微弱信号的检测方案设计
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测在许多领域都有着重要的应用，比如无线通信、生物医学、天文测量等。
设计一种高效的微弱信号检测装置对于提高信号检测的灵敏度和准确性至关重要。
本文将从硬件设计和信号处理两个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
一、硬件设计1. 低噪声放大器在微弱信号检测装置中，低噪声放大器是至关重要的组件。
由于微弱信号本身具有较低的能量，因此在信号放大的过程中，放大器的噪声也会对信号检测产生较大的影响。
低噪声放大器可以有效地抑制噪声，并且提高信噪比，从而更好地检测微弱信号。
在设计低噪声放大器时，需要考虑放大器的增益、带宽、输入输出阻抗等参数，同时在电路设计上采用低噪声元件和优化的布局方式，以尽量减小放大器本身的噪声。
2. 滤波器在微弱信号检测中，滤波器起着至关重要的作用。
由于环境中可能存在各种干扰信号，比如电磁干扰、交流干扰等，因此需要采用滤波器来剔除这些干扰信号，保留下需要检测的微弱信号。
常见的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器等，通过合理设计滤波器的参数和特性，可以有效地滤除不需要的频率成分，提高信号的纯净度。
3. 高精度模拟数字转换器（ADC）在微弱信号检测装置中，通常需要将模拟信号转换为数字信号进行后续处理。
高精度的模拟数字转换器是必不可少的组件。
高精度ADC可以有效地保持信号的原始信息，并且提高信号的采样精度和分辨率，从而更好地还原微弱信号的细节和特征。
4. 高灵敏度探测器高灵敏度的探测器对于微弱信号的检测非常重要。
在无线通信中，微弱的无线信号可能需要通过天线进行接收，因此天线的灵敏度直接影响信号的接收效果。
在生物医学领域，微弱的生物信号需要通过生物传感器进行检测，因此生物传感器的灵敏度非常重要。
在设计高灵敏度探测器时，需综合考虑探测器的灵敏度、稳定性和信噪比，以达到最佳的检测效果。
二、信号处理在微弱信号检测中，由于信号本身较弱，可能会受到一些非理想因素的影响，比如噪声、干扰等。
基于DSP的微弱信号检测采集系统设计
基于DSP的微弱信号检测采集系统设计通常所用的数据采集系统，其采样对象都为大信号，即实用信号幅值大于噪声信号。
但在一些特别的场合，采集的信号很微弱，其幅值惟独几个μV，并且沉没在大量的随机噪声中。
此种状况下，普通的采集系统和测量办法无法检测该信号。
本采集系统硬件针对微弱小信号，优化设计前端调理电路，利用测量有效抑制共模信号（包括直流信号和沟通信号），保证采集数据的精度要求。
针对被背景噪声笼罩的微弱小信号特性，采纳容易的时域信号的取样堆积平均办法，有利于削减算法实现难度。
芯片因其具有哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特别的DSP 命令、迅速的命令周期等特点，使其适合复杂的数字信号处理算法。
本系统采纳TI公司的TMS320C542作为处理器，通过外部中断读取数据，并实现取样累加平均算法。
1 取样堆积平均理论微弱信号检测（Weak Signal Detection）是讨论从微弱信号中提取实用信息的办法。
通过分析噪声产生的缘由和逻辑，利用被测信号的特点和相干性，检测被背景噪声笼罩的实用信号。
常用的微弱信号检测办法有频域信号的相干检测、时域信号的堆积平均、离散信号的计数技术、并行检测办法。
其中时域信号堆积平均是常用的一种小信号检测办法。
取样是一种频率压缩技术，将一个高重复频率信号通过逐点取样将随时光变幻的模拟量，改变成对时光变幻的离散量的集合，从而可以测量低频信号的幅值、相位或波形。
时域信号的取样堆积办法是在信号周期内将时光分成若干间隔，在这些时光间隔内对信号举行多次测量累加。
时光间隔的大小取决于要求复原信号的精度。
某一点的取样值都是信号和噪声。
若要复原的信号靠近真切信号，重复采样的次数越多越好，取样时光第1页共3页。
微弱信号检测 课程设计
LDO 低输出噪声的分析与优化设计1 LDO 的典型结构LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是:OUT REF V Acloseloop V = (1)此外,带隙基准电压源( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。
LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。
误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。
例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。
当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为：R1(1+)R2OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。
传统基准电压源是基于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之需要。
20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。
所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为1.205V ，用U go 表示。
带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。
由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。
带隙基准电压源的简化电路如下图所示。
2 LDO 中内部固有噪声LDO 的噪声类型主要是内部固有噪声和外部干扰噪声。
微弱信号的检测方法
微弱信号的检测方法
微弱信号的检测方法包括以下几种：
1. 前置放大：使用低噪声、高放大倍数的前置放大器来放大微弱信号，以增加信号的幅度。
2. 滤波：使用滤波器来去除噪声和其他干扰信号，从而提取出微弱信号。
3. 增益控制：根据信号的强度调整放大倍数，在信号强度较弱时增大放大倍数，以增加信噪比；在信号强度较强时降低放大倍数，以避免过载。
4. 信号平均：通过多次采样并取平均值来降低噪声的影响，提高信噪比。
5. 相位锁定环路：通过引入参考信号与微弱信号进行比较，调整参考信号的相位和频率，使其与微弱信号同步，以提高微弱信号的检测灵敏度。
6. 自适应滤波：根据输入信号的特性和统计特性，自动调整滤波参数，以适应不同条件下的信号检测。
7. 比较检测：将微弱信号与一个已知的参考信号进行比较，通过比较结果来确定和检测微弱信号。
需要根据具体的应用场景和信号特性选择适合的检测方法。
此外，还可以采用多种方法的组合，以提高微弱信号的检测能力。
微弱信号的检测方法
微弱信号的检测方法微弱信号的检测是指在噪声背景下，检测和提取出非常弱的信号。
这是许多领域中重要的问题，如无线通信、雷达、天文学和生物医学等。
由于微弱信号可能与噪声相似，因此检测方法需要对噪声进行有效的抑制，并提高信号的可观测性。
本文将介绍一些常用的微弱信号检测方法，并对其原理和应用进行详细讨论。
一、相关检测方法相关检测方法是一种常见的微弱信号检测方法。
它基于信号和噪声之间的相关性，通过计算信号与预先定义的模板之间的相关度来判断是否存在微弱信号。
相关检测方法的主要步骤包括预处理、相关运算和判决。
预处理阶段通常包括滤波、降噪和增强信号质量等操作，以提高信号的可观测性。
相关运算阶段使用相关函数来衡量信号和模板之间的相似度。
最后，在判决阶段根据相关度的阈值来判断是否存在微弱信号。
二、统计检测方法统计检测方法是基于概率统计理论的一种微弱信号检测方法。
根据噪声和信号的统计特性，通过建立适当的统计模型来描述信号和噪声之间的差异，并利用统计推断方法进行信号检测。
常用的统计检测方法包括最大似然检测、Neyman-Pearson检测和贝叶斯检测等。
最大似然检测通过计算信号和噪声模型的似然函数来估计信号存在的概率。
Neyman-Pearson检测通过设置假设和备择假设来最小化错误检测概率。
贝叶斯检测方法则利用贝叶斯公式，结合先验概率和后验概率来判断信号是否存在。
三、小波变换方法小波变换是一种多尺度分析方法，可以将信号分解成不同频率的子信号。
因此，它在微弱信号检测中具有广泛的应用。
通过对信号进行小波变换，可以将微弱信号从噪声中分离出来。
小波变换方法包括连续小波变换和离散小波变换。
连续小波变换是通过对信号应用一组连续小波基函数来分析信号的频谱特性。
离散小波变换则是对信号进行离散化处理，以在有限的时间和频率分辨率下进行分析。
小波变换方法具有时频局部化的性质，能够有效地检测和提取微弱信号。
四、自适应滤波方法自适应滤波是一种广泛应用于微弱信号检测的方法。
微弱信号检测
四川省大学生电子设计竞赛报告题目：微弱信号检测装置微弱信号检测装置【摘要】：为提取被噪声淹没的微弱信号，在分析了锁相放大器原理的基础上，采用基于AD630设计了一个双相位锁相放大器。
实现了正弦信号的检测和显示，由于时间紧迫，AD采样显示的数值误差较大。
【关键词】：锁相放大器正交信号 AD630 MAX7490一、方案设计与论证图1 微弱信号检测装置示意图1.1 微弱信号检测电路设计与方案微弱信号检测电路要求采用模拟方法来实现。
常用的微弱信号检测方法有：匹配滤波、锁相放大、取样积分等。
方案1：匹配滤波法。
使用窄带滤波器，滤掉带宽噪声只让窄带信号通过；此方案电路简单，但是，由于一般滤波器的中心频率不稳定，不能满足更高的滤除噪声的要求。
方案2：单通道锁相放大法。
用AD630平衡调制解调芯片、移相器及低通滤波器构成锁相放大电路，基于信号的互相关原理，移相器输出的信号必须与被测信号同频同相，由于被测信号相位未知，需移相器逐步移相，实现较为复杂。
方案3：双通道锁相放大法。
用两个AD630平衡调制解调芯片、两个低通滤波器做成双通道锁相放大器，就是被测信号与两个相互正交的信号分别相乘经低通滤波器再送入AD进行采样，这样不需考虑被测信号的相位。
两路正交信号由74LS74构成的分频电路产生或由单片机产生。
由于只需要直流分量，低通滤波器的截止频率可以低到几百赫兹。
综合考虑，我们采用方案3。
1.2 加法电路的设计与方案加法电路要求正弦信号与噪声信号相加，并测量噪声的均方根值；因此加法电路的内部噪声越小越好。
方案1：普通加法器。
用低噪声放大器OPA2227做一个普通的加法器，但此电路接有电阻电容，会产生附加噪声。
方案2：高性能加法器。
用低噪声仪表放大器INA2134做一个高性能的加法器，有独立的共模抑制能力、增益误差、噪声和失真。
方案2虽然比方案1复杂，但引入的附加噪声比方案1小，因此选用方案2。
1.3 带通滤波器设计与方案题目中给了一个带宽很宽的强噪声，要想进可能地滤掉噪声，需一个窄带带通滤波器。
微弱信号检测实验报告
微弱信号检测实验报告微弱信号检测实验报告引言在科学研究和工程应用中，微弱信号的检测是一项具有重要意义的任务。
微弱信号的检测可以帮助我们探测宇宙中的奥秘、改善通信系统的性能、提高医学影像的分辨率等。
本实验旨在探索微弱信号检测的原理和方法，并通过实验验证其可行性。
实验装置本实验使用了一套精密的实验装置，包括信号源、放大器、滤波器、检测器和示波器等。
信号源产生微弱信号，放大器将信号放大到可以被检测器检测的范围内，滤波器用于去除噪声和干扰，检测器将信号转换为电压信号，示波器用于显示信号的波形和幅值。
实验步骤1. 首先，将信号源连接到放大器的输入端，并将放大器的输出端连接到滤波器的输入端。
2. 调节信号源的频率和幅值，使其产生一个微弱的正弦信号。
3. 调节放大器的增益，使信号的幅值适合检测器的输入范围。
4. 将滤波器的输出端连接到检测器的输入端。
5. 调节检测器的灵敏度，使其能够检测到微弱信号。
6. 将检测器的输出端连接到示波器的输入端。
7. 调节示波器的触发模式和时间基准，使其能够显示信号的波形和幅值。
实验结果经过一系列的调节和优化，我们成功地检测到了微弱信号，并通过示波器观察到了信号的波形和幅值。
实验结果表明，我们设计的实验装置能够有效地检测微弱信号，并具有较高的灵敏度和准确性。
讨论与分析在实验过程中，我们发现调节放大器的增益是关键步骤之一。
如果增益过低，信号将被放大得不够，无法被检测器检测到；如果增益过高，放大器可能会引入噪声和干扰，影响信号的检测结果。
因此，需要根据实际情况选择适当的增益值。
另外，滤波器的选择和调节也对信号的检测结果有重要影响。
滤波器可以去除噪声和干扰，提高信号与噪声的信噪比。
在实验中，我们使用了带通滤波器，将信号源产生的特定频率范围内的信号通过，而去除其他频率的信号。
这样可以有效地提高信号的检测灵敏度。
此外，检测器的灵敏度也是影响信号检测结果的重要因素。
较高的灵敏度意味着检测器能够检测到较小幅值的信号，但也可能引入更多的噪声。
(完整版)小目标微弱信号检测电路设计
信号输出电路
STC89C52RC用于脉冲宽度的测量和信号传输通道阻通状态的转换，并负责特征参数的修改和设置。74HCT00用于信号逻辑极性的转换，Q1用于将信号从TTL电平转换到CMOS电平，CD4098则用于输出脉冲的整形控制。信号输出电路如图10所示：
图10 信号输出电路
void delay(unsigned char tt)
{
for(;tt>0;tt--);
}
void init2()
{
p1_5=0;
delay(240);//主机发出延时500微秒的复位低脉冲
}
void main()
{
while(1)
{
p3_7=1;
p1_0=0;
delay(2);
p3_7=0;
delay(250);
小目标微弱信号检测电路设计
在靶场测试领域，天幕靶是一种常用的光电触发设备。既可以用作区截装置测量弹丸的飞行速度，也可采用多幕交汇技术测量弹丸的着靶坐标，还可以作为其他设备的测试触发装置。但现有天幕靶灵敏度低、视场小、抗干扰能力差。本文设计了一种小目标微弱信号检测电路，通过光电二极管进行光电信号转换，并且设计了信号放大电路与滤波处理,有效地滤除了干扰信号,提高了天幕靶抗干扰能力。
图8供电电路设计原理图
LM1117是一款低压差的线性稳压芯片。当电路输出为1A时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。该芯片过流保护和热保护功能很完善，能够在复杂环境条件下提供稳定的电源。同时使用修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内。
7.3芯片晶振与复位电路
当单片机上电时，此时振荡器开始运行，只要RST引脚得到持续两个机器周期的高电平，芯片便可完成自动复位。外部复位电路是通过提供两个机器周期以上的高电平来进行复位的。本系统采用的是上电自动复位，由于上电瞬间电容器上的电压不能突变，RST上的电压是Vcc上的电压与电容器上的电压之差，因而RST上的电压就是Vcc上的电压。随着充电的进行，电容器上的电压开始不断上升，RST上的电压不断下降，RST脚上只要保持10ms以上高电平，系统就会有效自动复位。电容C1可取10-33μF，R取10kΩ，充电时间常数为100ms。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测装置是一种应用于科研领域以及一些特定行业的重要设备，它可以帮助科研人员以及工程师们检测并分析微弱信号，从而为他们的工作提供重要的数据支持。
在现代科技发展的大背景下，微弱信号检测装置的设计越来越受到重视，其设计的合理性和先进性直接关系到设备的性能表现和使用效果。
本文将从设计原理、关键技术以及设计要点等方面进行浅析，希望能够为相关领域的科研人员和工程师们提供一些参考和帮助。
一、设计原理微弱信号检测装置的设计原理主要是基于信号放大及滤波的技术。
通常情况下，微弱信号往往混杂在大量的背景噪声中，因此需要通过信号放大技术将微弱信号放大至可以被检测的水平。
还需要通过滤波技术将背景噪声滤除，从而使得被检测的信号更加纯净和稳定。
设计一款微弱信号检测装置，关键在于如何合理地运用放大和滤波技术，以及如何平衡放大倍数和信噪比，从而保证信号的真实性和准确性。
二、关键技术1. 信号放大技术信号放大技术是微弱信号检测装置设计中最为核心的技术之一。
通常情况下，采用的放大器有运算放大器，其具有高输入阻抗、低输出阻抗、高放大倍数等优点。
在设计中，需要根据实际需求选择合适的运算放大器，同时要注意防止由于放大器本身的噪声对信号检测的影响。
2. 滤波技术滤波技术是用来滤除背景噪声，增强信号的真实性和稳定性。
常见的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
在设计中，需要根据待检测信号的频率范围、信噪比要求等因素选择合适的滤波器，同时要注意滤波器的带宽和通频带的选择。
3. 前置放大器设计在设计微弱信号检测装置时，通常需要设计前置放大器，用来对输入信号进行初步放大处理。
前置放大器的设计要注意防止由于不恰当的放大倍数造成的信噪比下降和过载等问题，同时也需要注意前置放大器与后级放大器之间的匹配。
4. 信号采样和AD转换对于模拟信号的处理，通常需要将其进行采样和AD转换，将模拟信号转化为数字信号。
在设计中，需要根据信号频率、采样率等因素选择合适的采样器和AD转换器，同时也要注意采样精度和信噪比的影响。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计
微弱信号检测装置是一种用于检测和放大微弱信号的设备。
它在很多领域中都有重要的应用，如空间科学、生物医学、无线通信等。
本文将从设计原理、关键技术和应用场景三个方面对微弱信号检测装置进行浅析。
设计原理：
微弱信号检测装置的设计原理主要基于放大器电路和噪声处理技术。
放大器电路是微弱信号检测装置的核心部件，它可以将微弱信号放大到足够强度以便进行后续处理。
常用的放大器电路包括放大器阵列、差分放大器等，它们可以提高信号的信噪比，从而提高检测的灵敏度。
噪声处理技术是微弱信号检测的关键。
由于微弱信号往往被噪声干扰，所以必须采用滤波、降噪等技术来减小噪声对信号的影响。
常用的噪声处理技术有前置滤波、数字滤波、自适应滤波等。
应用场景：
微弱信号检测装置在很多领域中都有广泛的应用。
在空间科学中，微弱信号检测装置可以用于接收和处理来自太空的微弱信号，如宇宙射线、星光等。
在生物医学中，微弱信号检测装置可以用于生物体内微弱信号的检测，如脑电图、心电图等。
在无线通信中，微弱信号检测装置可以用于接收和处理无线电波信号，如手机信号、WiFi信号等。
这些应用场景都需要高灵敏度、低功耗、高可靠性的微弱信号检测装置。
微弱信号检测装置是一种用于检测和放大微弱信号的设备，其设计原理基于放大器电路和噪声处理技术。
关键技术包括低噪声设计、高增益设计和高速信号处理技术。
应用场景包括空间科学、生物医学和无线通信等。
未来随着科技的发展，微弱信号检测装置将会发展出更加高效、高灵敏度的新型装置。
微弱光信号检测实验设计
微弱光信号的检测对微弱或者极弱光的检测，在科学研究与军事等领域有着广泛的应用。
微弱光信号的检测、方法也是多种多样，但常用的方法由于灵敏度有限，难以满足要求。
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。
它主要利用电子技术来对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
其原理是通过光电探测器件将光学信息量变换成电信号，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
该方法利用高性能运放来设计检测电路，因而具有精度高、稳定性好等优点。
本检测系统的设计由光电二极管、前置放大电路、 滤波电路、主放大电路、A/D 转换电路，控制和信号处理电路等组成，其结构框图如图1所示图11. 电路基本原理用光电二极管组成的光电检测电路，实际上是一个光→电流→电光电二极管 光信号前值放大电路 光电二极管主放大电路 A/D 转换 控制处理器 上位机压的变换器。
首先由光电二极管将接收的光信号变成与之成比例的微弱电流信号，再通过运放和反馈电阻组成的放大器变换成电压信号。
其基本电路如图2所示。
图2 光电流-电压转换电路假定运放为理想的运放，其输入电阻和放大倍数都为无穷大，则输出电压为U0=I P R。
理论上，系统的输出电压U0的值与输入电流I P 成线性关系，灵敏度由反馈电阻R确定。
而实际应用中，由于要受到运放失调电压V od与偏置电流I b的影响，其输出电压总要产生误差。
误差电压一般为：U0=V od(1+RR d)+I b R其中R d为光电二极管的结电阻。
由此式中可以看出，当运放的失调电压与偏置电流都较小时，输出电压误差也较小。
因此，选择运放时，应选择性能参数都符合要求的运放。
木设计选择AD795KN作为前置放大器。
2.检测电路设计光电二极管所接收到的信号一般都非常微弱，而且输出的信号往往被深埋在噪声之中。
因此，对这样的微弱信号一般都要先进行放大、滤波，然后通过模数转换将信号传输给后续处理器电路。
浅析微弱信号检测装置设计
浅析微弱信号检测装置设计微弱信号检测装置是现代电子技术中的一种重要设备，可应用于实验室、医学、生物学、物理学等各个领域。
在检测微弱信号时，装置的性能和信噪比是非常关键的因素，因此，在设计微弱信号检测装置时应注意以下几个方面。
一、选择合适的运放运放是微弱信号检测装置中最关键的元件之一，因此在设计过程中，选择合适的运放非常重要。
具体选择的运放型号应根据待检测信号的特点来确定，如信号的频率、幅度和电压等。
同时，也需注意运放的输入电容、噪声指标和失调等方面的参数，以满足设计要求。
二、抗干扰能力微弱信号检测装置往往处于电磁干扰严重的环境中，因此它的抗干扰能力也是重要的设计要求之一。
在设计时应注意信号连接线的选用，尽量选择抗干扰能力较强的电缆，避免短路、应变等情况的发生。
同时，还需采用耦合网络、屏蔽等方法，增强抗干扰能力。
三、电路布局电路布局对于微弱信号检测装置的性能有着重要的影响。
因此，在设计时应充分考虑电路布局和走线方式等因素，尽量避免电路引入其它干扰信号，以保证微弱信号的检测和测量精度。
四、供电和接地微弱信号检测装置的供电和接地也是设计过程中需要注意的关键因素。
在供电设计中，应避免供电线路引入噪声，使得微弱信号受到干扰。
在接地设计中，则需采用合理的接地方式，消除干扰电流，以提高微弱信号检测装置的精度。
五、信号滤波信号滤波是微弱信号检测装置中最常用的处理方式之一，有效地滤除不需要的噪声信号，保留待检测信号。
在设计时应根据待检测信号的特点选择合适的滤波器，如低通、高通、带通滤波器等。
总之，微弱信号检测装置的设计需要从多方面进行思考，从运放的选择、抗干扰能力、电路布局、供电和接地以及信号滤波等方面设计。
只有这样，才能设计出性能优良的微弱信号检测装置，广泛应用于现代科技领域。
微弱信号检测2.6-3.2
附加反馈支路不会改变放大器内部固有噪声源的任何指标， 只会影响放大器的外部表现。
改变了放大器的增益、对于有用信号、信号源噪声和放大器 等效输入噪声的增益都改变了同样的量值
反馈支路的电阻分量会产生热噪声，并在反馈电阻两端产生 噪声电压
如能使反馈元件造成的不利影响很小，使该影响与信号源产 生的热噪声可以忽略，那么可以利用反馈改变输入阻抗，以 实现噪声匹配。并考虑通过功率匹配使传输的功率最大。
0
IC
IE
0
40Rs
2.6.3噪声匹配
附加串连电阻 Rs1使Rs Rso ,
噪声系数增大为：
F F Rs1
I
2 n
Rs21
Rs 4kTRsf
附加并联电阻 Rs2使Rs Rso ,
噪声系数增大为：
F F Rs en2 2 Rs Rs2
Rs2 4kTRs2f
调整工作点进行阻抗匹配
2．电压串联负反馈放大器
Ia In
Ea2 En2 4kTBRP In Rp 2
Rp
Rf1Rf 2 Rf1 Rf 2
相当于信号源电阻由 Rs增加到Rs Rp
E2 ni总
4k TB
Rs
Rp
En2
I
2 n
Rs Rp
2
2.6.5 高频低噪声放大器设计考虑
1、信号源输出阻抗为复数
En2o总 En2o Ei2o Et2o Ef2o K 2En2 InRf 2 K 2Et2 Ef2o
K Rf RS
E2 ni总
E2 no总
K2
En2
I
2 n
Rs2
4kTRsB 4kTBRs2
微弱信号检测：噪声与低噪声设计
T
0
xdt 0
T
均方值:
1 x lim T T
0
x 2 dt D( x)
均方根值:
x 2 D( x)
Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST
2. 噪声测量 交流电测量 i = I m sin ωt 整流后测平均值：
Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST
二． 电阻的接触噪声（1/f） 原因：电导率不均匀，材料不同。 大小：Uex2=KIDC2R2/f ―――红噪声
碳膜电阻、金属膜电阻、绕线电阻―――变小。 措施：选高质量电阻，减少IDC.
五. 噪声源的相关性
相关系数:设二随机噪声u1(t)、u2(t),则定义相关系数C为：
1 C lim 2T
T
T
T
u1 t u2 t dt
2 u12 u2
两噪声相加得：u2= u12 +u22+2C u1 u2 当C＝0，u1，u2独立，互不相关，u2= u12 +u22 当C＝±1， 完全相关。 C＝＋1 , u= u1 +u2 C＝－1 , u= u1－u2 当/C/＜1， 部分相关。 实际计算时，C一般取C＝0，则对于多个噪声源， u2= u12 +u22+u32+u42+------Yang Hui, School of Optical-electrical and Computer Engineering, USST
微弱信号检测
4.3.2 相关检测原理
为了将被噪声所淹没的信号检测出来，人们研究各种信号及噪声的规律，发现信号与信号的延时相乘后累加的结果可以区别于信号与噪声的延时相乘后累加的结果，从而提出了“相关”的概念。 由于相关的概念涉及信号的能量及功率，因此先给出功率信号和能量信号的相关函数。
一. 引言
f1(t)与f2(t)是能量有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数 f1(t)与f2(t)是功率有限信号 f1(t)与f2(t)为实函数 f1(t)与f2(t)为复函数
1．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“相关检测”。这相当于在频率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。 2．平均积累处理 对于一些宽带周期信号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取样积分器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，每周期如在固定的取样间隔内取样m次积累则信噪比改善。因为“信号电压幅值为线性叠加”（有规律的周期信号）而“噪声功率为矢量相加”（无规律的随机信号）。
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
4.3 微弱信号检测
4.3.0 概 述
一.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“污染”；但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，借助一些特殊的微弱信号检测方法将信号与噪声分离，将信号从噪声中提取出来。
随机共振微弱周期信号检测方法
随机共振微弱周期信号检测方法随机共振是指在一个线性动力系统中，当外界激励频率接近系统的固有频率时，系统会产生共振效应。
共振效应会使系统的能量在固有频率附近积累并放大，从而导致系统响应增强。
在实际应用中，我们常常需要检测微弱的周期信号，因此，随机共振微弱周期信号的检测方法成为研究的热点之一1.激励响应法：该方法通过对系统施加一定频率范围内的随机激励，并测量系统的输出响应来检测微弱周期信号。
该方法的关键是选择适当的激励频率范围，以保证信号被识别出来，并尽量避免其他噪声的干扰。
2.非线性特征法：该方法基于随机共振系统对非线性特征的敏感性。
通过测量系统输出响应的非线性特征，如振荡幅值、周期等，可以检测到微弱的周期信号。
该方法对信号和噪声的幅值要求较高，适用于信噪比较高的情况。
3.统计特征法：该方法通过对系统输出信号的统计特征进行分析来检测微弱周期信号。
常用的统计特征有平均值、功率谱密度、自相关函数等。
通过对这些统计特征的计算和分析，可以提取出微弱周期信号的特征，并判断其是否存在。
4.相关函数法：该方法通过计算系统输出信号和模版信号之间的相关函数来检测微弱周期信号。
模版信号可以是事先给定的标准周期信号，也可以是根据已知周期信号估计得到的。
通过计算相关函数的峰值位置和幅值，可以判断系统中是否存在微弱周期信号。
需要注意的是，不同的检测方法适用于不同的场景和要求。
在实际应用中，需要综合考虑信号特征、噪声情况以及系统的可靠性和复杂性等因素来选择合适的检测方法。
此外，设计合适的实验装置和算法也是保证检测精度的重要因素之一总之，随机共振微弱周期信号的检测方法是一个复杂的问题，需要综合考虑信号特征、噪声情况以及系统的可靠性和复杂性等因素。
目前，研究者们正在不断探索和改进相关技术，以提高微弱周期信号检测的精度和可靠性。
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微弱信号的检测方案设计
一、原理分析
针对微弱信号的检测的方法有很多，比如滤波法、取样积分器、锁相放大器等。
下面就针对这几种方法做一简要说明。
方案一：滤波法。
在大部分的检测仪器中都要用到滤波方法对模拟信号进行一定的处理，例如隔离直流分量，改善信号波形，防止离散化时的波形混叠，克服噪声的不利影响，提高信噪比等。
常用的噪声滤波器有：带通、带阻、高通、低通等。
但是滤波方法检测信号不能用于信号频谱与噪声频谱重叠的情况，有其局限性。
虽然可以对滤波器的通频带进行调节，但其噪声抑制能力有限，同时其准确性与稳定性将大打折扣。
方案二：取样积分器
取样积分法是利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便呈现出待测信号的真实波形。
由于信号的取样是在多个周期内重复进行的，而噪声在多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的波形。
其系统原理图如图2-1所示。
Vo(t) Vr(t)
一个取样积分器的核心组件式是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC 积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形做同步积累，并将累积的结果保持到下一次取样。
取样积分器通常有定点式和扫描式两种工作模式。
定点式是测量周期信号的某一瞬态平均值，经过m 次取样平均后，其幅值信噪比改善为ni si
n s V V m V V ；扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可用于恢复与记录被测信号的波形，由于其采样过程受到门脉冲宽度的限制，只有在门宽范围内才能被取样。
方案三：锁相放大器
锁相放大器也称为锁定放大器（Lock-In-Amplifier,LIA ）。
它主要作为一个极窄的带通滤波器的作用，而非一般的滤波器。
它的原理是基于信号与噪声之间相关特性之间的差异。
锁相放大器即是利用互相关原理设计的一种同步相关检测仪，利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同相位和同频率的被测信号。
锁定放大器可在比被测信号强100dB 的噪声干扰中检测出有用信号。
其原理框图如图2-3。
锁相放大器的核心部件是鉴相器，它实现了被测信号与参考信号的互相关运算。
它把输入信号与参考信号进行比较，当两个信号相位完全
放大器 带通滤波 鉴相器 低通滤波器 移相器
本地振荡器 Vs(t)+Vn(t V o
相同时，即相位差为0时经低通滤波后，输出信号的直流分量达到最大，其正比于输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值。
锁相放大器具有很多优点：信号通过调制后交流放大，可以避免噪声的不利影响；利用相敏检波器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声同频又同相的概率很小；利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做得很窄，并且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大提高。
但是值得注意的是适合于锁相放大器的检测信号应该是单频的，或者传导频谱所占频带是较窄的。
综合考虑，尤其根据是手头现有器件的情况，我们选择了利用锁相放大器作为本次的检测方案，并达到了预期的效果。
二、总体方案设计
本设计系统框图如图4-1所示。
系统通过把正弦信号与噪声源通过加法器混合，通过电阻分压网络使噪声衰减到一定程度，模拟淹没在噪声中的有用信号，再通过前置放大电路对信号进行预放大，再通过带通滤波器选择设计所需的通频带，然后通过以AD630为核心器件的锁相放大器，输出电压经过低通滤波器之后得到一个直流电压输出，最后通过MSP430进行AD采样、数据处理后送液晶显示。
在整个电路中放置了A~E共5个测试点作为调试用。
三、模块设计及参数分析
整个系统的电路顶层设计：包含了电源模块、信号产生电路、前置放大与带通滤波、锁相放大模块、低通滤波器、单片机处理模块这些部分。
其中每个模块的电源引脚部分都加入了去耦电容，PCB对电源线也进行了相应的覆铜处理，降低高频干扰。
信号产生电路：本电路模块旨在产生一个能够模拟实际中淹没在噪声中的微弱信号。
包含加法器与纯电阻分压网络两部分。
在实际电路中采用函数信号发生器产生频率为500Hz ~ 2kHz振幅为的200mV ~ 2V正弦信号Vs。
同时使用提供的音频信号作为噪声源Vn。
首先通过电压跟随器，再经过加法器实现信号的混合，芯片使用AD827来拓宽其频带到≥1 MHz带宽，可调节音量使正弦信号完全淹没在噪声中。
经过混合后的信号再通过一个纯电阻分压电路把信号衰减大约100倍，得到输入信号Vi。
电路中取R5=R7=1k，R6=R8=100。
其电路原理图如图5-2所示，并在适当位置预留了测试端口：
（protel 仿真）
前置放大器：该电路用于对信号进行预放大处理，使其输入到后级锁相放大器的信号有个适当的幅度。
其电路如图5-3所示。
采用TI公司的OPA2227这款低噪声、高精度的运放（后改用AD707，或AD620）。
第一级放大倍数为11倍，第二级放大倍数为10倍，所以总共放大约110倍。
同时在输入端接入R10=2M，保证输入阻抗Ri≥1 M 的要求。
其电路连接如下图所示。
（ Protel 仿真）
带通滤波电路：为满足设计要求，设计了一个带宽为500Hz ~ 2K Hz的带通滤波器，滤除所需频带外的噪声，降低了噪声对信号的干扰。
设计选用了二阶低通滤波器与二阶高通滤波器构成二阶带通滤波网络，由TI的滤波器设计软件FilterPro可以设计得到带通滤波器，其中R16=8.2k，R17=15k，C11=2nF，C12=1nF，R18=10k，R19=24k。
运放使用TI的OPA2227，其电路如图5-4所示。
移相网络：该移相网络用于对参考信号进行移相，其原理是RC 相移，通过跳线选择不同的接口，调整可变电阻来实现不同的相移。
通过使用一片OPA2227实现对参考信号进行的相移。
其中上方为0~900的相移，下方的模块实现90~1800相移。
必须在下方的移相模块中加入饱和电阻，否则频率过低时容易出现输出信号饱和。
其电路设计如图5-5所示。
锁相放大电路：锁相放大电路采用AD630芯片（实验中可能用CD4046代替）作为核心，其电路如图5-6所示。
AD630是一款高精度的平衡调制器，具有出色的精度与温度稳定性，非常低的通道串扰，高的共模抑制比和增益调节，同时还可以在外部加入反馈来实现所需增益与开关反馈布局，它可以从100dB噪声中恢复信号，频带宽度达到2MHz。
其信号处理应用包括：平衡调制与解调、同步检波、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大以及方波乘法等。
实际上锁相放大器与调制解调有些类似，只不过频率更低。
使用本芯片可以减少鉴相器与噪声方面的许多考虑，大大减小开发难度与开发周期。
低通滤波电路：本滤波电路采用TI的LF353运放设计，当锁相放大电路输出的信号经过低通滤波器之后可得到一个直流信号，其幅值与输入信号中某一特定频率（参考输入信号的频率）的信号幅值成正比。
四：软件部分
本设计以TI提供的MSP-EXP430G2 LaunchPad为核心，用MSP430G2553单片机自带的片上外设AD10对数据进行AD转换，并做相应的处理然后送液晶显示。
其软件流程图如下：
五：设计重点和难点
重点：整个电路的关键模块是相关器，相关器的性能决定了整个电路的性能，相关器中乘法部件的选择要尽量增加动态范围，积分电路的设计要尽量提高积分速度。
难点：要提高电路的指标，锁相放大和前置滤波两个模块很重要，也是设计的难点。
锁相放大的难点在于要使锁相环尽可能地提高锁相范围，以匹配电路的带宽要求，在低频范围锁相环很容易失锁。
前置滤波的难点在于滤波的效果对最后测量的精度有很大的影响，要达到Q 值尽可能高的滤波器同时要避免自激的产生。
六、主要元件列表
LF353（4个），LM311,OPA277(四片），四位拨码开关，CD4046，CD4066，74LS74，MSP-EXP430G2 LaunchPad（已有f6638）
七、电源设计
各种电路共用一个电压源，干扰信号会通过电源回路耦合到电路中，在各个电路的电源端加退耦电容，使干扰信号接地。
电路模块中有三级放大器，每一级与电源的连接之间都需要去耦，去耦电路拟设计如下：
防自激：
1：保证电源供电稳定，无纹波,可以加大滤波电容提高稳定，当然有条件的话采用C-L-C滤波网络滤波效果更好。
2:电路连接线走线都尽可能短，如果是自己做PCB板电路，空余部分都保留铜箔，并和地线相连。
3:对于放大电路来说，放大倍数太大也容易引起自激，所以尽量减少放大倍数，加大负反馈力度。
4:选取运算放大芯片，或者晶体管时，尽量选取带宽较宽，负载能力较强的元件，这样电路实现功能会比较容易
八：小组分工
硬件：尤琦、杨光炜（主要负责PCB）
软件：姚太平。