仪器制造界十分关注的热门话题。只要另外提供一定的数据采集硬件，就可构成由计算机

34、组成的测量仪器。上表示虚拟仪器和传统仪器的比较。虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。计算机是动力，软件是主宰，高质量的采集卡及调理放大器与传感器是基础。软件可以看作是各种仪器，因为软件系统是虚拟仪器的核心，虚拟仪器可以用相同的硬件系统，用不同的软件来实现各种各样的仪器。虚拟仪器VI测试系统的构成框图硬件构成和软件共同构成了虚拟仪器VI测试系统的构。如果根据构成仪器的三大功能部件来，虚拟仪器的框图可以包括控制系统、工业计测系统。如图5-2-1所示： 图 5-2-1 虚拟仪器结构图 图中各种功能软件是具有测试分析仪器功能的各种软件。像人的大脑一样处于主宰地位，典型的如中国的COINV的DASP和美国

35、NI的LabVIEW和美国HP的HPVEE（2）VI系统的最重要的两个组成部分是传感器和信号调理设备。因为它们是测试系统的基础，各种高质量的调理放大器和高质量的传感器是测试系统的基础。信号调理SC（Singnal conditioning）具有诸多功能，比如、滤波，放大、多路复用（电荷放大、电压放大、热电偶、积微分、应变桥路平衡、激励电源和线性化），隔离。虚拟仪器系统的软件主要是由、数据分析处理软件、仪器驱动软件和通用接口软件。仪器控制软件(3)数据采集卡主要核心是技术，它包括高性能的模数转换器采集卡和数模转换器卡。超精确地即使能力是它们必不可少的，例如东方科卡，测试通道最少可为路、16路、32路，最多可以达1024路，它的精度能达到12位、16位、18位、甚至24位的水平。多路采集时必须能同步进行，实现无时差、无相移。计算机及附件包括：外挂内置光盘硬盘驱动器，32以上的内存及快速打印机，各种高性能的计算机具有强大的处理器及高性能高分辨率的显示器等附件。虚拟仪器的实现虚拟仪器的实现主要分为软件实现和硬件实现，遵循虚拟仪器的设计要求，。数据采集卡是它的硬件。而自从NI公司提出虚拟仪器以来，与之陪伴就有LabView这一固定的虚拟仪器软件。它通过建