取样积分与锁相放大

第一节频域微弱信号的检测相关检测原理锁定放大器组成电路第二节时域微弱信号的检测采样积分检测原理多点信号采样积分平均器主要内容介绍第一节频域微弱信号检测

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。自相关和互相关函数1自相关函数的定义Rxx（τ）=lim

∫T2T21Tƒ(t)ƒ(t-τ)dtT→∞它表示随机信号ƒ(t)与延时了时间间隔τ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（τ）在τ=0时最大，随τ的增加而单调下降，τ→∞时，Rxx（τ）趋近于ƒ(t)的平均值的平方，若ƒ(t)的平均值为0，则Rxx（τ）随τ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2互相关函数的定义Rxy（τ）=lim

∫T2T21Tƒ1(t)ƒ2(t-τ)dtT→∞它表示两个不同的随机变量(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。互相关接收法延迟τ∫ƒ1(t)=Si(t)+n(t)输入信号参考信号ƒ2(t)=SR(t)乘法器积分器输出R12(τ)Si(t):有用信号n(t):随机噪声信号R12（τ）=lim

∫T2T21Tƒ1(t)ƒ2(t-τ)dtT→∞T2T2T21TSi(t)SR(t-τ)dt+T→∞=lim

[∫T21Tn(t)SR(t-τ)dt

]∫=RsisR(τ)+RnsR(τ)≈RsisR(τ)RnsR(τ)表示参考信号SR(t)与噪声n(t)之间的相关函数,二者无依附性,互不相关,积分时间较长时为0。在输入有用信号Si(t)和参考信号SR(t)的周期一致时,它们有互相关输出四自相关接收系统激励正弦波发生器传感器∫延迟τSi（t）n（t）乘法器ƒ1(t)=Si（t）+n（t）ƒ1(t)ƒ2(t)=SR（t-τ）SR（t）R12(τ)设Si(t)=VsmCOSωt,SR(t)=VRmCOS(ωt+ωτ)=[(VsmVRm)/2]COS(ωτ）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(τ)=limT→∞1/TT2T2

VsmCOS(ωt)VRmCOS(ωt+ωτ)dt∫－五相敏检波器

（PhaseSansitive

Delecter）-1+1Vs输入信号开关驱动电路参考电压VRLPFVO低通VP-1+1Vs输入信号开关驱动电路参考电压VRLPFVO低通VPVRtVstVptVO同相VO＞0VRtVstVptVO反相VO＜0VRtVstVpt相位差φ=900，VO=0当相位差为任意φ，VO=VSCOSφ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七相敏检波器对高频干扰的抑制f3f参考平均值f4f参考平均值=0八结论相关接收能有效抑制噪声，提取有用信号相关接收是一种高Q值带通滤波器相关接收的输出是直流信号相关接收不仅可鉴频，还可以鉴相5相关接收对齐次谐波不能完全去除，但已大大减小锁定放大器（Lock-inAmplifier）电路锁定放大器是以相关检测原理为基础的信号处理电路，它能检测出极其微弱的有用信号，可低于1nVA1低噪声前置放大器带通滤波器与衰减器A2交流放大器积分器与直流放大器触发电路Φ可调移相器方波发生器参考输入信号输入直流输出1结构图2原理图例R730kΩAACA2A1A3交流放大器C133uFC20.01uFR110kΩR220kΩR36.8kΩC333uFC40.01uF+++---R430kΩR530kΩR615kΩR8100kΩD1D2T1T2R9100kΩ100kΩ

100kΩ1MΩ1uF参考输入2倍反相放大器低通滤波器相敏检波器第二节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。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一采样积分检测原理（续）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/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N×s，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=N×s/√×n=√×s/n=√(S/N)NNNN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，C1—CM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)○○多点信号采样积分平均器电路组成结构图由触发器、M倍频器、二进制计数器以及M路译码器等数字电路组成采样时序控制电路，产生1，2，3，……,M各点的顺序门控脉冲,它们使S1,S2,S3……SM在一个输入信号周期内均匀地扫描一遍,将M点波形瞬时值分别存储在C1，C2，C3，……CM中,进行累积平均.只要扫描触发信号与有用信号同步好,显示的波形就稳定和清晰A1A2A3触发M倍频器二进制计数器...C1C2C3CM模拟多路选通器R1R2M路门控信号译码电路1,2,3,….,M触发输入信号输入输出放大器通用示波器同步扫描触发信号输入放大器+_·用CD4046组成的锁相倍频器这是一个倍频系数为4的倍频器，倍频系数等于分频系数CD404667VDD16输入fi14VDDEnR21647811/2CD4520二进计数器（分频器）56pF913118341MΩ1μF10KΩ输出fO4分频8点信号平均器实验电路图A1A2A3CD40516V16..C1C2C3C8012713141548*2.2μFVDDOUT3VEE-6VQ1Q2Q3711109345+6V16278CKCD4046100P6716431MΩ1μF10KΩ1158139168A4A5141N414810KΩ+_+_+_100KΩ10KΩ1.1KΩ10KΩ_+1μF过零比较器参考通道放大器参考输入信号输入人为噪声输入5.1KΩ5.1KΩ10KΩ3.6KΩ1/2LF3531/2LF35310KΩ10KΩ10KΩ10KΩ5.1KΩ1/2LF353前置放大器积分平均器输出放大器BACINHVSS+_输出CD4051:八选一多路模拟开关内部配置有3/8译码器CD4520:二进制计数器1N4148:起负电压限幅作用本图参数适合于测量100Hz---1kHz的信号CD4520○○○○··BOXCAR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采样脉冲步进移动示意图123tGΔt2ΔtVi输入信号VC门控信号ttAA’A”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+Δt，以后每一个采样脉冲推后Δt形成了tG周期地扫描输入波形Vi效果。•••ViΔttGABC设计电路时，Δt比tG小很多，设NS=tG/Δt

，

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Δt），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/Δt

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/Δt

NSBOXCAR积分器测试一个完整波形的时间123tGΔt2ΔtVi输入信号VC门控信号ttAA’A”实际上，Δt

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Δt,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