《zm微弱信號檢測》PPT課件.ppt

1、1,4.3.0 概述4.3.1 信噪比改善（SNIR）4.3.2 相關(guān)檢測原理4.3.3 鎖定放大器4.3.4 取樣積分器,4.3 微弱信號檢測,2,4.3.0概 述,3,一.微弱信號檢測定義,前面我們討論了噪聲的基本概念，以及降低噪聲的一些基本方法，如采用低噪聲放大器不會對被探測的輻射信號產(chǎn)生噪聲“污染”；但如果光輻射信號非常微弱或者背景噪聲或干擾的影響很大，造成通過光電檢測放大電路后進(jìn)入信號處理系統(tǒng)輸入端的信噪比已很糟糕，甚至信號深埋于噪聲之中，這時要想將信號檢測出來，必須根據(jù)信號和噪聲的不同特點，借助一些特殊的微弱信號檢測方法將信號與噪聲分離，將信號從噪聲中提取出來。,4,微弱信號檢測定

2、義：利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的規(guī)律找到抑制的方法；研究被測信號的特點和相干性，檢測被背景噪聲淹沒的弱信號。 微弱信號檢測是測量技術(shù)中的尖端和綜合領(lǐng)域，可劃歸“低噪聲電子學(xué)”。,5,二. 微弱信號檢測的途徑,根據(jù)不同信號的特點，微弱信號檢測的途徑一般有三條： 一是降低探測器與放大器的固有噪聲，盡量提高其信噪比； 二是研制適合弱檢原理并能滿足特殊需要的器件，例如，超導(dǎo)紅外探測器； 三是研究并采用各種弱信號檢測技術(shù)，通過各種手段提取信號。 這三者缺一不可。,6,1時域相關(guān)與頻域的窄帶化技術(shù) 利用時域中周期信號的相關(guān)性，而噪聲的隨機、不相關(guān)性（或弱相關(guān)性），通過求取信號的自相關(guān)函

3、數(shù)或互相關(guān)函數(shù)，在強噪聲背景下提取周期信號的“相關(guān)檢測”。這相當(dāng)于在頻率中窄帶化濾除干擾和噪聲。例如鎖定放大器。 2平均積累處理 對于一些寬帶周期信號應(yīng)用上述方法處理效果不佳，一種根據(jù)時域特征用取樣平均來改善信噪比并能恢復(fù)波形的取樣積分器可獲得良好探測效果。其基本原理是對于任何重復(fù)的（周期性）信號波形，每周期如在固定的取樣間隔內(nèi)取樣m次積累則信噪比改善。因為“信號電壓幅值為線性迭加”（有規(guī)律的周期信號）而“噪聲功率為平方相加”（無規(guī)律的隨機信號）。,三.各種弱信號檢測技術(shù),7,3離散量的統(tǒng)計計數(shù)技術(shù) 用PMT（寬帶低噪聲前放、甄別器和計數(shù)器等電路完成）實現(xiàn)光子計算。 4單次信息的并行檢測技術(shù)

4、對于那些只有一次事件的信息記錄，如對一個非周期信號的檢測，可采用并行檢測技術(shù)。實現(xiàn)并行檢測需要一個探測陣列，其中每個探測器必須有存貯的功能，且可以依次將存貯的信息讀出，再進(jìn)行信號處理，一般采用多路傳輸和多道技術(shù)。典型例子：光學(xué)多通道分析器（OMAOptical Multichannel Analyzer ）。,8,5自適應(yīng)噪聲抵消法（雙路消噪法） 如輸入信號中混有干擾或噪聲時，可以另外找到一個通道，它含有與信號通道中同樣的干擾和噪聲，然后兩通道相減而將干擾或噪聲抵消使信噪比提高。此法特別適合在信號頻帶范圍內(nèi)存在強干擾的情況下抑制干擾。,只能用來檢測微弱的正弦波信號是否存在，并不能復(fù)現(xiàn)波形。,9

5、,可供選用的弱檢儀器，目前有如下幾種： 低噪聲前放； 各種鎖定放大器（L/A）； 各種取樣積分器（Boxcar）； 多點信號平均器； 光子計數(shù)器； 光多通道分析儀（OMA）,四.常用弱檢儀器,10,4.3.1信噪比改善（SNIR）,11,定義：設(shè)系統(tǒng)的功率增益為A2（f），且f = f 0時A2（f）取得最大值A(chǔ)2（f0），那么，系統(tǒng)的等效噪聲帶寬為,一、有關(guān)帶寬的一些定義,是矩形面積,1. 等效噪聲帶寬,12,定義：設(shè)放大器的電壓放大倍數(shù)為A（f），當(dāng)f = f 0時A（f）取得最大值A(chǔ)（f0）。當(dāng)f=fH時，A（fH）= 0.7A（f0）；當(dāng)f=fL時，A（fL）= 0.7A（f0）；那么

6、，放大器的通頻帶為,2. 放大器的通頻帶,BW =fH-fL,（常稱為3dB帶寬，或半功率之間的頻率間隔）,13,設(shè)輸入端的噪聲功率譜密度為Si（f），那么，輸出端的噪聲功率譜密度S0（f）就是,3. 噪聲通過放大器的情況,因此，若作用于輸入端的是均勻功率譜密度為Si（f）的白噪聲通過如圖（a）所示的功率傳輸系數(shù)為A2（f）的線性網(wǎng)絡(luò)后，輸出端的噪聲功率譜密度就不再是均勻的了，如圖（b）所示。即是說，白噪聲通過有頻率選擇性的線性放大器（或線性網(wǎng)絡(luò)）后，輸出的噪聲就不是白噪聲了。,14,根據(jù)噪聲功率譜的含義，那么放大器（或線性網(wǎng)絡(luò)）輸出端的噪聲電壓均方值為：,如果輸入端是熱噪聲，即,則,通常已知

7、,對白噪聲，可方便計算輸出端噪聲電壓的均方值。,15,對于同一個系統(tǒng)來說，可分別根據(jù)定義求出其等效噪聲帶寬和3dB帶寬，這兩者之間是存在著一定的關(guān)系的，對于不同的系統(tǒng)，關(guān)系不一樣。,4. 等效噪聲帶寬與系統(tǒng)的3dB帶寬的關(guān)系,例：RC低通濾波網(wǎng)絡(luò),隨著級數(shù)的增加，fn和f的比值越來越接近于1。,時間常數(shù)相同的兩級RC網(wǎng)絡(luò),16,信噪比改善（SNIRSignal Noise Improvement Ratio）是衡量弱檢儀器的一項重要性能指標(biāo)。 信噪比改善的定義為,二、信噪比改善,17,從數(shù)學(xué)表達(dá)式看，SNIR似乎是噪聲系數(shù)F的倒數(shù)，但實質(zhì)上兩者是有差別的: 噪聲系數(shù)是對窄帶噪聲而言的，并且得到

8、結(jié)論F1。這個結(jié)論的產(chǎn)生是由于假設(shè)了輸入噪聲的帶寬等于或小于放大系統(tǒng)的噪聲帶寬，僅適用于不采取帶寬限制的信號源加前置放大器的系統(tǒng)； 對整個信號處理系統(tǒng)而言，實際上輸入噪聲的帶寬要大于整個信號處理系統(tǒng)的帶寬，因而噪聲系數(shù)F便有可能要小于1，不適宜描述整個系統(tǒng)，因此而給出信噪比改善的概念。,18,Eni是等效輸入寬帶白噪聲，其功率譜密度為常數(shù)，噪聲帶寬為fin,下面導(dǎo)出白噪聲情況下SNIR的表示式：,那么輸出噪聲電壓均方值為 為系統(tǒng)的電壓增益。 得：,19,放大系統(tǒng)的信噪比改善： 等于輸入噪聲的帶寬fin與系統(tǒng)的等效噪聲帶寬fn之比。 因此，減小系統(tǒng)的等效噪聲帶寬，可以提高信噪比改善。,是系統(tǒng)的功

9、率增益，我們可以取中頻區(qū)最大值，即,所以：,即系統(tǒng)的等效噪聲帶寬,故可得：,和系統(tǒng)的3dB帶寬相等嗎？,20,由此可見，那么只要檢測放大系統(tǒng)的等效噪聲帶寬做得很小，使fnfni ，就可能將此信號檢測出來。,而 fin=100kHz，fn=1kHz。,例：有一個信號掩埋在噪聲中 ，輸入信噪比,則,輸出端信噪比得到改善，信號遠(yuǎn)大于噪聲、信號被檢測出來,21,例：窄帶濾波法,由圖看出：使用了窄帶通濾波器后，則,如果B選得很窄，則輸出信噪比還能更大一些。,窄帶通濾波器的實現(xiàn)方式很多，常見的有雙T選頻，LC調(diào)諧，晶體窄帶濾波器等，但這種方法不能檢測深埋在噪聲中的信號，通常它只用在對噪聲特性要求不很高的場

10、合。更好的方法是用鎖定放大器和取樣積分器。,22,4.3.2相關(guān)檢測原理,23,為了將被噪聲所淹沒的信號檢測出來，人們研究各種信號及噪聲的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)信號與信號的延時相乘后累加的結(jié)果可以區(qū)別于信號與噪聲的延時相乘后累加的結(jié)果，從而提出了“相關(guān)”的概念。 由于相關(guān)的概念涉及信號的能量及功率，因此先給出功率信號和能量信號的定義。,一. 引言,24,在一個周期內(nèi)，R消耗的能量,平均功率可表示為,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,二. 能量信號與功率信號,25,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。,定義：

11、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,26,如果 f(t) 為實函數(shù)，則上述各式中,27,f1(t)與f2(t)是能量有限信號 f1(t)與f2(t)為實函數(shù) f1(t)與f2(t)為復(fù)函數(shù) f1(t)與f2(t)是功率有限信號 f1(t)與f2(t)為實函數(shù) f1(t)與f2(t)為復(fù)函數(shù),分如下幾種情況討論：,三. 相關(guān)函數(shù),28,1. f1(t)與f2(t)是能量有限信號,(1) f1(t)與f2(t)為實函數(shù):,互相關(guān)函數(shù),可以證明：,的偶函數(shù),鏡像對稱,29,互相關(guān)函數(shù)：,同時具有性質(zhì)：,(2) f1(t)與f

12、2(t)為復(fù)函數(shù):,自相關(guān)函數(shù)：,30,互相關(guān)函數(shù)：,自相關(guān)函數(shù)：,2. f1(t)與f2(t)是功率有限信號,(1) f1(t)與f2(t)為實函數(shù):,31,互相關(guān)函數(shù)：,自相關(guān)函數(shù)：,(2) f1(t)與f2(t)為復(fù)函數(shù):,32,Rxy() Ryx() ，即Rxy() 與Ryx()互為鏡像對稱。 如果兩個信號或隨機過程互相完全沒有關(guān)系，（例如信號與噪聲）則其互相關(guān)函數(shù)將為一個常數(shù)，并且等于兩個信號平均值的乘積；若其中一個（如噪聲）的平均值為零，則它們的互相關(guān)函數(shù) Rxy()將處處為零，即完全不相關(guān)。 如果兩個信號是具有相同基波頻率的周期函數(shù)，則它們的互相關(guān)函數(shù)將保存它們基波頻率以及兩者所

13、共有的諧波成分，而相位則為兩個原信號相應(yīng)頻率成份的相位差。,3. 互相關(guān)函數(shù)特點,33,4. 自相關(guān)函數(shù)特點,Rxx() Rxx() ，即Rxx() 為的偶函數(shù)。 Rxx(0) Rxx()， Rxx(0) 是最大值，并且代表x(t)變化量的平均功率。 如果x(t)是周期函數(shù)，則Rxx()也是周期函數(shù)，且周期相等，則Rxx()將包含基波和所有諧波成分，但失去原函數(shù)全部相位信息。 如果x(t)是非周期函數(shù)，則Rxx()從Rxx(0)最大值迅速隨 增大單調(diào)遞減并衰減到x(t)的平均值的平方。,34,根據(jù)Wiener-khintchine(維納欣欽 )定理：,5. Wiener-khintchine定

14、理,即x（t）的自相關(guān)函數(shù)Rxx（）和功率譜密度函數(shù)Sx（）是一對付里葉變換。,或,式中Sx（）是x（t）的功率譜密度函數(shù)。,求取隨機信號自相關(guān)函數(shù)的計算方法！,35,（1） 正弦波： 根據(jù)定義式,可得: 由此可見，周期信號的自相關(guān)函數(shù)仍為周期信號，且周期不變，但相位信息損失。,36,（2）白噪聲 所謂白噪聲，即其功率譜密度與頻率無關(guān)，為一常數(shù)，因此可以令白噪聲的功率譜密度 根據(jù)Wiener-khinthine定理，白噪聲的自相關(guān)函數(shù) 將 換成 t ，依然成立，這就說明白噪聲的自相關(guān)函數(shù)只在=0時存在，隨著的增大，衰減很快。,37,（3）帶通白噪聲 實際的白噪聲也都是在一定帶寬之內(nèi)的白噪聲，這

15、種一定帶寬內(nèi)的白噪聲可定義其功率譜密度為： 這種帶通白噪聲的帶寬決定于系統(tǒng)中的通頻帶。,38,39,原理：信號在時間上相關(guān)，噪聲在時間上不相關(guān)。 這兩種不同的相關(guān)特性，可以把深埋于噪聲中的周期信號提取出來，這是微弱信號檢測的一種有效方法。 根據(jù)相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，可以利用乘法器，延時器及積分器進(jìn)行相關(guān)運算，從而將周期信號從噪聲中檢測出來，這就是所謂的“相關(guān)檢測”。 相關(guān)檢測可分為自相關(guān)檢測與互相關(guān)檢測。,四. 相關(guān)檢測,40,si(t): 信號 ni(t): 噪聲; x(t)= Si(t)+ ni(t),1. 自相關(guān)檢測 自相關(guān)檢測的原理框圖,41,通過積分器輸出得到 :,Rsn()、Rns()分

16、別表示信號和噪聲的互相關(guān)函數(shù)，由于信號與噪聲不相關(guān)，故幾乎為零； 而Rnn()代表噪聲的自相關(guān)函數(shù)，隨著積分時間的適當(dāng)延長，Rnn()也很快趨于零； 因此，經(jīng)過不太長的時間積分，積分器之輸出中只會有一項Rss()，故: 這樣，便可順利地將淹沒在噪聲中的信號檢測出來。,0,42,例如，被檢測信號為一余弦信號時， 設(shè) 則:,Rss()為信號的自相關(guān)函數(shù)，它與信號同頻的余弦函數(shù)， Rnn()為噪聲的自相關(guān)函數(shù)，隨的增加，衰減得很快， Rxx()為輸出端最初的波形，仍混有噪聲的干擾。,相應(yīng)的自相關(guān)檢測輸出波形如圖所示:,43,2. 互相關(guān)檢測 互相關(guān)檢測的原理框圖如圖所示 :,輸入乘法器的是被含有噪聲

17、ni(t)的信號x(t)=ni(t)+Si(t)和被延時的與被檢測信號Si(t)同頻率的參考信號y(t)，最后積分器的輸出為 :,44,Rny()是噪聲與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，參考信號和噪聲是不相關(guān)的，Rny() 隨積分時間T的延長而趨于零; Rsy()是信號與參考信號的互相關(guān)函數(shù)，參考信號和信號是相關(guān)的，隨積分時間T的延長而趨于某一函數(shù)值Rsy()。,45,互相關(guān)檢測特點 比自相關(guān)輸出的噪聲有關(guān)項要少2項，故互相關(guān)檢測比自相關(guān)檢測抑制噪聲的能力強，并有一定的互相關(guān)增益。故抑制噪聲的能力優(yōu)于自相關(guān)。 互相關(guān)檢測要求用與被測信號同頻率的參考信號y（t），當(dāng)被測信號Si（t）未知時，要取得與Si（

18、t）同頻率的信號在某些情況下是困難的。要做大量試驗工作，才能確定，這時一般不采用互相關(guān)檢測。,46,4.3.3鎖定放大器（LIA，Lockin Amplifier）,47,一.引言,鎖定放大器是根據(jù)互相關(guān)檢測原理使輸入待測的周期信號與頻率相同的參考信號實現(xiàn)互相關(guān)來抑制噪聲、檢測微弱信號。對信號有極高的放大倍數(shù)（有輔助前放時可達(dá)200dB）滿刻度靈敏度達(dá)V、nV甚至pV，干擾噪聲比信號幅度值高達(dá)上千倍仍可正常檢測。,48,二.典型鎖定放大器的原理框圖,典型的鎖定放大器主要由三大部分組成： 信號通道、參考通道、相關(guān)器,49,1.信號通道 從探測器輸出的信號或源發(fā)出的信號經(jīng)過被測物體后十分微弱，其信

19、噪比甚至低于1/103。信號 首先經(jīng)過低噪聲前置放大器進(jìn)行放大； 然后再通過各類濾波器和陷波器（如同步積分器或旋轉(zhuǎn)電容濾波器）將信號進(jìn)行初步的預(yù)處理，將帶外噪聲和干擾盡量排除； 然后再作進(jìn)一步的放大，以便送到相關(guān)器進(jìn)行檢測。,50,2. 參考通道 參考通道信號和被檢測信號頻率相同，這是進(jìn)行鎖定放大的一個必要條件。若被檢測信號的頻率不穩(wěn)定，頻率改變或漂移了，參考信號的頻率也必須跟著改變，總是保持著兩種信號的頻率相等。因此鎖定放大器所進(jìn)行的工作又稱為頻域相干檢測。 參考信號送入?yún)⒖纪ǖ篮?，首先進(jìn)入觸發(fā)電路，產(chǎn)生和被檢信號同頻的方波，再經(jīng)過移相電路進(jìn)行移相，然后經(jīng)過驅(qū)動電路功率放大后，再送達(dá)相關(guān)器去

20、控制相關(guān)器的乘法器。,51,3.相關(guān)器（PSD）,相關(guān)器是鎖定放大器的核心部件，鎖定放大器之所以有很強的抑噪能力，主要是靠相關(guān)器消除噪聲和干擾。相關(guān)器又稱之為相敏檢波器（PSDPhase Sensitive Detector）或相關(guān)解調(diào)器，主要是由一個乘法器（經(jīng)常使用的是開關(guān)乘法器）和一個積分器組成。,52,典型的相敏檢波電路及波形：,輸入輸出波形： V01為未接C1、C2的輸出; V02為接C1、C2的輸出,53,電路分析： 信號Vs和參考信號VR同頻同相， 正半周時：VR使G3、G2導(dǎo)通，G1、G4截止，信號Vs通過G3、R3加到運放同相輸入端，輸出為正； 負(fù)半周時：VR使G1、G4導(dǎo)通，

21、而G2、G3截止，信號通過G1、R1加到運放的反相輸入端，輸出仍然是正。 若不接電容C1、C2，則輸出信號波形不平滑，此時為脈沖輸出； 接上電容C1、C2，則輸出信號經(jīng)積分后波形平滑，且輸出為與輸入幅度成正比的直流信號。,54,三. 相關(guān)器性能分析,55,設(shè)參考信號VB是如圖所示的對稱周期矩形方波：,56,那么乘法器的輸出（積分器的輸入電壓） ：,（1）輸入信號為正弦波,57,若積分器的輸出電壓為V0，則V1、 V0滿足微分方程：,58,將V1的表達(dá)式代入上式，進(jìn)行積分， 即可求出V0：,式中 ：,59,輸入信號與參考信號的基波頻率相等時,為積分器的時間常數(shù)。,且,包含待測信號的幅度VAm；

22、R0/R1是近似積分器（或低通濾波器）的直流放大倍數(shù)（或直流增益）； V0與輸入信號與參考信號之間相位差的余弦成正比：0，V0最大； /2，V00。,穩(wěn)態(tài)輸出電壓,60,頻率相同，相位不同,61,當(dāng)輸入信號為參考信號的偶次諧波,相關(guān)器能抑制偶次諧波,且時間常數(shù)Tc=R0C0取足夠大，使,則：,62,當(dāng)輸入信號為參考信號的奇次諧波,且滿足,則T R0C0時，可得到：,當(dāng)n=0時，即為基波輸出，振幅為：,2n+1次諧波的振幅為：,則：,63,用圖表示：,64,若輸入信號頻率偏離奇次諧波,當(dāng),可簡化為：,代表奇次諧波與參考信號的相位差。,由上式可畫出相關(guān)器輸出函數(shù)的幅頻特性圖,65,相關(guān)器輸出函數(shù)的

23、幅頻特性圖：,66,相位相同，頻率在變,n=1,n=2,n=3 相關(guān)器各點波形,67,以上是輸入信號為正弦波的情況，實際測量中，常把慢變化或直流信號斬波，使之成為方波信號后再進(jìn)行測量，這時：,可按同樣的方法運算，求解化簡得到：,為兩方波的相位差,（2）輸入信號為與參考信號同頻的方波,參考信號為對稱方波，且 ：,為輸入信號相對于參考信號的延遲時間。,68,輸入信號為對稱方波時，相關(guān)器輸出直流電壓為信號幅度（VAm）乘以積分器的直流放大倍數(shù)（R0/R1），且與兩方波的相位差成線性關(guān)系。由此可見相敏檢波器的意義。,69,四. 同步積分器,同步積分器又稱為“相干濾波器”，在鎖放中應(yīng)用這種電路在信號通道

24、中作為濾波用，大大提高了系統(tǒng)的整體性能。,70,1. 同步積分器（平均器）抑噪機理,基本原理：采用對信號和噪聲的多次積累平均，將已知頻率的周期信號從強噪聲背景中提取出來。根據(jù)“噪聲的隨機性和信號的穩(wěn)定性”，周期信號在時域中前后時間間隔中幅值是相關(guān)的，而噪聲則沒有相關(guān)或很弱，這樣在積累中按不同規(guī)律相加，多次積累之后，我們可以把信號從噪聲中分離出來。顯然，測量次數(shù)越多，則信噪比的改善越明顯。,71,若測量次數(shù)為n，則累積的信號等于：,累積信號的平均值,另一方面，根據(jù)各次噪聲的不相關(guān)性，則累積的噪聲等于：,所以，測量次數(shù)n越大，則信噪比的改善越明顯。而增加測量次數(shù)，就意味著延長測量時間，所以信噪比的

25、改善是以耗費時間換來的。,得到信噪比為 :,累積的信號等于：,72,于是根據(jù)輸入信噪比的大小以及對輸出信噪比的數(shù)值要求，可由上式算出重復(fù)測量的次數(shù)n。 例如，若已知 ，要求 則 :,73,用累加的方法提高信噪比，要保證信號能線性地疊加。對于周期信號，就是要使得累加過程與周期信號的重復(fù)出現(xiàn)同步地進(jìn)行，這就是同步累積。 為了利用同步累積的方法獲得信噪比改善，通常將待測信號調(diào)制成周期的正弦波或?qū)ΨQ方波。正弦波和周期性對稱方波的正、負(fù)半周的信號取值分別為正值和負(fù)值，所以常常用兩個累加器來實現(xiàn)同步累加。 信號累加由同步開關(guān)與累加器相連同步進(jìn)行。由于采用了積分器作為累加器故稱“同步積分器”。,2. 工作原

26、理,74,同步累積器的原理框圖,其中V1（t）為輸入信號， V2（t）為與V1（t）周期相同的參考信號，同步開關(guān)受V2（t）產(chǎn)生的控制信號控制，能保證V1（t）在累積器中同相地累積起來。,75,其中Vi（t）為輸入信號， VR（t）為與Vi（t）周期相同的參考信號，同步開關(guān)受VR（t）產(chǎn)生的控制信號控制，能保證Vi（t）在累積器中同相地累積起來。,76,注意: 在實際應(yīng)用同步累積法的時候，必須注意滿足三個條件： （1） 信號應(yīng)重復(fù)（周期） （2） 有適當(dāng)?shù)睦鄯e器（積分電路的時間常量） （3） 能做到同相累積 要保證做到同相累積則要根據(jù)不同的被檢測信號波形，確定不同的參考信號。,77,3. 特性

27、分析,（類似于相關(guān)器的特性）,時間常數(shù)T=2RC,注意：相關(guān)器輸出為直流，而同步積分器輸出為交流方波！,參考信號VR是對稱周期矩形方波,78,1）當(dāng)輸入信號為與參考信號同頻的正弦波時， 且2RC1，t2RC時，則穩(wěn)壓解為：,輸出方波幅值Vm正比于信號幅值和信號與參考信號之間的相位差余弦。,如采用如圖所示的運放，則：,79,3）輸入信號為參考信號的奇次諧波,2）輸入信號為參考信號的偶次諧波時,4）輸入信號頻率偏離參考信號基波或奇次諧波一個小量,80,81,5）當(dāng)輸入信號為與參考信號同頻的方波時：,輸出方波的振幅與（兩方波的相位差）成線性關(guān)系,82,1. 等效噪聲帶寬fN ：表示系統(tǒng)（電路）對噪聲

28、的通過能力或抑制能力,五. 鎖定放大器的主要性能參數(shù),信號（3dB）帶寬,基波噪聲帶寬,等效噪聲帶寬,2. 積分時間常數(shù),83,1. 以相關(guān)器為核心的LIA 2. 以同步積分器為核心的鎖定放大器（雙相鎖定放大器） 特點：通過矢量運算電路可以同時檢測信號的振幅和相位（差）信息，實現(xiàn)“雙相鎖定”功能，而且不需要調(diào)整參考信號和信號的相位差。 3. 同步積分器和相關(guān)器聯(lián)用的LIA 總動態(tài)范圍提高。目前國內(nèi)LIA大都采用此方案。,六. 鎖定放大器的種類,84,4. 外差式LIA： “一種微弱信號檢測方法及其在束流診斷系統(tǒng)中的運用”，核電子學(xué)與探測技術(shù)， 2008/01,85,1電調(diào)制 2用機械調(diào)制盤獲取

29、同步的參考信號 3利用鎖相技術(shù)獲取同步參考信號,七. 鎖定放大器參考信號的提取,86,1LIA輸入的是正弦或方波，輸出的是DC，其幅值正比于cos。若是輸入為DC要先變?yōu)锳C。 2如參考信號為待測信號的同頻方波，獲取困難時，需采用鎖相環(huán)構(gòu)成的自動頻率跟蹤LIA。 3信號頻率的選擇要根據(jù)情況綜合考慮。如果噪聲是白噪聲，可考慮采用探測器的最佳調(diào)制頻率。如果強干擾是主要矛盾，則利用相關(guān)器幅頻特性躲開干擾頻率。 4. 時間常數(shù)T0R0C0 的選擇。 T0增大， fN降低，抑噪能力上升，測量時間（系統(tǒng)穩(wěn)定時間）增大。對于某些快速響應(yīng)是不允許的，需要折衷考慮?？梢娞岣週IA的信噪比是以犧牲測量時間為代價的

30、。 5動態(tài)協(xié)調(diào)。背景噪聲大時：AC增益下降、DC增益上升，使系統(tǒng)動態(tài)貯備上升，以免過載；背景噪聲小時：AC增益增大、DC增益下降，使系統(tǒng)輸出動態(tài)上升，減小漂移，使測量更準(zhǔn)確。 6為了增大動態(tài)范圍，提高整機性能，注意屏蔽、接地等措施。,八. 應(yīng)用LIA時需要注意的事項,87,4.3.4取樣積分器,88,一. 概述,1. LIA的局限性 （1）只能用正弦波、方波，對于寬帶任意波形的信號無能為力。 （2）LIA實質(zhì)是濾波器，靠降低等效噪聲帶寬來抑噪。但在強干擾噪聲背景下，寬帶信號的檢測用壓縮帶寬的辦法效果不明顯。,89,2. 解決途徑： 取樣積分器（信號平均器、Boxcar積分器）將待測的周期信號逐

31、點多次取樣并進(jìn)行同步積累。將時間變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閷r間變化的離散量的集合，這種集合即為信號的低頻復(fù)制。利用它可以解決在強噪聲背景下任意形狀的寬帶周期信號的檢測和波形再現(xiàn)問題。,90,首先，微弱周期信號的周期是已知的， 這種信號一般是在主動測量中，源發(fā)出的周期性信號與被測物體作用后產(chǎn)生的， 被檢測的微弱信號的周期和源發(fā)出的周期性信號的周期存在一定的關(guān)系，或者相等，或者存在某種函數(shù)關(guān)系。,91,如果我們能夠很準(zhǔn)確地對準(zhǔn)周期信號的某一點（如圖），在每個周期的這一時刻，都對信號進(jìn)行取樣，并把取樣值保存在積分器中； 經(jīng)過次取樣后，如同同步累積法一樣，信號得到了增強，而噪聲由于隨機性，相互抵消了一部分所

32、以信號在噪聲中顯現(xiàn)出來。 如果對周期信號的每一點都這樣處理，那就有可能將被噪聲淹沒的信號恢復(fù)波形。,92,二. 取樣積分器的工作原理和分類,1. 工作原理,一個取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器。通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)，使在取樣時間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果(輸出)保持到下一次取樣。,93,取樣門及積分器,94,2. 分類,95,三. 取樣積分器的工作方式,1. 定點式取樣積分器,VR與VA保持同步產(chǎn)生觸發(fā)信號，經(jīng)延遲電路（可調(diào)，以確定要取樣的時刻）作td 延遲，經(jīng)過取樣脈沖（Tg）控制取樣門的開斷時間，經(jīng)過累加平均，經(jīng)n次取樣平均后，SNIRn,只能恢復(fù)周期性信號某一點的幅值,96,2. 掃描式取樣積分器,如果要恢復(fù)周期信號的波形，必須在