勘察仪器与原理 第二章 第三节 第四节ok

勘查仪器原理教师：王旭Email：hfli@第二章测量仪器的基本理论第三节信号检测基本概念与方法信号检测主要研究如何测量被检测的物理量，包括测量方法、提高测量精度等措施。它可以看作是数据采集的前端，也是数据采集系统中最重要的组成部分。这一节我们学习两个内容：一是信号测量基础；二是微弱信号检测基础知识。2.3.1信号测量基础一、计量概念前面我们学习了测量的概念，由测量所获得的被测量的值叫测量结果，测量结果可用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种图形表示，但无论如何，测量结果应包括两部分：数值和测量单位。对同一个量，也许测量手段不同，但所得结果应一致，因而出现了公认的统一单位。这就是我们要学习的保证量值统一和准确的应用科学-----计量学。1、计量定义：利用技术和法制手段实现单位统一和量值准确可靠的测量。所以，计量可以看作是测量的特殊形式。没有测量，就谈不上计量；没有计量，测量则失去价值。计量科学在国民经济建设、国防建设、科学研究以及社会生活中都起着极其重要的作用，日常生活中，计量无处不在。可以毫不夸张地说，任何学科、任何部门、任何行业乃至任何活动，都离不开计量。事实充分表明，计量已成为科技、经济和社会发展的重要技术基础。计量水平的高低也已成为衡量一个国家经济发达程度的重要标志之一。

计量检定是指为评定计量器具的计量性能、确定其是否合格所进行的全部工作。目的是确保量值的统一，确保量值的溯源性。主要评定的是计量器具的计量性能，确定其误差大小、准确程度、寿命、安全等，结论是确定该计量器具合格与否，并具有法制性。计量检定本身是国家对测量的一种监督。因此，测量器具必须定时检定、校准，取得合格证才允许使用，否则测量结果无效。2、我国法定计量单位：是国家以法令形式规定使用的计量单位，是统一计量单位制和单位量值的依据和基础，因而具有统一性、权威性和法制性。

无论经济、科技、文教等领域，还是人们日常生活，都离不开计量单位。世界各国对统一计量制度历来都十分重视，并把它作为基本国策之一（如我国），有的甚至写入了国家宪法。

1984-02-27，国务院发布《关于在我国统一实行法定计量单位的命令》，确定了以先进的国际单位制（SI）单位为基础的我国法定计量单位（以下简称法定单位），这是进一步统一我国计量制度的一项重要决策。我国法定计量单位是国务院发布的在全国采用的计量单位，凡属法定单位，我国的任何地区、部门、机构和个人，都必须毫无例外地遵照采用。

1985-09-06，全国人大常委会通过了《中华人民共和国计量法》，规定：我国采用SI，使用法定单位，非法定单位应当废除。这就以法律的形式确保了国家计量制度的统一。

1)SI基本单位

共7个(表1)，分别是相互独立的最重要的7个基本量的单位。它们是SI单位的基础。

基本构成：

以SI单位为基础，加上国家选定的若干非SI的单位构成，具体包括5部分。表1SI基本单位

长度米m

质量千克(公斤)kg

时间秒s

电流安[培]A

热力学温度开[尔文]K

物质的量摩[尔]mol

发光强度坎[德拉]cd量名称单位名称

单位符号

2)具有专门名称的SI导出单位

由SI通过定义、定律及其它函数关系派生出来的单位是导出单位。如频率的单位赫兹（Hz)，定义为“周期为1秒的周期现象的频率”即Hz=1/s.

表2具有专门名称的SI导出单位

量名称单位名称单位符号其他符号

频率赫[兹]Hzs-1

力牛[顿]Nkg·m/s2

压力，压强，应力帕[斯卡]PaN/m2

能[量]，功，热量焦[耳]JN·m

功率，辐[射能]通量瓦[特]WJ/s

电荷[量]库[仑]CA·s电压,电动势,电位,(电势)伏[特]VW/A

电容法[拉]FC/V

电阻欧[姆]ΩV/A

电导西[门子]SA/V

磁通[量]韦[伯]Wb

W·s续表2

量名称单位名称单位符号其他符号

磁通[量]密度,

磁感应强度特[斯拉]TWb/m2

电感亨[利]HWb/A

摄氏温度摄氏度℃K[放射性]活度贝可[勒尔]Bqs-1

吸收剂量戈[瑞]GyJ/kg

剂量当量希[沃特]SvJ/kg

光通量流[明]lmcd·sr[光]照度勒[克斯]lxlm/m2[平面]角弧度rad1m/m=1

立体角球面度sr1m2/m2=1

催化活性卡塔(未标准化)katmol/s

3)我国选定的非SI的单位

共16个(表3)，其中14个为国际计量大会选定的可与SI并用(11个)或暂时可与SI并用（3个）的非SI单位。

表3我国选定的非SI的单位

时间分min[小]时h

天(日)d[平面]角[角]秒″[角]分′

度°

量名称单位名称单位符号

量名称单位名称单位符号

质量吨t

原子质量单位u

体积升L,(l)

能电子伏eV

级差分贝dB

长度海里nmile

速度节kn

面积公顷hm2

旋转速度转每分r/min

线密度特[克斯]tex续表3

4)

由以上单位组合而成的单位

凡由1)～3)列出的45个法定单位通过乘或除组合而成的单位,只要具有物理意义,都是法定单位(示例见表4)。表4组合单位示例

量名称单位名称单位符号

电阻率欧[姆]米Ω·m

浓度摩[尔]每升mol/L

总质量阻止本领电子伏二次方米每千克

eV·m2/kg

磁旋系数安[培]平方米每焦[耳]秒A·m2/(J·s)粒子辐射度每平方米秒球面度m－2·s－1·sr

－1

5)由SI词头与以上单位构成的倍数单位

SI词头是加在计量单位前面构成十进倍数或分数单位的因数符号,每个词头都代表1个因数,具有特定的名称和符号(表5)。

表5SI词头

因数英文名称中文名称符号

1024

yotta

尧[它]Y1021

zetta

泽[它]Z1018

eza

艾[可萨]E1015

peta

拍[它]P1012

tera

太[拉]T109

giga

吉[伽]G

106mega兆M

续表5

因数英文名称中文名称符号

103kilo千k102

hecto

百

h101

deca

十da10－1

deci

分d10－2

centi

厘c10－3milli

毫

m

因数英文名称中文名称符号

10－6micro微μ10－9

nano

纳[诺]n10－12

pico

皮[可]p10－15

femto

飞[母托]f10－18atto

阿[托]a10－21

zepto

仄[普托]z10－24

yocto

幺[科托]y

续表5二、基本电子测量方法针对不同测量任务进行具体分析以找出切实可行的测量方法，对测量工作是十分重要的。对于测量方法，从不同角度，有不同的分类方法，直接关系测量结果的可信度，测量工作的经济性、可行性。1、直接测量与间接测量(根据获得测量值的方法分类) （1）直接测量：是一个直接的比较过程，所测到的量值就是它最终所需要得到的被测量的值。对仪表读数不需要经过任何运算就能直接表示测量所需要的结果。如电压表测电压。优点：测量过程简单、迅速。缺点：测量精度不高。在一般测量中普遍采用，广泛用于工程测量。（2）间接测量

当测量对象不便于直接测量，而与它有着确定的函数关系的另一个量便于测量时，可对后者进行直接测量，并进行数学计算，得到原始测量对象的相应量值。如功率测量，没有功率表直接测，可先测电压、电流或电阻，然后根据公式得到功率值。

广泛用于科研，实验室及工程测量中。

2、调零测量、替代式测量与微差式测量（根据测量方式分）（1）调零测量调零测量法的原理是，将一个校对好的基准源与未知的被测量进行比较，并调节其中之一，使二量值的差为零，这样，从基准源的读数即可推算出被测量的值。优点：测量精度高。缺点：不适应测量迅速变化的信号。例：调零测量法测电压——U为标准电压源，R1和R2是标准分压电阻，A为电流表。测量时，通过调节R1和R2的比例，使电流表指示为零,得到：待测电源（2）替代式

分别把被测量和标准量接入同一测量系统，在用标准量替代被测量时，调节标准量，使系统的工作状态在替代前后保持一致，然后根据标准量来确定被测量的数值的方法。曹冲称象就是替代法的一个例子。

有效消除了外界因素对测量结果的影响。（3）微差式测量

通过测量被测量与标准量的差值或正比于该差值的量，根据标准量来确定被测量数值的方法。V9VBB0XX为被测量，B为标准量，B0为被测量与标准量的微差，B0值可由指示仪表读出，即X=B+B0反应快，精度高3、静态测试、稳态测试和动态测试（按被测物理量时间特性分类）（1）静态测试：

被测对象属于直流（或变化缓慢）性质的静态或准静态信号，测量过程不受时间限制，测量原理，方法较简单。传统的测试大多是在这种最简单的静态或准静态下进行的。（2）稳态测试对于一个波形(幅度、频率和相位)恒定不变的周期交流信号，可以看成一个处于稳定状态的信号，这种周期性的交流信号是电子测量的一个基本对象，常称为交流测量。大多数仪器，如交流电压表、通用示波器、频率计，均只适用于测量这类处于平稳状态的周期性交流信号，因此，稳态测量是电子测量中最常见、使用最多的测量。（3）动态测试自然界中存在大量瞬变冲击的物理现象，如力学中的爆炸、碰撞；电学中的充放电、闪电、雷击，对这类随时间瞬间变化的对象进行测量，称为动态测量。如地震信号测量。三、常规小信号检测方法了解小信号检测的手段和方法，对微弱信号检测具有一定参考价值。1、滤波

在大部分检测仪器中都要对模拟信号进行滤波处理，其目的为隔离直流分量、改善信号波形、防止离散化时的频率混叠，更多的滤波是为了克服噪声的不利影响，提高信号的信噪比。（滤波消噪只适用于信号与噪声频谱不重叠的情况）利用滤波器的频率选择特性，可把滤波器的通带设置得能够覆盖有用信号的频谱，所以滤波器不会使有用信号衰减或使有用信号衰减很少。常用的抑制噪声的滤波器：

低通滤波器带通滤波器另外，为了抑制某一特定频率的干扰噪声（如50HZ工频干扰）的不利影响，有时还使用带阻滤波器（陷波器）。2、调制放大与解调对于变化缓慢的信号或直流信号，如果不经过变换处理，而直接利用直流放大器进行放大，则传感器和前级放大器的低频噪声及缓慢漂移（包括温度漂移和时间漂移）经放大后会以很大的幅度出现在后级放大器的输出端，当有用信号幅度比较小时，有可能根本检测不出来。简单的电容隔直方法能有效的抑制漂移和低频噪声，但是对有用信号的低频分量也具有衰减作用。在这种情况下，利用调制放大器能有效解决上述问题。这样的调制放大器多采用幅度调制的方法（见下图）。幅度调制在无线广播和接收中用的很广泛。调制AC放大解调LPF载波振荡器被测信号VS(t)Vm(t)Vd(t)输出信号V0(t)载波信号Vc(t)2.3.2微弱信号检测基础人类认识世界，就需要测量技术，同时要不断提高测量技术水平。测量技术的两个基本问题是速度和精度。速度快，不仅节省测量时间，而且意味着对测量系统快速变化的响应和处理能力的提高；测量精度是测量系统的重要评判指标，测量精度的提高意味着检测灵敏度的提高和动态范围的扩大，即能容纳更多的噪声和从噪声中提取信号能力的提高。一、微弱信号检测的概念1、微弱信号定义

微弱信号检测(WeakSignalDetection，简称WSD)技术是用来提高测量精度的技术，它利用物理学、电子学、信息论和计算机技术等学科成果，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点、相关性以及噪声的统计特性，测量被噪声淹没的微弱有用信号。

“微弱信号”不仅意味着信号的幅度很小，而且主要指的是被噪声淹没的信号。“微弱”是相对于噪声而言的，信号的幅度绝对值极小，如电信号振幅是μv级，nv级pv级，此时，有用信号完全淹没在噪声中。

微弱信号检测技术不同于一般的检测技术，它注重的不是传感器的物理模型、原理、相应的信号转换电路和仪表实现方法，而是如何抑制噪声和提高信噪比，因此，可以说，微弱信号检测是一门专门抑制噪声的技术。目前，地震勘探大多已进入高分辨率勘探时代，现在等待人们去寻找的都是一些埋藏较深，地质条件较复杂的小构造油田或岩性圈闭油田，对仪器分辨薄层的能力要求高，要求能记录深层反射信号中幅度很弱的高频分量。但是，由于被测信号很微弱，传感器的本底噪声，放大电路及测量仪器的固有噪声，以及外界的干扰噪声往往比有用信号的幅度大的多，放大被测信号的过程同时也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，因此，只靠放大是不能把微弱信号检测出来的，只有在有效抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅度，才能提取出有用信号。构造油田：背斜、断层，地震勘探容易分辨（因地层不同）岩性油藏是在同一地层中，由于岩性的差异来构成的油藏，一般仪器不好分辨。嘉二1顶界雷一1顶界嘉二1储层嘉二3储层嘉四3储层嘉四1储层为了表征噪声对信号的覆盖程度，人们引入了信噪比SNR(signalnoiseration)的概念。信噪比指的是信号的有效值S

与噪声的有效值N之比，即SNR=S/N信噪比可以是电压比值，一般表示为SNRV；也可以是功率比值，一般表示为SNRP。微弱检测的关键是提高信噪比。评价一种微弱信号检测方法的优劣，经常采用两种指标：一是信噪改善比SNIR(signalnoiseimprovemerration)；一是有效的检测分辨率。“信噪改善比”定义为式中是系统输出端的信噪比是系统输入端的信噪比越大，表明系统抑制噪声的能力越强。“检测分辨率”是检测仪器示值可以响应与分辨的最小输入量的变化值。检测分辨率不同于检测灵敏度，灵敏度是检测系统标定曲线的斜率，一般情况下，灵敏度越高，分辨率越好，但是，提高系统的放大倍数可以提高灵敏度，但却不一定能提高分辨率，因为分辨率受噪声和误差的制约。一般用信噪改善比这个指标。自从1962年第一台锁相放大器问世的四十多年来，微弱信号检测技术得到了长足的发展，信噪改善比得到不断提高，近年在一些专门检测领域（如弱电流）SNIR已达到107从而推动了物理、化学、天文、生物、医学等学科的发展。（本书P13页表2-1所示数据为20世纪80年代所达到的）2、微弱信号检测方法

微弱信号检测就是从噪声中提取有用信号。目前常用的比较成功的方法有如下几种:（1）频域信号的窄带化及相关检测技术通过限制测量系统带宽的方法，把大量带宽外的噪声排除，这种技术称为窄带化技术；对于有相关性的信号，可利用相关检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，也可把与信号频率相同，但相位不同的噪声也大量排除。锁相放大器是当前频域信号相关检测的主要仪器。模拟锁相放大器

ND-201锁相放大器

锁相放大器

（2）时域信号的平均处理信号若是周期脉冲波系列，则信号有很窄的频带，就无法使用相关检测，但由于噪声是随机的，可将其多次测量后平均，就可排除噪声的影响，用接近信号真实值的特性来进行测量。其代表性的仪器有Boxcar平均器或称取样积分器（积累平均器），这类仪器的缺点是取样效率低，不能充分利用信号波形，其次是不利于低重复频率的信号的恢复，只适用于频率较高的时域信号，从而限制了它的使用；随着微型计算机应用的发展，出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声或节约时间，并能完成多种模式的平均功能。Boxcar平均器

（3）离散量的计数统计对于只关心单位时间到达的脉冲数的及窄的脉冲信号，如光子流，宇宙射线流的测量，就要选择或设计传感器，使信号有尽量相近的窄脉冲输出，利用幅度甄别器，大量排除噪声计数，利用信号的统计规律，决定测量参数，进行数据修正。

（仪器有光子计数器）

SR400双通道门控光子计数器

SR430光子计数多道定标/平均器

（4）并行检测对于只发生一次或希望在测量范围内用扫描方式同时获得结果就需要用传感器阵列，进行并行检测，且每个传感器必须有存储效应，使数据依次读出。并行检测可实现快速分析，目前多用于光学，核物理方面。（5）自适应噪声抵消利用一个与原始输入相关的噪声来抵消原始输入中的噪声，从而获得几乎未产生畸变的有用信号，也就是利用噪声与被测信号不相关的特点，自适应地调整滤波器的传输特性，尽可能地抑制和衰减干扰噪声，提高系统的信噪比。比如，打长途电话时，由于接收端的反射作用，传出的话音会反向传回来，使说话者又听到自己的话音，这就是回声干扰，解决这个问题的一种方法就是利用自适应回波干扰抵消装置来消除这种回声干扰。再如自适应滤波器，在地震数据处理中也有运用。语音信号波形滤波后语音信号波形（6）计算机数字处理利用计算机软件来实现过去使用硬件来完成的工作任务。如曲线平滑，逐点平均，数字滤波，快速傅立叶变换等数字信号处理技术对含有噪声的信号进行处理，从而提高信噪比。（但前提是，所提取的数据中必须有有用信号）二、噪声及其抑制方法概述人们发现，一切物理量的测量精度都受到背景噪声的限制。信号源本身存在固有噪声，其输出信号中既包含有用信号，也不可避免地包含噪声；组成放大器的元器件也存在固有噪声，在对输入信号进行放大的同时，也加入了噪声；放大器之后的各种信号处理和变换电路、显示记录电路等也存在噪声。测量系统各部分之间还存在相互影响，每一部分还可能受到外界的影响，进一步降低测量精度。1、噪声定义要检测出微弱的有用信号，就必须抑制噪声。什么是噪声?由于电路中电子及其它载流子（晶体管中的空穴）的随机扰动，电路内部的噪声无处不再；另外，电路外部的各种干扰也会在电路中感应出不同频率分布的噪声。无论是内部噪声，或外部干扰，我们在这里统称为噪声。噪声可概括为有用信号以外所有扰动的总称。噪声与干扰通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪声。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。2、噪声分类与抑制方法如下图所示：电子噪声自然噪声人为噪声电路噪声爆裂噪声点火天体噪声空间噪声电机感应闪烁噪声散粒噪声热噪声宇宙射线雷电光辐射也称固有噪声由上面看出，噪声气势很强，来源很广，所以要提高信噪比，首先就要抑制噪声。抗干扰三要素：若用N表示电路所受干扰的程度，则N

可用下述公式表示

N=GC/I式中，

G是噪声发生源的强度，C是从噪声源通过某种途径传到受干扰电路的耦合因素，I是受干扰电路的抗干扰性能。所以，G、C、I表示了抗干扰的三要素。(1)电路噪声的产生与规律及其抑制方法

a)热噪声

任何电阻或导体，即使没有连接到信号源或电源，其两端也会出现很微弱的电压波动，这就是电阻的热噪声。电阻的热噪声起源于电阻中自由电子的随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。热噪声电压具有随机性，而且几乎覆盖整个频谱，类似于光学中的白光，所以可称热噪声为“白噪声”，即热噪声电压的有效值在各频率分量上皆相等。所以，经研究计算，对于带宽为Δf的测量装置，其测量电路中阻值为R的电阻上热噪声电压的有效值为上式中，Δf为噪声带宽(Hz)；R为电阻值（Ω）；k = 1.38

10- 23 J/K为波尔兹曼常数；T为绝对温度(K)。

例如，对于输入电阻Ri = 1 MW，带宽Δf = 500 kHz的放大器，设环境温度T = 300 K，可求出热噪声电压的有效值为91 mV。若输入被测信号为微伏量级，将被热噪声所淹没。

根据上式可知，降低热噪声的主要途径是减小R和Δf。尽管降低温度也有助于降低热噪声，但效果不明显，例如，将电阻浸在液态氮(77 K)中，热噪声电压有效值也仅仅减小约50 %。

b)散粒噪声

散粒噪声存在于电子管和半导体器件中。在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发射。在半导体器件中，散粒噪声是越过PN结的载流子的随机扩散和电子孔穴对的随机产生与复合造成的。凡是具有PN结的元件均存在这种散粒噪声。散粒噪声使得流过电子管和PN结的电流出现小幅度的随机波动。

散粒噪声电流的有效值在各频率分量上皆相等，也属于白噪声。研究表明，在平均电流不太大、频率不太高的条件下，对于带宽为Δf

的测量装置，流过其测量电路中的电子管或PN结的散粒噪声电流的有效值为

显然，为了减小散粒噪声的影响，Idc越小越好，尤其对于放大器的前置级。另外减小带宽。

式中：q

= 1.602  10-19 C，为电子电荷量；Idc

为平均直流电流；Δf为系统的等效噪声带宽。

c)闪烁噪声（接触噪声）

接触噪声发生在两导体相连接的地方，是由于接触点电导的随机涨落引起的。凡是有导体接触不理想的元器件，都存在接触噪声。接触噪声最早是在电子管的极板电流中发现的，称为闪烁噪声。后来在各种半导体器件中也发现了接触噪声,另外，导电材料的不连续也会产生接触噪声，如碳电阻，电流必须流过许多碳粒之间的接触点，接触噪声就很严重，金属膜电阻的接触噪声就要小得多，金属丝线绕电阻则最小。接触噪声电流的有效值在各频率分量上不相等，不属于白噪声。在f1和f2之间的频段中，接触噪声电流的有效值为式中：K为取决于接触面材料类型和几何形状的系数；Idc

为平均直流电流；f1和f2是系统工作频段。可见，接触噪声不像热噪声和散粒噪声那样取决于带宽，而是取决于通频带的上、下限。由于接触噪声电流的功率谱密度函数正比于1/f，频率越低，这种噪声的功率谱密度越大，在低频段幅度可能很大，所以接触噪声又称为低频噪声或1/f噪声。有人预计，当频率低到一定程度，如0.001 Hz时，接触噪声的幅度趋于常数。d）爆裂噪声是一种流过半导体PN结电流的突然变化。20世纪70年代初期，首先在半导体二极管中发现了此种噪声，之后在三极管和集成电路中也发现了此种噪声。引起爆裂噪声的原因是半导体材料中的杂质（常是金属杂质），这些杂质能随机发射或捕获载流子。（若将爆裂噪声放大并送到扬声器中，可听到类似于爆米花的爆裂声）

理论分析证明，爆裂噪声的功率谱密度可表示为：(A2/HZ)Ib为直流电流；KB为取决于半导体材料中杂质情况的常数；f0为转折频率，当f小于f0时,功率谱密度曲线趋于平坦。爆裂噪声是电流型噪声，在高阻电路中影响更大。通过提高半导体制造工艺，可以改善爆裂噪声；对器件严格挑选，能够避免爆裂噪声。实际的电子器件，往往是个综合的噪声源，也就是说，它们的内部同时具有以上两种或更多种噪声。要确切地分析一个晶体三极管内部噪声的组合情况都十分困难(主要包括基区电阻的热噪声、基极电流和集电极电流的散粒噪声、内部电路与引脚之间的接触噪声等)，更何况对于包含成百上千个电阻、二极管、三极管等元件的集成电路，几乎就不可能。所以在工程上衡量电子器件的噪声往往是测量综合噪声效果，不再区分具体的噪声根源。

（2）外部噪声(干扰)抑制方法噪声（内部与外部）频谱图如下：10-410-21102104106108f(HZ)相对幅度白噪声1/f噪声温度变化机械振动电弧，SCR(可控硅晶闸管)开关工频干扰电源开关AM/FM广播TV和雷达外部干扰就是由自然噪声和人为噪声引起的干扰，通常经由某种传播途经被耦合到检测系统中。根据抗干扰三要素，首先，积极主动的措施是消除或隔离干扰源，但多数情况下，对于产生噪声的外部干扰源很难采取有效措施消除或隔离，但是切断或削弱干扰耦合途经的传播作用是可以办到的。干扰耦合途经：传导耦合，公共阻抗耦合，电源耦合，电场耦合，磁场耦合，电磁辐射耦合。（a）传导耦合及其解决办法：

传导耦合是经导线传导引入干扰噪声，如交流电源线会将工频电力线噪声引入到装置；长信号线会把工频和射频电磁场、雷电感应出的噪声引入信号系统。解决办法：一是使信号线尽量远离噪声源；

二是采取去耦和滤波措施。（b）公共阻抗耦合及其解决办法：公共阻抗耦合是如果多个电路共同使用一段公共导线，如公共电源线，公共地线，则当其中的任何一个电路的电流发生波动时，都会在公共导线的阻抗上产生波动电压，形成对其它电路的干扰。电路1电路2BAZGVCZC解决办法：利用合适的接地措施可有效克服公共阻抗耦合噪声。后面细讲。（c）电源耦合及其解决办法：检测电路的直流电源上一般都不同程度的叠加有各种其它噪声，如电源电路中的整流器、电压调节器以及其它元件的固有噪声，若电源整流器输出滤波器不理想，电源输出还会叠加有工频50赫兹及其高次谐波的分量以及工频电源线上其它噪声。解决办法：选用低噪声、低输出阻抗的电源，在电路中增设滤波电容，必要时为防止其它电路的电流耦合到微弱信号检测电路中，采用单独的电源供电。（d）电场耦合、磁场耦合和电磁辐射耦合及其解决办法：干扰源导体的电位变化会在敏感电路中感应出电噪声。电场噪声可以看作是由不同电路之间的分布电容耦合传播。如两条平行直导线间的分布电容。磁场耦合又叫电感性耦合，载有电流的导线会在导线周围产生磁场，对于磁场中的导体回路，当穿越它的磁通发生变化，在回路中感应出感生电动势。电磁辐射耦合，任何载有交变电流的电路都会向远场辐射电磁波，高频电路的辐射作用更为明显，因为高频辐射源波长更短；任何导体都可能接收电磁波而产生噪声。电磁辐射耦合兼有电场和磁场耦合的特点，无线广播、电视、雷达等都是以这种方式传播的，这也是射频噪声和天体噪声的主要耦合方式。解决办法：上述三种干扰可通过屏蔽来控制。这是克服此种耦合最有效的手段。屏蔽目的是利用导电或高导磁率材料来减少磁场、电场或电磁场的强度，屏蔽可用于单个器件、传输电缆、部分电路或整个电路系统，然后再把屏蔽层接地，效果更好。总结以上所述，各种抑制干扰与噪声的技术和方法可归纳为3类：一是抑制干扰源的噪声；二是消除或切断干扰噪声源的耦合途经；三是对敏感的检测电路采取抗干扰措施。在测量与控制电路的设计、组装和使用中，对于干扰与噪声抑制的主要措施有：屏蔽、接地、隔离、合理布线、灭弧、净化、滤波、和采用专门电路与器件。三、接地基本原则接地是解决噪声的最普遍、最有效的方法。检测设备，乃至整个测量系统，总是由若干个部件组成，各部件间若电位不统一，就会引起相互干扰，处理好接地问题，可以有效抑制干扰，提高系统抗干扰能力。

接地就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。若将基准电位与大地连接，则称为共地连接；若不与大地连接，称为浮地连接。1、接地的种类和目的

一种接地是安全保护接地。主要包括：为防止电力设施或电子电气设备绝缘损坏，危及人身安全而设置的保护接地；为消除生产过程中产生的静电积累，引起触电或爆炸而设的静电接地；为防止电磁感应而对设备的金属外壳、屏蔽罩或屏蔽线外皮所进行的屏蔽接地。其中保护接地应用最为广泛，它将机（外）壳接地。当机壳带电时，促使电源的保护电器动作而切断电源，以保护操作人员的安全和仪器设备的安全运行。此种接地的目的是为了安全。另一种接地是系统（工作）接地。这种接地给电路系统提供一个基准电位（参考电位），同时也可将干扰引走。此种接地的目的是为了抑制外部的干扰。

接地通常有两种含义：一是连接到系统基准地；二是连接到大地。连接到系统基准地，是指各个电路部分通过低电阻导体与电气设备的金属底板或金属外壳实施的连接，而此金属底板、外壳并不连接到大地。系统基准地也称信号地，是信号的公共点，提供信号回路，抑制干扰。接地安全地（与大地等电势）信号地（不一定与大地等电势）（浮地或共地）

(1)给出电路、单元和设备的零电位基准面，构成电信号的通路，以保证电子设备的正常工作；

(2)防止在设备外壳或屏蔽层上由于电荷积聚、电压上升而造成人身不安全，或引起火花放电；

(3)将设备屏蔽层接地，给高频干扰电压形成一个低阻抗通路，以防止它对电子设备的干扰。接地的目的与作用2、地线的种类

(1)保护接地线(保安地线)

出于安全防护目的，将电气设备和电子测量装置的外壳与屏蔽层接地用的地线，与大地连接在一起。例如，作为三相四线制电源电网的零线、电气设备的机壳、底盘以及避雷针等都需要接大地，这就是保护接地线。

(2)信号地线

电子装置中的地线，除特别说明接大地的以外，一般都是指作为电信号的基准电位的信号地线。电子装置的接地是抑制干扰、保证电路工作性能稳定可靠的关键。信号地线既是各级电路中静、动态电流的通道，又是各级电路通过某些共同的接地阻抗而相互偶合，从而引起内部干扰的环节。

信号地线又可分为模拟信号地线和数字信号地线两种。模拟信号地线是模拟信号的零信号公共线，因为模拟信号一般较弱，因此对模拟信号地线要求较高。数字信号地线是数字信号的零电平公共线，由于数字信号一般较强，故对数字信号地线的要求可低些。为了避免模拟信号地线与数字信号地线之间的相互干扰，二者应分别设置。

(3)信号源地线传感器可看作测量装置的信号源。通常传感器装置设在生产现场，而显示、记录等测量装置则安装在离现场有一定距离的控制室内，在接地要求上二者不同、有差别。信号源地线是传感器本身的零信号电位基准公共线。

(4)负载地线负载的电流一般较前级信号电流大得多，负载地线上的电流在地线上产生的干扰作用也大，因此负载地线和测量放大器的信号地线也有不同的要求。有时二者在电气上是相互绝缘的，它们之间通过磁耦合或光耦合来传输信号。

在电子装置中，上述四种地线一般应分别设置。在电位需要连通时，可选择合适的位置作一点相连。以消除各地线之间的相互干扰。3、系统接地原则及方式

为了收到预期的效果，接地实用技术在实施中应遵循以下原则：

①根据不同的干扰源采用不同的接地技术，不能认为只要电路系统有一点接地就可以消除一切干扰。

②接地点的选择要适当，要避免因选择不当而引入新的干扰。

③选择接地点时尽量照顾屏蔽效果的兼容性，也就是通过接地的屏蔽技术达到消除几种干扰的目的。电子电气仪器设备中的系统接地是否要接大地和如何接大地，与系统的工作稳定性有着极其密切的关系，通常有以下几种方式。

a、浮地方式

浮地就是不接大地，是一种悬浮的方式，如下图所示。目的：将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来，从而抑制来自接地线的干扰。缺点：设备不与大地直接相连，容易出现静电积累现象，这样积累起来的电荷达到一定程度后，在设备和大地之间会产生具有强大放电电流的静电击穿现象，这是一种破坏性很强的干扰源。为此，在采用浮地方式时，应在设备与大地之间接一个电阻值很大的泻放电阻，以消除静电积累的影响。电路1电路2电路n浮地方式信号地保护地保护地……

浮地又称浮置、浮空、浮接，它指的是电子设备的输入信号放大器公共线(即模拟信号地)不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直流联系。浮置的目的是阻断干扰电流的通路。

检测系统或电子设备的测量电路被浮置后，由于共模干扰电流可大大减小，因此其共模抑制能力极大提高。

这里应该指出的是，只有在对电路要求高、且采用多层屏蔽的条件下，才采用浮置技术。

测量电路的浮置应该包括该电路的供电电源，即对这种俘置的测量电路的供电系统应该是单独的浮置供电系统，否则浮置将是无效的。悬浮接地应注意以下几点：

（1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统中的共模干扰电流，保证系统的可靠性。

（2）注意浮地系统对地存在的较大寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中，在设计时一定要注意。

（3）悬浮接地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。

（4）采用浮地技术时，系统容易积累静电，当静电积累到一定应程度后，可以对人和设备产生很多的损害，所以要注意静电对设备和人身的危害。b、一点接地

1MHz（一般电子技术中1HZ-----1MHZ是低频段）以下的电路只能采用一点接地，为什么？如果一个测量系统两点接地，则这两点之间的地电位差将引起干扰，加上各种接地电流的流通，也会使同一接地系统上的各点电位不一致，这样又给电路引进了内部干扰。如果采用“一点接地”，就可以有效地抑制和削弱这些干扰。因此对一个测量电路只能“一点接地”。所以一点接地的功能是消除和防止形成接地环路。一点接地是为许多接在一起的电路系统提供共同参考点。电流流过接地导线时，导线中或多或少有阻抗（必须注意：任何导线都具有一定的阻抗，通常由电阻和电感组成，大小与频率有关）。一点接地有串联方式和并联方式两种，如下图所示。

电路1电路2电路n……Z1Z2ZnI1I2In串连一点接地上图串联方式中，把各部分电路的“地”串接在一起，之后在某一点接到系统地。电路电流I1、I2……In都经过阻抗Z1，Z1是电路1、2……N的共同阻抗，因此，电路1、2……N的电位受I1、I2……In共同影响，它们之间互相牵制。只是因为这种接地方式接线简单，布线方便，所以在对噪声特性要求不高的电路中使用得很普遍，广泛用于脉冲数字电路。但是对于各部分电路功率差异大的情况，这种接地方式是不合适的，因为功率较大的电路会产生较大的地线电流，转而影响小功率电路。对于有的部分是数字电路，有的部分是模拟电路的情况，尤其是微弱信号检测电路的情况，更不能使用这种接地方式。而并联接地方式没有公共阻抗，电路1、2……N互不干扰，所以并联接地最为简单实用。如下图所示：电路1电路2电路n…Z1Z2ZnI1I2In并连一点接地对于并连一点接地，各部分电路的地电位只是自身的地电流和地线阻抗的函数，与其它电路无关。但是当电路复杂时，多个独立的接地线也会增加系统的成本和布线难度。在高频情况下，各部分电路接地线之间会经过分布电容和分布电感的耦合而形成相互干扰，而且频率越高，接地线的感抗越大（因为接地引线感抗与频率和长度成正比）

，同时各地线之间又产生电感耦合，当地线长度等于1/4波长的奇数倍时，地线阻抗会变的很高，这时地线变成天线，向外发射电磁波噪声，为了阻止这种辐射干扰，地线长度应小于信号波长的1/20（当频率高于10MHZ时，一点接地很难做到地线长度小于波长的1/20),另外，接地线之间的分布电容的容抗越小，相互影响越严重，这时，电路要采取多点接地方式。C、多点接地方式

对于工作频率较高的高频电路(信号频率为10MHz以上)，由于各元器件的引线和电路本身布局的电感都将增加接地线的阻抗，一点接地方式已不再适用。为了降低接地线阻抗及减少地线间的杂散电感和分布电容所造成的电路间的相互耦合，应采用就近接地原则，即“多点接地”。多点接地还要注意区分模拟地和数字地。因此，需设置一个低阻接地面，以最短距离把各元器件接地端子接在此地面上。多点接地方式如下图所示。

电路1电路2电路n

…d、混合接地原则

电路系统既有低频电路，又有高频电路或数字电路时，在系统中应采用混合接地方式。电路系统中的低频部分采用单点接地，而高频部分则需多点接地，这样的接地方式既包含了单点接地的特性，又包含了多点接地的特性，从而达到最佳抑制干扰的目的。如下图所示：电路1电路2电路n

另外，强电地线与信号地线分开设置。

所谓强电地线，主要是指电源地线、大功率负载地线等，它们上边流过的电流大，在地线电阻上会产生毫伏或伏级电压降。若这种地线与信号地线共用，就会产生很强的干扰。因此，信号地线与强电地线分别设置。模拟信号地线与数字信号地线分开设置。

数字信号一般比较强，而且是交变的脉冲，流过它的地线电流也是脉冲，所以，数字地上有很大的噪声。模拟信号比较弱,如果两种信号共用一条地线，数字信号就会通过地线电阻对模拟信号构成干扰，故这两种地线应分开设置。4、接地实例（1）电缆屏蔽层接地前面讲了，为防止电场、磁场、电磁辐射的干扰，采用屏蔽措施，而且屏蔽层要接地，抗干扰效果才更好，所以，我们就研究一下电缆屏蔽层的接地。经过实际研究发现，对于信号线一点接地的低频电路，屏蔽层也应一点接地，以避免噪声电流流经屏蔽层。屏蔽层电流有可能在信号线或在放大器输入端产生噪声电压（尽量不要用屏蔽层作为信号导线），问题是，屏蔽层单点接地的接地点应选择在哪里？下面分两种情况来研究。a、当信号源不接地，放大器接地此时，电缆屏蔽层可能有4种不同接法，如下图：～ABCDC1C2C3Ui112Ui2放大器Ui1表示放大器公共端对地的电压，也可看作是外界干扰在输入信号线上产生的共模噪声电压；Ui2表示两个接地点之间的地电位差。因为屏蔽层只有一点接地，所以噪声耦合的通道主要是信号线与屏蔽层之间及两条信号线之间的分布电容，如图中的C1、C2、C3.4种接地点用虚线所示，分别标注为A、B、C、D，下面就4种情况进行分析。先看A点接地方式，因屏蔽层与一根信号线相连，屏蔽层的噪声干扰电流会流入一条信号线，将在信号线阻抗上产生噪声干扰进入放大器，所以，A接法不合适。再看B点接地方式，此种方式等效电路图如下由上图计算得出噪声电压为：Ui2Ui1C2C3C112C1C1C2C212Ui1+Ui212Ui1+Ui2C点接地方式，其等效电路如下图Ui2Ui1C1C2C3C1C21212由上图看出，1、2端没有Ui1、Ui2产生的噪声电压，即对于D点接地方式，等效电路图如下由上图计算得出(Ui2无影响）Ui2Ui1Ui1C1C2C3C1C21212经过以上分析，可以得出：C连接最佳。所以，对于放大器接地，信号源浮空的输入电路，屏蔽层应该连接到放大器的公共端，即使公共端不是地电位也应如此。b、信号源接地，放大器不接地也分4种情况，留给同学们自己分析。（2）测试系统接地实例P17

5、小结

接地是一个十分复杂的系统工程。良好的接地系统设计，不仅可以有效地抑制外来电磁干扰的侵袭，使电子电气仪器安全、稳定和可靠的运行，而且保证较少的向外界大自然施放噪声和电磁污染。所以，应充分重视、解决此问题，确保电路系统安全可靠的运行。四、相关函数和相关检测从上面的微弱信号检测方法概述里,我们知道有一种微弱信号的检测技术----相关检测技术。相关技术在信号和系统的分析中占有重要的位置。微弱信号检测的核心问题是对噪声的处理。从本质上说，相关函数是两个时域信号相似性的一种度量，相关检测技术是基于信号和噪声的统计特性而进行检测的。1、能量信号和功率信号

学习信号分析后，就可知道信号的分类，有连续与离散之分；周期与非周期之分；能量信号与功率信号之分。这里我们简要介绍一下能量信号与功率信号。在一个周期内，R消耗的能量

设i(t)为流过电阻R的电流，v(t)为R上的电压

瞬时功率为R)(ti)(tvRtitp)()(2=òò--==222220000d)(d)(TTTTttiRttpEò-=22200d)(1TTttvRE或平均功率可表示为ò-=222000d)(1TTttiRTPò-=222000d)(11TTttvRTP或定义：一般说来，能量总是与某一物理量的平方成正比。令R=1，则在整个时间域内，实信号f(t)的平均功率能量ò-¥®=222000TTTttfEd)(limò-¥®=2220000d)(1limTTTttfTP讨论上述两个式子，只可能出现两种情况：

(有限值)

(有限值) 满足式的称为能量信号，满足式称功率信号。¥<<E0¥<<P00=P¥=E一般规律一般周期信号为功率信号。非周期信号，在有限区间有值，为能量信号。还有一些非周期信号，也是非能量信号。如单位阶跃信号u(t)是功率信号；而tu(t)为非功率非能量信号;冲击函数δ(t)是无定义的非功率非能量信号。一个信号可以既不是能量信号也不是功率信号，但不可能既是能量信号又是功率信号。2、相关函数是两个时域信号（有时是空间域信号）相似性的一种度量。

在地震勘探中，从地表激发的地震子波信号向地下传播，由不同深度的各个地层界面产生反射，再传播回到地表的地震反射波信号的波形都是相似的，但各界面反射波存在的时间不同，即各个反射波信号都有不同的延迟，所以，判定两个信号的相似性时，就应考虑信号之间的延迟时间t在下面定义的相关函数公式中，变量称为时移变量。t(1)f1(t)与f2(t)是能量有限信号①f1(t)与f2(t)为实函数:

互相关函数定义:可以证明：为τ的偶函数自相关函数为，时)()()(

tftftf==21当相关函数：同时具有性质：

②f1(t)与f2(t)为复函数:

互相关函数：

(2)

f1(t)与f2(t)是功率有限信号①f1(t)与f2(t)为实函数:自相关函数为互相关函数：

②

f1(t)与f2(t)为复函数:

自相关函数：由上述可见，相关函数是两个信号之间时延为τ

的函数（自变量为τ）。自相关函数是偶函数，在τ

＝0时，相关性最强，即R(0)最大。00ττR(τ)R12(τ)3、相关检测：

信号的相关特性描述了信号的相似特征，该特征在信号检测中起着重要的作用。相关检测技术是应用信号的周期性和噪声的随机性特点，通过自相关或互相关运算达到去除噪声的一种技术。（1）自相关检测注意：一般情况下，被检测的有用信号与噪声信号之间不存在相关性，那么它们的互相关函数就为零。积分器乘法器延迟τRss(τ)参考通道信号通道自相关检测框图延时器

设有用信号为S(t)、噪声信号为n(t)，通过如上图所示的功能器件，则有：因为，信号与噪声不相关，所以Rns与Rsn为零，即因为随机噪声的自相关函数Rnn(τ)集中表现在τ＝0附近，当τ很大时，Rnn(τ)趋于零，其结果使信号与信号的相关函数Rss(τ)显示出来。若有用信号为周期函数，则Rss(τ)仍为周期性函数，这样，就可由τ较大时的Rss(τ)测量出有用信号的幅度和频率。举例说明：设S(t)为正弦函数，且叠加了不相关的噪声n(t),即x(t)=S(t)+n(t)=因为所以因为当τ很大时，Rnn(τ)趋于零，就由R(τ)可以检测到有用信号S(t)的幅度和频率，但其相位信息丢失了。R(τ)τ0A21/f0（2）互相关检测互相关检测的抗干扰性能比自相关好。如下图所示：积分器乘法器延迟τ)()()(tntS1tf1+=R12(τ)信号通道参考信号输入信号延时器参考通道由上图得到互相关函数为可以看出，互相关接收只有信号与参考信号的相关输出，去掉了噪声项，因此它的输出信噪比高。若是两个频率相同的正弦信号f1(t)、f2(t)即经计算得：所以，对于频率相同的正弦信号，若已知其中一个幅度，就可以由相关函数来测定另一个信号的幅度。由上式还可以看到，两个信号的相位差也反映在互相关函数中，若知其一，就可测定另一个信号的相位，这是互相关比自相关好的一个地方。另外，其中一个信号为已知（参考信号），则基于互相关函数的参数完全可以重构另一个信号。4、相敏检波器在相关函数和相关检测中，都有两个函数相乘的问题，在实际电路中，常采用相敏检波器或混频器来完成这个功能。

相敏检波器（PSD)的作用是对信号通道的输出与参考通道的输出完成乘法运算得到两个信号的和频与差频。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。（电子开关式相敏检测器的输出等效为被测信号与幅度占空比为50％的方波信号r(t)的乘积）。相敏检波器框图乘法器输入信号X(t)参考信号r(t)输出信号V0模拟乘法器型相敏检波器的输出是它的两路输入信号（被测信号和参考信号）的乘积。实现此运算的集成电路在市场有很多种类，如MC1496、MC1596等。下面分3种情况讨论。（1）被测信号、参考信号均为正弦波

由上式看出V0包括两项，即差频项与和频项。在实际应用中，和频项常用低通滤波器滤除，所以输出只剩差频项。并且当两个信号同步（ω1＝ω2时），则差频分量为相敏直流电压输出。由于Ei、ER及频率为定值，所以输出仅与相位差有关，即有“相敏”含义。实际使用的相敏检测器框图低通滤波器乘法器X(t)r(t)参考信号输入信号输出信号V0（2）被测信号中有单频噪声通过相敏检波器输出为在实际应用中，和频项常用低通滤波器滤除，所以输出为设输入信号为：

（3）参考信号为方波参考信号是幅度为±Vr=1的方波，其频率为ω0，根据傅立叶分析方法，r(t)可以展开为傅立叶级数表示：r(t)与X(t)相乘的结果为：上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），n>1的差频项及所有的和频项都被虑除，最后滤波器的输出为只剩n＝1的差频项：说明被测信号通过相敏检波器(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，从而实现鉴幅和鉴相。相敏检测与互相关检测相比较，可以发现相敏检测器只是互相关检测的特例，相敏检测器把两个信号相乘，再进行低通滤波，从而检测出同一时刻两个信号的相关情况；而互相关中的参考信号通道增加了一个可变延时器件，并用积分器实现低通滤波器的功能，这样就可以检测不同时刻两路信号的相关情况。所以相敏检波器是相关检测的特例，相关检测具有更广泛的应用领域。相敏检波实际电路在此就不分析了。五、锁相放大器

锁相放大器又称锁定放大器（lock-inamplifier

）简称LIA

。是一种微弱信号的检测仪器，在微弱信号检测方面显出优秀性能。它是利用互相关的原理设计的一种同步相关检测仪，它完成输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关，从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来。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。（目前，锁定放大技术已广泛地用于物理、化学、生物、电讯、医学等领域。因此，培养学生掌握这种技术的原理和应用，具有非常重要的现实意义。本实验的目的是让学生了解锁定放大器的原理，验证相关检测原理，掌握锁定放大器正确的使用方法等。）前置放大带通滤波交流放大相敏检波低通滤波直流放大整形移相锁定放大器框图信号通道参考通道输入信号参考信号输出信号

1、锁定放大器的构成原理

1)信号通道

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。由于被测信号微弱，要求前置放大器必须具备低噪声、高增益的特点。带通滤波器通常是由低通滤波器和高通滤波器组合而成的，中心频率为载波频率，但带宽不能太窄，以防各种频率漂移因素引起信号的频谱偏离带通滤波器的通频带。为抑制50 Hz的工频干扰，在信号通道中还常常设有中心频率为50 Hz的陷波器。

2)参考通道