微弱信號檢測2

1、 微弱信號檢測微弱信號檢測 2 微弱信號微弱信號 檢測方法檢測方法 微弱信號檢測的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復(fù)、微弱信號檢測的關(guān)鍵在于抑制噪聲，恢復(fù)、 增強(qiáng)和提取有用信號，即提高信噪改善比。增強(qiáng)和提取有用信號，即提高信噪改善比。 SNIR越大，表示處理噪聲的能力越強(qiáng)，檢測越大，表示處理噪聲的能力越強(qiáng)，檢測 水平越高。水平越高。 處理系統(tǒng)的信噪改善比等于輸入噪聲帶寬與系統(tǒng)的處理系統(tǒng)的信噪改善比等于輸入噪聲帶寬與系統(tǒng)的 噪聲等效帶寬之比。因此，減小系統(tǒng)的噪聲等效帶寬噪聲等效帶寬之比。因此，減小系統(tǒng)的噪聲等效帶寬 可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比?？梢蕴岣呦到y(tǒng)的輸出信噪比。 對于信噪比小于對于信噪比小于1的被噪聲

2、淹沒的信號，只要處理的被噪聲淹沒的信號，只要處理 系統(tǒng)的等效噪聲帶寬做得很小，就可以將信號提取出系統(tǒng)的等效噪聲帶寬做得很小，就可以將信號提取出 來，這是微弱信號檢測的指導(dǎo)思想之一。來，這是微弱信號檢測的指導(dǎo)思想之一。 e i B B SNIR 信號處信號處 理系統(tǒng)理系統(tǒng) Vsi Vni Vso Vno 2.1.1 濾波濾波 濾波的主要作用：濾波的主要作用： （1）隔離直流分量。）隔離直流分量。 （2）改善信號波形。）改善信號波形。 （3）防止離散化時(shí)的頻率混疊。）防止離散化時(shí)的頻率混疊。 （4）克服噪聲不利影響，提高信噪比。）克服噪聲不利影響，提高信噪比。 濾波消噪只適用于信號與噪聲頻譜不重疊

3、的情況，濾波消噪只適用于信號與噪聲頻譜不重疊的情況， 利用濾波器的頻率選擇特性，可將濾波器通帶設(shè)置得利用濾波器的頻率選擇特性，可將濾波器通帶設(shè)置得 能夠覆蓋有用信號的頻譜。能夠覆蓋有用信號的頻譜。 根據(jù)信號和噪聲的不同特性，常用抑制噪聲的濾波根據(jù)信號和噪聲的不同特性，常用抑制噪聲的濾波 器為低通濾波器器為低通濾波器LPF和帶通濾波器和帶通濾波器BPF。 低通濾波器能有效抑制高頻噪聲，常用于有低通濾波器能有效抑制高頻噪聲，常用于有 用信號緩慢變化的場合；用信號緩慢變化的場合； 如果信號為固有頻率如果信號為固有頻率f 0的正弦信號，則利用的正弦信號，則利用 帶通濾波器能有效抑制通帶為帶通濾波器能有

4、效抑制通帶為f 0 f 之外各種頻率之外各種頻率 的噪聲的噪聲。 帶通濾波器的帶寬帶通濾波器的帶寬2f 越小，越小，Q值越高，濾波效果值越高，濾波效果 越好，但越好，但Q值太高的濾波器往往不穩(wěn)定，因此，值太高的濾波器往往不穩(wěn)定，因此，f 很難做得很小使濾波效果受到影響。很難做得很小使濾波效果受到影響。 帶通濾波器對于頻率與信號頻率帶通濾波器對于頻率與信號頻率f 0同頻率的干擾噪同頻率的干擾噪 聲無能為力。聲無能為力。 為了抑制特定頻率的干擾噪聲，如工頻干擾，需要為了抑制特定頻率的干擾噪聲，如工頻干擾，需要 使用帶阻濾波器，即陷波器。使用帶阻濾波器，即陷波器。 2.1.2 調(diào)制放大與解調(diào)調(diào)制放大

5、與解調(diào) 對于變化緩慢的信號或直流信號，如果不經(jīng)對于變化緩慢的信號或直流信號，如果不經(jīng) 變換處理而直接利用直流放大器放大，則傳感變換處理而直接利用直流放大器放大，則傳感 器和前級放大器的器和前級放大器的1/f 噪聲及緩慢漂移經(jīng)放大后以很噪聲及緩慢漂移經(jīng)放大后以很 大的幅度出現(xiàn)，當(dāng)有用信號很小時(shí)，無法檢測出來。大的幅度出現(xiàn)，當(dāng)有用信號很小時(shí)，無法檢測出來。 簡單的電容隔直方法能有效抑制漂移和低頻噪聲，簡單的電容隔直方法能有效抑制漂移和低頻噪聲， 但對有用信號的低頻分量也具有衰減作用。但對有用信號的低頻分量也具有衰減作用。 利用調(diào)制放大器可解決這一問題，通常采用幅度調(diào)利用調(diào)制放大器可解決這一問題，通

6、常采用幅度調(diào) 制方法，在無線廣播和接收中常用。制方法，在無線廣播和接收中常用。 設(shè)載波振蕩器為調(diào)制載波源，輸出高頻載波設(shè)載波振蕩器為調(diào)制載波源，輸出高頻載波 信號信號 設(shè)被測低頻信號為單一頻率的余弦信號設(shè)被測低頻信號為單一頻率的余弦信號 實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際應(yīng)用中，c與與s 至少相差至少相差20倍以上倍以上。 調(diào)制過程通常用變增量放大器或非線性放大器實(shí)現(xiàn)調(diào)制過程通常用變增量放大器或非線性放大器實(shí)現(xiàn) 兩個(gè)信號相乘，輸出信號頻率與調(diào)制載波相同，幅度兩個(gè)信號相乘，輸出信號頻率與調(diào)制載波相同，幅度 隨被測低頻信號瞬時(shí)值變化，可得調(diào)制信號為：隨被測低頻信號瞬時(shí)值變化，可得調(diào)制信號為： 利用三角函數(shù)公式，上式

7、可變?yōu)椋豪萌呛瘮?shù)公式，上式可變?yōu)椋?ttV cc cos)( ttV ss cos)( tttVtVtV cscsm coscos)()()( tttV scscm )cos( 2 1 )cos( 2 1 )( 可見，調(diào)制過程得到兩個(gè)信號的和頻分量和可見，調(diào)制過程得到兩個(gè)信號的和頻分量和 差頻分量。差頻分量。 被測信號被測信號Vs(t)可能包括很多頻率分量，如下可能包括很多頻率分量，如下 圖圖(a)所示。調(diào)制過程中每一頻率成分都形成其和頻所示。調(diào)制過程中每一頻率成分都形成其和頻 分量和差頻分量，它們組合成調(diào)制輸出信號的頻，分量和差頻分量，它們組合成調(diào)制輸出信號的頻， 形成載波頻率形成載波頻

8、率c兩邊的兩個(gè)邊帶。如下圖兩邊的兩個(gè)邊帶。如下圖(c)所示。所示。 可見調(diào)制輸出信號可見調(diào)制輸出信號 Vm(t) 的頻譜集中在的頻譜集中在c兩邊，兩邊， 可以對其進(jìn)行交流放大。因?yàn)檩d波頻率較高，各級可以對其進(jìn)行交流放大。因?yàn)檩d波頻率較高，各級 放大器間可以用隔直電容耦合，所以前級放大器的放大器間可以用隔直電容耦合，所以前級放大器的 漂移和漂移和1/f 噪聲不會(huì)傳輸?shù)胶蠹?。噪聲不?huì)傳輸?shù)胶蠹墶?解調(diào)過程可以用檢波器或相敏檢測器實(shí)現(xiàn)，其過解調(diào)過程可以用檢波器或相敏檢測器實(shí)現(xiàn)，其過 程是將放大后的調(diào)制信號再和載波信號相乘一次。程是將放大后的調(diào)制信號再和載波信號相乘一次。 (a)被測信號被測信號Vs(

9、)；(b)載波信號載波信號Vc()； (c)調(diào)制信號調(diào)制信號Vm()；(d)解調(diào)信號解調(diào)信號Vd()；(e)濾波輸出濾波輸出Vo() 設(shè)交流放大倍數(shù)為設(shè)交流放大倍數(shù)為A，被測信號，被測信號 解調(diào)器輸出為：解調(diào)器輸出為： 上式說明：解調(diào)過程實(shí)現(xiàn)了第二次頻譜遷移，解上式說明：解調(diào)過程實(shí)現(xiàn)了第二次頻譜遷移，解 調(diào)器輸出調(diào)器輸出Vd(t)的頻譜分量包含原被測信號頻譜的頻譜分量包含原被測信號頻譜s， 另一部分頻譜集中在另一部分頻譜集中在2cs。 利用低通濾波器濾除利用低通濾波器濾除Vd(t)中的高頻分量和附加噪中的高頻分量和附加噪 聲，可得到放大的被測信號聲，可得到放大的被測信號Vo(t)。 ttV s

10、s cos)( cos2)2cos()2cos( 4 1 cos)cos( 2 1 )cos( 2 1 cos)()( tttA tttA ttAVtV sscsc cscsc cmd )( 2 1 cos 2 1 )(tAVtAtV sso 對于由多種頻率成分組成的被測信號，解調(diào)對于由多種頻率成分組成的被測信號，解調(diào) 器輸出信號和濾波器輸出信號的頻譜分別如上器輸出信號和濾波器輸出信號的頻譜分別如上 圖圖(d)和和(e)所示。所示。 調(diào)制信號的放大和解調(diào)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域，例如調(diào)制信號的放大和解調(diào)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域，例如 無限廣播和收音機(jī)，這種情況下調(diào)制和解調(diào)分別由不無限廣播和收音機(jī)，這種情況

11、下調(diào)制和解調(diào)分別由不 通的設(shè)備完成，因此要求接收設(shè)備能產(chǎn)生解調(diào)用的載通的設(shè)備完成，因此要求接收設(shè)備能產(chǎn)生解調(diào)用的載 波信號。為了解調(diào)方便，多數(shù)廣播系統(tǒng)在發(fā)送包含有波信號。為了解調(diào)方便，多數(shù)廣播系統(tǒng)在發(fā)送包含有 用信號邊帶的同時(shí)，還發(fā)送頻率為用信號邊帶的同時(shí)，還發(fā)送頻率為c的載波信號的載波信號。 對于小信號檢測，還可以利用斬波器替代調(diào)制器，對于小信號檢測，還可以利用斬波器替代調(diào)制器， 利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)斬波和斬波信號的解調(diào)過程。有些利用電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)斬波和斬波信號的解調(diào)過程。有些 傳感器的輸出信號就是調(diào)制信號或斬波信號，目的是傳感器的輸出信號就是調(diào)制信號或斬波信號，目的是 為了減小漂移的影響。為了減

12、小漂移的影響。 2.1.3 零位法零位法 一般的直接指示儀表測量的方法是將被測信號一般的直接指示儀表測量的方法是將被測信號 放大到一定幅度，以驅(qū)動(dòng)表頭指針的偏轉(zhuǎn)，指示放大到一定幅度，以驅(qū)動(dòng)表頭指針的偏轉(zhuǎn)，指示 被測量的大小；或經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后由數(shù)碼管被測量的大??；或經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理后由數(shù)碼管 顯示被測量的數(shù)值。顯示被測量的數(shù)值。 零位法是調(diào)整對比量的大小使其盡量接近被測量，零位法是調(diào)整對比量的大小使其盡量接近被測量， 由對比量指示被測量的大小。由對比量指示被測量的大小。 下圖零位法測量原理中，零位表指針只用來指示被下圖零位法測量原理中，零位表指針只用來指示被 測量和對比量的差異值，當(dāng)

13、指針近似為零時(shí)，對比量測量和對比量的差異值，當(dāng)指針近似為零時(shí)，對比量 的大小就表征了被測量的大小。對比量的調(diào)整可以手的大小就表征了被測量的大小。對比量的調(diào)整可以手 動(dòng)實(shí)現(xiàn)，也可閉環(huán)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如下圖虛線所示。測量動(dòng)實(shí)現(xiàn)，也可閉環(huán)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，如下圖虛線所示。測量 分辨率取決于對比量調(diào)整和指示的分辨率。分辨率取決于對比量調(diào)整和指示的分辨率。 下圖被測量和對比兩在傳輸過程中分別附加了下圖被測量和對比兩在傳輸過程中分別附加了 干擾噪聲干擾噪聲n1(t)和和n2(t)，但在對比相減的過程中，但在對比相減的過程中， 兩者將相互抵消，兩路信號的傳輸過程越相似，兩者將相互抵消，兩路信號的傳輸過程越相似， n1(t

14、)和和n2(t)的抵消作用越好。的抵消作用越好。 與直接指示測量方法相比，與直接指示測量方法相比， 零位法測量結(jié)果信噪比高，零位法測量結(jié)果信噪比高， 測量精度更高。測量精度更高。 零位法測量的典型例子是平衡電橋和電位差計(jì)。零位法測量的典型例子是平衡電橋和電位差計(jì)。 2.1.4 反饋補(bǔ)償法反饋補(bǔ)償法 為了將某種幅度較小的被測量檢測出來，要對為了將某種幅度較小的被測量檢測出來，要對 其進(jìn)行變換和放大，從而呈現(xiàn)出來，變換和放大其進(jìn)行變換和放大，從而呈現(xiàn)出來，變換和放大 過程將引入干擾噪聲，影響輸出的信噪比和精確度。過程將引入干擾噪聲，影響輸出的信噪比和精確度。 下圖下圖(a)為開環(huán)檢測系統(tǒng)，圖為開環(huán)

15、檢測系統(tǒng)，圖(b)為增加放大器為增加放大器A和反和反 饋環(huán)節(jié)饋環(huán)節(jié)KF構(gòu)成的閉環(huán)檢測系統(tǒng)。構(gòu)成的閉環(huán)檢測系統(tǒng)。 圖圖(a)中，中，H1、H2為兩個(gè)變換環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，為兩個(gè)變換環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)， n1、n2為引入的干擾噪聲，為引入的干擾噪聲，x為被測有用信號，為被測有用信號， 則系統(tǒng)輸出則系統(tǒng)輸出y為：為： 圖圖(b) 構(gòu)成的閉環(huán)檢測系統(tǒng)的輸出為：構(gòu)成的閉環(huán)檢測系統(tǒng)的輸出為： 當(dāng)當(dāng)A足夠大時(shí)，足夠大時(shí)，AH1H2KF1，則上式可簡化為：，則上式可簡化為： 可見，只要放大倍數(shù)可見，只要放大倍數(shù)A足夠大，干擾噪聲的影響就可足夠大，干擾噪聲的影響就可 得到有效抑制。輸出和輸入主要取決于反饋環(huán)節(jié)的傳得到

16、有效抑制。輸出和輸入主要取決于反饋環(huán)節(jié)的傳 遞函數(shù)遞函數(shù)KF，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的反饋環(huán)節(jié)要容易得多。，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的反饋環(huán)節(jié)要容易得多。 2212121 nHnHHxHHy 12122 12 121212 111 FFF AH HH HH yxnn AH H KAH H KAH H K 2 1 1 111 n KAH n AK x K y FFF 低噪聲前置放大器是微弱信號檢測的第一級，低噪聲前置放大器是微弱信號檢測的第一級， 是關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著微弱信號的放大任務(wù)。是關(guān)鍵部件之一，承擔(dān)著微弱信號的放大任務(wù)。 微弱信號檢測的關(guān)鍵措施之一，就是減小測量過程微弱信號檢測的關(guān)鍵措施之一，就是減小測量過

17、程 中引入的噪聲，由于信號十分微弱，要求前置放大器中引入的噪聲，由于信號十分微弱，要求前置放大器 具有優(yōu)良的低噪聲性能。具有優(yōu)良的低噪聲性能。 前置放大器不具有噪聲抑制能力，當(dāng)其他部分確定前置放大器不具有噪聲抑制能力，當(dāng)其他部分確定 后，前置放大器成為決定整機(jī)最高靈敏度的關(guān)鍵，應(yīng)后，前置放大器成為決定整機(jī)最高靈敏度的關(guān)鍵，應(yīng) 精心挑選有源和無源器件，設(shè)計(jì)最佳性能的低噪聲放精心挑選有源和無源器件，設(shè)計(jì)最佳性能的低噪聲放 大器，使其工作在最佳條件下，得到最佳噪聲性能。大器，使其工作在最佳條件下，得到最佳噪聲性能。 目前市場上已有性能優(yōu)良的低噪聲放大器出售，如目前市場上已有性能優(yōu)良的低噪聲放大器出售

18、，如 PARC的的113型、型、116型、型、118型低噪聲前置放大器。型低噪聲前置放大器。 2.2.1 低噪聲電子設(shè)計(jì)的基本原則低噪聲電子設(shè)計(jì)的基本原則 最理想的減小放大器噪聲的方法是采用低溫最理想的減小放大器噪聲的方法是采用低溫 工作狀態(tài)，但不具有一般性。目前電子電路的工作狀態(tài)，但不具有一般性。目前電子電路的 低噪聲設(shè)計(jì)，主要從低噪聲器件選擇及放大電路來考低噪聲設(shè)計(jì)，主要從低噪聲器件選擇及放大電路來考 慮，同時(shí)還應(yīng)考慮前置放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。慮，同時(shí)還應(yīng)考慮前置放大器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 微弱信號檢測儀器的設(shè)計(jì)不僅要求噪聲小，同時(shí)要微弱信號檢測儀器的設(shè)計(jì)不僅要求噪聲小，同時(shí)要 求滿足通頻帶、輸入阻抗

19、、輸出阻抗、電路工作穩(wěn)定求滿足通頻帶、輸入阻抗、輸出阻抗、電路工作穩(wěn)定 性等多種要求。性等多種要求。 (1) 設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)方法 從低噪聲要求來選擇半導(dǎo)體器件及其工作點(diǎn)。從低噪聲要求來選擇半導(dǎo)體器件及其工作點(diǎn)。 考慮電路的組態(tài)、級聯(lián)方式和負(fù)反饋類型，以滿考慮電路的組態(tài)、級聯(lián)方式和負(fù)反饋類型，以滿 足對放大器的增益、頻帶、輸入阻抗等要求。足對放大器的增益、頻帶、輸入阻抗等要求。 進(jìn)行放大器噪聲性能指標(biāo)計(jì)算和校核。進(jìn)行放大器噪聲性能指標(biāo)計(jì)算和校核。 條件具備時(shí)對放大器的噪聲指標(biāo)進(jìn)行測量。條件具備時(shí)對放大器的噪聲指標(biāo)進(jìn)行測量。 (2) 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 低噪聲設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在給定信號源的條件

20、下，低噪聲設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是在給定信號源的條件下， 使放大器在信號工作頻率范圍內(nèi)有最小的噪聲。使放大器在信號工作頻率范圍內(nèi)有最小的噪聲。 半導(dǎo)體器件及其工作點(diǎn)選擇，同時(shí)滿足噪聲匹配和半導(dǎo)體器件及其工作點(diǎn)選擇，同時(shí)滿足噪聲匹配和 級聯(lián)電路設(shè)計(jì)。級聯(lián)電路設(shè)計(jì)。 低噪聲設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)信號源的不同性質(zhì)，確定不同低噪聲設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)信號源的不同性質(zhì)，確定不同 的要求和設(shè)計(jì)方法。的要求和設(shè)計(jì)方法。 要得到良好的低噪聲性能，必須盡量避免外來的要得到良好的低噪聲性能，必須盡量避免外來的 各種干擾。各種干擾。 低噪聲設(shè)計(jì)目的追求盡量小的噪聲系數(shù)和盡量好的低噪聲設(shè)計(jì)目的追求盡量小的噪聲系數(shù)和盡量好的 噪聲性能。噪聲性能。

21、2.2.2 直接耦合方式的有源器件及工作點(diǎn)選擇直接耦合方式的有源器件及工作點(diǎn)選擇 直接耦合方式是指放大器直接與信號源連接，直接耦合方式是指放大器直接與信號源連接， 中間不加任何網(wǎng)絡(luò)，必須選擇器件及其工作點(diǎn)。中間不加任何網(wǎng)絡(luò)，必須選擇器件及其工作點(diǎn)。 (1) 有源器件選擇原則有源器件選擇原則 從低噪聲要求來選擇半導(dǎo)體器件及其工作點(diǎn)。從低噪聲要求來選擇半導(dǎo)體器件及其工作點(diǎn)。 考慮電路的組態(tài)、級聯(lián)方式和負(fù)反饋類型，以滿考慮電路的組態(tài)、級聯(lián)方式和負(fù)反饋類型，以滿 足對放大器的增益、頻帶、輸入阻抗等要求。足對放大器的增益、頻帶、輸入阻抗等要求。 信號源阻抗信號源阻抗Zs=Rs+jXs, 當(dāng)放大器的源阻抗

22、滿足：當(dāng)放大器的源阻抗?jié)M足： Rs=Rs0，Xs=Xs0時(shí)，放大時(shí)，放大 器具有最小的噪聲系數(shù)，器具有最小的噪聲系數(shù)， 最佳的噪聲性能。最佳的噪聲性能。 要滿足要滿足Rs=Rs0，不能采用串聯(lián)電阻的方式，以，不能采用串聯(lián)電阻的方式，以 免引入電阻熱噪聲，使噪聲性能變壞。免引入電阻熱噪聲，使噪聲性能變壞。 低噪聲放大器在信號工作頻率范圍內(nèi)，應(yīng)選用低噪聲放大器在信號工作頻率范圍內(nèi)，應(yīng)選用EnIn 盡量小的器件。盡量小的器件。 根據(jù)源電阻根據(jù)源電阻Rs的大小，選用不同類型的器件，滿足的大小，選用不同類型的器件，滿足 Rs=Rs0。 通常晶體管的通常晶體管的En較小，故較小，故Rs0較小，可用于源電阻

23、較小，可用于源電阻 較小的情況；結(jié)型場效應(yīng)管較小的情況；結(jié)型場效應(yīng)管In較小，故較小，故Rs0較大，可用較大，可用 于高源電阻的情況。于高源電阻的情況。 選擇原則：選擇原則： 晶體管：晶體管：100數(shù)數(shù)M；運(yùn)算放大器：數(shù)百；運(yùn)算放大器：數(shù)百10 M；結(jié)型場效應(yīng)管：；結(jié)型場效應(yīng)管：1k數(shù)十?dāng)?shù)十M；MOS場效應(yīng)管：場效應(yīng)管： 數(shù)數(shù)M數(shù)十?dāng)?shù)十G。 要使半導(dǎo)體器件噪聲盡量小，低噪聲晶體管要使半導(dǎo)體器件噪聲盡量小，低噪聲晶體管 要求直流放大系數(shù)要求直流放大系數(shù) 0 大，基極電阻大，基極電阻rbb小及特小及特 征頻率征頻率 fT大的器件；低噪聲結(jié)型場效應(yīng)管要求大的器件；低噪聲結(jié)型場效應(yīng)管要求 器件器件gm

24、大，大，Cgs小，小，Ig小。小。 有源器件的最佳源電阻有源器件的最佳源電阻Rs0是頻率的函數(shù)，當(dāng)頻率是頻率的函數(shù)，當(dāng)頻率 增加時(shí)，雙極晶體管的增加時(shí)，雙極晶體管的Rs0迅速增加，結(jié)型場效應(yīng)管迅速增加，結(jié)型場效應(yīng)管 的的Rs0迅速減小，二者差別逐漸減小。迅速減小，二者差別逐漸減小。 在中頻范圍應(yīng)用時(shí)，場效應(yīng)管有較低的噪聲系數(shù)，在中頻范圍應(yīng)用時(shí)，場效應(yīng)管有較低的噪聲系數(shù)， 對于低頻和高頻時(shí)，場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)較大，特別對于低頻和高頻時(shí)，場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)較大，特別 是是MOS場效應(yīng)管，低頻噪聲很大，不宜用于前置級。場效應(yīng)管，低頻噪聲很大，不宜用于前置級。 PNP晶體管基極電阻小，故電壓噪聲晶體管

25、基極電阻小，故電壓噪聲 En 小，小，Rs0 較較 低，適用于低源電阻情況；低，適用于低源電阻情況；NPN晶體管的晶體管的 Rs0 較大，較大， 適用于源電阻較大的情況。適用于源電阻較大的情況。 (2) 有源器件的直流工作點(diǎn)選擇有源器件的直流工作點(diǎn)選擇 當(dāng)有源器件選定后，必須選擇合適的工作點(diǎn)，當(dāng)有源器件選定后，必須選擇合適的工作點(diǎn)， 使最佳源電阻使最佳源電阻Rs0=Rs。 晶體管在中頻范圍內(nèi)忽略低頻及高頻噪聲，可以得晶體管在中頻范圍內(nèi)忽略低頻及高頻噪聲，可以得 到最佳源電阻為：到最佳源電阻為： ，調(diào)整晶體管直，調(diào)整晶體管直 流工作點(diǎn)流工作點(diǎn)IE，可使式，可使式 滿足，稱為噪聲匹配。滿足，稱為噪

26、聲匹配。 此時(shí)噪聲系數(shù)達(dá)到最小。此時(shí)噪聲系數(shù)達(dá)到最小。 在不同的在不同的Rs下改變下改變Ie均可得到一個(gè)最小的噪聲系數(shù)，均可得到一個(gè)最小的噪聲系數(shù)， 對應(yīng)的對應(yīng)的Ie0稱為最佳工作點(diǎn)。稱為最佳工作點(diǎn)。 一般情況下，晶體管放大器工作在源電阻一般情況下，晶體管放大器工作在源電阻Rs為幾千為幾千 至幾萬至幾萬，因此最佳工作電流，因此最佳工作電流Ie0Rs0時(shí)，由于時(shí)，由于N不可能小于不可能小于1，故不能采，故不能采 用并聯(lián)方式。由上式計(jì)算用并聯(lián)方式。由上式計(jì)算N過大時(shí)，電路連接、供電過大時(shí)，電路連接、供電 均有困難。為了達(dá)到噪聲匹配，可采用噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，均有困難。為了達(dá)到噪聲匹配，可采用噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)

27、， 以實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)。以實(shí)現(xiàn)最小噪聲系數(shù)。 )1()1( 0 NN R R NN s s 22 2 2 nn n n NII N E E ， minmin0000 11 FFX N XR N R ssss ， 2.2.3 噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)計(jì)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)計(jì) (1) 噪聲匹配原理噪聲匹配原理 放大器低噪聲設(shè)計(jì)的最佳方法是：放大器低噪聲設(shè)計(jì)的最佳方法是： 選擇晶體管，使其工作在最佳工作點(diǎn)選擇晶體管，使其工作在最佳工作點(diǎn)Ie0min上。上。 根據(jù)對應(yīng)根據(jù)對應(yīng)Ie0min時(shí)的最佳源阻抗時(shí)的最佳源阻抗Rs0、Xs0，應(yīng)滿足噪，應(yīng)滿足噪 聲匹配，即聲匹配，即Rs0=Rs，Xs0=Xs。 對于給定的

28、信號源，其源阻抗對于給定的信號源，其源阻抗Zs與與Rs0、Xs0不可能不可能 是一致的，必須引入噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)必須由是一致的，必須引入噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)必須由L、 C組成，否則網(wǎng)絡(luò)中將引入附加熱噪聲。組成，否則網(wǎng)絡(luò)中將引入附加熱噪聲。 調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)，使調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)，使Zs串聯(lián)電抗串聯(lián)電抗X0，使得，使得 Rs=Rs0，XsX0=Xs0，從而達(dá)到噪聲匹配，此時(shí)放，從而達(dá)到噪聲匹配，此時(shí)放 大器具有最小噪聲系數(shù)。大器具有最小噪聲系數(shù)。 放大器噪聲匹配和功率匹配是完全不同的概念。放大器噪聲匹配和功率匹配是完全不同的概念。 (2) 噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，必

29、須先確定放大器的最佳設(shè)計(jì)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，必須先確定放大器的最佳 工作點(diǎn)。對于晶體管，工作點(diǎn)。對于晶體管，Ie0一般選擇小的集電極電流，一般選擇小的集電極電流， 即即Ie01mA；對于；對于JFET，則選擇溝道電流為，則選擇溝道電流為IDSS。相。相 應(yīng)的最佳源電阻應(yīng)的最佳源電阻Rs0和源電抗和源電抗Xs0通過測量得到，然后通過測量得到，然后 根據(jù)信號源阻抗根據(jù)信號源阻抗Rs及及Xs來設(shè)計(jì)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)。來設(shè)計(jì)噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)。 變壓器匹配方式變壓器匹配方式 變壓器耦合是一種常用的噪聲匹配方式，特別是對變壓器耦合是一種常用的噪聲匹配方式，特別是對 于源電阻于源電阻Rs很小時(shí)，無法用直接耦合方式實(shí)現(xiàn)噪聲匹

30、很小時(shí)，無法用直接耦合方式實(shí)現(xiàn)噪聲匹 配，可采用變壓器來改變源電阻，達(dá)到噪聲匹配。配，可采用變壓器來改變源電阻，達(dá)到噪聲匹配。 變壓器噪聲匹配電路如右圖。變壓器噪聲匹配電路如右圖。 設(shè)變比為設(shè)變比為n，則，則 即即 要滿足噪聲匹配，要求要滿足噪聲匹配，要求n及及X0滿足：滿足： 變壓器耦合方式在一定頻率范圍工作時(shí)，是一種理變壓器耦合方式在一定頻率范圍工作時(shí)，是一種理 想的噪聲匹配電路。但在頻率較高時(shí)，變壓器的電感想的噪聲匹配電路。但在頻率較高時(shí)，變壓器的電感 和分布電容將使和分布電容將使 。在頻率低端，由于變壓器。在頻率低端，由于變壓器 激勵(lì)線圈電感的作用，也會(huì)使噪聲匹配受到破壞；其激勵(lì)線圈電

31、感的作用，也會(huì)使噪聲匹配受到破壞；其 次，外來的電磁干擾也會(huì)引入附加噪聲，使變壓器的次，外來的電磁干擾也會(huì)引入附加噪聲，使變壓器的 性能變壞。性能變壞。 可見噪聲匹配變壓器要有良好的鐵心材料和屏蔽。可見噪聲匹配變壓器要有良好的鐵心材料和屏蔽。 ss ZnZ 2 ssss XnXRnR 22 ， 0 2 00 2 ssss XXnXRRn ， ss ZnZ 2 并聯(lián)諧振回路方式并聯(lián)諧振回路方式 對于微弱高頻信號放大用的噪聲匹配電路，對于微弱高頻信號放大用的噪聲匹配電路， 最好采用并聯(lián)諧振回路，不僅可以起到噪聲匹最好采用并聯(lián)諧振回路，不僅可以起到噪聲匹 配作用，還可充分濾除帶外噪聲及干擾。配作用，

32、還可充分濾除帶外噪聲及干擾。 并聯(lián)諧振回路噪聲匹配電路如下圖。并聯(lián)諧振回路噪聲匹配電路如下圖。 當(dāng)信號源電導(dǎo)當(dāng)信號源電導(dǎo)gs大于晶體管最佳源電導(dǎo)大于晶體管最佳源電導(dǎo) gs0 時(shí)，時(shí)， 要使噪聲匹配，將源導(dǎo)納要使噪聲匹配，將源導(dǎo)納gs-jbs折合導(dǎo)晶體管輸入，折合導(dǎo)晶體管輸入， 有有g(shù)s=p2gs，bs=p2bs，p為線圈接入系數(shù)，匹配條為線圈接入系數(shù)，匹配條 件為：件為： ，可求出，可求出p。 為了減小回路損耗為了減小回路損耗 g0 引入的附加噪聲，希望引入的附加噪聲，希望L有較有較 高的品質(zhì)因數(shù)高的品質(zhì)因數(shù)Q。通常。通常 g0 很小，可以不計(jì)。要滿足最很小，可以不計(jì)。要滿足最 佳源電納的匹配

33、，可以通過調(diào)節(jié)電容佳源電納的匹配，可以通過調(diào)節(jié)電容C實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)。 輸入回路對噪聲匹配時(shí)，信號傳送卻是失諧的，整輸入回路對噪聲匹配時(shí)，信號傳送卻是失諧的，整 個(gè)回路的電納為：個(gè)回路的電納為： ，bie為晶體管為晶體管 輸入導(dǎo)納。低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)輸入級應(yīng)以噪聲匹配為主。輸入導(dǎo)納。低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)輸入級應(yīng)以噪聲匹配為主。 gs R()，最大值在，最大值在=0處。處。 R(0)=f 2，即，即R(0)是函數(shù)的均方值。是函數(shù)的均方值。 非周期非周期 f(t)，R(t)從從=0的最大值下降至均方值。的最大值下降至均方值。 周期周期 f(t)，其自相關(guān)函數(shù)具有與，其自相關(guān)函數(shù)具有與 f(t) 相同的頻譜。相同的頻譜

34、。 T T dttftf T tR 0 )()( 1 lim)( (2) 互相關(guān)函數(shù)互相關(guān)函數(shù) 互相關(guān)函數(shù)是指兩個(gè)不同隨機(jī)變量之間的統(tǒng)計(jì)互相關(guān)函數(shù)是指兩個(gè)不同隨機(jī)變量之間的統(tǒng)計(jì) 依賴性。兩個(gè)有同一自變量的函數(shù)依賴性。兩個(gè)有同一自變量的函數(shù) f (t)和和 F(t) 可可 能存在關(guān)聯(lián)，描述兩者的關(guān)聯(lián)性可用互相關(guān)函數(shù)。能存在關(guān)聯(lián)，描述兩者的關(guān)聯(lián)性可用互相關(guān)函數(shù)。 當(dāng)當(dāng)Rf,F()=0，表示，表示f(t)與與F(t- -)兩函數(shù)獨(dú)立無關(guān)。若兩函數(shù)獨(dú)立無關(guān)。若 Rf,F() 0，則表示兩者具有一定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。，則表示兩者具有一定的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。 互相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)特性：互相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)特性： Rf,F(

35、) = RF,f(- -) 。 Rf,F() Rf,F(- -) 。 若若f(t)和和F(t)中有一個(gè)平均值為中有一個(gè)平均值為0，則，則Rf,F()=0。 Rf,F()保持保持 f(t)和和F(t) 基頻和共有諧振頻譜特征。基頻和共有諧振頻譜特征。 T T Ff dttFtf T tR 0 , )()( 1 lim)( 2.4.2 相關(guān)接收技術(shù)相關(guān)接收技術(shù) 相關(guān)接收技術(shù)是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機(jī)性相關(guān)接收技術(shù)是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機(jī)性 的特點(diǎn)，通過自相關(guān)和互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪的特點(diǎn)，通過自相關(guān)和互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到去除噪 聲、檢測信號的一種技術(shù)。由于信號和噪聲相互獨(dú)立，聲、檢測信號的一種技術(shù)。

36、由于信號和噪聲相互獨(dú)立， 因此，信號與噪聲不相關(guān)，噪聲之間也不相關(guān)。因此，信號與噪聲不相關(guān)，噪聲之間也不相關(guān)。 (1) 自相關(guān)檢測自相關(guān)檢測 設(shè)設(shè)xi(t)由被測信號由被測信號si(t) 和噪聲和噪聲ni(t)組成，即組成，即 xi(t)=si(t)+ni(t)。 xi(t)同時(shí)輸入到相關(guān)接收機(jī)的兩個(gè)通道，其中同時(shí)輸入到相關(guān)接收機(jī)的兩個(gè)通道，其中 之一將經(jīng)過延時(shí)器，延遲一段時(shí)間之一將經(jīng)過延時(shí)器，延遲一段時(shí)間，將，將xi(t)和和 延時(shí)的延時(shí)的 x i(t-)送入乘法器，再將乘積積分后輸送入乘法器，再將乘積積分后輸 出平均值，從而得到相關(guān)函數(shù)上一點(diǎn)的相關(guān)值。出平均值，從而得到相關(guān)函數(shù)上一點(diǎn)的相關(guān)

37、值。 信號和噪聲自信號和噪聲自 相關(guān)函數(shù)如右圖。相關(guān)函數(shù)如右圖。 隨著時(shí)間隨著時(shí)間增加，增加， 噪聲自相關(guān)函數(shù)噪聲自相關(guān)函數(shù) 迅速衰減，信號迅速衰減，信號 卻是小衰減的周卻是小衰減的周 期函數(shù)，從而可期函數(shù)，從而可 檢測出有用信號。檢測出有用信號。 (2) 互相關(guān)檢測互相關(guān)檢測 互相關(guān)接收的抗干擾性能比自相關(guān)接收好?；ハ嚓P(guān)接收的抗干擾性能比自相關(guān)接收好。 如果發(fā)送信號的重復(fù)周期或頻率已知，就可在接收如果發(fā)送信號的重復(fù)周期或頻率已知，就可在接收 端發(fā)出一重復(fù)周期與發(fā)送信號相同的端發(fā)出一重復(fù)周期與發(fā)送信號相同的“干凈干凈”本地信本地信 號，將本地信號和混有噪聲的輸入信號進(jìn)行互相關(guān)。號，將本地信號和

38、混有噪聲的輸入信號進(jìn)行互相關(guān)。 設(shè)輸入信號設(shè)輸入信號x (t)由待測信號由待測信號s (t) 和噪聲和噪聲n (t)組成，即組成，即 x (t)=s (t) +n (t)。y(t)為已知參考信號。為已知參考信號。 若若y(t)與信號與信號s (t) 有相關(guān)性，與噪聲有相關(guān)性，與噪聲n (t)無相無相 關(guān)性，輸入經(jīng)延時(shí)、相乘、積分及平均運(yùn)算后，關(guān)性，輸入經(jīng)延時(shí)、相乘、積分及平均運(yùn)算后， 得到相關(guān)輸出信號得到相關(guān)輸出信號Rxy()，包含了，包含了 s (t) 所攜帶所攜帶 的信號，這樣就將待測信號的信號，這樣就將待測信號s(t)檢測出來了。檢測出來了。 (3) 相干檢測相干檢測 為了最大限度檢測出

39、被噪聲淹沒的微弱信號，一般為了最大限度檢測出被噪聲淹沒的微弱信號，一般 的帶通濾波器（選頻放大器）達(dá)不到要求，因它只對的帶通濾波器（選頻放大器）達(dá)不到要求，因它只對 被測信號頻率進(jìn)行跟蹤，信號的相位未被利用。被測信號頻率進(jìn)行跟蹤，信號的相位未被利用。 相干檢測的基本思路和方法：相干檢測的基本思路和方法： 如果設(shè)計(jì)的帶通濾波器既能跟蹤信號的頻率，又能如果設(shè)計(jì)的帶通濾波器既能跟蹤信號的頻率，又能 鎖定信號的相位（稱相干現(xiàn)象），則噪聲與信號既同鎖定信號的相位（稱相干現(xiàn)象），則噪聲與信號既同 頻又同相的可能性大大減小。頻又同相的可能性大大減小。 2.4.3 鎖定接收法鎖定接收法 鎖定接收法是利用互相關(guān)

40、原理，使輸入待測的鎖定接收法是利用互相關(guān)原理，使輸入待測的 周期信號周期信號Vi(t)與頻率相同的參考信號與頻率相同的參考信號V2(t)在相關(guān)在相關(guān) 器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān)，將深埋在噪聲中的周期信號攜帶的 信息檢測出來。原理框圖如下：信息檢測出來。原理框圖如下： (1) 只有信號無噪聲時(shí)：只有信號無噪聲時(shí)： 輸入信號輸入信號Vi(t)=Vs1(t)=Vs1sin(1t+1) 參考信號參考信號V2(t)=V2sin(2t+2) 令令1=2，則，則Vi(t)V2(t) 相乘得：相乘得： Vi(t)V2(t) =Vs1V2sin(1t+1) sin(2t+2)

41、然后積分，時(shí)間常數(shù)然后積分，時(shí)間常數(shù)T=RC，令，令 則：則： 因此，輸出為直流量。因此，輸出為直流量。 (2) 只有噪聲輸入時(shí)：只有噪聲輸入時(shí)： 設(shè)設(shè)Vi(t)=Vni(t)=(t)sin(1t+(t)，(t)、(t)為隨機(jī)為隨機(jī) 變量，則：變量，則： 當(dāng)當(dāng)T時(shí)，時(shí)，V no=0。 (3) 輸入為信號與噪聲之和時(shí)，將上面結(jié)果相加，并輸入為信號與噪聲之和時(shí)，將上面結(jié)果相加，并 將積分時(shí)間取得較長，可將噪聲抑制，檢測出信號。將積分時(shí)間取得較長，可將噪聲抑制，檢測出信號。 )21cos( 2 )()()( 21 0 2 VV K dttVtV T K tV s V T i V o 2 T dttt

42、tt T KV dttVtV T K tV T V T i V no )(2cos()2)(cos()( 2 )()()( 12 0 2 0 2 2.4.4 同步相干檢測同步相干檢測鎖定放大器鎖定放大器 鎖定放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步鎖定放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步 相干檢測儀，是一種對檢測信號和相干信號進(jìn)行相干檢測儀，是一種對檢測信號和相干信號進(jìn)行 相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。 鎖定放大器采用互相關(guān)接收技術(shù)，使儀器抑制噪聲鎖定放大器采用互相關(guān)接收技術(shù)，使儀器抑制噪聲 的性能提高好幾個(gè)數(shù)量級。還可采用斬波技術(shù)，將低的性能提高好幾個(gè)數(shù)量級。還可采用斬波技術(shù)，將低 頻

43、以至直流信號變成高頻交流信號后進(jìn)行處理，從而頻以至直流信號變成高頻交流信號后進(jìn)行處理，從而 避開了避開了1/f 噪聲的影響。噪聲的影響。 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的鎖定放大器具有十分小的信號和目前國內(nèi)外生產(chǎn)的鎖定放大器具有十分小的信號和 噪聲帶寬，等效噪聲帶寬達(dá)到噪聲帶寬，等效噪聲帶寬達(dá)到10 3 Hz數(shù)量級，信號 數(shù)量級，信號 帶寬帶寬2.5510 4 Hz。 。 鎖定放大器的等效鎖定放大器的等效Q值是普通濾波器無法達(dá)到的。值是普通濾波器無法達(dá)到的。 鎖定放大器中被測信號和參考信號嚴(yán)格同步，鎖定放大器中被測信號和參考信號嚴(yán)格同步， 不存在頻率穩(wěn)定性問題，可將鎖定放大器看作一不存在頻率穩(wěn)定性問題，可將鎖

44、定放大器看作一 個(gè)個(gè)“跟蹤濾波器跟蹤濾波器”，其等效，其等效 Q值由低通濾波器的積值由低通濾波器的積 分時(shí)間常數(shù)決定，對元件和環(huán)境的穩(wěn)定性要求不高。分時(shí)間常數(shù)決定，對元件和環(huán)境的穩(wěn)定性要求不高。 鎖定放大器使信噪比提高了鎖定放大器使信噪比提高了1萬倍，即信噪比提高萬倍，即信噪比提高 了了80dB以上。表明采用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的鎖定放大器具以上。表明采用相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的鎖定放大器具 有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。 目前鎖定放大器的特點(diǎn)：目前鎖定放大器的特點(diǎn)： 極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達(dá)極高的放大倍數(shù)，若有輔助前置放大器，增益可達(dá) 1011(220dB)，能檢測極微弱的信

45、號。，能檢測極微弱的信號。 交流輸入，直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入交流輸入，直流輸出，其直流輸出電壓正比于輸入 信號幅度及被測信號與參考信號相位差的余弦。信號幅度及被測信號與參考信號相位差的余弦。 滿刻度靈敏度達(dá)滿刻度靈敏度達(dá)V、nV級，甚至級，甚至pV級。級。 非相干信號輸入過載電壓可達(dá)非相干信號輸入過載電壓可達(dá)60dB以上，即以上，即 噪聲大于被測信號數(shù)千倍以上時(shí)仍能正常檢測。噪聲大于被測信號數(shù)千倍以上時(shí)仍能正常檢測。 可見，鎖定放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。與一般可見，鎖定放大器具有極強(qiáng)的抗噪聲能力。與一般 的帶通放大器不同，輸出信號并不是對輸入信號的放的帶通放大器不同，輸出信號并不

46、是對輸入信號的放 大，而是將交流放大并變成相應(yīng)的直流信號。大，而是將交流放大并變成相應(yīng)的直流信號。 這實(shí)際上不符合常規(guī)放大器的功能，國外常將這類這實(shí)際上不符合常規(guī)放大器的功能，國外常將這類 儀器稱為鎖定放大器（儀器稱為鎖定放大器（Lock-in Amplifier），可理解），可理解 為：將待測信號中與參考信號同步的信號放大并檢測為：將待測信號中與參考信號同步的信號放大并檢測 出來。出來。 因此，鎖定放大器稱為因此，鎖定放大器稱為“鎖定檢測儀鎖定檢測儀”或或“同步檢同步檢 測儀測儀”更確切。國內(nèi)稱更確切。國內(nèi)稱“鎖定放大器鎖定放大器”或或“鎖相放大鎖相放大 器器”。 (1) 鎖定放大器的構(gòu)成原

47、理鎖定放大器的構(gòu)成原理 典型鎖定放大器的原理圖如下圖，包括三部分：典型鎖定放大器的原理圖如下圖，包括三部分： 信號通道、參考通道和相關(guān)器（包括直流放大）。信號通道、參考通道和相關(guān)器（包括直流放大）。 信號通道的作用是將伴有噪聲的輸入信號放大，并信號通道的作用是將伴有噪聲的輸入信號放大，并 經(jīng)濾波和選頻放大對噪聲做初步預(yù)處理，以濾除信號經(jīng)濾波和選頻放大對噪聲做初步預(yù)處理，以濾除信號 通帶外的噪聲。參考通道提供同相的方波或正弦波。通帶外的噪聲。參考通道提供同相的方波或正弦波。 相關(guān)器相關(guān)器 相關(guān)器是完成被測信號與參考信號兩者互相關(guān)相關(guān)器是完成被測信號與參考信號兩者互相關(guān) 函數(shù)運(yùn)算的電子線路，必須具

48、有動(dòng)態(tài)范圍大、漂函數(shù)運(yùn)算的電子線路，必須具有動(dòng)態(tài)范圍大、漂 移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、線性好、增益穩(wěn)定和曲線范圍移小、時(shí)間常數(shù)可調(diào)、線性好、增益穩(wěn)定和曲線范圍 寬等特點(diǎn)。寬等特點(diǎn)。 由相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，需要有一個(gè)乘法器由相關(guān)函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，需要有一個(gè)乘法器 和積分器實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，從理論上講，用一個(gè)模擬乘和積分器實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，從理論上講，用一個(gè)模擬乘 法器和一個(gè)積分時(shí)間為無窮大的積分器，就可以將深法器和一個(gè)積分時(shí)間為無窮大的積分器，就可以將深 埋在任意噪聲中的微弱信號檢測出來。埋在任意噪聲中的微弱信號檢測出來。 實(shí)際上，鎖定放大器通常用來檢測正弦波或方波信實(shí)際上，鎖定放大器通常用來檢測正

49、弦波或方波信 號。若被測的是直流信號，則可用斬波先將其轉(zhuǎn)換為號。若被測的是直流信號，則可用斬波先將其轉(zhuǎn)換為 交流方波信號，再進(jìn)行檢測。交流方波信號，再進(jìn)行檢測。 考慮到線性和動(dòng)態(tài)范圍，通常在相關(guān)器中不采考慮到線性和動(dòng)態(tài)范圍，通常在相關(guān)器中不采 用模擬乘法器，而是采用線性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、用模擬乘法器，而是采用線性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、 電路簡單的開關(guān)式乘法器。電路簡單的開關(guān)式乘法器。 因此，在鎖定放大器中的參考信號不是任意函數(shù)，因此，在鎖定放大器中的參考信號不是任意函數(shù)， 而只能是和待測信號而只能是和待測信號同步同步的方波。然后用相敏檢波器的方波。然后用相敏檢波器 來完成待測信號和單位幅度的同步方波相

50、乘的功能。來完成待測信號和單位幅度的同步方波相乘的功能。 鎖定放大器中的積分器毫無例外地采用運(yùn)算放大器鎖定放大器中的積分器毫無例外地采用運(yùn)算放大器 組成的近似積分器。理論分析時(shí)常將積分時(shí)間取無窮組成的近似積分器。理論分析時(shí)常將積分時(shí)間取無窮 大，實(shí)際可根據(jù)被測信號變化的響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)抑制大，實(shí)際可根據(jù)被測信號變化的響應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)抑制 噪聲的要求選定時(shí)間常數(shù)。噪聲的要求選定時(shí)間常數(shù)。 采用相關(guān)檢測大大壓縮了等效噪聲帶寬，極大地提采用相關(guān)檢測大大壓縮了等效噪聲帶寬，極大地提 高了等效高了等效Q值，從而使信噪比提高幾個(gè)數(shù)量級。值，從而使信噪比提高幾個(gè)數(shù)量級。 鎖定放大器中常用的相關(guān)器原理如下圖所示。

51、鎖定放大器中常用的相關(guān)器原理如下圖所示。 被測信號被測信號 VA 和參考信號和參考信號VB 兩者在開關(guān)式乘法器中兩者在開關(guān)式乘法器中 相乘，兩者之積相乘，兩者之積V1為乘法器的輸出信號，也是低通濾為乘法器的輸出信號，也是低通濾 波器的輸入信號。低通濾波器采用運(yùn)算放大器構(gòu)成有波器的輸入信號。低通濾波器采用運(yùn)算放大器構(gòu)成有 源濾波器，源濾波器，Vo是低通濾波器的輸出。是低通濾波器的輸出。 開關(guān)式乘法器可以等效成被測輸入信號與單位幅度開關(guān)式乘法器可以等效成被測輸入信號與單位幅度 的方波相乘的乘法器。的方波相乘的乘法器。 信號通道信號通道 信號通道位于相關(guān)器之前，由輸入變壓器、低信號通道位于相關(guān)器之前

52、，由輸入變壓器、低 噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器和主放噪聲前置放大器、各種功能的有源濾波器和主放 大器組成。作用是將微弱信號放大到足以推動(dòng)相關(guān)器大器組成。作用是將微弱信號放大到足以推動(dòng)相關(guān)器 工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功工作的電平，并兼有抑制和濾除部分干擾和噪聲的功 能，從而擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。能，從而擴(kuò)大儀器的動(dòng)態(tài)范圍。 信號通道應(yīng)具有低噪聲、高增益等特點(diǎn)。前置放大信號通道應(yīng)具有低噪聲、高增益等特點(diǎn)。前置放大 器是鎖定放大器的第一級，由于被測信號很弱，微伏器是鎖定放大器的第一級，由于被測信號很弱，微伏 或毫微伏甚至更小。因此，前置放大器必須低噪聲、或毫微伏甚至更小。

53、因此，前置放大器必須低噪聲、 高增益。高增益。 測量時(shí)，不同的測量對象需要采用不同的傳感器，測量時(shí)，不同的測量對象需要采用不同的傳感器， 輸出阻抗不同，為了得到最佳噪聲特性，前置放大器輸出阻抗不同，為了得到最佳噪聲特性，前置放大器 必須在最佳源電阻工作，為此，必須設(shè)計(jì)和制作必須在最佳源電阻工作，為此，必須設(shè)計(jì)和制作 不同最佳信號源內(nèi)阻的前置放大器，采用變壓器不同最佳信號源內(nèi)阻的前置放大器，采用變壓器 或其他噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，與不同傳感器進(jìn)行噪聲匹或其他噪聲匹配網(wǎng)絡(luò)，與不同傳感器進(jìn)行噪聲匹 配，達(dá)到最佳噪聲性能。此外，前置放大器必須具有配，達(dá)到最佳噪聲性能。此外，前置放大器必須具有 足夠的放大倍數(shù)（

54、足夠的放大倍數(shù)（1001000）、較強(qiáng)的共模抑制能力）、較強(qiáng)的共模抑制能力 及較大的動(dòng)態(tài)范圍等特性。及較大的動(dòng)態(tài)范圍等特性。 相關(guān)器前的有源濾波器可根據(jù)噪聲和干擾選用帶通、相關(guān)器前的有源濾波器可根據(jù)噪聲和干擾選用帶通、 低通、高通或帶阻濾波器。低通、高通或帶阻濾波器。 上頁圖示電路是上頁圖示電路是PS-1型鎖相放大器的有源濾波型鎖相放大器的有源濾波 器，由高通濾波器和低通濾波器組成。通過改變器，由高通濾波器和低通濾波器組成。通過改變 濾波器濾波器RC元件的數(shù)值可以改變?yōu)V波器的特性。元件的數(shù)值可以改變?yōu)V波器的特性。 有源濾波器通常也具有放大能力，如果濾波前的放有源濾波器通常也具有放大能力，如果濾

55、波前的放 大倍數(shù)還不夠，為了提高靈敏度，可在相關(guān)器前插入大倍數(shù)還不夠，為了提高靈敏度，可在相關(guān)器前插入 主交流放大器。主交流放大器。 為了擴(kuò)大測量范圍，信號通道內(nèi)一般要插入增益開為了擴(kuò)大測量范圍，信號通道內(nèi)一般要插入增益開 關(guān)，用以改變系統(tǒng)的總增益。增益開關(guān)不應(yīng)放在前置關(guān)，用以改變系統(tǒng)的總增益。增益開關(guān)不應(yīng)放在前置 放大器的輸入端，否則將引入附加噪聲，使整個(gè)系統(tǒng)放大器的輸入端，否則將引入附加噪聲，使整個(gè)系統(tǒng) 的噪聲特性變壞。在鎖定放大器中，增益開關(guān)通常放的噪聲特性變壞。在鎖定放大器中，增益開關(guān)通常放 在前置放大器的第一、第二級以后的某級之中，以保在前置放大器的第一、第二級以后的某級之中，以保

56、證增益開關(guān)的引入不破壞系統(tǒng)的噪聲特性。證增益開關(guān)的引入不破壞系統(tǒng)的噪聲特性。 參考通道參考通道 互相關(guān)接收除被測信號外，還包括參考信號?；ハ嚓P(guān)接收除被測信號外，還包括參考信號。 參考通道輸出是和被測信號同步的對稱方波，用參考通道輸出是和被測信號同步的對稱方波，用 以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的場效應(yīng)管開關(guān)。以驅(qū)動(dòng)相關(guān)器的場效應(yīng)管開關(guān)。 參考通道主要由觸發(fā)電路、倍頻電路、方波形成電參考通道主要由觸發(fā)電路、倍頻電路、方波形成電 路及驅(qū)動(dòng)電路組成。參考觸發(fā)信號可以在儀器內(nèi)部產(chǎn)路及驅(qū)動(dòng)電路組成。參考觸發(fā)信號可以在儀器內(nèi)部產(chǎn) 生，也可從外部輸入。大部分產(chǎn)品由外部輸入，波形生，也可從外部輸入。大部分產(chǎn)品由外部輸入，波形

57、可以是正弦波、方波、三角波、脈沖波等周期信號?？梢允钦也?、方波、三角波、脈沖波等周期信號。 觸發(fā)電路也稱過零觸發(fā)電路，將各種波形的信號變觸發(fā)電路也稱過零觸發(fā)電路，將各種波形的信號變 換成同步脈沖，觸發(fā)下一級電路。觸發(fā)電路通常要求換成同步脈沖，觸發(fā)下一級電路。觸發(fā)電路通常要求 適應(yīng)較寬的觸發(fā)電平（幾十適應(yīng)較寬的觸發(fā)電平（幾十mV到幾十到幾十V）和很寬的）和很寬的 工作頻率范圍（零點(diǎn)幾工作頻率范圍（零點(diǎn)幾Hz到幾十萬到幾十萬Hz，甚至更高）。，甚至更高）。 倍頻電路的功能是將觸發(fā)器輸出的脈沖信號倍倍頻電路的功能是將觸發(fā)器輸出的脈沖信號倍 頻，使參考通道輸出的方波與所測信號的二次諧頻，使參考通道輸

58、出的方波與所測信號的二次諧 波同步。鎖定放大器在進(jìn)行二次諧波相應(yīng)的測量中，波同步。鎖定放大器在進(jìn)行二次諧波相應(yīng)的測量中， 即采用這種工作方式。即采用這種工作方式。 相移電路是參考電路的主要部件，功能是改變參考相移電路是參考電路的主要部件，功能是改變參考 通道輸出方波的相位，要求通道輸出方波的相位，要求360范圍內(nèi)可調(diào)。范圍內(nèi)可調(diào)。 大部分鎖定放大器的相移部分由一個(gè)大部分鎖定放大器的相移部分由一個(gè)0100連續(xù)連續(xù) 可調(diào)的相移器和相移量按級可調(diào)的相移器和相移量按級(90、180、270)跳變的跳變的 固定相移器組成。對相移器的移相精度和相移固定相移器組成。對相移器的移相精度和相移-頻率頻率 響應(yīng)都

59、有一定的要求。響應(yīng)都有一定的要求。 下頁圖示為簡單的單級移相電路，為電流串聯(lián)負(fù)反下頁圖示為簡單的單級移相電路，為電流串聯(lián)負(fù)反 饋放大器。饋放大器。 圖中反饋電阻為圖中反饋電阻為R4(=R3)，放大倍數(shù)，放大倍數(shù)k=- -R3/R4=- -1。 發(fā)射極發(fā)射極A點(diǎn)為射級輸出器，點(diǎn)為射級輸出器，A、B兩點(diǎn)的信號大小兩點(diǎn)的信號大小 相等，相位相反。在相等，相位相反。在AB間接一個(gè)間接一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)，改變網(wǎng)絡(luò)，改變 電阻電阻R、電容、電容C，則可改變，則可改變 D 點(diǎn)輸出波形的相移。點(diǎn)輸出波形的相移。 相移量為：相移量為： 可見，相移量與頻率有關(guān)。可見，相移量與頻率有關(guān)。 若固定電容若固定電容C，調(diào)節(jié)電阻

60、，調(diào)節(jié)電阻R, 當(dāng)當(dāng)R0時(shí)，時(shí)，=180； 當(dāng)當(dāng)R時(shí)，時(shí)，= 0 0。 當(dāng)當(dāng)R為為100k時(shí)可得到大于時(shí)可得到大于 160 的相移量。的相移量。C3 的大小的大小 由頻率范圍確定。由頻率范圍確定。 RC 1 arctan2 若采用兩級可變相移器與一級由開關(guān)控制的相若采用兩級可變相移器與一級由開關(guān)控制的相 移移0或或180的跳變相移組成整個(gè)相移電路，即的跳變相移組成整個(gè)相移電路，即 可保證在可保證在360范圍內(nèi)得到任何相移值。范圍內(nèi)得到任何相移值。 方波形成電路將相移器送過來的信號波形變成占空方波形成電路將相移器送過來的信號波形變成占空 比為比為 1:1 的同步方波，再由驅(qū)動(dòng)級將此信號變成一對的