微弱信号检测技术综合专题实验
12年A题实验报告(微弱信号检测装置)要点
2012年全国大学生电子设计竞赛【本科组】微弱信号检测装置（A题）摘要：本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置，用来检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值。
该系统由加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。
其中加法器和纯电阻分压网络生成微小信号，微弱信号检测电路和显示电路完成微小信号的检测和显示在液晶屏上。
本系统是以相敏检波器为核心，将参考信号经过移相器后，接着通过比较器产生方波去驱动开关乘法器CD4053，最后通过低通滤波器输出直流信号检测出微弱信号，将该直流信号送入单片机处理后，液晶显示出来。
经最终的测试，本系统能较好地完成微小信号的检测。
关键词：微弱信号强噪声相敏检测Abstract: The system is of weak signal detection based on lock-in amplifier device, used for the detection of known weak sinusoidal signal under strong noise background frequency amplitude. The system consists of an adder, pure resistor divider network, weak signal detection circuit and display circuit. The adder and the pure resistor divider network to produce small signal, weak signal detection circuit and display circuit to complete the detection of tiny signal and displayed on the LCD screen. The system is based on a phase sensitive detector as the core, the reference signal through the phase shifter, then through the comparator produces Fang Bo todrive switch multiplier CD4053, finally through the low pass filter output DC signal detection ofweak signal, the DC signal into the microcontroller processing, liquid crystal display. The final test, the system can achieve the tiny signal.Key Word：weak signal strong noise phase sensitive detection目录摘要： (1)1. 系统设计 (3)1.1设计要求 (3)1.1.1设计任务 (3)1.1.2技术指标 (3)1.2方案比较与选择 (4)1.2.1微弱信号检测模块方案比较 (4)1.2.2移相网络模块方案比较 (4)1.2.3电阻分压模块方案比较 (5)1.3方案论证 (5)2.单元电路设计及参数计算 (5)2.1加法器电路 (5)2.4带通滤波电路 (7)2.5相敏检波电路 (7)2.7低通滤波电路 (8)3. 软件设计 (9)3.1程序总体流程图 (9)3.2程序清单（见附录2） (9)4.系统测试 (9)4.1测试仪器 (9)4.2测试结果 (10)5. 结束语 (10)参考文献 (10)附录 (10)附录1 主要元器件清单 (10)附录2 程序清单 (11)1.系统设计1.1设计要求1.1.1设计任务设计并制作一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。
微弱信号检测处理技术研究
微弱信号检测处理技术研究随着科技的不断发展，微弱信号检测处理技术已经成为了现代科技领域中不可或缺的一部分。
在各个领域中，微弱信号都起着非常重要的作用，比如在生命科学中，微弱信号能够帮助人类早期发现并治疗疾病，在通信领域，微弱信号能够帮助我们更好地传递信息，提高信息传输的质量和速度。
因此，研究微弱信号检测处理技术也就变得尤为重要。
一、微弱信号检测处理技术的作用微弱信号检测处理技术在不同领域有着不同的应用。
在医学领域，微弱信号检测处理技术主要应用于生命信号的检测处理，比如心电信号、脑电信号等。
通过对生命信号进行检测处理，可以帮助医生及时发现和诊断疾病，进行治疗和干预。
在通信领域中，微弱信号检测处理技术则主要用于提高信息传输质量。
由于信号在传输过程中会受到各种干扰，导致信号衰减甚至丢失。
而微弱信号检测处理技术能够通过各种方法将微弱信号进行放大、滤波、降噪等处理，从而提高信号的质量和稳定性。
在工业制造和环境监测领域中，微弱信号检测处理技术则主要用于检测并分析一些微小变化。
比如在工业生产过程中，微弱信号检测处理技术可以检测出机器的微小振动、温度变化等，帮助企业有效控制生产过程中的各种参数，从而提高生产效率和节约成本。
二、微弱信号检测处理技术的主要方法微弱信号检测处理技术的主要方法包括信号放大、信号滤波和信号降噪等。
下面对这些方法进行简单的介绍。
1. 信号放大信号放大是一种主要的微弱信号检测处理方法。
与常规信号放大不同的是，微弱信号放大过程中需要考虑到放大倍数、电路的噪声等因素。
因此，在放大信号时，需要进行合适的电路设计和分析，使用合适的放大器、传感器等设备。
2. 信号滤波信号滤波是通过滤波器来减少或消除信号中的噪声，从而提高信号的质量。
滤波器的种类繁多，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、陷波滤波器等。
在使用滤波器时，需要根据信号的实际情况选择合适的滤波器种类和相关参数，以达到最佳效果。
3. 信号降噪信号降噪是降低信号噪声水平的一种方法。
微弱信号检测作业
H( j)
R1C1
1 R1C1 2 1 R2C2 2
当ω=0 时，电路的增益 A0=1
2
等效噪声带宽 Be 0 1
R1C1
R1C12 1
R2C2 2
d
1
1
C2 R2 C1R1
2
1 4C2 R2
1
1 (RC)2
当ω=0 时，电路的直流增益 A0=1 等效噪声带宽
Be
0
1
2 d
(rad / s )
1 (RC)2
2RC
令幅频响应函数 H ()
1 2
计算出电路的-3dB
带宽
B0
1 RC
(rad
/
s)
(5)求二阶带通滤波器的噪声带宽，其中 R1C1>R2C2。
RY
( )
N0 4RC
e
RC
由式
Px
1 2
Sx
( )d
得
y
的功率
PY
1 2
SY
( )d
N0 4
1
1 ( RC)
2
d
令
RC
N0 4 RC
1
1
2
d
N0 4 RC
已知电路的幅频响应函数为
H ( j)
T0
T0
E( A2 ) 1
T0
T0 2 cos 2 t
T0 2
T0
微弱信号的检测提取及分析方法
/detail/kerenigma/4462916全部代码和工程报告基于多重自相关的微弱信号检测及提取方法研究Study on Weak Sigusodial Signal Based on Multi-layerAutocorrelation目录一摘要二选题背景与目的三实验特点与原理3.1高斯白噪声3.1.1概念： (5)3.1.2基本数字特征及其Matlab实现： (5)3.2检测及提取方法的原理3.2.1自相关检测方法 (6)3.2.2多重自相关法 (7)3.3本实验采取的微弱信号检测及提取的方法四实验设计与实现4.1高斯白噪声的产生与数字特征4.1.1产生 (8)4.1.2均值 (8)4.1.3 方差 (9)4.1.4 均方值 (9)4.1.5 自相关函数 (9)4.1.6 频谱（傅里叶变换）： (10)4.1.7 功率谱密度： (10)4.2 原始正弦信号的产生与数字特征4.2.1 产生 (10)4.2.2均值 (11)4.2.3方差 (11)4.2.4均方值 (11)4.2.5自相关函数 (11)4.2.6频谱（傅里叶变换） (11)4.2.7功率谱密度 (12)4.3 混合信号的产生与提取4.3.1混合信号产生 (12)4.3.2 混合信号的部分数字特征 (13)4.3.3信号的提取与分析 (14)五实验结论六参考文献七附件analysis.m extract.m一摘要摘要：对高斯白噪声的主要数字特性进行了分析，并通过对在高斯白噪声环境下的正弦信号的检测与提取。
并利用Matlab工具，通过wgn 函数生成高斯噪声，通过多重自相关方法，对高斯白噪声环境下的正弦信号进行分析与提取，并给出仿真结果。
关键字：随机信号，弱信号检测提取，多重自相关二选题背景与目的2.1 选题背景在随机信号处理的许多应用场合，噪声中信号的检测是一个重要的课题，尤其是微弱信号检测。
微弱信号检测的目的是从强背景噪声中提取有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。
物理实验技术中微弱信号检测器的使用技巧探究
物理实验技术中微弱信号检测器的使用技巧探究物理实验技术中微弱信号的检测是一项关键的技术，它在各个领域中都扮演着重要角色。
本文将探究物理实验技术中微弱信号检测器的使用技巧。
微弱信号的检测在物理实验中具有重要意义，它对于测量微小变化、探索微观世界以及提高信号传输的灵敏度至关重要。
然而，由于微弱信号常常受到环境噪声的干扰，因此必须采取一系列技术手段来减小干扰，提高检测的精度和灵敏度。
首先，对于微弱信号的检测器选择至关重要。
在选择检测器时，需考虑信号的特性、频率范围以及实验的具体需求。
常见的微弱信号检测器包括放大器、锁相放大器、光电二极管等。
针对不同的实验需求，选用适合的检测器能够提高信号的检测效果。
其次，信号的传输过程中应注意信号的衰减问题。
在传输过程中，信号可能会受到线路、连接器和缆线等因素的影响而衰减。
因此，选用低衰减率的材料和优质的线缆可以在一定程度上减小信号衰减，提高信号的保真度和强度。
此外，消除信号干扰是提高信号检测精度的关键一环。
干扰源可以是来自环境的噪声，也可以是实验装置内部的干扰。
为了减小来自环境的噪声干扰，可以选择在低噪声环境中进行实验，并使用隔音材料阻隔外部声音。
至于内部干扰，应确保实验装置的接地良好，并合理安排线路布局，避免信号交叉干扰。
另外，提高信号的信噪比也是一项重要任务。
信噪比是指信号与噪声强度的比值，它直接关系到信号的可靠性和精确度。
提高信噪比可以通过增强信号的强度，减小噪声的干扰等手段来实现。
例如，在实验中可以采用冷却技术降低噪声的产生，使用低噪声放大器放大信号。
此外，数据处理和分析也是微弱信号检测的重要环节。
在数据处理中，应使用合适的滤波器对信号进行滤波，以去除不必要的噪声。
数据分析阶段可以使用谱分析仪、频谱图等工具对信号进行进一步分析和挖掘。
最后，进行实验时还应注意实验的稳定性和可重复性。
稳定性是指实验结果的一致性，可重复性是指实验结果的再现性。
为了提高实验的稳定性和可重复性，需要注意一些实验细节，如温度控制、实验仪器的校准、隔离震动等。
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。
微弱信号检测技术
微弱信号检测技术科学技术发展到现阶段，极端条件下的物理实验已成为深化认识自然的重要手段．这些实验中要测量的物理量往往都是一些非常弱的量，如弱光、弱磁、弱声、微小位移、徽温差、微电导及微弱振动等等。
由于这些微弱的物理量一般都是通过各种传感器进行电量转换．使检测的弱物理量变换成电学量。
但由于弱物理量本身的涨落、传感器的本底和测量仪器的噪声的影响，被测的有用的电信号往往是淹没在数千倍甚至数十万倍的噪声中的微弱信号．为了要得到这一有用的微弱电信号，就产生了微弱信号检测技术。
因此．微弱信号检测技术是一种与噪声作斗争的技术．它利用了物理学、电子学和信息论的方法．分析噪声的原因和规律．研究信号的特征及相关性．采用必要的手段和方法将淹没在噪声中有用的微弱信号检测出来．目前．微弱信号检测主要有以下几种方法：‘1、相干检测相干检测是频域信号的窄带化处理方法．是一种积分过程的相关测量．它利用信号和外加参考信号的相干特性，而这种特性是随机噪声所不具备的，典型的仪器是以相敏检波器(PSD)为核心的锁相放大器。
2、重复信号的时域平均这种方法适用于信号波形的恢复测量。
利用取样技术．在重复信号出现的期间取样．并重复n次，则测量结果的信噪比可改善n倍。
代表性的仪器有Boccar 平均器或称同步(取样)积分器，这类仪器取样效率低，不利低重复率的信号的恢复．随着微型计算机的应用发展．出现了信号多点数字平均技术，可最大限度地抑制噪声和节约时间，并能完成多种模式的平均功能．3、离散信号的统计处理在微弱光检测中，由于微弱光的量子化，光子流具有离散信号的特征．使得利用离散信息处理方法检测微弱光信号成为可能。
微弱光检测又分为单道(Single-Channel)和多道(MuIti．-Channel)两类。
前者是以具有单电子峰的光电倍增管作传感器，采用脉冲甄别和计数技术的光子计数器；后者是用光导摄象管或光电二极管列阵等多路转换器件作传感嚣．采用多道技术的光学多道分析器(OMA)。
《微弱信号检测》实验教学大纲
《微弱信号检测》实验教学大纲实验类别：课内实验实验课程名称：微弱信号检测实验室名称：微纳器件与测试实验室实验课程编号：06060409实验学时：8适用专业：微电子学、电子科学与技术先修课程：模拟电子技术、数字电子技术一、实验在教学培养计划中的地位、作用本实验课程是微弱信号检测的补充，可以使学生在学习掌握微弱信号检测基础上，通过本课程的学习，使学生对微弱信号的特点有一定的了解和认识，学习微机电器件信号拾取原理，掌握微弱信号的提取方法及其技术。
在此基础上，掌握微弱信号检测方法与检测电路的设计方法，提高学生的实际动手能力和设计能力。
二、实验的内容、基本要求实验一利用C F变换原理的微电容检测（2学时）内容：1、测量微电容的容值。
2、熟悉微小差分电容的检测电路、示波器、电源、万用表。
3、利用微小差分电容的检测电路测试微电容的容值。
基本要求：1、学会微电容检测方法2、掌握微电容的测试与检测方法实验二压阻式力学传感器微弱信号检测（2学时）内容：1、惠斯通电桥放大电路连接，调平电桥。
2、利用振动台激励压阻式加速度传感器，同时测试其输出信号。
基本要求：1、掌握电桥工作原理及应用2、学习压阻式力学传感器检测电路实验三压电式加速度传感器检测电路（2学时）内容：1、电荷放大电路连接。
2、利用振动台激励压电式加速度传感器，同时测试其输出信号。
基本要求：1、掌握电荷放大器的工作原理2、学习压电式加速度传感器的检测电路实验四 A-V转换的隧道式检测电路（2学时）内容：1、A-V转换电路电路连接。
2、利用高精度万用表测试隧道式式加速度传感器输出电流。
基本要求：1、理解A-V转换的隧道式工作过程2、学习A-V转换的隧道式工作电路三、学时分配四．学生成绩评定方法预习报告：占总成绩20％操作成绩：占总成绩50％报告成绩：占总成绩10％考试成绩：占总成绩20％。
微弱信号检测——实验一
实验一相关器的特性研究一、实验目的：(1) 了解相关器的原理(2) 测量相关器的输出特性(3) 测量相关器的抑制干扰能力和抑制白噪声能力二、基本原理：相关器由相敏检波器与低通滤波器组成，是锁定放大器的核心部件。
锁定放大器中的相关器，通常采用图1所示的形式，由一个开关式乘法器与低通滤器组成。
)sin(ϕω+=t v V A A )sin(ϕω+=t v V A A )3sin 1(sin 4 ++=t t V ωω相乘电路不是采用模拟乘法器，而是采用开关电路。
参考信号V B可以认为是以频率ωR的单位幅度方波。
V A为输入信号，表示为V A=V A sin(ωt+φ)，当ω= ωR为信号，ω≠ ωR 时为噪声或干扰。
V A、V B之间的相位差φ可以由锁定放大器参考通道的相移电路调节，求得图1中V1和Vo为：V1=V A V B当ω= ωR时。
图1各点的波形如图2所示(注：图1中低通滤波器为反相输入，因此，输出直流电压与V1反号，图2中为了更直观起见，画的低通滤波器不倒相。
V0与V1中的直流分量同号)。
对(2)式讨论有下列结论：输出直流电压与相位φ成cos φ关系。
(图2中给出了0、90、180、270、V A、V B、V1、V0波形图)。
C．奇次谐波能通过并抑制偶次谐波，传输函数和方波的频谱一样，说明相关器是以参考信号频率为参数的方波匹配滤波器。
因此，能在噪声中或干扰中检测和参考信号频率相同的方波或正弦波信号。
输出V0与f／f R响应曲线如图3所示。
曲线表明在f R的各奇次谐波的向应为基波的1/(2n+1)离开奇次谐波频率很快衰减，形成Q值很高的带通滤波器。
D．如果输入信号为一恒定和参考方波频率相同的方波信号，则相关器为相敏检波器，输出的直流电压和信号与参考信号两者的相位差成线性关系。
如图4所示，可以作鉴相器使用。
E．等效噪声带宽式中T为低通滤波器的时间常数。
三、相关器框图，电原理图相关器实验插件盒的相关器电原理框图如图5所示。
《微弱信号检测技术》锁定放大器级联使用实验
《微弱信号检测技术》锁定放大器级联使用实验一、目的要求（1）了解锁定放大器级联使用时需要的条件；（2）测量锁定放大器级联使用时的相位特性；（3）测量锁定放大器级联使用时的传输特性。
二、基本原理锁定放大器可以用于检测周期信号的幅度，具有强大的抑制噪声能力，并能够通过延长积分时间常数的办法压缩等效噪声带宽，提升抑制噪声的能力。
然而，由于被检测信号在被与参考信号同频的交流信号调制之前不一定是直流信号，而是可能分布在一定的频率范围内，无限制的延长积分时间常数将会造成对检测结果的失真。
因此，当锁定放大器的等效噪声带宽不足够窄时，需要通过两级锁定放大器级联的方式来实现进一步抑制噪声。
经典的锁定放大器使用相关器作为相关检测的核心结构完成对微弱信号的检测和对噪声的抑制，这一相关核心的特点是输入信号为交流信号，而输出信号为直流信号，为在后级连接下一级相关检测核心造成了障碍。
为了解决这一问题，我们引入了同步积分器与旋转电容滤波器这两种方波输出的相关检测核心结构，以便为第二级锁定放大器提供交流信号输出，如图1所示。
图1. 两级同步积分器级联使用同步积分器与旋转电容滤波器的传输特性和等效噪声带宽特性均与相关器相似。
当具有相同参数的两级同步积分器或旋转电容滤波器级联使用时，其等效噪声带宽为单独一级的一半，即，当两级的积分时间常数均为T c时，两级联用在基波附近的等效噪声带宽为：Δf N1=14T c(1)总的等效噪声带宽为：Δf N=π28⋅Δf N1(2)当锁定放大器级联使用时，除最后一级外，不可以使用相关器。
三、实验步骤与内容1. 同步积分器或旋转电容滤波器仿真。
直接利用实验一所编写的相关器程序，以相关器输出乘以参考信号作为同步积分器或旋转电容滤波器的输出。
思考如下问题：这样直接相乘得到的结果，与同步积分器或者旋转电容滤波器的真实输出是否相符？如果与其中一个或两个不相符，为什么？不相符；_直接相乘是数学代数运算得到的结果，而同步积分器得到的是积分后的结果，二者之间有一个根号倍的关系。
南开大学 近物实验9-9 微弱信号检测
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实验原理
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实验原理
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实验原理
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实验原理
（5）多点信号平均器 其可以根据时域的取样 平均来改善信噪比，浮现信 号波形。适用于低频电信号 的波形复现。其把每个周期 的许多取样信号一一对应相
微弱信号检测和 锁相放大器
目录 CONTENTS
1 2 3 4
实验原理 实验装置 实验方案 实验结果
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实验原理
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实验原理
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实验原理
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实验原理
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加求平均，改善了信噪比。
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实验原理
（6）锁相放大器 锁相放大器是利用互相关的原理设计的一种同步相干检测仪， 是一种对检测信号和参考信号进行相关运算的电子仪器。其采用互 相接收技术，锁定了信号的频率和相位，而噪声因其频率和相位是 随机量而被衰减，将仪器一直噪声的性能提高了几个数量级。 下图为美国生产的7265DSP锁相放大器的原理图。
������（°） 105 120 135 150 165 180
V0 （V） -0.105 -0.377 -0.597 -0.793 -0.933 -1.001
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实验方案与结果
3、宽带相移器输入由1/n分频送给，将多功能信号源功能“选 择”置分频，置分频数为1至8，观察输出信号，测量输出直流电压。
大器出现过载。
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。
高等光学实验微弱信号检测综合实验讲解
LOGO 微弱信号检测综合实验
主要内容
1 微弱信号检测的原理
2 微弱信号检测的主要方式
3
实验设计原理
4
实验过程以及结果
5 实验过程中问题分析
微弱信号检测综合实验
微弱信号检测原理
概念解释
微弱信号
噪声
干扰
信号检测
两层含义：
信号本身非 常微弱
信号相对于 强背景噪声 而言微弱
材料，器件 的内部物理 原因所产生
自动跟踪滤波器
自动跟踪滤波器实验设计
多功能信号发生器 输出 噪声输出
宽带选相器 同相
信号输入
输出 正交
精密衰减器 A输入
一次输出 B输入
相位测量仪 信号输入 参考输入
自动跟踪数字滤波器 交流输出
信号输入 直流输出
参考输入
频率测量仪
电压测量仪 信号输入
示波器
X输入
实验设计原理
自动跟踪滤波器
自动跟踪滤波器是一种中心频率可跟随信号频率变化的带通滤波器。 其核心是开关电容滤波器。 一般有源滤波器由运放、电阻、电容组成,滤波器的中心频率与RC有 关。 开关电容滤波器是以开关电容代替滤波器中的电阻实现的。开关电容 的等效模拟电阻值受外部时钟频率控制,改变外部时钟频率就可改时间 常数,从而达到改变滤波器截止频率的目的。
参数运算及波形显示器
实验设计原理
同步积累原理
基于噪声的随机性和信号的稳定性
信号具有周 期的重复性
噪声是随机的
多次重复发 送接收
接收端接收 到不同的畸 变信号
在接收端将 重复信号叠 加
噪声相互抵 消，信号得 到提取
微弱信号检测实验报告
软正交矢量型LIA 在微弱信号检测中的应用摘要：本文利用软件相移技术得到相互正交的参考正弦波信号；通过互相关算法，完成了软正交矢量型LIA 相关器的具体实现；利用该方法实现了对微弱信号幅值和相位的检测，有效地抑制干扰，减少了硬件电路成本。
通过Matlab 仿真，验证了该算法具有一定的优越性。
关键词：软件相移；正交；互相关一、互相关原理设混有随机噪声的信号：()()()sin()()s t x t n t A t n t ωθϕ=+=+++其中：()x t 为有用信号且其重复周期或频率已知，()n t 为随机噪声信号；参考信号为：()sin()y t B t ωθ=+，'()cos()y t B t ωθ=+且()y t 和'()y t 相位差为90︒。
则有：011(0)()()d cos()2T xy R s t y t t AB T ϕ==⎰ （1） 2011(0)()()d 2T yy R y t y t t B T ==⎰ （2）''011(0)()()d sin()2T xy R s t y t t AB T ϕ==⎰ （3）求解式(1)式(2)和式(3)可以得到：B = （4）'(0)arctan(0)yy sy R R ϕ= （5）2(0)cos()sy R A B ϕ=（6）由上可见，利用互相关原理可以测得被测信号的幅值和相位。
同时，因为信号要经过A/D 采集卡才能存储到计算机中，所以得到的是检测信号序列()s k 和参考序列()y k ，即将上述互相关运算公式离散化，得：11(0)()()Nsy k R s k y k N ==∑ （7）11(0)()()Nyy k R y k y k N ==∑ （8）''11(0)()()Nsy k R s k y k N ==∑ （9）依旧可以使用式（4）（5）（6）计算求的被测信号的幅值和相位。
微弱测量信号检测技术的研究报告
微弱测量信号检测技术的研究报告微弱测量信号检测技术的研究报告微弱测量信号检测技术在科学研究和工程应用中起着至关重要的作用。
本文将以步骤思维的方式介绍微弱测量信号检测技术的研究报告。
第一步：引言在引言部分，我们将介绍微弱测量信号检测技术的背景和意义。
我们可以提到，微弱信号的检测是许多领域中的关键问题，如天文学、生物医学、材料科学等。
由于微弱信号的特殊性质，常规的信号检测方法不再适用，因此需要开发新的技术来解决这个问题。
第二步：问题陈述在问题陈述部分，我们将详细描述微弱测量信号检测面临的挑战和需要解决的问题。
我们可以提到，微弱信号通常受到噪声的干扰，使得信号很难被准确地检测和分析。
此外，微弱信号的频率范围也可能很广，需要针对不同的频率范围采用不同的检测方法。
因此，我们需要研究新的技术来提高微弱信号的检测灵敏度和准确性。
第三步：相关研究在相关研究部分，我们将回顾已有的微弱测量信号检测技术和方法。
我们可以介绍一些常用的方法，如锁相放大器、功率谱密度分析、小信号放大等。
同时，我们还可以讨论这些方法的优缺点，以及在实际应用中的局限性。
第四步：方法与实验在方法与实验部分，我们将详细描述我们提出的新的微弱测量信号检测技术以及相应的实验设计。
我们可以介绍这个技术的原理和工作流程，并结合具体实验来验证其有效性。
此外，我们还可以比较新技术与传统方法的性能差异，并讨论其优越之处。
第五步：实验结果与分析在实验结果与分析部分，我们将展示并分析我们的实验结果。
我们可以提供实验数据和图表，并解释实验结果的意义和影响。
此外，我们还可以进行统计分析和误差分析，以评估我们提出的技术的可靠性和准确性。
第六步：结论与展望在结论与展望部分，我们将总结我们的研究成果，并提出未来的研究方向和改进空间。
我们可以强调我们提出的新技术的优点和潜在应用领域，并讨论如何进一步改进这个技术以提高其性能。
通过以上步骤的论述，我们可以全面而系统地介绍微弱测量信号检测技术的研究报告。
微弱信号检测技术的研究
文献标识码：Ａ
文章编号：１ ６７１ － ４７９２－ （２００９）１ － ００２７－ ０４
Abstract： Ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｓ ｔｏ ｔａｋｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｅｘｔｒａｃｔ ｕｓｅｆｕｌ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｎｏｉｓｅｓ， ｔｈｅ ｋｅｙ ｌｉｅｓ ｉｎ ｎｏｉｓｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ／ｒｅｓｔｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｕｓｅｆｕｌ ｓｉｇ－ ｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｔａｌｋｓ ａｂｏｕｔ ｗｅａｋ ｓｉｇｎａｌ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｉｇ－
测信号的目的。微弱信号检测的关键在于抑制噪声，恢复、增
图一 推导 ＳＮＩＲ 的示意图
２７
科技广场 ２００９．１
输入噪声为带宽白噪声，其噪声带宽 Ｂｉ，噪声功率谱密度为 Ｓｎｉ，则输入噪声的均方值为 Ｖｎｉ２＝Ｓｎ·ｉ Ｂｉ。若系统的电压增益为 Ｋｖ（ｆ），系统的噪声等效宽带为 Ｂｅ，则输出噪声的均方值为：
微
弱
信
号
微弱信号检测技术的研究
检 测
技
术
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｅａｋ Ｓｉｇｎａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
的
研
究
杨汉祥
Ｙａｎｇ Ｈａｎｘｉａｎｇ
（赣南师范学院物理与电子信息学院， 江西 赣州 ３４１０００）
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｇａｎｎａｎ Ｔｅａｃｈｅｒｓ’Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｊｉａｎｇｘｉ Ｇａｎｚｈｏｕ ３４１０００）
生物微弱信号检测与分析
生物微弱信号检测与分析【摘要】为了更精确地采集生物微弱信号，本研究利用力平台检测装置采集人体重心运动轨迹，采用以QNX为核心的实时操作系统和工业级的PC/104控制器来构建评测系统，对被测者进行重心数据采集。
通过对20名健康大学生进行试验研究，结果表明采用16位高精度的力传感器以及QNX实时处理操作系统可以有效地提高评测的准确性。
【关键词】QNX；PC/104控制器；力平台0前言随着科学技术的深入发展，微弱特征信号的检测在国民经济及军事等领域有广泛应用。
在军事变革的趋势下，武器装备向着隐形化、信息化发展，提升对隐形战机、潜艇的侦查能力至关重要。
在国民经济中适用范围更广，包括光、磁、热、声、电、力学、生物、通信、地震、机械、医学及材料等领域。
如工业测量，生物电测量，医学信号处理以及机电系统的状态监测都会遇到微弱信号监测问题[1]。
微弱信号检测是一门综合技术，涉及信息理论、电子学、非线性科学、信号处理及计算机技术等学科，是研究提取有用信号的一种新技术。
微弱信号检测方法与理论日新月异。
从传统的时域平均法、同步相关检测、频谱分析到最近发展的小波分析、混沌理论、神经网络等，在微弱信号检测中均有广泛应用[2]。
1方法为了更精确地采集生物微弱信号，本实验要求被测者静止直立站位于力检测平台中心，用力传感器实时采集人体重心数据并通过C编程实时显示重心点的运动轨迹，通过力检测平台采集人体重心数据并经串口传送给上位机，由上位机软件对数据进行分析、显示和存储，应用混沌理论中的方法对数据进行处理，得到相关参数，并进行结果分析，可以得到一个评估受试者平衡能力的指标。
静态站位评测系统由以下四部分组成：PC/104模块，AD与嵌入式单片机，显示装置和人体压力中心(center of pressure, COP)检测装置。
完整的评测系统如图1所示。
操作系统采用加拿大QNX软件系统公司开发的一种分布式、多用户、多任务嵌入式实时操作系统——QNX操作系统。
微弱信号检测作业
微弱信号检测报告三分量数字检波器电磁干扰分析在地震数据采集过程中，因受环境、技术、装备、方法等多方面的限制,获取的地震资料总是存在这样或那样的干扰信号。
其中,电磁干扰是对有效波影响较大的一类干扰波，无论实在地震勘探中还是其他工作，都是一项需要首先解决的问题。
一、三分量数字检波器认识上的误区三分量数字检波器是以MEMS技术为核心的数字检波器,这种检波器只响应重力的变化，即势能到动能的转换装置。
其简单结构包括惯性体、弹簧、控制电路等，而且惯性体是整个装置的核心。
基本工作原理是当外部振动迫使质量体位移时,通过反馈电容变化而调整的控制电压就迫使质量体保持原位不动。
由于电容变化量线性取决于外力变化量,而控制电压量线性取决于电容变化量,因此控制电压的变化曲线就实时跟踪外力的变化曲线,这便是检测地震加速度信号的基本原理。
由于控制电压变化直接来自A/D转换器输出,也即检波器的响应输出直接就是数字信号,所以地震道电路一开始就是数字信号电路。
因此数字检波器抗干扰能力强，不受外界电磁信号的干扰，从而保证了地震资料的高分辨率和高保真度。
基于MEMS数字检波器原理图如下：传统动圈式模拟检波器具有连接到地震道的电感线圈，容易响应任何环境电磁干扰信号。
一般认为MEMS技术的数字检波器不再有任何联接到地震道的电感线圈，所以也就不再响应任何环境电磁干扰信号。
二、三分量数字检波器产生电磁干扰的分析事实上，采集过程中三分量数字检波器产生了电磁干扰。
因为MEMS本质上是由两对固定电极和一块可移动的质量块电极构成的,虽然传感器不再有任何联接到地震道的电感线圈,但MEMS中可变电容是模拟元件,而电容与其闭合回路可形成一个容抗电路,电磁场会对此容抗形成的震荡电路产生影响。
所以,采集过程中在三分量数字检波器可以引入电磁干扰。
产生的干扰信号包括：1.交变电磁场感应产生电磁干扰信号2.漏电引入工频干扰信号。
MEMS以介质电容变化反馈为基础产生地震信号,若漏电影响到可变电容的变化量,就会使控制介质恒定位置的反馈参考电压变化值受到影响,由此输出的数字信号也就引入了干扰。
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实际应用, 总结了此专题综合实验与一般实验方式相比的特点, 实 际结果表明: 综合专题实验改善了高年级本科 生或研究生的实验教学手段,
提高学生综合应用所学知识解决实际问题的能力, 取得了良好的实验教学效果, 特别是对于大学生研究能力的提高十分有益。
关键词: 检测原理及检测方法; 综合专题实验; 微弱信号检测
则信号改善比:
SNIR =
( S N I R) o ( SN I R) i
=
m
( 4)
锁定放大器的原理实验应以掌握相关检测原理
80 电气电子教学学报 27 卷
为重点, 以观测、分析相敏检波器的相位特性为主要
内容; 通过观察、分析相关器的 PSD 波形以及相关
幅 P 和位相 7 :
P = ( P sin7 ) 2 + ( P cos7 ) 2
7
=
tg- 1
P sin7 P cos7
( 5)
实验方法: 本实验中采样程序由 C 语言编写,
选取的采样间隔分别为 0. 1107nm 和 0. 3321nm。采
集数据开始时首先选择模拟输入通道, 然后启动模
数转换器, 分道轮流采集锁定放大器输出的 P sin7
微弱信号相关检测原理以锁定放大器为例进行 讨论。锁定放大器是通过相敏检波利用参考信号与 被测信号的相位锁定来压缩噪声带宽以抑制噪声, 从而检测出信号幅值和相位, 检测信号可达 nV 级。 其实际上是互相关的、以相敏检波器 P SD 为基础的 装置, 实验原理框图如图 2。
图 2 锁定放大器的实验原理框图
LU Rong-de, DU Ying-lei
( Dep t . of Astronomy & App l icat ion P hysics, University of Sci ence & T echnol ogy of Chi na , H ef ei 230021, China)
Abstr act: T his paper mainly discusses t he principles and ways of weak signal det ect ion, based on the applying pract ice, and compr ehensive t opical experiment plan in the modern physics is designed. According t o t eaching experiment pract ice, t his paper summarizes t he characterist ics of t he comprehensive topical experiment compar ed wit h common experiment mode. P ract ical result shows t hat t his kind of exper iment improves experimental inst ruct ion met hod for high grade under graduat e or graduate student s, incr eases t heir capabilit y of solving pract ical problems, has a good t eaching effect s and is especially beneficial t o height en st udentspresear ch ability. Keywords: det ect ion principle and method; comprehensive t opical experiment ; weak signal det ect ion
现最大值时的波长。利用作图软件用归一化后的光
声信号强度对波长作图, 从而得到归一化光声振幅
谱, 同样得到光声位相谱。数据处理的其它方式有取
平均、平滑化、求差谱等, 皆通过软件来实现。
光声信号的噪声主要来自背景吸收、机械震动
和电学系统。在实验条件稳定情况下, 各种噪声会带
来随机误差。在同一条件下, 反复对同一试样测定 m
当输入信号与参考信号同频同相处于同步时,
可获得最大输出; 而由于噪声的随机性同频同相的
可能性极小, 同时通过后接低通滤波器( LPF ) 又构
成窄的等级噪声通带, 即对信号与噪声作长时间积
分平均, 所以就可使输出噪声大大削弱。其 m 次测
量信噪比:
( SN I R) o =
ms mN
2
=
m
s N
=
m ( SN I R) i ( 3)
噪声, 其噪声带宽为 Bi, 噪声功率谱密度为 Sni, 则输
入噪声均方值为 U2ni= S ni·B i, 若系统的电压增益为
K u( f ) , 系统噪声等效带宽为 Be, 则输出噪声均方值
为[ 1, 5] :
∫ ∫ ∞
∞
U
2 n0
=
S niK 2u( f ) df = S ni
K2 u( Nhomakorabeaf
)
df
中图分类号: TN722; G642. 423
文献标识码: A 文章编号: 1008- 0686( 2005) 03- 0078- 05
Compr ehensive Topical E xperiments about Weak Signal Detection Technology
第 27 卷 第 3 期 2005 年 6 月
电气电子教学学报 JOUR NAL OF EEE
Vol. 27 No. 3 Jun . 2005
微弱信号检测技术综合专题实验
卢荣德, 杜英磊
( 中国科学技术大学 天文及应用物理系, 安徽 合肥 230026) ª
摘 要: 本文基于应用实践讨论了微弱信号检测原理、检测方法等, 设计了近代物理微弱信号检测技术综合专题实验。结合该实验在教学中的
制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一 个热点。我们在引进国内外生产的三套实验设备的 基础上, 从微弱信号检测模型及其方法两个方面, 尝 试设计微弱信号检测综合专题实验。
1 微弱信号检测模型及其检测方法
首先从信号处理系统的信噪比改善角度来简述 一 下 微弱 信 号检 测的 原 理。信 噪比 改 善的 定 义 S N I R 为输出功率信噪比/ 输入功率信噪比。以输入 系统的噪声 为白噪声( 电阻 噪声) 时 来讨论 SN I R 的表达式。如图 1 中, 设信号处理系统的输入信号电 压和输出信号电压分别为 Usi和 Uso, 输入噪声为白
0 引言
微弱信号检测是一门新兴的技术学科, 应用范 围遍及光、电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医 学、激光、材料等领域, 其仪器已成为现代科学研究 中不可缺少的设备。微弱信号检测技术是采用电子 学、信息论、计算机及物理学的方法, 分析噪声产生 的原因和规律, 研究被测信号的特点与相关性, 检测 被噪声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的目的 是从强噪声中提取有用信号, 或用一些新技术和新 方法来提高检测系统输出信号的信躁比。对微弱信 号检测理论的研究, 探索新的微弱信号检测方法, 研
微弱信号检测方法较多, 物理思想新颖, 根据信 号和噪声的不同特点, 采用不同的方法。本专题实验 设计主要目的在于抛砖引玉、拓展视野、加强理论知 识和实际科研能力的培养。微弱信号检测的发展有 两方面: 一是理论方面, 二是技术和检测仪器方 面[ 4] 。目前, 微弱信号检测主要以下几种方法:
( 1) 相关检测 相关检测是频域的窄带化处理方 法, 是一种积分过程的相关测量。它利用信号和外加参 考信号的相关特性, 而这种特性是随机噪声所不具备, 典型仪器是以相敏检波器为核心的锁定放大器。利用 取样技术, 在重复信号出现的期间取样, 并重复 m 次,
一级锁定放大器, 滤除与斩波频率无关的成分后放
大输出。采用与 P C 机过接的模数转换器接口板, 捕
获瞬间变化的光声光谱信号, 可提高光声光谱峰的
分辨率。开始时首先根据地址位选择模拟输入通道,
然后启动模数转换器, 分道轮流采集锁定放大器输
出的 P sin7 、P cos7 成分, 经过计算可得到光声振
( 3) 计算机处理方法 随着计算机应用范围的 扩大, 原来在微弱信号检测中需要硬件来完成的检 测系统, 现在可以用软件来实现。利用计算机进行曲 线拟合、平滑、数字滤波、快速傅里叶变换( F FT ) 及 谱估计等方法处理信号, 提高了信噪比, 实现了微弱 信号检测的要求。
2 专题实验设计
2. 1 微弱信号相干检测及其应用实验 2. 1. 1 微弱信号相关检测
收稿日期: 2005- 03- 26; 修回日期: 2005- 05- 19 第一作者: 卢荣德( 1968- ) , 男, 安徽庐江人, 副教授。从事教学与科研工作, 曾发表论文近 30 篇, 译著一部。
第 27 卷第 3 期 卢荣德等: 微弱信号检测技术综合专题实验 7 9
=
0
0
Sni × Be × K u0
( 1)
其中: K u0= Us20 / U2si, 于是可得 S N I R 为:
U
2 s0
SN I R =
U
2 n0
U2si
=
Ku 0SniB i K u0S niBe
=
Bj Be
( 2)
U2ni
图 1 推导 SNIR 的 示意图
由式( 2) 可见, 信号处理系统的信噪比改善等于 输入( 白) 噪声带宽与系统的噪声等效带宽之比。因 此, 减少系统的噪声等效宽度便可以提高系统的输 出信噪比。对于信噪比小于 1 的被噪声淹没的信号, 只要信号处理系统的噪声等效带宽做得很小, 就可 将信号( 或信号携带的信息) 从噪声中提取出来, 这 就是通常的微弱信号检测指导思想之一。