勘察儀器與原理 第二章 第三節(jié) 第四節(jié)ok

勘查儀器原理教師：王旭Email：hfli@第二章測量儀器的基本理論第三節(jié)信號檢測基本概念與方法信號檢測主要研究如何測量被檢測的物理量，包括測量方法、提高測量精度等措施。它可以看作是數(shù)據(jù)采集的前端，也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中最重要的組成部分。這一節(jié)我們學(xué)習(xí)兩個內(nèi)容：一是信號測量基礎(chǔ)；二是微弱信號檢測基礎(chǔ)知識。2.3.1信號測量基礎(chǔ)一、計量概念前面我們學(xué)習(xí)了測量的概念，由測量所獲得的被測量的值叫測量結(jié)果，測量結(jié)果可用一定的數(shù)值表示，也可用一條曲線或某種圖形表示，但無論如何，測量結(jié)果應(yīng)包括兩部分：數(shù)值和測量單位。對同一個量，也許測量手段不同，但所得結(jié)果應(yīng)一致，因而出現(xiàn)了公認(rèn)的統(tǒng)一單位。這就是我們要學(xué)習(xí)的保證量值統(tǒng)一和準(zhǔn)確的應(yīng)用科學(xué)-----計量學(xué)。1、計量定義：利用技術(shù)和法制手段實現(xiàn)單位統(tǒng)一和量值準(zhǔn)確可靠的測量。所以，計量可以看作是測量的特殊形式。沒有測量，就談不上計量；沒有計量，測量則失去價值。計量科學(xué)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防建設(shè)、科學(xué)研究以及社會生活中都起著極其重要的作用，日常生活中，計量無處不在?？梢院敛豢鋸埖卣f，任何學(xué)科、任何部門、任何行業(yè)乃至任何活動，都離不開計量。事實充分表明，計量已成為科技、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。計量水平的高低也已成為衡量一個國家經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一。

計量檢定是指為評定計量器具的計量性能、確定其是否合格所進(jìn)行的全部工作。目的是確保量值的統(tǒng)一，確保量值的溯源性。主要評定的是計量器具的計量性能，確定其誤差大小、準(zhǔn)確程度、壽命、安全等，結(jié)論是確定該計量器具合格與否，并具有法制性。計量檢定本身是國家對測量的一種監(jiān)督。因此，測量器具必須定時檢定、校準(zhǔn)，取得合格證才允許使用，否則測量結(jié)果無效。2、我國法定計量單位：是國家以法令形式規(guī)定使用的計量單位，是統(tǒng)一計量單位制和單位量值的依據(jù)和基礎(chǔ)，因而具有統(tǒng)一性、權(quán)威性和法制性。

無論經(jīng)濟(jì)、科技、文教等領(lǐng)域，還是人們?nèi)粘Ｉ?，都離不開計量單位。世界各國對統(tǒng)一計量制度歷來都十分重視，并把它作為基本國策之一（如我國），有的甚至寫入了國家憲法。

1984-02-27，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于在我國統(tǒng)一實行法定計量單位的命令》，確定了以先進(jìn)的國際單位制（SI）單位為基礎(chǔ)的我國法定計量單位（以下簡稱法定單位），這是進(jìn)一步統(tǒng)一我國計量制度的一項重要決策。我國法定計量單位是國務(wù)院發(fā)布的在全國采用的計量單位，凡屬法定單位，我國的任何地區(qū)、部門、機(jī)構(gòu)和個人，都必須毫無例外地遵照采用。

1985-09-06，全國人大常委會通過了《中華人民共和國計量法》，規(guī)定：我國采用SI，使用法定單位，非法定單位應(yīng)當(dāng)廢除。這就以法律的形式確保了國家計量制度的統(tǒng)一。

1)SI基本單位

共7個(表1)，分別是相互獨(dú)立的最重要的7個基本量的單位。它們是SI單位的基礎(chǔ)。

基本構(gòu)成：

以SI單位為基礎(chǔ)，加上國家選定的若干非SI的單位構(gòu)成，具體包括5部分。表1SI基本單位

長度米m

質(zhì)量千克(公斤)kg

時間秒s

電流安[培]A

熱力學(xué)溫度開[爾文]K

物質(zhì)的量摩[爾]mol

發(fā)光強(qiáng)度坎[德拉]cd量名稱單位名稱

單位符號

2)具有專門名稱的SI導(dǎo)出單位

由SI通過定義、定律及其它函數(shù)關(guān)系派生出來的單位是導(dǎo)出單位。如頻率的單位赫茲（Hz)，定義為“周期為1秒的周期現(xiàn)象的頻率”即Hz=1/s.

表2具有專門名稱的SI導(dǎo)出單位

量名稱單位名稱單位符號其他符號

頻率赫[茲]Hzs-1

力牛[頓]Nkg·m/s2

壓力，壓強(qiáng)，應(yīng)力帕[斯卡]PaN/m2

能[量]，功，熱量焦[耳]JN·m

功率，輻[射能]通量瓦[特]WJ/s

電荷[量]庫[侖]CA·s電壓,電動勢,電位,(電勢)伏[特]VW/A

電容法[拉]FC/V

電阻歐[姆]ΩV/A

電導(dǎo)西[門子]SA/V

磁通[量]韋[伯]Wb

W·s續(xù)表2

量名稱單位名稱單位符號其他符號

磁通[量]密度,

磁感應(yīng)強(qiáng)度特[斯拉]TWb/m2

電感亨[利]HWb/A

攝氏溫度攝氏度℃K[放射性]活度貝可[勒爾]Bqs-1

吸收劑量戈[瑞]GyJ/kg

劑量當(dāng)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

立體角球面度sr1m2/m2=1

催化活性卡塔(未標(biāo)準(zhǔn)化)katmol/s

3)我國選定的非SI的單位

共16個(表3)，其中14個為國際計量大會選定的可與SI并用(11個)或暫時可與SI并用（3個）的非SI單位。

表3我國選定的非SI的單位

時間分min[小]時h

天(日)d[平面]角[角]秒″[角]分′

度°

量名稱單位名稱單位符號

量名稱單位名稱單位符號

質(zhì)量噸t

原子質(zhì)量單位u

體積升L,(l)

能電子伏eV

級差分貝dB

長度海里nmile

速度節(jié)kn

面積公頃hm2

旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)每分r/min

線密度特[克斯]tex續(xù)表3

4)

由以上單位組合而成的單位

凡由1)～3)列出的45個法定單位通過乘或除組合而成的單位,只要具有物理意義,都是法定單位(示例見表4)。表4組合單位示例

量名稱單位名稱單位符號

電阻率歐[姆]米Ω·m

濃度摩[爾]每升mol/L

總質(zhì)量阻止本領(lǐng)電子伏二次方米每千克

eV·m2/kg

磁旋系數(shù)安[培]平方米每焦[耳]秒A·m2/(J·s)粒子輻射度每平方米秒球面度m－2·s－1·sr

－1

5)由SI詞頭與以上單位構(gòu)成的倍數(shù)單位

SI詞頭是加在計量單位前面構(gòu)成十進(jìn)倍數(shù)或分?jǐn)?shù)單位的因數(shù)符號,每個詞頭都代表1個因數(shù),具有特定的名稱和符號(表5)。

表5SI詞頭

因數(shù)英文名稱中文名稱符號

1024

yotta

堯[它]Y1021

zetta

澤[它]Z1018

eza

艾[可薩]E1015

peta

拍[它]P1012

tera

太[拉]T109

giga

吉[伽]G

106mega兆M

續(xù)表5

因數(shù)英文名稱中文名稱符號

103kilo千k102

hecto

百

h101

deca

十da10－1

deci

分d10－2

centi

厘c10－3milli

毫

m

因數(shù)英文名稱中文名稱符號

10－6micro微μ10－9

nano

納[諾]n10－12

pico

皮[可]p10－15

femto

飛[母托]f10－18atto

阿[托]a10－21

zepto

仄[普托]z10－24

yocto

幺[科托]y

續(xù)表5二、基本電子測量方法針對不同測量任務(wù)進(jìn)行具體分析以找出切實可行的測量方法，對測量工作是十分重要的。對于測量方法，從不同角度，有不同的分類方法，直接關(guān)系測量結(jié)果的可信度，測量工作的經(jīng)濟(jì)性、可行性。1、直接測量與間接測量(根據(jù)獲得測量值的方法分類) （1）直接測量：是一個直接的比較過程，所測到的量值就是它最終所需要得到的被測量的值。對儀表讀數(shù)不需要經(jīng)過任何運(yùn)算就能直接表示測量所需要的結(jié)果。如電壓表測電壓。優(yōu)點(diǎn)：測量過程簡單、迅速。缺點(diǎn)：測量精度不高。在一般測量中普遍采用，廣泛用于工程測量。（2）間接測量

當(dāng)測量對象不便于直接測量，而與它有著確定的函數(shù)關(guān)系的另一個量便于測量時，可對后者進(jìn)行直接測量，并進(jìn)行數(shù)學(xué)計算，得到原始測量對象的相應(yīng)量值。如功率測量，沒有功率表直接測，可先測電壓、電流或電阻，然后根據(jù)公式得到功率值。

廣泛用于科研，實驗室及工程測量中。

2、調(diào)零測量、替代式測量與微差式測量（根據(jù)測量方式分）（1）調(diào)零測量調(diào)零測量法的原理是，將一個校對好的基準(zhǔn)源與未知的被測量進(jìn)行比較，并調(diào)節(jié)其中之一，使二量值的差為零，這樣，從基準(zhǔn)源的讀數(shù)即可推算出被測量的值。優(yōu)點(diǎn)：測量精度高。缺點(diǎn)：不適應(yīng)測量迅速變化的信號。例：調(diào)零測量法測電壓——U為標(biāo)準(zhǔn)電壓源，R1和R2是標(biāo)準(zhǔn)分壓電阻，A為電流表。測量時，通過調(diào)節(jié)R1和R2的比例，使電流表指示為零,得到：待測電源（2）替代式

分別把被測量和標(biāo)準(zhǔn)量接入同一測量系統(tǒng)，在用標(biāo)準(zhǔn)量替代被測量時，調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)量，使系統(tǒng)的工作狀態(tài)在替代前后保持一致，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量來確定被測量的數(shù)值的方法。曹沖稱象就是替代法的一個例子。

有效消除了外界因素對測量結(jié)果的影響。（3）微差式測量

通過測量被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的差值或正比于該差值的量，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)量來確定被測量數(shù)值的方法。V9VBB0XX為被測量，B為標(biāo)準(zhǔn)量，B0為被測量與標(biāo)準(zhǔn)量的微差，B0值可由指示儀表讀出，即X=B+B0反應(yīng)快，精度高3、靜態(tài)測試、穩(wěn)態(tài)測試和動態(tài)測試（按被測物理量時間特性分類）（1）靜態(tài)測試：

被測對象屬于直流（或變化緩慢）性質(zhì)的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)信號，測量過程不受時間限制，測量原理，方法較簡單。傳統(tǒng)的測試大多是在這種最簡單的靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)下進(jìn)行的。（2）穩(wěn)態(tài)測試對于一個波形(幅度、頻率和相位)恒定不變的周期交流信號，可以看成一個處于穩(wěn)定狀態(tài)的信號，這種周期性的交流信號是電子測量的一個基本對象，常稱為交流測量。大多數(shù)儀器，如交流電壓表、通用示波器、頻率計，均只適用于測量這類處于平穩(wěn)狀態(tài)的周期性交流信號，因此，穩(wěn)態(tài)測量是電子測量中最常見、使用最多的測量。（3）動態(tài)測試自然界中存在大量瞬變沖擊的物理現(xiàn)象，如力學(xué)中的爆炸、碰撞；電學(xué)中的充放電、閃電、雷擊，對這類隨時間瞬間變化的對象進(jìn)行測量，稱為動態(tài)測量。如地震信號測量。三、常規(guī)小信號檢測方法了解小信號檢測的手段和方法，對微弱信號檢測具有一定參考價值。1、濾波

在大部分檢測儀器中都要對模擬信號進(jìn)行濾波處理，其目的為隔離直流分量、改善信號波形、防止離散化時的頻率混疊，更多的濾波是為了克服噪聲的不利影響，提高信號的信噪比。（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，可把濾波器的通帶設(shè)置得能夠覆蓋有用信號的頻譜，所以濾波器不會使有用信號衰減或使有用信號衰減很少。常用的抑制噪聲的濾波器：

低通濾波器帶通濾波器另外，為了抑制某一特定頻率的干擾噪聲（如50HZ工頻干擾）的不利影響，有時還使用帶阻濾波器（陷波器）。2、調(diào)制放大與解調(diào)對于變化緩慢的信號或直流信號，如果不經(jīng)過變換處理，而直接利用直流放大器進(jìn)行放大，則傳感器和前級放大器的低頻噪聲及緩慢漂移（包括溫度漂移和時間漂移）經(jīng)放大后會以很大的幅度出現(xiàn)在后級放大器的輸出端，當(dāng)有用信號幅度比較小時，有可能根本檢測不出來。簡單的電容隔直方法能有效的抑制漂移和低頻噪聲，但是對有用信號的低頻分量也具有衰減作用。在這種情況下，利用調(diào)制放大器能有效解決上述問題。這樣的調(diào)制放大器多采用幅度調(diào)制的方法（見下圖）。幅度調(diào)制在無線廣播和接收中用的很廣泛。調(diào)制AC放大解調(diào)LPF載波振蕩器被測信號VS(t)Vm(t)Vd(t)輸出信號V0(t)載波信號Vc(t)2.3.2微弱信號檢測基礎(chǔ)人類認(rèn)識世界，就需要測量技術(shù)，同時要不斷提高測量技術(shù)水平。測量技術(shù)的兩個基本問題是速度和精度。速度快，不僅節(jié)省測量時間，而且意味著對測量系統(tǒng)快速變化的響應(yīng)和處理能力的提高；測量精度是測量系統(tǒng)的重要評判指標(biāo)，測量精度的提高意味著檢測靈敏度的提高和動態(tài)范圍的擴(kuò)大，即能容納更多的噪聲和從噪聲中提取信號能力的提高。一、微弱信號檢測的概念1、微弱信號定義

微弱信號檢測(WeakSignalDetection，簡稱WSD)技術(shù)是用來提高測量精度的技術(shù)，它利用物理學(xué)、電子學(xué)、信息論和計算機(jī)技術(shù)等學(xué)科成果，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點(diǎn)、相關(guān)性以及噪聲的統(tǒng)計特性，測量被噪聲淹沒的微弱有用信號。

“微弱信號”不僅意味著信號的幅度很小，而且主要指的是被噪聲淹沒的信號?！拔⑷酢笔窍鄬τ谠肼暥缘?，信號的幅度絕對值極小，如電信號振幅是μv級，nv級pv級，此時，有用信號完全淹沒在噪聲中。

微弱信號檢測技術(shù)不同于一般的檢測技術(shù)，它注重的不是傳感器的物理模型、原理、相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換電路和儀表實現(xiàn)方法，而是如何抑制噪聲和提高信噪比，因此，可以說，微弱信號檢測是一門專門抑制噪聲的技術(shù)。目前，地震勘探大多已進(jìn)入高分辨率勘探時代，現(xiàn)在等待人們?nèi)ふ业亩际且恍┞癫剌^深，地質(zhì)條件較復(fù)雜的小構(gòu)造油田或巖性圈閉油田，對儀器分辨薄層的能力要求高，要求能記錄深層反射信號中幅度很弱的高頻分量。但是，由于被測信號很微弱，傳感器的本底噪聲，放大電路及測量儀器的固有噪聲，以及外界的干擾噪聲往往比有用信號的幅度大的多，放大被測信號的過程同時也放大了噪聲，而且必然還會附加一些額外的噪聲，因此，只靠放大是不能把微弱信號檢測出來的，只有在有效抑制噪聲的條件下增大微弱信號的幅度，才能提取出有用信號。構(gòu)造油田：背斜、斷層，地震勘探容易分辨（因地層不同）巖性油藏是在同一地層中，由于巖性的差異來構(gòu)成的油藏，一般儀器不好分辨。嘉二1頂界雷一1頂界嘉二1儲層嘉二3儲層嘉四3儲層嘉四1儲層為了表征噪聲對信號的覆蓋程度，人們引入了信噪比SNR(signalnoiseration)的概念。信噪比指的是信號的有效值S

與噪聲的有效值N之比，即SNR=S/N信噪比可以是電壓比值，一般表示為SNRV；也可以是功率比值，一般表示為SNRP。微弱檢測的關(guān)鍵是提高信噪比。評價一種微弱信號檢測方法的優(yōu)劣，經(jīng)常采用兩種指標(biāo)：一是信噪改善比SNIR(signalnoiseimprovemerration)；一是有效的檢測分辨率?！靶旁敫纳票取倍x為式中是系統(tǒng)輸出端的信噪比是系統(tǒng)輸入端的信噪比越大，表明系統(tǒng)抑制噪聲的能力越強(qiáng)?！皺z測分辨率”是檢測儀器示值可以響應(yīng)與分辨的最小輸入量的變化值。檢測分辨率不同于檢測靈敏度，靈敏度是檢測系統(tǒng)標(biāo)定曲線的斜率，一般情況下，靈敏度越高，分辨率越好，但是，提高系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以提高靈敏度，但卻不一定能提高分辨率，因為分辨率受噪聲和誤差的制約。一般用信噪改善比這個指標(biāo)。自從1962年第一臺鎖相放大器問世的四十多年來，微弱信號檢測技術(shù)得到了長足的發(fā)展，信噪改善比得到不斷提高，近年在一些專門檢測領(lǐng)域（如弱電流）SNIR已達(dá)到107從而推動了物理、化學(xué)、天文、生物、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。（本書P13頁表2-1所示數(shù)據(jù)為20世紀(jì)80年代所達(dá)到的）2、微弱信號檢測方法

微弱信號檢測就是從噪聲中提取有用信號。目前常用的比較成功的方法有如下幾種:（1）頻域信號的窄帶化及相關(guān)檢測技術(shù)通過限制測量系統(tǒng)帶寬的方法，把大量帶寬外的噪聲排除，這種技術(shù)稱為窄帶化技術(shù)；對于有相關(guān)性的信號，可利用相關(guān)檢測技術(shù)，把相位不同于信號的噪聲部分排除，也可把與信號頻率相同，但相位不同的噪聲也大量排除。鎖相放大器是當(dāng)前頻域信號相關(guān)檢測的主要儀器。模擬鎖相放大器

ND-201鎖相放大器

鎖相放大器

（2）時域信號的平均處理信號若是周期脈沖波系列，則信號有很窄的頻帶，就無法使用相關(guān)檢測，但由于噪聲是隨機(jī)的，可將其多次測量后平均，就可排除噪聲的影響，用接近信號真實值的特性來進(jìn)行測量。其代表性的儀器有Boxcar平均器或稱取樣積分器（積累平均器），這類儀器的缺點(diǎn)是取樣效率低，不能充分利用信號波形，其次是不利于低重復(fù)頻率的信號的恢復(fù)，只適用于頻率較高的時域信號，從而限制了它的使用；隨著微型計算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，出現(xiàn)了信號多點(diǎn)數(shù)字平均技術(shù)，可最大限度地抑制噪聲或節(jié)約時間，并能完成多種模式的平均功能。Boxcar平均器

（3）離散量的計數(shù)統(tǒng)計對于只關(guān)心單位時間到達(dá)的脈沖數(shù)的及窄的脈沖信號，如光子流，宇宙射線流的測量，就要選擇或設(shè)計傳感器，使信號有盡量相近的窄脈沖輸出，利用幅度甄別器，大量排除噪聲計數(shù)，利用信號的統(tǒng)計規(guī)律，決定測量參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

（儀器有光子計數(shù)器）

SR400雙通道門控光子計數(shù)器

SR430光子計數(shù)多道定標(biāo)/平均器

（4）并行檢測對于只發(fā)生一次或希望在測量范圍內(nèi)用掃描方式同時獲得結(jié)果就需要用傳感器陣列，進(jìn)行并行檢測，且每個傳感器必須有存儲效應(yīng)，使數(shù)據(jù)依次讀出。并行檢測可實現(xiàn)快速分析，目前多用于光學(xué)，核物理方面。（5）自適應(yīng)噪聲抵消利用一個與原始輸入相關(guān)的噪聲來抵消原始輸入中的噪聲，從而獲得幾乎未產(chǎn)生畸變的有用信號，也就是利用噪聲與被測信號不相關(guān)的特點(diǎn)，自適應(yīng)地調(diào)整濾波器的傳輸特性，盡可能地抑制和衰減干擾噪聲，提高系統(tǒng)的信噪比。比如，打長途電話時，由于接收端的反射作用，傳出的話音會反向傳回來，使說話者又聽到自己的話音，這就是回聲干擾，解決這個問題的一種方法就是利用自適應(yīng)回波干擾抵消裝置來消除這種回聲干擾。再如自適應(yīng)濾波器，在地震數(shù)據(jù)處理中也有運(yùn)用。語音信號波形濾波后語音信號波形（6）計算機(jī)數(shù)字處理利用計算機(jī)軟件來實現(xiàn)過去使用硬件來完成的工作任務(wù)。如曲線平滑，逐點(diǎn)平均，數(shù)字濾波，快速傅立葉變換等數(shù)字信號處理技術(shù)對含有噪聲的信號進(jìn)行處理，從而提高信噪比。（但前提是，所提取的數(shù)據(jù)中必須有有用信號）二、噪聲及其抑制方法概述人們發(fā)現(xiàn)，一切物理量的測量精度都受到背景噪聲的限制。信號源本身存在固有噪聲，其輸出信號中既包含有用信號，也不可避免地包含噪聲；組成放大器的元器件也存在固有噪聲，在對輸入信號進(jìn)行放大的同時，也加入了噪聲；放大器之后的各種信號處理和變換電路、顯示記錄電路等也存在噪聲。測量系統(tǒng)各部分之間還存在相互影響，每一部分還可能受到外界的影響，進(jìn)一步降低測量精度。1、噪聲定義要檢測出微弱的有用信號，就必須抑制噪聲。什么是噪聲?由于電路中電子及其它載流子（晶體管中的空穴）的隨機(jī)擾動，電路內(nèi)部的噪聲無處不再；另外，電路外部的各種干擾也會在電路中感應(yīng)出不同頻率分布的噪聲。無論是內(nèi)部噪聲，或外部干擾，我們在這里統(tǒng)稱為噪聲。噪聲可概括為有用信號以外所有擾動的總稱。噪聲與干擾通常把由于材料或器件的物理原因產(chǎn)生的擾動稱為噪聲。把來自外部的原因的擾動稱為干擾，有一定的規(guī)律性，可以減少或消除。2、噪聲分類與抑制方法如下圖所示：電子噪聲自然噪聲人為噪聲電路噪聲爆裂噪聲點(diǎn)火天體噪聲空間噪聲電機(jī)感應(yīng)閃爍噪聲散粒噪聲熱噪聲宇宙射線雷電光輻射也稱固有噪聲由上面看出，噪聲氣勢很強(qiáng)，來源很廣，所以要提高信噪比，首先就要抑制噪聲。抗干擾三要素：若用N表示電路所受干擾的程度，則N

可用下述公式表示

N=GC/I式中，

G是噪聲發(fā)生源的強(qiáng)度，C是從噪聲源通過某種途徑傳到受干擾電路的耦合因素，I是受干擾電路的抗干擾性能。所以，G、C、I表示了抗干擾的三要素。(1)電路噪聲的產(chǎn)生與規(guī)律及其抑制方法

a)熱噪聲

任何電阻或?qū)w，即使沒有連接到信號源或電源，其兩端也會出現(xiàn)很微弱的電壓波動，這就是電阻的熱噪聲。電阻的熱噪聲起源于電阻中自由電子的隨機(jī)熱運(yùn)動，導(dǎo)致電阻兩端電荷的瞬時堆積，形成噪聲電壓。熱噪聲電壓具有隨機(jī)性，而且?guī)缀醺采w整個頻譜，類似于光學(xué)中的白光，所以可稱熱噪聲為“白噪聲”，即熱噪聲電壓的有效值在各頻率分量上皆相等。所以，經(jīng)研究計算，對于帶寬為Δf的測量裝置，其測量電路中阻值為R的電阻上熱噪聲電壓的有效值為上式中，Δf為噪聲帶寬(Hz)；R為電阻值（Ω）；k?=?1.38

10-?23?J/K為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度(K)。

例如，對于輸入電阻Ri?=?1?MW，帶寬Δf?=?500?kHz的放大器，設(shè)環(huán)境溫度T?=?300?K，可求出熱噪聲電壓的有效值為91?mV。若輸入被測信號為微伏量級，將被熱噪聲所淹沒。

根據(jù)上式可知，降低熱噪聲的主要途徑是減小R和Δf。盡管降低溫度也有助于降低熱噪聲，但效果不明顯，例如，將電阻浸在液態(tài)氮(77?K)中，熱噪聲電壓有效值也僅僅減小約50?%。

b)散粒噪聲

散粒噪聲存在于電子管和半導(dǎo)體器件中。在電子管里，散粒噪聲來自陰極電子的隨機(jī)發(fā)射。在半導(dǎo)體器件中，散粒噪聲是越過PN結(jié)的載流子的隨機(jī)擴(kuò)散和電子孔穴對的隨機(jī)產(chǎn)生與復(fù)合造成的。凡是具有PN結(jié)的元件均存在這種散粒噪聲。散粒噪聲使得流過電子管和PN結(jié)的電流出現(xiàn)小幅度的隨機(jī)波動。

散粒噪聲電流的有效值在各頻率分量上皆相等，也屬于白噪聲。研究表明，在平均電流不太大、頻率不太高的條件下，對于帶寬為Δf

的測量裝置，流過其測量電路中的電子管或PN結(jié)的散粒噪聲電流的有效值為

顯然，為了減小散粒噪聲的影響，Idc越小越好，尤其對于放大器的前置級。另外減小帶寬。

式中：q

=?1.602??10-19?C，為電子電荷量；Idc

為平均直流電流；Δf為系統(tǒng)的等效噪聲帶寬。

c)閃爍噪聲（接觸噪聲）

接觸噪聲發(fā)生在兩導(dǎo)體相連接的地方，是由于接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的。凡是有導(dǎo)體接觸不理想的元器件，都存在接觸噪聲。接觸噪聲最早是在電子管的極板電流中發(fā)現(xiàn)的，稱為閃爍噪聲。后來在各種半導(dǎo)體器件中也發(fā)現(xiàn)了接觸噪聲,另外，導(dǎo)電材料的不連續(xù)也會產(chǎn)生接觸噪聲，如碳電阻，電流必須流過許多碳粒之間的接觸點(diǎn)，接觸噪聲就很嚴(yán)重，金屬膜電阻的接觸噪聲就要小得多，金屬絲線繞電阻則最小。接觸噪聲電流的有效值在各頻率分量上不相等，不屬于白噪聲。在f1和f2之間的頻段中，接觸噪聲電流的有效值為式中：K為取決于接觸面材料類型和幾何形狀的系數(shù)；Idc

為平均直流電流；f1和f2是系統(tǒng)工作頻段?？梢?，接觸噪聲不像熱噪聲和散粒噪聲那樣取決于帶寬，而是取決于通頻帶的上、下限。由于接觸噪聲電流的功率譜密度函數(shù)正比于1/f，頻率越低，這種噪聲的功率譜密度越大，在低頻段幅度可能很大，所以接觸噪聲又稱為低頻噪聲或1/f噪聲。有人預(yù)計，當(dāng)頻率低到一定程度，如0.001?Hz時，接觸噪聲的幅度趨于常數(shù)。d）爆裂噪聲是一種流過半導(dǎo)體PN結(jié)電流的突然變化。20世紀(jì)70年代初期，首先在半導(dǎo)體二極管中發(fā)現(xiàn)了此種噪聲，之后在三極管和集成電路中也發(fā)現(xiàn)了此種噪聲。引起爆裂噪聲的原因是半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)（常是金屬雜質(zhì)），這些雜質(zhì)能隨機(jī)發(fā)射或捕獲載流子。（若將爆裂噪聲放大并送到揚(yáng)聲器中，可聽到類似于爆米花的爆裂聲）

理論分析證明，爆裂噪聲的功率譜密度可表示為：(A2/HZ)Ib為直流電流；KB為取決于半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)情況的常數(shù)；f0為轉(zhuǎn)折頻率，當(dāng)f小于f0時,功率譜密度曲線趨于平坦。爆裂噪聲是電流型噪聲，在高阻電路中影響更大。通過提高半導(dǎo)體制造工藝，可以改善爆裂噪聲；對器件嚴(yán)格挑選，能夠避免爆裂噪聲。實際的電子器件，往往是個綜合的噪聲源，也就是說，它們的內(nèi)部同時具有以上兩種或更多種噪聲。要確切地分析一個晶體三極管內(nèi)部噪聲的組合情況都十分困難(主要包括基區(qū)電阻的熱噪聲、基極電流和集電極電流的散粒噪聲、內(nèi)部電路與引腳之間的接觸噪聲等)，更何況對于包含成百上千個電阻、二極管、三極管等元件的集成電路，幾乎就不可能。所以在工程上衡量電子器件的噪聲往往是測量綜合噪聲效果，不再區(qū)分具體的噪聲根源。

（2）外部噪聲(干擾)抑制方法噪聲（內(nèi)部與外部）頻譜圖如下：10-410-21102104106108f(HZ)相對幅度白噪聲1/f噪聲溫度變化機(jī)械振動電弧，SCR(可控硅晶閘管)開關(guān)工頻干擾電源開關(guān)AM/FM廣播TV和雷達(dá)外部干擾就是由自然噪聲和人為噪聲引起的干擾，通常經(jīng)由某種傳播途經(jīng)被耦合到檢測系統(tǒng)中。根據(jù)抗干擾三要素，首先，積極主動的措施是消除或隔離干擾源，但多數(shù)情況下，對于產(chǎn)生噪聲的外部干擾源很難采取有效措施消除或隔離，但是切斷或削弱干擾耦合途經(jīng)的傳播作用是可以辦到的。干擾耦合途經(jīng)：傳導(dǎo)耦合，公共阻抗耦合，電源耦合，電場耦合，磁場耦合，電磁輻射耦合。（a）傳導(dǎo)耦合及其解決辦法：

傳導(dǎo)耦合是經(jīng)導(dǎo)線傳導(dǎo)引入干擾噪聲，如交流電源線會將工頻電力線噪聲引入到裝置；長信號線會把工頻和射頻電磁場、雷電感應(yīng)出的噪聲引入信號系統(tǒng)。解決辦法：一是使信號線盡量遠(yuǎn)離噪聲源；

二是采取去耦和濾波措施。（b）公共阻抗耦合及其解決辦法：公共阻抗耦合是如果多個電路共同使用一段公共導(dǎo)線，如公共電源線，公共地線，則當(dāng)其中的任何一個電路的電流發(fā)生波動時，都會在公共導(dǎo)線的阻抗上產(chǎn)生波動電壓，形成對其它電路的干擾。電路1電路2BAZGVCZC解決辦法：利用合適的接地措施可有效克服公共阻抗耦合噪聲。后面細(xì)講。（c）電源耦合及其解決辦法：檢測電路的直流電源上一般都不同程度的疊加有各種其它噪聲，如電源電路中的整流器、電壓調(diào)節(jié)器以及其它元件的固有噪聲，若電源整流器輸出濾波器不理想，電源輸出還會疊加有工頻50赫茲及其高次諧波的分量以及工頻電源線上其它噪聲。解決辦法：選用低噪聲、低輸出阻抗的電源，在電路中增設(shè)濾波電容，必要時為防止其它電路的電流耦合到微弱信號檢測電路中，采用單獨(dú)的電源供電。（d）電場耦合、磁場耦合和電磁輻射耦合及其解決辦法：干擾源導(dǎo)體的電位變化會在敏感電路中感應(yīng)出電噪聲。電場噪聲可以看作是由不同電路之間的分布電容耦合傳播。如兩條平行直導(dǎo)線間的分布電容。磁場耦合又叫電感性耦合，載有電流的導(dǎo)線會在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，對于磁場中的導(dǎo)體回路，當(dāng)穿越它的磁通發(fā)生變化，在回路中感應(yīng)出感生電動勢。電磁輻射耦合，任何載有交變電流的電路都會向遠(yuǎn)場輻射電磁波，高頻電路的輻射作用更為明顯，因為高頻輻射源波長更短；任何導(dǎo)體都可能接收電磁波而產(chǎn)生噪聲。電磁輻射耦合兼有電場和磁場耦合的特點(diǎn)，無線廣播、電視、雷達(dá)等都是以這種方式傳播的，這也是射頻噪聲和天體噪聲的主要耦合方式。解決辦法：上述三種干擾可通過屏蔽來控制。這是克服此種耦合最有效的手段。屏蔽目的是利用導(dǎo)電或高導(dǎo)磁率材料來減少磁場、電場或電磁場的強(qiáng)度，屏蔽可用于單個器件、傳輸電纜、部分電路或整個電路系統(tǒng)，然后再把屏蔽層接地，效果更好?？偨Y(jié)以上所述，各種抑制干擾與噪聲的技術(shù)和方法可歸納為3類：一是抑制干擾源的噪聲；二是消除或切斷干擾噪聲源的耦合途經(jīng)；三是對敏感的檢測電路采取抗干擾措施。在測量與控制電路的設(shè)計、組裝和使用中，對于干擾與噪聲抑制的主要措施有：屏蔽、接地、隔離、合理布線、滅弧、凈化、濾波、和采用專門電路與器件。三、接地基本原則接地是解決噪聲的最普遍、最有效的方法。檢測設(shè)備，乃至整個測量系統(tǒng)，總是由若干個部件組成，各部件間若電位不統(tǒng)一，就會引起相互干擾，處理好接地問題，可以有效抑制干擾，提高系統(tǒng)抗干擾能力。

接地就是將某點(diǎn)與一個等電位點(diǎn)或等電位面之間用低電阻導(dǎo)體連接起來，構(gòu)成一個基準(zhǔn)電位。若將基準(zhǔn)電位與大地連接，則稱為共地連接；若不與大地連接，稱為浮地連接。1、接地的種類和目的

一種接地是安全保護(hù)接地。主要包括：為防止電力設(shè)施或電子電氣設(shè)備絕緣損壞，危及人身安全而設(shè)置的保護(hù)接地；為消除生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的靜電積累，引起觸電或爆炸而設(shè)的靜電接地；為防止電磁感應(yīng)而對設(shè)備的金屬外殼、屏蔽罩或屏蔽線外皮所進(jìn)行的屏蔽接地。其中保護(hù)接地應(yīng)用最為廣泛，它將機(jī)（外）殼接地。當(dāng)機(jī)殼帶電時，促使電源的保護(hù)電器動作而切斷電源，以保護(hù)操作人員的安全和儀器設(shè)備的安全運(yùn)行。此種接地的目的是為了安全。另一種接地是系統(tǒng)（工作）接地。這種接地給電路系統(tǒng)提供一個基準(zhǔn)電位（參考電位），同時也可將干擾引走。此種接地的目的是為了抑制外部的干擾。

接地通常有兩種含義：一是連接到系統(tǒng)基準(zhǔn)地；二是連接到大地。連接到系統(tǒng)基準(zhǔn)地，是指各個電路部分通過低電阻導(dǎo)體與電氣設(shè)備的金屬底板或金屬外殼實施的連接，而此金屬底板、外殼并不連接到大地。系統(tǒng)基準(zhǔn)地也稱信號地，是信號的公共點(diǎn)，提供信號回路，抑制干擾。接地安全地（與大地等電勢）信號地（不一定與大地等電勢）（浮地或共地）

(1)給出電路、單元和設(shè)備的零電位基準(zhǔn)面，構(gòu)成電信號的通路，以保證電子設(shè)備的正常工作；

(2)防止在設(shè)備外殼或屏蔽層上由于電荷積聚、電壓上升而造成人身不安全，或引起火花放電；

(3)將設(shè)備屏蔽層接地，給高頻干擾電壓形成一個低阻抗通路，以防止它對電子設(shè)備的干擾。接地的目的與作用2、地線的種類

(1)保護(hù)接地線(保安地線)

出于安全防護(hù)目的，將電氣設(shè)備和電子測量裝置的外殼與屏蔽層接地用的地線，與大地連接在一起。例如，作為三相四線制電源電網(wǎng)的零線、電氣設(shè)備的機(jī)殼、底盤以及避雷針等都需要接大地，這就是保護(hù)接地線。

(2)信號地線

電子裝置中的地線，除特別說明接大地的以外，一般都是指作為電信號的基準(zhǔn)電位的信號地線。電子裝置的接地是抑制干擾、保證電路工作性能穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵。信號地線既是各級電路中靜、動態(tài)電流的通道，又是各級電路通過某些共同的接地阻抗而相互偶合，從而引起內(nèi)部干擾的環(huán)節(jié)。

信號地線又可分為模擬信號地線和數(shù)字信號地線兩種。模擬信號地線是模擬信號的零信號公共線，因為模擬信號一般較弱，因此對模擬信號地線要求較高。數(shù)字信號地線是數(shù)字信號的零電平公共線，由于數(shù)字信號一般較強(qiáng)，故對數(shù)字信號地線的要求可低些。為了避免模擬信號地線與數(shù)字信號地線之間的相互干擾，二者應(yīng)分別設(shè)置。

(3)信號源地線傳感器可看作測量裝置的信號源。通常傳感器裝置設(shè)在生產(chǎn)現(xiàn)場，而顯示、記錄等測量裝置則安裝在離現(xiàn)場有一定距離的控制室內(nèi)，在接地要求上二者不同、有差別。信號源地線是傳感器本身的零信號電位基準(zhǔn)公共線。

(4)負(fù)載地線負(fù)載的電流一般較前級信號電流大得多，負(fù)載地線上的電流在地線上產(chǎn)生的干擾作用也大，因此負(fù)載地線和測量放大器的信號地線也有不同的要求。有時二者在電氣上是相互絕緣的，它們之間通過磁耦合或光耦合來傳輸信號。

在電子裝置中，上述四種地線一般應(yīng)分別設(shè)置。在電位需要連通時，可選擇合適的位置作一點(diǎn)相連。以消除各地線之間的相互干擾。3、系統(tǒng)接地原則及方式

為了收到預(yù)期的效果，接地實用技術(shù)在實施中應(yīng)遵循以下原則：

①根據(jù)不同的干擾源采用不同的接地技術(shù)，不能認(rèn)為只要電路系統(tǒng)有一點(diǎn)接地就可以消除一切干擾。

②接地點(diǎn)的選擇要適當(dāng)，要避免因選擇不當(dāng)而引入新的干擾。

③選擇接地點(diǎn)時盡量照顧屏蔽效果的兼容性，也就是通過接地的屏蔽技術(shù)達(dá)到消除幾種干擾的目的。電子電氣儀器設(shè)備中的系統(tǒng)接地是否要接大地和如何接大地，與系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性有著極其密切的關(guān)系，通常有以下幾種方式。

a、浮地方式

浮地就是不接大地，是一種懸浮的方式，如下圖所示。目的：將電路或設(shè)備與公共地或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開來，從而抑制來自接地線的干擾。缺點(diǎn)：設(shè)備不與大地直接相連，容易出現(xiàn)靜電積累現(xiàn)象，這樣積累起來的電荷達(dá)到一定程度后，在設(shè)備和大地之間會產(chǎn)生具有強(qiáng)大放電電流的靜電擊穿現(xiàn)象，這是一種破壞性很強(qiáng)的干擾源。為此，在采用浮地方式時，應(yīng)在設(shè)備與大地之間接一個電阻值很大的瀉放電阻，以消除靜電積累的影響。電路1電路2電路n浮地方式信號地保護(hù)地保護(hù)地……

浮地又稱浮置、浮空、浮接，它指的是電子設(shè)備的輸入信號放大器公共線(即模擬信號地)不接機(jī)殼或大地，測量放大器與機(jī)殼或大地之間無直流聯(lián)系。浮置的目的是阻斷干擾電流的通路。

檢測系統(tǒng)或電子設(shè)備的測量電路被浮置后，由于共模干擾電流可大大減小，因此其共模抑制能力極大提高。

這里應(yīng)該指出的是，只有在對電路要求高、且采用多層屏蔽的條件下，才采用浮置技術(shù)。

測量電路的浮置應(yīng)該包括該電路的供電電源，即對這種俘置的測量電路的供電系統(tǒng)應(yīng)該是單獨(dú)的浮置供電系統(tǒng)，否則浮置將是無效的。懸浮接地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）盡量提高浮地系統(tǒng)的對地絕緣電阻，從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)中的共模干擾電流，保證系統(tǒng)的可靠性。

（2）注意浮地系統(tǒng)對地存在的較大寄生電容，高頻干擾信號通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中，在設(shè)計時一定要注意。

（3）懸浮接地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，才能收到更好的預(yù)期效果。

（4）采用浮地技術(shù)時，系統(tǒng)容易積累靜電，當(dāng)靜電積累到一定應(yīng)程度后，可以對人和設(shè)備產(chǎn)生很多的損害，所以要注意靜電對設(shè)備和人身的危害。b、一點(diǎn)接地

1MHz（一般電子技術(shù)中1HZ-----1MHZ是低頻段）以下的電路只能采用一點(diǎn)接地，為什么？如果一個測量系統(tǒng)兩點(diǎn)接地，則這兩點(diǎn)之間的地電位差將引起干擾，加上各種接地電流的流通，也會使同一接地系統(tǒng)上的各點(diǎn)電位不一致，這樣又給電路引進(jìn)了內(nèi)部干擾。如果采用“一點(diǎn)接地”，就可以有效地抑制和削弱這些干擾。因此對一個測量電路只能“一點(diǎn)接地”。所以一點(diǎn)接地的功能是消除和防止形成接地環(huán)路。一點(diǎn)接地是為許多接在一起的電路系統(tǒng)提供共同參考點(diǎn)。電流流過接地導(dǎo)線時，導(dǎo)線中或多或少有阻抗（必須注意：任何導(dǎo)線都具有一定的阻抗，通常由電阻和電感組成，大小與頻率有關(guān)）。一點(diǎn)接地有串聯(lián)方式和并聯(lián)方式兩種，如下圖所示。

電路1電路2電路n……Z1Z2ZnI1I2In串連一點(diǎn)接地上圖串聯(lián)方式中，把各部分電路的“地”串接在一起，之后在某一點(diǎn)接到系統(tǒng)地。電路電流I1、I2……In都經(jīng)過阻抗Z1，Z1是電路1、2……N的共同阻抗，因此，電路1、2……N的電位受I1、I2……In共同影響，它們之間互相牽制。只是因為這種接地方式接線簡單，布線方便，所以在對噪聲特性要求不高的電路中使用得很普遍，廣泛用于脈沖數(shù)字電路。但是對于各部分電路功率差異大的情況，這種接地方式是不合適的，因為功率較大的電路會產(chǎn)生較大的地線電流，轉(zhuǎn)而影響小功率電路。對于有的部分是數(shù)字電路，有的部分是模擬電路的情況，尤其是微弱信號檢測電路的情況，更不能使用這種接地方式。而并聯(lián)接地方式?jīng)]有公共阻抗，電路1、2……N互不干擾，所以并聯(lián)接地最為簡單實用。如下圖所示：電路1電路2電路n…Z1Z2ZnI1I2In并連一點(diǎn)接地對于并連一點(diǎn)接地，各部分電路的地電位只是自身的地電流和地線阻抗的函數(shù)，與其它電路無關(guān)。但是當(dāng)電路復(fù)雜時，多個獨(dú)立的接地線也會增加系統(tǒng)的成本和布線難度。在高頻情況下，各部分電路接地線之間會經(jīng)過分布電容和分布電感的耦合而形成相互干擾，而且頻率越高，接地線的感抗越大（因為接地引線感抗與頻率和長度成正比）

，同時各地線之間又產(chǎn)生電感耦合，當(dāng)?shù)鼐€長度等于1/4波長的奇數(shù)倍時，地線阻抗會變的很高，這時地線變成天線，向外發(fā)射電磁波噪聲，為了阻止這種輻射干擾，地線長度應(yīng)小于信號波長的1/20（當(dāng)頻率高于10MHZ時，一點(diǎn)接地很難做到地線長度小于波長的1/20),另外，接地線之間的分布電容的容抗越小，相互影響越嚴(yán)重，這時，電路要采取多點(diǎn)接地方式。C、多點(diǎn)接地方式

對于工作頻率較高的高頻電路(信號頻率為10MHz以上)，由于各元器件的引線和電路本身布局的電感都將增加接地線的阻抗，一點(diǎn)接地方式已不再適用。為了降低接地線阻抗及減少地線間的雜散電感和分布電容所造成的電路間的相互耦合，應(yīng)采用就近接地原則，即“多點(diǎn)接地”。多點(diǎn)接地還要注意區(qū)分模擬地和數(shù)字地。因此，需設(shè)置一個低阻接地面，以最短距離把各元器件接地端子接在此地面上。多點(diǎn)接地方式如下圖所示。

電路1電路2電路n

…d、混合接地原則

電路系統(tǒng)既有低頻電路，又有高頻電路或數(shù)字電路時，在系統(tǒng)中應(yīng)采用混合接地方式。電路系統(tǒng)中的低頻部分采用單點(diǎn)接地，而高頻部分則需多點(diǎn)接地，這樣的接地方式既包含了單點(diǎn)接地的特性，又包含了多點(diǎn)接地的特性，從而達(dá)到最佳抑制干擾的目的。如下圖所示：電路1電路2電路n

另外，強(qiáng)電地線與信號地線分開設(shè)置。

所謂強(qiáng)電地線，主要是指電源地線、大功率負(fù)載地線等，它們上邊流過的電流大，在地線電阻上會產(chǎn)生毫伏或伏級電壓降。若這種地線與信號地線共用，就會產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾。因此，信號地線與強(qiáng)電地線分別設(shè)置。模擬信號地線與數(shù)字信號地線分開設(shè)置。

數(shù)字信號一般比較強(qiáng)，而且是交變的脈沖，流過它的地線電流也是脈沖，所以，數(shù)字地上有很大的噪聲。模擬信號比較弱,如果兩種信號共用一條地線，數(shù)字信號就會通過地線電阻對模擬信號構(gòu)成干擾，故這兩種地線應(yīng)分開設(shè)置。4、接地實例（1）電纜屏蔽層接地前面講了，為防止電場、磁場、電磁輻射的干擾，采用屏蔽措施，而且屏蔽層要接地，抗干擾效果才更好，所以，我們就研究一下電纜屏蔽層的接地。經(jīng)過實際研究發(fā)現(xiàn)，對于信號線一點(diǎn)接地的低頻電路，屏蔽層也應(yīng)一點(diǎn)接地，以避免噪聲電流流經(jīng)屏蔽層。屏蔽層電流有可能在信號線或在放大器輸入端產(chǎn)生噪聲電壓（盡量不要用屏蔽層作為信號導(dǎo)線），問題是，屏蔽層單點(diǎn)接地的接地點(diǎn)應(yīng)選擇在哪里？下面分兩種情況來研究。a、當(dāng)信號源不接地，放大器接地此時，電纜屏蔽層可能有4種不同接法，如下圖：～ABCDC1C2C3Ui112Ui2放大器Ui1表示放大器公共端對地的電壓，也可看作是外界干擾在輸入信號線上產(chǎn)生的共模噪聲電壓；Ui2表示兩個接地點(diǎn)之間的地電位差。因為屏蔽層只有一點(diǎn)接地，所以噪聲耦合的通道主要是信號線與屏蔽層之間及兩條信號線之間的分布電容，如圖中的C1、C2、C3.4種接地點(diǎn)用虛線所示，分別標(biāo)注為A、B、C、D，下面就4種情況進(jìn)行分析。先看A點(diǎn)接地方式，因屏蔽層與一根信號線相連，屏蔽層的噪聲干擾電流會流入一條信號線，將在信號線阻抗上產(chǎn)生噪聲干擾進(jìn)入放大器，所以，A接法不合適。再看B點(diǎn)接地方式，此種方式等效電路圖如下由上圖計算得出噪聲電壓為：Ui2Ui1C2C3C112C1C1C2C212Ui1+Ui212Ui1+Ui2C點(diǎn)接地方式，其等效電路如下圖Ui2Ui1C1C2C3C1C21212由上圖看出，1、2端沒有Ui1、Ui2產(chǎn)生的噪聲電壓，即對于D點(diǎn)接地方式，等效電路圖如下由上圖計算得出(Ui2無影響）Ui2Ui1Ui1C1C2C3C1C21212經(jīng)過以上分析，可以得出：C連接最佳。所以，對于放大器接地，信號源浮空的輸入電路，屏蔽層應(yīng)該連接到放大器的公共端，即使公共端不是地電位也應(yīng)如此。b、信號源接地，放大器不接地也分4種情況，留給同學(xué)們自己分析。（2）測試系統(tǒng)接地實例P17

5、小結(jié)

接地是一個十分復(fù)雜的系統(tǒng)工程。良好的接地系統(tǒng)設(shè)計，不僅可以有效地抑制外來電磁干擾的侵襲，使電子電氣儀器安全、穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行，而且保證較少的向外界大自然施放噪聲和電磁污染。所以，應(yīng)充分重視、解決此問題，確保電路系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。四、相關(guān)函數(shù)和相關(guān)檢測從上面的微弱信號檢測方法概述里,我們知道有一種微弱信號的檢測技術(shù)----相關(guān)檢測技術(shù)。相關(guān)技術(shù)在信號和系統(tǒng)的分析中占有重要的位置。微弱信號檢測的核心問題是對噪聲的處理。從本質(zhì)上說，相關(guān)函數(shù)是兩個時域信號相似性的一種度量，相關(guān)檢測技術(shù)是基于信號和噪聲的統(tǒng)計特性而進(jìn)行檢測的。1、能量信號和功率信號

學(xué)習(xí)信號分析后，就可知道信號的分類，有連續(xù)與離散之分；周期與非周期之分；能量信號與功率信號之分。這里我們簡要介紹一下能量信號與功率信號。在一個周期內(nèi)，R消耗的能量

設(shè)i(t)為流過電阻R的電流，v(t)為R上的電壓

瞬時功率為R)(ti)(tvRtitp)()(2=òò--==222220000d)(d)(TTTTttiRttpEò-=22200d)(1TTttvRE或平均功率可表示為ò-=222000d)(1TTttiRTPò-=222000d)(11TTttvRTP或定義：一般說來，能量總是與某一物理量的平方成正比。令R=1，則在整個時間域內(nèi)，實信號f(t)的平均功率能量ò-￥?=222000TTTttfEd)(limò-￥?=2220000d)(1limTTTttfTP討論上述兩個式子，只可能出現(xiàn)兩種情況：

(有限值)

(有限值) 滿足式的稱為能量信號，滿足式稱功率信號。￥<<E0￥<<P00=P￥=E一般規(guī)律一般周期信號為功率信號。非周期信號，在有限區(qū)間有值，為能量信號。還有一些非周期信號，也是非能量信號。如單位階躍信號u(t)是功率信號；而tu(t)為非功率非能量信號;沖擊函數(shù)δ(t)是無定義的非功率非能量信號。一個信號可以既不是能量信號也不是功率信號，但不可能既是能量信號又是功率信號。2、相關(guān)函數(shù)是兩個時域信號（有時是空間域信號）相似性的一種度量。

在地震勘探中，從地表激發(fā)的地震子波信號向地下傳播，由不同深度的各個地層界面產(chǎn)生反射，再傳播回到地表的地震反射波信號的波形都是相似的，但各界面反射波存在的時間不同，即各個反射波信號都有不同的延遲，所以，判定兩個信號的相似性時，就應(yīng)考慮信號之間的延遲時間t在下面定義的相關(guān)函數(shù)公式中，變量稱為時移變量。t(1)f1(t)與f2(t)是能量有限信號①f1(t)與f2(t)為實函數(shù):

互相關(guān)函數(shù)定義:可以證明：為τ的偶函數(shù)自相關(guān)函數(shù)為，時)()()(

tftftf==21當(dāng)相關(guān)函數(shù)：同時具有性質(zhì)：

②f1(t)與f2(t)為復(fù)函數(shù):

互相關(guān)函數(shù)：

(2)

f1(t)與f2(t)是功率有限信號①f1(t)與f2(t)為實函數(shù):自相關(guān)函數(shù)為互相關(guān)函數(shù)：

②

f1(t)與f2(t)為復(fù)函數(shù):

自相關(guān)函數(shù)：由上述可見，相關(guān)函數(shù)是兩個信號之間時延為τ

的函數(shù)（自變量為τ）。自相關(guān)函數(shù)是偶函數(shù)，在τ

＝0時，相關(guān)性最強(qiáng)，即R(0)最大。00ττR(τ)R12(τ)3、相關(guān)檢測：

信號的相關(guān)特性描述了信號的相似特征，該特征在信號檢測中起著重要的作用。相關(guān)檢測技術(shù)是應(yīng)用信號的周期性和噪聲的隨機(jī)性特點(diǎn)，通過自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算達(dá)到去除噪聲的一種技術(shù)。（1）自相關(guān)檢測注意：一般情況下，被檢測的有用信號與噪聲信號之間不存在相關(guān)性，那么它們的互相關(guān)函數(shù)就為零。積分器乘法器延遲τRss(τ)參考通道信號通道自相關(guān)檢測框圖延時器

設(shè)有用信號為S(t)、噪聲信號為n(t)，通過如上圖所示的功能器件，則有：因為，信號與噪聲不相關(guān)，所以Rns與Rsn為零，即因為隨機(jī)噪聲的自相關(guān)函數(shù)Rnn(τ)集中表現(xiàn)在τ＝0附近，當(dāng)τ很大時，Rnn(τ)趨于零，其結(jié)果使信號與信號的相關(guān)函數(shù)Rss(τ)顯示出來。若有用信號為周期函數(shù)，則Rss(τ)仍為周期性函數(shù)，這樣，就可由τ較大時的Rss(τ)測量出有用信號的幅度和頻率。舉例說明：設(shè)S(t)為正弦函數(shù)，且疊加了不相關(guān)的噪聲n(t),即x(t)=S(t)+n(t)=因為所以因為當(dāng)τ很大時，Rnn(τ)趨于零，就由R(τ)可以檢測到有用信號S(t)的幅度和頻率，但其相位信息丟失了。R(τ)τ0A21/f0（2）互相關(guān)檢測互相關(guān)檢測的抗干擾性能比自相關(guān)好。如下圖所示：積分器乘法器延遲τ)()()(tntS1tf1+=R12(τ)信號通道參考信號輸入信號延時器參考通道由上圖得到互相關(guān)函數(shù)為可以看出，互相關(guān)接收只有信號與參考信號的相關(guān)輸出，去掉了噪聲項，因此它的輸出信噪比高。若是兩個頻率相同的正弦信號f1(t)、f2(t)即經(jīng)計算得：所以，對于頻率相同的正弦信號，若已知其中一個幅度，就可以由相關(guān)函數(shù)來測定另一個信號的幅度。由上式還可以看到，兩個信號的相位差也反映在互相關(guān)函數(shù)中，若知其一，就可測定另一個信號的相位，這是互相關(guān)比自相關(guān)好的一個地方。另外，其中一個信號為已知（參考信號），則基于互相關(guān)函數(shù)的參數(shù)完全可以重構(gòu)另一個信號。4、相敏檢波器在相關(guān)函數(shù)和相關(guān)檢測中，都有兩個函數(shù)相乘的問題，在實際電路中，常采用相敏檢波器或混頻器來完成這個功能。

相敏檢波器（PSD)的作用是對信號通道的輸出與參考通道的輸出完成乘法運(yùn)算得到兩個信號的和頻與差頻。相敏檢測器是鎖定放大器的核心部件，它實現(xiàn)了被測信號與參考信號的互相關(guān)運(yùn)算。相敏檢測器有模擬乘法器式和電子開關(guān)式，其中電子開關(guān)式相敏檢測器由于受到參考信號幅度波動的影響較小，所以得到更廣泛的應(yīng)用。（電子開關(guān)式相敏檢測器的輸出等效為被測信號與幅度占空比為50％的方波信號r(t)的乘積）。相敏檢波器框圖乘法器輸入信號X(t)參考信號r(t)輸出信號V0模擬乘法器型相敏檢波器的輸出是它的兩路輸入信號（被測信號和參考信號）的乘積。實現(xiàn)此運(yùn)算的集成電路在市場有很多種類，如MC1496、MC1596等。下面分3種情況討論。（1）被測信號、參考信號均為正弦波

由上式看出V0包括兩項，即差頻項與和頻項。在實際應(yīng)用中，和頻項常用低通濾波器濾除，所以輸出只剩差頻項。并且當(dāng)兩個信號同步（ω1＝ω2時），則差頻分量為相敏直流電壓輸出。由于Ei、ER及頻率為定值，所以輸出僅與相位差有關(guān)，即有“相敏”含義。實際使用的相敏檢測器框圖低通濾波器乘法器X(t)r(t)參考信號輸入信號輸出信號V0（2）被測信號中有單頻噪聲通過相敏檢波器輸出為在實際應(yīng)用中，和頻項常用低通濾波器濾除，所以輸出為設(shè)輸入信號為：

（3）參考信號為方波參考信號是幅度為±Vr=1的方波，其頻率為ω0，根據(jù)傅立葉分析方法，r(t)可以展開為傅立葉級數(shù)表示：r(t)與X(t)相乘的結(jié)果為：上式右邊的第一項為差頻項，第二項為和頻項。經(jīng)過低通濾波器（LPF），n>1的差頻項及所有的和頻項都被慮除，最后濾波器的輸出為只剩n＝1的差頻項：說明被測信號通過相敏檢波器(PSD)和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測信號的幅度、同時正比于參考信號與被測信號的相位差的余弦函數(shù)，此時，輸出最大，從而實現(xiàn)鑒幅和鑒相。相敏檢測與互相關(guān)檢測相比較，可以發(fā)現(xiàn)相敏檢測器只是互相關(guān)檢測的特例，相敏檢測器把兩個信號相乘，再進(jìn)行低通濾波，從而檢測出同一時刻兩個信號的相關(guān)情況；而互相關(guān)中的參考信號通道增加了一個可變延時器件，并用積分器實現(xiàn)低通濾波器的功能，這樣就可以檢測不同時刻兩路信號的相關(guān)情況。所以相敏檢波器是相關(guān)檢測的特例，相關(guān)檢測具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。相敏檢波實際電路在此就不分析了。五、鎖相放大器

鎖相放大器又稱鎖定放大器（lock-inamplifier

）簡稱LIA

。是一種微弱信號的檢測儀器，在微弱信號檢測方面顯出優(yōu)秀性能。它是利用互相關(guān)的原理設(shè)計的一種同步相關(guān)檢測儀，它完成輸入待測的微弱周期信號與頻率相同的參考信號在相關(guān)器中實現(xiàn)互相關(guān)，從而將深埋在大量的非相關(guān)噪聲中的微弱有用信號檢測出來。從鎖定放大器問世以來，由于其在微弱信號檢測方面的優(yōu)越性能，在科學(xué)研究的各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。（目前，鎖定放大技術(shù)已廣泛地用于物理、化學(xué)、生物、電訊、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。因此，培養(yǎng)學(xué)生掌握這種技術(shù)的原理和應(yīng)用，具有非常重要的現(xiàn)實意義。本實驗的目的是讓學(xué)生了解鎖定放大器的原理，驗證相關(guān)檢測原理，掌握鎖定放大器正確的使用方法等。）前置放大帶通濾波交流放大相敏檢波低通濾波直流放大整形移相鎖定放大器框圖信號通道參考通道輸入信號參考信號輸出信號

1、鎖定放大器的構(gòu)成原理

1)信號通道

信號通道對輸入的幅度調(diào)制正弦信號進(jìn)行交流放大、濾波等處理。由于被測信號微弱，要求前置放大器必須具備低噪聲、高增益的特點(diǎn)。帶通濾波器通常是由低通濾波器和高通濾波器組合而成的，中心頻率為載波頻率，但帶寬不能太窄，以防各種頻率漂移因素引起信號的頻譜偏離帶通濾波器的通頻帶。為抑制50?Hz的工頻干擾，在信號通道中還常常設(shè)有中心頻率為50?Hz的陷波器。

2)參考通道