锁定放大器学习.pptx

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1、6.1 低噪声电子设计的适用范围1低噪声电子设计的适用范围低噪声电子设计的适用范围低噪声电子设计的方法：低噪声电子设计的方法：使用的前提：是要求在电信号处理的输入端有足够使用的前提：是要求在电信号处理的输入端有足够大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。大的信噪比，处理的结果是使信噪比不至于变坏。如果在信号处理系统的输入端，信噪比已很糟糕，如果在信号处理系统的输入端，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甚至信号深埋于噪声之中，这时要想将信号检测出来，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。来，仅用低噪声电子设计的方法就不行了。这时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应这

2、时，必须根据信号和噪声的不同特点，采用相应的方法将信号与噪声分离。的方法将信号与噪声分离。这就是微弱信号检测的方法这就是微弱信号检测的方法。第1页/共58页2 微弱信号检测的途径一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比二是研制适合弱信号检测的原理，并能满足特殊需要的器件三是研究并采用各种弱信号检测技术，通过各种手段提取信号 这三者缺一不可。第2页/共58页回顾：噪声的性质平坦的频谱在宽阔的频率范围内，该信号具有几乎相同的频谱。信号的瞬时电平成为预测不到的随机的值。随着频带宽度不同测量电压会改变在用毫伏计测量白噪声时，得到的测量值和白噪声所具有的BW平方根以及电平成比例。测量得到的电压

3、值，与右图中的浅蓝色部分的面积成比例。第3页/共58页即使对于同样的噪声，如果用带通滤波器（BPF）来限制所通过的频带，那么测量所得的电压值就会不同。把测量所得的噪声电压（Vrms），除以BW的平方根，就得到用表示噪声大小的单位、也即称作噪声电压密度（V/Hz）来衡量的值。BW如果缩小到1/100，那么测量所得的噪声电压就缩小到1/10。第4页/共58页白噪声：当其通过一个电压传输系数为Kv，带宽为B=f 2-f 1的系统后，则输出噪声为：由上式可以看出：噪声输出总功率与系统的带宽成正比，通过减小系统带宽来减小输出的白噪声功率。第5页/共58页1/f 噪声的情况：其输出噪声即由1/f 噪声产生

4、的输出噪声功率为：由上式可见，通过减小通频带B来减小输出端的1/f 噪声功率。第6页/共58页再看一看正弦波的性质频谱非常集中与频带宽度无关，测量所得电压保持一定的值。因为频谱是集中分布的，所以不受频带宽度的影响，测量所得的电压保持一定的值。但是，必须要使信号频率存在于所取的频带之内。第7页/共58页用交流电压表所测量的电压值，与频带宽度无关第8页/共58页在正弦波上叠加了白噪声以后会怎么样呢？当带通滤波器的频带宽度变狭窄时，就会有以下结果：想要测量的信号的电平不变；白噪声的强度减小；频率不同的其它成分也被削弱。第9页/共58页功率谱密度曲线：有限正弦信号 白噪声由图看出：使用了窄带通滤波器后

5、，如果B选得很窄，则输出信噪比还能更大一些，带通滤波器在白噪声条件下的信噪比改善：第10页/共58页输出端信号功率 Pso：输出端噪声功率 Pno:即：也就是：fn 为窄带通滤波器的等效噪声带宽，fni 为输入噪声的带宽，即使是白噪声，它也有一个带宽，实际上并不是到无穷大。第11页/共58页结论：为了测量被噪声所掩埋的信号，应该将带通滤波器的频带宽度变窄。如果将频带宽度缩小到1/N，那么噪声功率就减小到1/N，而信号却不改变，其SNIR为1/N。第12页/共58页带通滤波器的限制使用带通滤波器只让想要测量的频率信号通过，可以抑制噪声，让目的信号浮现出来。但是，使带通滤波器的通带宽度变窄，这也是

6、有限度的。在带通滤波器中，中心频率与通带宽度的比值称作Q 值，作为衡量带通滤波器的滤波尖锐程度的一项指标来使用。Q 值越大，通带宽度就越窄，抑制噪声的能力就越强。但是，一般的滤波器所能够实现的Q 值，大约在100 左右。（1kHz 的中心频率，相应的通带宽度的限界大约在10Hz 左右）Q 值不能任意增大的原因，在于组成滤波器的零部件的精确度和时间/温度的稳定性是有限的。第13页/共58页窄带滤波法一、基本原理设计出发点：噪声功率谱密度比较宽，信号功率谱密度比较窄。工作原理：用一个窄的带通滤波器，将有用信号的功率提取出来；由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一部分通过，而滤掉了大部分的噪声功率，所以

7、输出信噪比能得到很大改善。特点：滤波器带宽B越窄，信噪比提高越好缺点：带宽BW与f0、Q有关，BW很窄的滤波器无法实现。无法检测深埋在噪声中的信号，只适用于对噪声特性要求不高的场合第14页/共58页窄带通滤波器的实现方式很多：常见的有双T选频，LC调谐，晶体窄带滤波器等，其中双T选频可以做到相对带宽等于千分之几左右（f0为带通滤波器的中心频率）晶体窄带滤波器可以做到万分之几左右。即使是这样，这些滤波器的带宽还嫌太宽，因为这种方法不能检测深埋在噪声中的信号，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第15页/共58页同步相干检测(重点)一、相关函数的重要性质相关

8、函数的定义与计算相关函数基本性质周期信号相关函数的特点随机噪声信号的相关函数二、自相关检测三、互相关检测第16页/共58页一、相关函数的定义与计算能量有限信号的自相关函数l功率有限信号的自相关函数l 两个功率有限信号的互相关函数l 两个能量有限信号的互相关函数第17页/共58页2、相关函数的基本性质=0时，R()取最大值。对实函数，R()为偶函数l对复函数第18页/共58页2、周期信号相关函数特征正弦信号 自相关函数第19页/共58页3 3、噪声的相关函数、噪声的相关函数随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，其随机噪声是一种前后独立的平稳随机过程，其相关函数随相关函数随 的增加而减小，如红色曲

9、线所示。的增加而减小，如红色曲线所示。对于白噪声，其相关性很小。相关函数函数随对于白噪声，其相关性很小。相关函数函数随 的增加而迅速减小如蓝色曲线所示。的增加而迅速减小如蓝色曲线所示。)(t tR Rt t0 0第20页/共58页二、自相关检测基本原理利用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的目的基本原理是从强噪声中提取弱信号的重要手段。l实现方法混有噪声的信号 送入相关接收机两个通道（不延时和延时）相乘器积分器第21页/共58页自相关检测理论推导信号 的自相关函数在一般情况下，噪声和信号不相关，有所以时延足够大时，只输出信号自身的相关函数此外，若时延足够大，则第

10、22页/共58页例：已知正弦弦信号 ，混合有 随机噪声n(t),求自相关检测输出信号。解：根据自相关检测的特点，有由以前推导可知：第23页/共58页三、互相关检测1、基本原理：若已知发送信号的重复周期或频率，就可在接收端发出一个与发送信号周期相同的“干净的”重复周期信号，称为本地信号，将它与混有噪声的输入信号进行互相关，即可除去噪声的影响，提高电路的抗干扰能力。第24页/共58页2、互相关检测实现方法输入信号 与本地信号 送入相关接收机的两个通道（输入信号不延时、本地信号延时）相乘器积分器第25页/共58页3、互相关检测理论推导l若噪声与信号不相关，则l所以l互相关接收机只有信号与本地信号的相

11、关输出，去掉了噪声项，因此提高了输出的信噪比第26页/共58页锁定放大器法 锁定放大器法的原理框图如下:V1(t)为输入信号，V2(t)为参考信号，这两个信号同时输入乘法器进行乘法运算，再经过积分器，得到输出信号V0(t)。第27页/共58页1考虑最简单的情况:信号中没有含噪声，只有信号，且信号为正弦信号 则两信号相乘后，输出：参考信号为：且第28页/共58页两信号相乘后，通过积分器进行积分，假定积分器的积分时间常数为T，而且积分时间也取T，则：由上式可见，锁定接收法最后得到的是直流输出信号，而且这个直流信号的大小和两信号的相位有关。第29页/共58页2只有噪声输入时，即：其中幅度A(t)，相

12、角 均为随机变量，Vn1(t)代表了噪声中的频率为的分量，则此时锁定放大器的输出为：当积分时间T时，上式中两项积分均趋于零。故Vn0(t)=0。第30页/共58页当噪声的频率不为时，亦有同样结果。这表明当积分时间很大时，锁定放大器对噪声的抑制能力很强。在实际中，由于T不可能做得很大，或者积分器用低通滤波器来代替，这时锁定放大器的输出的噪声不为零，而在零附近起伏变化。第31页/共58页锁定放大器的特点把待测信号中与参考信号同步的信号放大并检测出来。交流输入，直流输出：输出电压正比于输入信号幅度和 被测信号与参考信号相位差的余弦。极高的放大倍数：若有前置放大器，总增益可达1011。能检测极微弱的信

13、号。灵敏度：满刻度灵敏度v、nv、pv信噪改善比：可达104噪声大于信号数千倍仍能正常检测，具有极强的抗干扰能力。第32页/共58页锁定放大器的构造基本构成：信号通道、参考通道、相关器第33页/共58页锁定放大器各部分功能说明信号通道：将弱信号放大到足以推动相关器工作前置放大器：要求低噪声、高增益，放大倍数一般为1001000倍。有源滤波与衰减：提高信号进入相关器前的信噪比；抑制和虑除部分干扰及噪声，扩大仪器动态范围。第34页/共58页锁定放大器各部分功能说明参考信号通道：将输入的正弦波、方波、三角波、脉冲波等周期信号转化成与之同频的对称方波。过零触发电路：将各种波形的输入信号变换成同步脉冲。

14、倍频电路：将触发器输出的脉冲信号倍频。移相电路：改变参考通道输出方波的相位，要求在0360度范围内可调第35页/共58页锁定放大器各部分功能说明相关器：完成被测信号与参考信号的互相关运算。乘法器：一般由相敏检波器组成积分器：由运放构成第36页/共58页1）用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率）用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率0处，再处，再进行放大，以避开进行放大，以避开1/f 噪声的不利影响；噪声的不利影响；2）利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频）利用相敏检测器实现调制信号的解调过程，可以同时利用频率率0和相角和相角进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低

15、；进行检测，噪声与信号同频又同相的概率很低；3）用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤）用低通滤波器而不是用带通滤波器来抑制宽带噪声。低通滤波器的频带可以做得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影波器的频带可以做得很窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也远远优于带通滤波器。响，稳定性也远远优于带通滤波器。锁定放大器工作原理第37页/共58页锁定放大器工作原理第38页/共58页模拟乘法器型相敏检测器1.x(t)和r(t)均为正弦波相敏检波原理第39页/共58页经过LPF当=0时，输出uo(t)最大，从而实现了鉴幅又鉴相1)幅频特性如果 在=0的情况下。采用一阶RC低通滤波器的

16、频率响应为幅频响应为相角为第40页/共58页LPF的输出为：在稳态情况下，第41页/共58页2）相敏特性第42页/共58页2.信号输入x(t)为正弦波，参考输入r(t)为方波将方波展开为傅立叶级数：因为方波为均值等于0的偶函数，所以a0=0，bm=0。第43页/共58页与正弦参考波结果类似，而且幅度更大第44页/共58页3.X(t)为正弦波含单频噪声，r(t)为正弦波第45页/共58页4.X(t)为正弦波含窄带噪声，r(t)为正弦波第46页/共58页经过低通滤波器第47页/共58页正弦波含窄带噪声情况下的信噪改善比正弦波含窄带噪声情况下的信噪改善比相敏检测器前的选频放大器的带宽为Bi，即窄带噪

17、声的带宽。设窄带噪声的功率谱密度N0/2则窄带噪声的功率为：输入信号为：其功率为：第48页/共58页乘法器输出中的信号成分为乘法器输出的窄带噪声为Be为相敏检测器的等效噪声带宽第49页/共58页（1）相敏检测器的等效噪声带宽）相敏检测器的等效噪声带宽Be取决于低通滤波器的带宽，取决于低通滤波器的带宽，可以很窄；而其之前的带通滤波器的带宽受到谐振回路可以很窄；而其之前的带通滤波器的带宽受到谐振回路Q值的值的限制，所以限制，所以Bi不可能太窄，所以不可能太窄，所以PSD的的SNIR较大。较大。（2）在实际应用中，因为当输入噪声幅度太大，模拟乘法器）在实际应用中，因为当输入噪声幅度太大，模拟乘法器可

18、能进入非线性区，称为可能进入非线性区，称为PSD过载，使得过载，使得SNIR有限。有限。当当LPF为一阶为一阶RC低通滤波器时低通滤波器时，Be=1/(2RC),所以：第50页/共58页5.x(t)为正弦波含噪声，r(t)为方波第二项所表示的和频项被滤除，讨论第三项（1）如果n(t)为单频信号，其频率为n，那么只有第51页/共58页(2)如果n(t)为宽带噪声或x(t)的高次谐波，其频率为n的分量 与方波相乘结果为：经过LPF后第52页/共58页噪声输出不仅出现在n=0处，而且出现在n=（2n-1）0附近。总的等效噪声带宽采用带通滤波器滤除高次谐波第53页/共58页6.x(t)为方波，r(t)为方波第54页/共58页电子开关型相敏检测器其实质是参考信号幅度为1的方波时的模拟乘法器式相敏检测器。第55页/共58页双相锁定放大器其双相PSD能动态检测振幅和相位多用于：矢量电压表、频谱分析仪、噪声测试仪第56页/共58页窄带滤波法和锁定放大器 的特点和不足窄带滤波法带宽太窄：将噪声滤去的同时也造成信号的失真。带宽太宽：带宽内的强干扰信号无法去除，噪声抑制作用不明显。锁定放大器只适用于正弦波、方波等周期信号输出为直流信号，无法得到被测信号的波形第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页