微弱信号检测课件.ppt

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1、 14.3.0概述概述4.3.1信噪比改善（信噪比改善（SNIR）4.3.2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4.3.4取样积分器取样积分器4.3 微弱信号检测微弱信号检测 24.3.0概概述述 3一一.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

2、进入信号或干扰的影响很大，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。S/N1微弱信号微弱信号（微弱光电信号）（微弱光电信号）4微弱信号检测定义：微弱信号检测定义：利用电子学、信息论和利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的规律找到抑物理

3、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干性，制的方法；研究被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。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领微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合领域，可划归域，可划归“低噪声电子学低噪声电子学”。5二二.微弱信号检测的途径微弱信号检测的途径根根据据不不同同信信号号的的特特点点，微微弱弱信信号号检检测测的的途途径径一一般有三条：般有三条：l一一是是降降低低探探测测器器与与放放大大器器的的固固有有噪噪声声，尽尽量量提提高高其信噪比；其信噪比；l二二是是研研制制适适合合弱弱检检原原理理并并能能满满足足特特

4、殊殊需需要要的的器器件件，例如，超导红外探测器；例如，超导红外探测器；l三三是是研研究究并并采采用用各各种种弱弱信信号号检检测测技技术术，通通过过各各种种手段提取信号。手段提取信号。这三者缺一不可。这三者缺一不可。61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（或弱相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，在强噪声背景下关性），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提取周期信号的“相关检测相关检测”。这相当于在频率中窄带化滤除干扰和。这相当于在频率

5、中窄带化滤除干扰和噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。噪声。特别适用窄带信号。例如锁定放大器。2平均积累处理平均积累处理对于一些对于一些宽带周期信号宽带周期信号应用上述方法处理效果不佳，一种根据时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善信噪比并能恢复波形的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可获得良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）信号波形，每好探测效果。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周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则次积累则信噪比改善信噪比改善。因为。因为“信号信号电压幅值

6、为线性叠加电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而（有规律的周期信号）而“噪声功率为矢量相噪声功率为矢量相加加”（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 7例：窄带滤波法例：窄带滤波法 由图看出：使用了窄由图看出：使用了窄带通滤波器后，则带通滤波器后，则如果如果B选得很窄，则输出信选得很窄，则输出信噪比还能更大一些。噪比还能更大一些。窄带通滤波器的实现方式很多，常见的有双窄带通滤波器的实现方式很多，常见的有双T选频，选频，LC调谐，调谐，晶体窄带滤波器等，但这种方法晶体窄带滤波器等，但这种方法不能检测深埋在噪声中的信不能检测深埋在噪声中的信号号，

7、通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方，通常它只用在对噪声特性要求不很高的场合。更好的方法是用锁定放大器和取样积分器。法是用锁定放大器和取样积分器。AV2（f）83离散量的统计计数技术离散量的统计计数技术用用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完成）（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。实现光子计算。4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，如对一个非周期信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个探号的检测，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

8、个探测器必须有存贮的功能，且可以依次将测阵列，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，一般采用多路传输和多存贮的信息读出，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（道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMAOpticalMultichannelAnalyzer）。）。95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，可以另外找到一个通道，它含有与信号通道中同样的干扰和噪声，然后两通道通道，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

9、将干扰或噪声抵消使信噪比提高。此法特别适合在信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。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。10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（LIA）；）；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

10、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 114.3.1信噪比改善（信噪比改善（SNIR）12定定义义：设设系系统统的的功功率率增增益益为为AV2（f），且且f=f 0时时AV2（f）取取得最大值得最大值AV2（f0），那么，系统的等效噪声带宽为），那么，系统的等效噪声带宽为一、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（ENBW）对对对对同同同同一一一一个个个个系系系系统统统统，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

11、声带带带带宽宽宽宽和和和和3dB3dB带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。带宽，这两者之间存在一定的关系，但不完全相等。133dB带宽带宽频率响频率响应函数应函数幅频响应幅频响应例：求一阶例：求一阶RC低通滤波器电路的低通滤波器电路的3dB带宽带宽和和等效噪声带宽等效噪声带宽 14等效噪声带宽等效噪声带宽角频率表示角频率表示等效噪声带宽等效噪声带宽频率表示频率表示或或由等效噪声带宽的定义由等效噪声带宽的定义取零频时具有最大值取零频时具有最大值 15时间常数相同的时间常数相同的RC网络网络等效噪

12、声带宽比等效噪声带宽比3dB带宽要宽：带宽要宽：对于二阶低通滤波器，对于二阶低通滤波器，1.22对于三阶低通滤波器，对于三阶低通滤波器，1.15对于四阶低通滤波器，对于四阶低通滤波器，1.13对于五阶低通滤波器，对于五阶低通滤波器，1.11滤波器的阶次越高，滤波器的阶次越高，fn和和f的比的比值值越来越接近于越来越接近于1，其幅频响其幅频响应曲线越接近于理想滤波器。应曲线越接近于理想滤波器。对于一阶低通滤波器，对于一阶低通滤波器，16噪声是一种平稳随机信号；噪声是一种平稳随机信号；噪噪声声一一般般采采用用长长周周期期测测定定其其均均方方值值(即即噪噪声声功功率率)的的方方法法，通通常常采采用用

13、先先计计算算噪噪声声电电压压(电电流流)的的平平方方值值，然然后后将将其其对对时时间间作作平均，来求噪声电压平均，来求噪声电压(电流电流)的均方值，即：的均方值，即：表示噪声电压表示噪声电压表示噪声电压表示噪声电压(电流电流电流电流)消耗在消耗在消耗在消耗在1111电阻上的电阻上的电阻上的电阻上的平均功率（噪声功率）平均功率（噪声功率）平均功率（噪声功率）平均功率（噪声功率）或或1 1）噪声功率噪声功率2.噪声通过系统的情况噪声通过系统的情况 17表示频率在表示频率在表示频率在表示频率在f f与与与与f+f+f f之间的噪声频谱分量的平均功率之间的噪声频谱分量的平均功率之间的噪声频谱分量的平均

14、功率之间的噪声频谱分量的平均功率S Sn n(f)(f)表示单位频谱的噪声功率表示单位频谱的噪声功率表示单位频谱的噪声功率表示单位频谱的噪声功率总噪声功率可由总噪声功率可由总噪声功率可由总噪声功率可由S Sn n(f)(f)在频域上的积分得到：在频域上的积分得到：在频域上的积分得到：在频域上的积分得到：2 2）噪声功率谱密度噪声功率谱密度 18设设输输入入端端的的噪噪声声功功率率谱谱密密度度为为Si（f），则则输输出出端端的的噪声功率噪声功率谱谱密度密度S0（f）为为：若作用于若作用于若作用于若作用于输输输输入端的是白噪声，其入端的是白噪声，其入端的是白噪声，其入端的是白噪声，其功率功率功率功

15、率谱谱谱谱密度密度密度密度S Si i（f f）通）通）通）通过过过过功率功率功率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，输输输输出端的噪声功率出端的噪声功率出端的噪声功率出端的噪声功率谱谱谱谱密度不再是均密度不再是均密度不再是均密度不再是均匀的，如匀的，如匀的，如匀的，如图图图图（b b）所示。即，）所示。即，）所示。即，）所示。即，白噪白噪白噪白噪声通声通声通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网性网性网性网络络络络后，后，后，后，输输输输出的噪声就不是白噪声了

16、出的噪声就不是白噪声了出的噪声就不是白噪声了出的噪声就不是白噪声了。噪声输入噪声输入噪声输出噪声输出3）噪声通过系统的情况）噪声通过系统的情况 19根根据据噪噪声声功功率率谱谱的的含含义义，那那么么线线性性网网络络输输出出端端的的噪噪声电压均方值声电压均方值(即输出的噪声功率即输出的噪声功率)为：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。20信信噪噪比比改改善善（SNIRSignal Noise ImprovementRatio）是衡量弱检仪器的一

17、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二、二、信噪比改善信噪比改善 21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:噪声系数仅适用于不采取带宽限制的信号源加前置噪声系数仅适用于不采取带宽限制的信号源加前置放大器的系统；并且得到结论放大器的系统；并且得到结论F1。这个结论的产。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。统的噪声带宽。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

18、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，因而，因而噪声系数噪声系数F便有可能要小于便有可能要小于1，不适宜描述整个系统，因此而给，不适宜描述整个系统，因此而给出信噪比改善的概念。出信噪比改善的概念。22Eni是等效输入宽带白噪声电压，其功率谱密度是等效输入宽带白噪声电压，其功率谱密度S(f)为常数，输入噪声带宽为为常数，输入噪声带宽为fin，下面导出系统存在白噪声情况下下面导出系统存在白噪声情况下SNIR的表示式：的表示式：信号处理系统信号处理系统VsiEniVsoEso那么输出噪声功率为那么输出噪声功率为那么输出噪声功率为那么输出噪声功率为 为系

19、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则等效输入噪声功率为则等效输入噪声功率为 23放大系统的信噪比改善：放大系统的信噪比改善：等于等于输入噪声的带宽输入噪声的带宽fin与系统的与系统的等效噪声带宽等效噪声带宽fn之比。之比。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。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

20、吗？24由由此此可可见见，那那么么只只要要检检测测放放大大系系统统的的等等效效噪噪声声带带宽宽做做得得很很小小，使使fnR 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：65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 66若输入信号频率偏离奇次谐波若输入信号频率偏离奇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

21、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 67相关器输出函数的幅频特性图：68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 69 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

22、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。70 /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，动态范围大，系，动态范围大，由此可见由此可见由此可见由此可见相敏检波器的意义。相敏检波器的意义。相敏检波器的意义。相敏检波器的意义。

23、71四四.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。721.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，将基本原理：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。根已知频率的周期信号从强噪声背景中提取出来。根据据“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”，周期信号在，周期信号在时域中前后时间间隔中幅值是相关的，而噪声则没时

24、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相加，多有相关或很弱，这样在积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分离出来。次积累之后，我们可以把信号从噪声中分离出来。显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。显然，测量次数越多，则信噪比的改善越明显。73若测量次数为若测量次数为n，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 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

25、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

26、号等于：累积的信号等于：累积的信号等于：74于于是是根根据据输输入入信信噪噪比比的的大大小小以以及及对对输输出出信信噪噪比比的的数值要求，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n。例如，若已知例如，若已知，要求，要求则则:75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。对于。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同步地进行地进行，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改善，通常将待测信号通常

27、将待测信号调制成周期的正弦波或对称方波调制成周期的正弦波或对称方波。正弦波和周期性对称方波。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，所以常常用两的正、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。个累加器来实现同步累加。信号累加由信号累加由同步开关同步开关与与累加器累加器相连同步进行。由于采用了积相连同步进行。由于采用了积分器作为累加器故称分器作为累加器故称“同步积分器同步积分器”。2.工作原理工作原理 76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

28、相同的参考信号，同步开关受同步开关受V2（t）产生的控制信号控制，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。77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。78注意注意:在在实实际际应应用用同同步步累累积积法法的的时时候候，必必须须注注意意满满足足三三个个条件：条件：（1）信号应重复（周期）信号应重复（周期）（2）有适当的

29、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）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形，确定不同的参考信号。形，确定不同的参考信号。793.特性分析特性分析（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T=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！积分器输出为交流！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

30、 801）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2RC1，t2RC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：813）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）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）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 82注意：输出交流信号为方波，其频率为参考信号频率注

31、意：输出交流信号为方波，其频率为参考信号频率 835）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：输输出出方方波波的的振振幅幅与与（两两方方波波的相位差）成线性关系的相位差）成线性关系 841.等效噪声带宽等效噪声带宽fN：表示系统（电路）对噪声的通：表示系统（电路）对噪声的通过能力或抑制能力过能力或抑制能力五五.锁定放大器的主要性能参数锁定放大器的主要性能参数 RC低通滤波器低通滤波器信号（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 总的等效噪总的等效噪总的等效噪总的等效噪声带宽声带宽声带宽声带宽 R

32、C低通滤波器等效噪声带宽低通滤波器等效噪声带宽对于对于PSD，考虑到在基波附近，考虑到在基波附近的输出噪声都将在输出端产生噪声的输出噪声都将在输出端产生噪声分量，故分量，故PSD的基波等效噪声带宽应为的基波等效噪声带宽应为RC低通滤波器等效噪声带宽的低通滤波器等效噪声带宽的2倍，倍，对于白噪声，对于白噪声，相应谐波等效噪声带宽相应谐波等效噪声带宽为：为：85国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器国外仪器一般都用低通滤波器的等效噪声带宽代替仪器总的等效噪声带宽，这是不太严格的。总的等效噪声带宽，这是不太严格的。目前国内外生产的锁定放大器的等效噪声带宽目前国内外生产的锁定放大器的等效噪声

33、带宽目前国内外生产的锁定放大器的等效噪声带宽目前国内外生产的锁定放大器的等效噪声带宽 f fN N在在在在10103 3HzHz量量量量级级级级。从抑制噪声的角度来看，时间常数从抑制噪声的角度来看，时间常数RC越大越好。但是越大越好。但是RC越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量越大，放大器反应速度就越慢，幅度变化较快的信号的测量将受到限制。所以在锁定放大器中用减小带宽来抑制噪声是将受到限制。所以在锁定放大器中用减小带宽来抑制噪声是以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，以牺牲响应速度为代价的。在测量中应根据被测信号的情况，选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大

34、越好。选择适当的时间常数，而不能无限度的追求越大越好。862.信噪比改善（信噪比改善（SNIR）：信噪比改善是指系统输入端信噪比）：信噪比改善是指系统输入端信噪比与输出信噪比与输出信噪比的比值，锁定放大器的信噪比改善常用输入的比值，锁定放大器的信噪比改善常用输入信号的噪声带宽与信号的噪声带宽与PSD的输出噪声带宽之比的平方根表示：的输出噪声带宽之比的平方根表示：例：设系统输入噪声带宽为例：设系统输入噪声带宽为例：设系统输入噪声带宽为例：设系统输入噪声带宽为100kHz100kHz，输出等效噪声带宽，输出等效噪声带宽，输出等效噪声带宽，输出等效噪声带宽为为为为10103 3HzHz，则信噪比（电

35、压）改善为：则信噪比（电压）改善为：则信噪比（电压）改善为：则信噪比（电压）改善为：10104 4（电压）（电压）（电压）（电压）873.3.动态范围和动态储备动态范围和动态储备动态范围和动态储备动态范围和动态储备 这三个电平确定了仪器的几个重要性能这三个电平确定了仪器的几个重要性能这三个电平确定了仪器的几个重要性能这三个电平确定了仪器的几个重要性能指标：指标：指标：指标：动态储备：指比满刻度输入信号大动态储备：指比满刻度输入信号大动态储备：指比满刻度输入信号大动态储备：指比满刻度输入信号大多少倍时输入噪声仍然能够被仪器多少倍时输入噪声仍然能够被仪器多少倍时输入噪声仍然能够被仪器多少倍时输入噪

36、声仍然能够被仪器抑制。抑制。抑制。抑制。输出动态范围输出动态范围输出动态范围输出动态范围：是指在确定的灵敏：是指在确定的灵敏：是指在确定的灵敏：是指在确定的灵敏度的条件下满刻度输出时的输入信度的条件下满刻度输出时的输入信度的条件下满刻度输出时的输入信度的条件下满刻度输出时的输入信号大小与最小可分辨信号大小之比。号大小与最小可分辨信号大小之比。号大小与最小可分辨信号大小之比。号大小与最小可分辨信号大小之比。输入总动态范围：是指在确定的灵输入总动态范围：是指在确定的灵输入总动态范围：是指在确定的灵输入总动态范围：是指在确定的灵敏度的条件下，最大噪声信号大小敏度的条件下，最大噪声信号大小敏度的条件下

37、，最大噪声信号大小敏度的条件下，最大噪声信号大小与最小可分辨信号大小之比，是评与最小可分辨信号大小之比，是评与最小可分辨信号大小之比，是评与最小可分辨信号大小之比，是评价仪器从噪声中提取信号能力的主价仪器从噪声中提取信号能力的主价仪器从噪声中提取信号能力的主价仪器从噪声中提取信号能力的主要参数。要参数。要参数。要参数。锁定放大器有几个标志其性能的临界电平：（锁定放大器有几个标志其性能的临界电平：（锁定放大器有几个标志其性能的临界电平：（锁定放大器有几个标志其性能的临界电平：（1 1）最小可）最小可）最小可）最小可分辨信号电平（分辨信号电平（分辨信号电平（分辨信号电平（MDSMDS）；（）；（）

38、；（）；（2 2）满刻度信号输入电平（）满刻度信号输入电平（）满刻度信号输入电平（）满刻度信号输入电平（FSFS）；）；）；）；（3 3）最大过载电平（）最大过载电平（）最大过载电平（）最大过载电平（OVLOVL）。）。）。）。输入总动态范围一般取决于前置放大器输入总动态范围一般取决于前置放大器的输入端噪声及输出直流漂移，往往是的输入端噪声及输出直流漂移，往往是给定的。当噪声大时应增加动态储备，给定的。当噪声大时应增加动态储备，使放大器不因噪声而过载，但这是以增使放大器不因噪声而过载，但这是以增大漂移为代价的。当噪声小时，可增大大漂移为代价的。当噪声小时，可增大输出动态范围，相对压缩动态储备，

39、而输出动态范围，相对压缩动态储备，而获得低漂移的准确测量值。获得低漂移的准确测量值。881.以相关器为核心的以相关器为核心的LIA2.双相锁定放大器双相锁定放大器特点：通过矢量运算电路可以同时检测信号特点：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，实现的振幅和相位（差）信息，实现“双相锁定双相锁定”功能，而且不需要调整参考信号和信号的功能，而且不需要调整参考信号和信号的相位差。相位差。六六.锁定放大器的种类锁定放大器的种类 89双相锁定放大器原理框图双相锁定放大器原理框图同相输出分量为正交输出分量为 A 10-2-8 arctg 904.外差式外差式LIA：AC放大与滤波混频频率

40、合成移相带通低通利用频率变换将输入信号的频率变换到一个固定频率上，利用频率变换将输入信号的频率变换到一个固定频率上，然后进行带通滤波和相敏检测，以便带通滤波器和相敏然后进行带通滤波和相敏检测，以便带通滤波器和相敏检波器的最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。检波器的最佳设计，以及避免带通滤波器的调节。911电调制电调制2用机械调制盘获取同步的参考信号用机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 921LIA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DC。若是输入为。若是输入为DC要先变

41、为要先变为AC。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频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率跟踪LIA。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，可考虑采用探测器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率。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。4.时间常数时间常数T0R0C0的选择。的选择。T0增大，增大，fN降低，降低，抑噪能力上升，测量时间（系抑噪能力上升，测量时间（系统稳定时间）

42、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LIA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动态协调。背景噪声大时：动态协调。背景噪声大时：AC增益下降、增益下降、DC增益上升，使系统动态贮备上升，增益上升，使系统动态贮备上升，以免过载；背景噪声小时：以免过载；背景噪声小时：AC增益增大、增益增大、DC增益下降，使系统输出动态范围上升，增益下降，使系统输出动态范围上升，减小漂移，使测量更准确。减小漂移，使测量更准确。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

43、，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 934.3.4取样积分器取样积分器 94一一.概述概述1.LIA的局限性的局限性l（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。信号无能为力。l（2）LIA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。952.解决途径：解决途径：取取样样积积分分器器（信信号号平平均均器器、Boxcar积积分分

44、器器）将将待待测测的的周周期期信信号号逐逐点点多多次次取取样样并并进进行行同同步步积积累累。将将时时间间变变化化的的模模拟拟量量转转变变为为对对时时间间变变化化的的离离散散量量的的集集合合，这这种种集集合合即即为为信信号号的的低低频频复复制制。利利用用它它可可以以解解决决在在强强噪噪声声背背景景下下任任意意形形状状的的宽宽带带周周期期信信号的检测和波形再现问题。号的检测和波形再现问题。96首先，微弱周期信号的周期是已知的，首先，微弱周期信号的周期是已知的，这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，信号与被测物体作用后产生的，

45、被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。种函数关系。97如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；进行取样，并把取样值保存在积分器中；经过次取样后，如同同步累积法一样，信号经过次取样后，如同同步累积法一样，信号得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了得到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在

46、噪声中显现出来。一部分所以信号在噪声中显现出来。如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。可能将被噪声淹没的信号恢复波形。98二二.取样积分器的工作原理和分类取样积分器的工作原理和分类1.工作原理工作原理 一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。通常一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。通常一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。通常一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器。通常采用取样脉冲控制采用取样脉冲控制采用取样脉冲控制采用取样脉冲控制RCRC积分器来实现，使在取样时间积分器来实现，使在取样时间积分器来实现，使

47、在取样时间积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输输输输出出出出)保持到下一次取样。保持到下一次取样。保持到下一次取样。保持到下一次取样。99取样门及积分器取样门及积分器 1002.分类分类单单点点取取样样积积分分器器（单单点点信信号号平平均均器器或或Boxcar积积分分器器）：在在每每个个信信号号周周期期内内只只在在一一点点取取样样积积分分，经经多多次次取取样样积积分分后后得得到到该该点点幅幅值值，即即变变换换取取样样工作原理。工作原理

48、。取取样样积积分分器器（信号平均器）（信号平均器）定定点点式式：测测某某一一特特定定时时刻刻的幅值的幅值多多点点信信号号平平均均器器：在在信信号号每每个个周周期期内内对对信信号号进进行行多多点点取取样，是样，是实时取样实时取样工作原理。工作原理。扫扫描描式式：逐逐点点扫扫描描可可恢恢复复波形波形 101三三.取样积分器的工作方式取样积分器的工作方式1.定点式取样积分器定点式取样积分器VR与与VA保持同步产生触发信保持同步产生触发信号，经延迟电路（可调，以确定号，经延迟电路（可调，以确定要取样的时刻）作要取样的时刻）作td延迟，经过延迟，经过取样脉冲（取样脉冲（Tg）控制取样门的开）控制取样门的

49、开断时间，经过累加平均，经断时间，经过累加平均，经n次取次取样平均后，样平均后，SNIRn只能恢复周期性信号某一点的幅值只能恢复周期性信号某一点的幅值只能恢复周期性信号某一点的幅值只能恢复周期性信号某一点的幅值 1022.扫描式取样积分器扫描式取样积分器如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础如果要恢复周期信号的波形，必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每上，对周期信号的一周期内的各点进行

50、扫描，把周期信号每上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。103 104 在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就在定点取样积分的基础上，顺序改变取样点的位置，就得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：得到以扫描方式工作的取样积分器。如图所示：l当取样脉冲对准当取样脉冲对准t1位置取样积分位置取样积分m次后，将取样脉冲在时间次后，将取样脉冲在时间轴上延时轴上延时t（一般来说（一般来说