《zm微弱信号检测》PPT课件.ppt

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1、4.3.0概述概述4.3.1信噪比改善（信噪比改善（SNIR）相关检测原理相关检测原理4.3.3锁定放大器锁定放大器取样积分器取样积分器 微弱信号检测微弱信号检测1 1概概述述2 2一一.微弱信号检测定义微弱信号检测定义 前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些前面我们讨论了噪声的基本概念，以及降低噪声的一些基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产基本方法，如采用低噪声放大器不会对被探测的辐射信号产生噪声生噪声“污染污染”；但；但如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声如果光辐射信号非常微弱或者背景噪声或干扰的影响很大，造成通过光电检测放大电路后进入信号或干扰的影响很大，造成通过

2、光电检测放大电路后进入信号处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之处理系统输入端的信噪比已很糟糕，甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同中，这时要想将信号检测出来，必须根据信号和噪声的不同特点，借助一些特点，借助一些特殊的微弱信号检测方法特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。将信号从噪声中提取出来。3 3微弱信号检测定义：微弱信号检测定义：利用电子学、信息论利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的规律找和物理学的方法，分析噪声产生的规律找到抑制的方法；研究被测信号的特点和相到抑制的方法；研究被测信

3、号的特点和相干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合领域，可划归领域，可划归“低噪声电子学低噪声电子学”。4 4二二.微弱信号检测的途径微弱信号检测的途径 根根根根据据据据不不不不同同同同信信信信号号号号的的的的特特特特点点点点，微微微微弱弱弱弱信信信信号号号号检检检检测测测测的的的的途途途途径径径径一一一一般有三条：般有三条：般有三条：般有三条：l一一一一是是是是降降降降低低低低探探探探测测测测器器器器与与与与放放放放大大大大器器器器的的的的固固固固有有有有噪噪噪噪声声声声，尽尽尽尽量量量量提

4、提提提高其信噪比；高其信噪比；高其信噪比；高其信噪比；l二二二二是是是是研研研研制制制制适适适适合合合合弱弱弱弱检检检检原原原原理理理理并并并并能能能能满满满满足足足足特特特特殊殊殊殊需需需需要要要要的的的的器器器器件，例如，超导红外探测器；件，例如，超导红外探测器；件，例如，超导红外探测器；件，例如，超导红外探测器；l三三三三是是是是研研研研究究究究并并并并采采采采用用用用各各各各种种种种弱弱弱弱信信信信号号号号检检检检测测测测技技技技术术术术，通通通通过过过过各各各各种手段提取信号。种手段提取信号。种手段提取信号。种手段提取信号。这三者缺一不可。这三者缺一不可。这三者缺一不可。这三者缺一不

5、可。5 51 1时域相关与频域的窄带化技术时域相关与频域的窄带化技术时域相关与频域的窄带化技术时域相关与频域的窄带化技术利用时域中周期信号的相关性，而噪声的随机、不相关性（或利用时域中周期信号的相关性，而噪声的随机、不相关性（或利用时域中周期信号的相关性，而噪声的随机、不相关性（或利用时域中周期信号的相关性，而噪声的随机、不相关性（或弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声弱相关性），通过求取信号的自相关函数或互相关函数，在强噪声背景下提取周期信号的背景下提取周

6、期信号的背景下提取周期信号的背景下提取周期信号的“相关检测相关检测相关检测相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤。这相当于在频率中窄带化滤。这相当于在频率中窄带化滤。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和噪声。例如锁定放大器。除干扰和噪声。例如锁定放大器。除干扰和噪声。例如锁定放大器。除干扰和噪声。例如锁定放大器。2 2平均积累处理平均积累处理平均积累处理平均积累处理对于一些对于一些对于一些对于一些宽带周期信号宽带周期信号宽带周期信号宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据应用上述方法处理效果不佳，一种根据应用上述方法处理效果不佳，一种根据应用上述方法处理效果不佳，一种根据时域特征用取样平均来改

7、善信噪比并能恢复波形的时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的时域特征用取样平均来改善信噪比并能恢复波形的取样积分器取样积分器取样积分器取样积分器可获可获可获可获得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波得良好探测效果。其基本原理是对于任何重复的（周期性）信号波形，每周期如在固定的取样间隔内取样形，每周期如在固定的取样间隔内取样形，每周期如在固定的取样间隔内取样形，每周期如在固定的取样间隔内取样mm次积累则次积累则次

8、积累则次积累则信噪比改善信噪比改善信噪比改善信噪比改善。因。因。因。因为为为为“信号电压幅值为线性迭加信号电压幅值为线性迭加信号电压幅值为线性迭加信号电压幅值为线性迭加”（有规律的周期信号）而（有规律的周期信号）而（有规律的周期信号）而（有规律的周期信号）而“噪声功噪声功噪声功噪声功率为平方相加率为平方相加率为平方相加率为平方相加”（无规律的随机信号）。（无规律的随机信号）。（无规律的随机信号）。（无规律的随机信号）。三三.各种弱信号检测技术各种弱信号检测技术6 63 3离散量的统计计数技术离散量的统计计数技术离散量的统计计数技术离散量的统计计数技术用用用用PMTPMT（宽带低噪声前放、甄别器

9、和计数器等电路完（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完成）实现光子计算。成）实现光子计算。成）实现光子计算。成）实现光子计算。4 4单次信息的并行检测技术单次信息的并行检测技术单次信息的并行检测技术单次信息的并行检测技术对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一信号的检测，可

10、采用并行检测技术。实现并行检测需要一信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（传输和多道技术。典型例子：

11、光学多通道分析器（传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMAOMAOpticalMultichannelAnalyzerOpticalMultichannelAnalyzer）。）。）。）。7 75 5自适应噪声抵消法（双路消噪法）自适应噪声抵消法（双路消噪法）自适应噪声抵消法（双路消噪法）自适应噪声抵消法（双路消噪法）如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个如输入信号中混有干扰或噪声时，可以另外找到一个通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通通道，它含有与信号通道中同样的干扰和

12、噪声，然后两通通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合道相减而将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。在信号频带范围内存在强干扰的情况下抑制干扰。低噪声放大器窄带通滤波器+低噪声放大器带阻滤波器(f0)比较器计数正弦波加噪声(f0)噪声双路消噪原理框图双路

13、消噪原理框图只能用来检测微弱的正弦波信号是否存在，并不能复现波形。8 8可供选用的弱检仪器，目前有如下几种：可供选用的弱检仪器，目前有如下几种：低噪声前放；低噪声前放；各种锁定放大器（各种锁定放大器（L/A）；）；各种取样积分器（各种取样积分器（Boxcar）；）；多点信号平均器；多点信号平均器；光子计数器；光子计数器；光多通道分析仪（光多通道分析仪（OMA）四四.常用弱检仪器常用弱检仪器9 9.1信噪比改善（信噪比改善（SNIR）1010定定定定义义义义：设设设设系系系系统统统统的的的的功功功功率率率率增增增增益益益益为为为为A A2 2（f f），且且且且f f=f f 0 0时时时时A

14、A2 2（f f）取取取取得得得得最最最最大大大大值值值值A A2 2（f f0 0），那那那那么么么么，系系系系统统统统的的的的等等等等效效效效噪声带宽为噪声带宽为噪声带宽为噪声带宽为 一、有关带宽的一些定义一、有关带宽的一些定义是矩形面积是矩形面积是矩形面积是矩形面积1.等效噪声带宽等效噪声带宽1111定定定定义义义义：设设设设放放放放大大大大器器器器的的的的电电电电压压压压放放放放大大大大倍倍倍倍数数数数为为为为A A（f f），当当当当f f=f f 0 0时时时时A A（f f）取取取取得得得得最最最最大大大大值值值值A A（f f0 0）。当当当当f f=f fHH时时时时，A A

15、（f fHH）（f f0 0）；当当当当f f=f fL L时时时时，A A（f fL L）（f f0 0）；那那那那么么么么，放放放放大大大大器的通频带为器的通频带为器的通频带为器的通频带为2.放大器的通频带放大器的通频带0.7BW=fHfL（常称为（常称为（常称为（常称为3dB3dB带宽，或半带宽，或半带宽，或半带宽，或半功率之间的频率间隔）功率之间的频率间隔）功率之间的频率间隔）功率之间的频率间隔）1212设设设设输输输输入入入入端端端端的的的的噪噪噪噪声声声声功功功功率率率率谱谱谱谱密密密密度度度度为为为为S Si i（f f），那那那那么么么么，输输输输出端的噪声功率出端的噪声功率出

16、端的噪声功率出端的噪声功率谱谱谱谱密度密度密度密度S S0 0（f f）就是）就是）就是）就是 3.噪声通过放大器的情况噪声通过放大器的情况因此，若作用于因此，若作用于因此，若作用于因此，若作用于输输输输入端的是均匀入端的是均匀入端的是均匀入端的是均匀功率功率功率功率谱谱谱谱密度密度密度密度为为为为S Si i（f f）的白噪声通）的白噪声通）的白噪声通）的白噪声通过过过过如如如如图图图图（a a）所示的功率）所示的功率）所示的功率）所示的功率传输传输传输传输系数系数系数系数为为为为A A2 2（f f）的）的）的）的线线线线性网性网性网性网络络络络后，后，后，后，输输输输出端出端出端出端的噪

17、声功率的噪声功率的噪声功率的噪声功率谱谱谱谱密度就不再是均匀密度就不再是均匀密度就不再是均匀密度就不再是均匀的了，如的了，如的了，如的了，如图图图图（b b）所示。即是）所示。即是）所示。即是）所示。即是说说说说，白噪声通白噪声通白噪声通白噪声通过过过过有有有有频频频频率率率率选择选择选择选择性的性的性的性的线线线线性性性性放大器（或放大器（或放大器（或放大器（或线线线线性网性网性网性网络络络络）后，）后，）后，）后，输输输输出出出出的噪声就不是白噪声了。的噪声就不是白噪声了。的噪声就不是白噪声了。的噪声就不是白噪声了。1313根根根根据据据据噪噪噪噪声声声声功功功功率率率率谱谱谱谱的的的的含

18、含含含义义义义，那那那那么么么么放放放放大大大大器器器器（或或或或线线线线性性性性网网网网络）输出端的噪声电压均方值为：络）输出端的噪声电压均方值为：络）输出端的噪声电压均方值为：络）输出端的噪声电压均方值为：如果如果如果如果输输输输入端是入端是入端是入端是热热热热噪声，即噪声，即噪声，即噪声，即则则通常已知对对白噪声，可方便白噪声，可方便计计算算输输出出端噪声端噪声电压电压的均方的均方值值。1414对对对对于于于于同同同同一一一一个个个个系系系系统统统统来来来来说说说说，可可可可分分分分别别别别根根根根据据据据定定定定义义义义求求求求出出出出其其其其等等等等效效效效噪噪噪噪声声声声带带带带宽

19、宽宽宽和和和和3dB3dB带带带带宽宽宽宽，这这这这两两两两者者者者之之之之间间间间是是是是存存存存在在在在着着着着一一一一定定定定的的的的关系的，对于不同的系统，关系不一样。关系的，对于不同的系统，关系不一样。关系的，对于不同的系统，关系不一样。关系的，对于不同的系统，关系不一样。4.等效噪声带宽与系统的等效噪声带宽与系统的3dB带宽的关系带宽的关系例：例：RC低通滤波网络低通滤波网络+-RCviv0RC低通网络低通网络随着随着级级数的增加，数的增加，fn和和f的比的比值值越来越接近于越来越接近于1。时间常数相同的两级时间常数相同的两级RC网络网络1515信信信信噪噪噪噪比比比比改改改改善善

20、善善（SNIRSNIRS Signal ignal N Noise oise I Improvement mprovement R Ratioatio）是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。是衡量弱检仪器的一项重要性能指标。信噪比改善的定义为信噪比改善的定义为信噪比改善的定义为信噪比改善的定义为 二、二、信噪比改善信噪比改善1616从数学表达式看，从数学表达式看，SNIR似乎是噪声系数似乎是噪声系数F的倒的倒数，但实质上两者是有差别的数，但实质上两者是有差别的:噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论噪声系数是对窄带噪声而言的，并

21、且得到结论噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论噪声系数是对窄带噪声而言的，并且得到结论F1F1。这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等这个结论的产生是由于假设了输入噪声的带宽等于或小于放大系统的噪声带宽，仅适用于不采取于或小于放大系统的噪声带宽，仅适用于不采取于或小于放大系统的噪声带宽，仅适用于不采取于或小于放大系统的噪声带宽，仅适用于不采取带宽限制的信号源加前置放大器的系统；带宽限制的信号源加前置放大器的系统；带宽限制的信号源加前置放大器的系统；带宽限制的信号源加前置放大器的系统；对整个信号处理系统而

22、言，实际上对整个信号处理系统而言，实际上对整个信号处理系统而言，实际上对整个信号处理系统而言，实际上输入噪声的带宽输入噪声的带宽输入噪声的带宽输入噪声的带宽要大于整个信号处理系统的带宽要大于整个信号处理系统的带宽要大于整个信号处理系统的带宽要大于整个信号处理系统的带宽，因而，因而，因而，因而噪声系数噪声系数噪声系数噪声系数F F便有可能要小于便有可能要小于便有可能要小于便有可能要小于1 1，不适宜描述整个系统，因此而，不适宜描述整个系统，因此而，不适宜描述整个系统，因此而，不适宜描述整个系统，因此而给出信噪比改善的概念。给出信噪比改善的概念。给出信噪比改善的概念。给出信噪比改善的概念。1717

23、Eni是等效输入宽带白噪声，其功率谱密度是等效输入宽带白噪声，其功率谱密度为常数，噪声带宽为为常数，噪声带宽为fin下面导出白噪声情况下下面导出白噪声情况下SNIR的表示式：的表示式：信号处理系统信号处理系统VsiEniVsoEso那么输出噪声电压均方值为那么输出噪声电压均方值为那么输出噪声电压均方值为那么输出噪声电压均方值为 为系统的电压增益。为系统的电压增益。为系统的电压增益。为系统的电压增益。得：得：得：得：1818放大系统的信噪比改善：放大系统的信噪比改善：放大系统的信噪比改善：放大系统的信噪比改善：等于等于等于等于输入噪声的带宽输入噪声的带宽输入噪声的带宽输入噪声的带宽f finin

24、与系统的与系统的与系统的与系统的等效噪声带宽等效噪声带宽等效噪声带宽等效噪声带宽f fn n之比。之比。之比。之比。因此，因此，因此，因此，减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善减小系统的等效噪声带宽，可以提高信噪比改善。是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即所以：所以：即系统的等效噪声带宽即系统的等效噪声带宽即系统的等效噪声带宽即系统的等效噪声带宽故可得：故可得：故可得：故可得：和系统的和系统的3dB带宽带宽相等吗？相等吗？1919由由由由此此此此可可可可

25、见见见见，那那那那么么么么只只只只要要要要检检检检测测测测放放放放大大大大系系系系统统统统的的的的等等等等效效效效噪噪噪噪声声声声带带带带宽宽宽宽做做做做得得得得很很很很小小小小，使使使使f fn nR R0 0C C0 0时，可得到：时，可得到：当当n=0n=0时，即为基波输出，振幅为：时，即为基波输出，振幅为：2n+12n+12n+12n+1次谐波的振幅为：次谐波的振幅为：次谐波的振幅为：次谐波的振幅为：则：则：6262用图表示：用图表示：011/31/51/71/9/R13579相关器奇次谐波输出的频率响应相关器奇次谐波输出的频率响应6363若输入信号频率偏离奇次谐波若输入信号频率偏离奇

26、次谐波当当可简化为：可简化为：代表奇次谐波与参考信号的相位差。代表奇次谐波与参考信号的相位差。由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图由上式可画出相关器输出函数的幅频特性图6464相关器输出函数的幅频特性图：6565相位相同，频率在变相位相同，频率在变n=1,n=2,n=3 n=1,n=2,n=3 相关器各点波形相关器各点波形6666 以上是输入信号为正弦波的情况，实际测量中，以上是输入信号为正弦波的情况，实际测量中，常把慢变化或直流信号斩波，使之成为方波信号后常把慢变化或直流信号斩波，使之成为方波信号后再进行测量，这时：再进行测量，这时：可按同样的方法运算，求解化简得到：可按同样的方法运算，求

27、解化简得到：为两方波的相位差为两方波的相位差（2 2）输入信号为与参考信号同频的方波输入信号为与参考信号同频的方波 参考信号为对称方波，且参考信号为对称方波，且 ：为输入信号相对于参考信号的延迟时间。为输入信号相对于参考信号的延迟时间。6767 /2 V V0 00相关器的输出与相位差的线性关系相关器的输出与相位差的线性关系 输入信号为对称方波时，相输入信号为对称方波时，相关器输出直流电压为信号幅关器输出直流电压为信号幅度（度（VAm）乘以积分器的直）乘以积分器的直流放大倍数（流放大倍数（R0/R1），且与），且与两方波的相位差两方波的相位差成线性关成线性关系。系。由此可见相敏检波器的由此可见

28、相敏检波器的由此可见相敏检波器的由此可见相敏检波器的意义。意义。意义。意义。6868四四.同步积分器同步积分器 同同步步积积分分器器又又称称为为“相相干干滤滤波波器器”，在在锁锁放放中中应应用用这这种种电电路路在在信信号号通通道道中中作作为为滤波用，大大提高了系统的整体性能。滤波用，大大提高了系统的整体性能。69691.同步积分器（平均器）抑噪机理同步积分器（平均器）抑噪机理基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，基本原理：采用对信号和噪声的多次积累平均，将已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。将已知频率

29、的周期信号从强噪声背景中提取出来。将已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。将已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。根据根据根据根据“噪声的随机性和信号的稳定性噪声的随机性和信号的稳定性噪声的随机性和信号的稳定性噪声的随机性和信号的稳定性”，周期信，周期信，周期信，周期信号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪声则没有相关或很弱，这样在积累中按不同规律声则没有相关或很弱，这样在积累中按不同规律声则没有相关或很弱，这样在积累中按不同规律声则没有相关或很弱，这样在积

30、累中按不同规律相加，多次积累之后，我们可以把信号从噪声中相加，多次积累之后，我们可以把信号从噪声中相加，多次积累之后，我们可以把信号从噪声中相加，多次积累之后，我们可以把信号从噪声中分离出来。分离出来。分离出来。分离出来。显然，测量次数越多，则信噪比的改显然，测量次数越多，则信噪比的改显然，测量次数越多，则信噪比的改显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。善越明显。善越明显。善越明显。7070若测量次数为若测量次数为若测量次数为若测量次数为n n，则累积的信号等于：，则累积的信号等于：，则累积的信号等于：，则累积的信号等于：累积信号的平均值累积信号的平均值累积信号的平均值累积信号的平均值l

31、l另一方面，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：另一方面，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：另一方面，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：另一方面，根据各次噪声的不相关性，则累积的噪声等于：所以，测量次数所以，测量次数所以，测量次数所以，测量次数n n越大，则信噪比的改善越明显。越大，则信噪比的改善越明显。越大，则信噪比的改善越明显。越大，则信噪比的改善越明显。而增加测量次数，而增加测量次数，而增加测量次数，而增加测量次数，就意味着延长测量时间，所以信噪比的改善是以耗费时间换来的。就意味着延长测量时间，所以信噪比的改善是以耗费时间换来的。就意味着延长测量时间，所以信噪比的改

32、善是以耗费时间换来的。就意味着延长测量时间，所以信噪比的改善是以耗费时间换来的。得到信噪比为得到信噪比为得到信噪比为得到信噪比为:l l累积的信号等于：累积的信号等于：累积的信号等于：累积的信号等于：7171于于于于是是是是根根根根据据据据输输输输入入入入信信信信噪噪噪噪比比比比的的的的大大大大小小小小以以以以及及及及对对对对输输输输出出出出信信信信噪噪噪噪比比比比的的的的数值要求，可由上式算出重复测量的次数数值要求，可由上式算出重复测量的次数数值要求，可由上式算出重复测量的次数数值要求，可由上式算出重复测量的次数n n。例如，若已知例如，若已知例如，若已知例如，若已知，要求，要求，要求，要求

33、则则则则:7272用累加的方法提高信噪比，要保证信号能用累加的方法提高信噪比，要保证信号能用累加的方法提高信噪比，要保证信号能用累加的方法提高信噪比，要保证信号能线性地叠加线性地叠加线性地叠加线性地叠加。对。对。对。对于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现于周期信号，就是要使得累加过程与周期信号的重复出现同步地进行同步地进行同步地进行同步地进行，这就是同步累积。，这就是同步累积。，这就是同步累积。，这就是同步累积。为了利用同步累积的方法获得信噪比改善，为了利用同步累积的方法获得信噪比

34、改善，为了利用同步累积的方法获得信噪比改善，为了利用同步累积的方法获得信噪比改善，通常将待测信通常将待测信通常将待测信通常将待测信号调制成周期的正弦波或对称方波号调制成周期的正弦波或对称方波号调制成周期的正弦波或对称方波号调制成周期的正弦波或对称方波。正弦波和周期性对称。正弦波和周期性对称。正弦波和周期性对称。正弦波和周期性对称方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常方波的正、负半周的信号取值分别为正值和负值，所以常常用两个累加器来实现同步累加。常用两个累加器来实现同步累加。常用两个累

35、加器来实现同步累加。常用两个累加器来实现同步累加。信号累加由信号累加由信号累加由信号累加由同步开关同步开关同步开关同步开关与与与与累加器累加器累加器累加器相连同步进行。由于采用了相连同步进行。由于采用了相连同步进行。由于采用了相连同步进行。由于采用了积分器作为累加器故称积分器作为累加器故称积分器作为累加器故称积分器作为累加器故称“同步积分器同步积分器同步积分器同步积分器”。2.工作原理工作原理7373同步累积器的原理框图同步累积器的原理框图 其中其中V1（t）为输入信号，）为输入信号，V2（t）为与）为与V1（t）周期相同的参考信号，）周期相同的参考信号，同步开关受同步开关受V2（t）产生的控

36、制信号控制，能保）产生的控制信号控制，能保证证V1（t）在累积器中同相地累积起来。）在累积器中同相地累积起来。7474其中其中Vi（t）为输入信号，）为输入信号，VR（t）为与）为与Vi（t）周期相）周期相同的参考信号，同步开关受同的参考信号，同步开关受VR（t）产生的控制信号控制，能）产生的控制信号控制，能保证保证Vi（t）在累积器中同相地）在累积器中同相地累积起来。累积起来。7575注意注意注意注意:在在在在实实实实际际际际应应应应用用用用同同同同步步步步累累累累积积积积法法法法的的的的时时时时候候候候，必必必必须须须须注注注注意意意意满满满满足足足足三三三三个个个个条件：条件：条件：条件

37、：（1 1）信号应重复（周期）信号应重复（周期）信号应重复（周期）信号应重复（周期）（2 2）有适当的累积器（积分电路的时间常量）有适当的累积器（积分电路的时间常量）有适当的累积器（积分电路的时间常量）有适当的累积器（积分电路的时间常量）（3 3）能做到同相累积能做到同相累积能做到同相累积能做到同相累积要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波要保证做到同相累积则要根据不同的被检测信号波形，确定不同的参考信号。形，确定不同的参考信号。形，确定不同的参考信号。形，确定不同的参考信号。76763.特性分析特性

38、分析（类似于相关器的特性）（类似于相关器的特性）（类似于相关器的特性）（类似于相关器的特性）时间常数时间常数时间常数时间常数T=2RCT=2RC注意：相关器输出为直流，而同步注意：相关器输出为直流，而同步积分器输出为交流方波！积分器输出为交流方波！参考信号参考信号参考信号参考信号V V V VR R R R是对称周期矩形方波是对称周期矩形方波是对称周期矩形方波是对称周期矩形方波77771 1）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，）当输入信号为与参考信号同频的正弦波时，且且且且2RC12RC1，t2RCt2RC时，

39、则稳压解为：时，则稳压解为：时，则稳压解为：时，则稳压解为：输出方波幅值输出方波幅值Vm正比于正比于信号幅值信号幅值和和信号与参考信号之间的相位差余弦信号与参考信号之间的相位差余弦。如采用如图所示的运放，则：如采用如图所示的运放，则：78783 3）输入信号为参考信号的奇次谐波）输入信号为参考信号的奇次谐波）输入信号为参考信号的奇次谐波）输入信号为参考信号的奇次谐波2 2）输入信号为参考信号的偶次谐波时）输入信号为参考信号的偶次谐波时）输入信号为参考信号的偶次谐波时）输入信号为参考信号的偶次谐波时4 4）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个小量）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个

40、小量）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个小量）输入信号频率偏离参考信号基波或奇次谐波一个小量797980805 5）当输入信号为与参考信号同频的方波时：）当输入信号为与参考信号同频的方波时：）当输入信号为与参考信号同频的方波时：）当输入信号为与参考信号同频的方波时：输输出方波的振幅与出方波的振幅与（两方波的相位差）成线性关系（两方波的相位差）成线性关系81811.1.等效噪声带宽等效噪声带宽等效噪声带宽等效噪声带宽ffN N：表示系统（电路）对噪声的：表示系统（电路）对噪声的：表示系统（电路）对噪声的：表示系统（电路）对噪声的通过能力或抑制能力通过能力或抑制能力通过能力或抑制能力通过能

41、力或抑制能力 五五.锁定放大器的主要性能参数锁定放大器的主要性能参数 信号（信号（信号（信号（3dB3dB）带宽）带宽）带宽）带宽 基波噪声带宽基波噪声带宽基波噪声带宽基波噪声带宽 等效噪声带宽等效噪声带宽等效噪声带宽等效噪声带宽 2.2.积分时间常数积分时间常数积分时间常数积分时间常数82821.1.以相关器为核心的以相关器为核心的以相关器为核心的以相关器为核心的LIALIA2.2.以同步积分器为核心的锁定放大器（双相锁定以同步积分器为核心的锁定放大器（双相锁定以同步积分器为核心的锁定放大器（双相锁定以同步积分器为核心的锁定放大器（双相锁定放大器）放大器）放大器）放大器）特点：通过矢量运算电

42、路可以同时检测信号的振幅特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号的振幅特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号的振幅特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号的振幅和相位（差）信息，实现和相位（差）信息，实现和相位（差）信息，实现和相位（差）信息，实现“双相锁定双相锁定双相锁定双相锁定”功能，而功能，而功能，而功能，而且不需要调整参考信号和信号的相位差。且不需要调整参考信号和信号的相位差。且不需要调整参考信号和信号的相位差。且不需要调整参考信号和信号的相位差。3.3.同步积分器和相关器联用的同步积分器和相关器联用的同步积分器和相关器联用的同步积分器和相关器联用的LIALIA总动态范围提高。目前国内总动

43、态范围提高。目前国内总动态范围提高。目前国内总动态范围提高。目前国内LIALIA大都采用此方案。大都采用此方案。大都采用此方案。大都采用此方案。六六.锁定放大器的种类锁定放大器的种类 83834.4.外差式外差式外差式外差式LIALIA：“一种微弱信号检测方法及其在束流诊断系统中的运用一种微弱信号检测方法及其在束流诊断系统中的运用一种微弱信号检测方法及其在束流诊断系统中的运用一种微弱信号检测方法及其在束流诊断系统中的运用”，核，核，核，核电子学与探测技术，电子学与探测技术，电子学与探测技术，电子学与探测技术，2008/012008/0184841电调制电调制2用机械调制盘获取同步的参考信号用机

44、械调制盘获取同步的参考信号3利用锁相技术获取同步参考信号利用锁相技术获取同步参考信号七七.锁定放大器参考信号的提取锁定放大器参考信号的提取 85851 1LIALIA输入的是正弦或方波，输出的是输入的是正弦或方波，输出的是输入的是正弦或方波，输出的是输入的是正弦或方波，输出的是DCDC，其幅值正比于，其幅值正比于，其幅值正比于，其幅值正比于coscos。若是输入为。若是输入为。若是输入为。若是输入为DCDC要先变为要先变为要先变为要先变为ACAC。2 2如参考信号为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动如参考信号为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动如参考信号

45、为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动如参考信号为待测信号的同频方波，获取困难时，需采用锁相环构成的自动频率跟踪频率跟踪频率跟踪频率跟踪LIALIA。3 3信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测信号频率的选择要根据情况综合考虑。如果噪声是白噪声，可考虑采用探测器的最佳调制频率。如果强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频器的最佳调制频率。如果强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频器的最佳调制频率。如果

46、强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频器的最佳调制频率。如果强干扰是主要矛盾，则利用相关器幅频特性躲开干扰频率。率。率。率。4.4.时间常数时间常数时间常数时间常数T T0 0R R0 0C C00 的选择。的选择。的选择。的选择。TT0 0增大，增大，增大，增大，ffNN降低，降低，降低，降低，抑噪能力上升，测量时间抑噪能力上升，测量时间抑噪能力上升，测量时间抑噪能力上升，测量时间（系统稳定时间）增大。对于某些快速响应是不允许的，需要折衷考虑。可见提（系统稳定时间）增大。对于某些快速响应是不允许的，需要折衷考虑。可见提（系统稳定时间）增大。对于某些快速响应是不允许的，需要折衷考虑。

47、可见提（系统稳定时间）增大。对于某些快速响应是不允许的，需要折衷考虑。可见提高高高高LIALIA的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。的信噪比是以牺牲测量时间为代价的。5 5动态协调。背景噪声大时：动态协调。背景噪声大时：动态协调。背景噪声大时：动态协调。背景噪声大时：ACAC增益下降、增益下降、增益下降、增益下降、DCDC增益上升，使系统动态贮备上增益上升，使系统动态贮备上增益上升，使系统动态贮备上增益上升，使系统动态贮备上升，以免过载；背景噪声小时：升，以免过载；背景噪声小时：升，以免过载；背景噪声小时：升，以免过载；背景噪声

48、小时：ACAC增益增大、增益增大、增益增大、增益增大、DCDC增益下降，使系统输出动态上增益下降，使系统输出动态上增益下降，使系统输出动态上增益下降，使系统输出动态上升，减小漂移，使测量更准确。升，减小漂移，使测量更准确。升，减小漂移，使测量更准确。升，减小漂移，使测量更准确。6 6为了增大动态范围，提高整机性能，注意屏蔽、接地等措施。为了增大动态范围，提高整机性能，注意屏蔽、接地等措施。为了增大动态范围，提高整机性能，注意屏蔽、接地等措施。为了增大动态范围，提高整机性能，注意屏蔽、接地等措施。八八.应用应用LIA时需要注意的事项时需要注意的事项8686.4取样积分器取样积分器8787一一.概

49、述概述1.LIA的局限性的局限性（1 1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。的信号无能为力。的信号无能为力。的信号无能为力。（2 2）LIALIA实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压缩带宽的办法效

50、果不明显。用压缩带宽的办法效果不明显。用压缩带宽的办法效果不明显。用压缩带宽的办法效果不明显。88882.解决途径：解决途径：取取取取样样样样积积积积分分分分器器器器（信信信信号号号号平平平平均均均均器器器器、BoxcarBoxcar积积积积分分分分器器器器）将将将将待待待待测测测测的的的的周周周周期期期期信信信信号号号号逐逐逐逐点点点点多多多多次次次次取取取取样样样样并并并并进进进进行行行行同同同同步步步步积积积积累累累累。将将将将时时时时间间间间变变变变化化化化的的的的模模模模拟拟拟拟量量量量转转转转变变变变为为为为对对对对时时时时间间间间变变变变化化化化的的的的离离离离散散散散量量量量的