基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
基于Simulink的锁相放大器微弱信号检测仿真分析
基于Simulink的锁相放大器微弱信号检测仿真分析作者:赵淑平来源:《数字技术与应用》2012年第11期摘要:介绍了锁相放大器检测微弱信号的原理,并用Simulink对其进行了仿真实现,分析了白噪声及谐波噪声对信号的影响,从提高输出信噪比的角度对检测参数设置进行了分析,为锁相放大器的设计提供了参考依据。
关键词:锁相放大器微弱信号检测 Simulink 信噪比中图分类号:TN98 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2012)11-0051-031、引言微弱信号检测技术是利用一系列信号处理方法,来提取和测量强噪声背景下的微弱信号,从而提高检测系统输出信号的信噪比,需要研究噪声幅度、频率、相位等的规律,同时分析信号频谱、相干性等特点[1]。
锁相放大器(Lock-inAmplifier,LIA)在微弱信号检测方面显示出优秀的性能,它利用互相关检测原理,将待测信号和参考信号在相关器中实现互相关,实现对信号的窄带化处理,能有效地抑制噪声,实现对信号的检测和跟踪,在科学研究的各个领域得到了广泛的应用[2,3]。
2、锁相放大器检测微弱信号的原理2.1相关接收锁相放大器采用互相关接收技术,使仪器抑制噪声的性能提高了好几个数量级。
在相关接收中,可以把两个接收信号函数和以的相关函数表示为:(1)其物理意义为,两个信号相乘对时间再对事件取平均值,为两信号间的延迟时间。
因为接收的信号中包含有用信号成分以及噪声成分,那不妨设上述两个信号可以表示成:,。
所以式(1)可以表示成:最后可以简化为:(2)其中,,,分别为信号对信号、信号对噪声、噪声对噪声的相关函数。
由于噪声和信号是相互独立的,噪声之间也是相互独立的,则有,,,因此式(2)可以化简为:(3)上式的物理意义为:两个有用信号都是和噪声混在一起的,但总的相关函数却等于两个有用信号的相关函数,即表示通过相关器(乘法器)之后可以把噪声滤去。
2.2锁相放大器的原理正交矢量型锁相放大器实现的结构原理图如图1所示。
基于数字锁相放大器的微弱信号检测技术
测信 号和 参 考信 号的 采样 、 数 字 滤波及 数 字相 关解 调 , 实现 n V级 幅度 的微弱 正 弦信 号的检 测 。最后 通过 S I MU L I N K试验 仿真 , 分析 采样 点数 与测 量精 度之 间的关 系 , 验证 了 系统 的 准
确性 与 实用性 。 关键 词 : D S P ; 数 字相敏检 波 ; 模数 转换 ; F I R数 字滤 波
LI ANG J i n . h ui
f T h e 2 7 Re s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y
G r o u p C o r p o r a t i o n 。 Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 7 。 hi C n a )
o f US B c o mmu n i c a t i o n mo d u l e .T h r o u g h t h e a mp l i i f c a t i o n o f s i g n a l , s a mp l e o f t h e me a s u r e d s i g n a l a n d t h e r e f e r —
中图分类 号 : T N 9 1 1 . 7 2
文献标 识码 : A
De t e c t i o n Te c h n i q u e o f We a k S i g n a l Ba s e d o n Di g i t a l Lo c k ・ i n Amp l i i f e r
第 1 期
2 0 1 5年 3月
电
用于微弱信号检测的锁定放大器设计
锁定 放大 器 能够 较 大程 度抑 制 噪声 ,首先 通 过调 制 器将 直 流或 慢变 信 号 的频谱 迁 移 到调 制 频 率 处, 进 行放 大 , 以避开 l / f 噪声 的不 利影 响 [ 2 ] 。其 次利用 相 敏检测 器实 现调 制信号 的调 制 , 利 用频 率和 相 角 进行 检测 , 噪声 和信 号很 难达 到频 率 和 幅度 的一致 化 , 设 计 低通 滤波 器 有高频 率 带宽 的性 能 , 从而 能 大大减 弱 噪声信 号 的干扰 , 因此 通 过最后 低 通滤 波器 的滤波 , 能得 到微 弱 的原 始信 号 , 便 于 我们 各个 方
D O I : 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 8 - 7 1 0 9 . 2 0 1 4 . 0 2 . 0 0 7
用 于微 弱信号检测 的锁定放大器设计
褚 凯 乐, 傅越 千 , 谭 飚
( 宁波工程学院, 渐江 宁波 3 1 5 2 1 1 )
u p ( t ) = x ( t ) r ( t ) ( 1 )
下面介绍输出 u At ) 和滤波器输出 U O ( £ ) 的输出。设被调制信号为
( ) = C O S ( a , o t + O ) ( 2 )
摘 要 :介 绍 一种 微 弱 信 号 检测 的方 法 , 主 要基 于 模 拟 乘 法 器 芯 片 A D 6 3 0作 为 相 敏 检 测 器 P S D, 对微弱信号的幅频
特 性 和 相 频特 性进 行 检 测 。 该 设 计 简 单稳 定 , 精确度高 , 应 用广 泛 , 在 物联 网 应用 系统 和 科 学研 究 中有 很 大 的 应用 价 值 。
一种测量微弱信号的锁定放大电路设计
第26卷 第5期2002年10月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan University of Technolo gy(T r anspo rtat ion Science &Engineer ing )V ol.26 N o.5O ct.2002一种测量微弱信号的锁定放大电路设计刘红丽 李昌禧(华中科技大学控制科学与工程系 武汉 430074)摘要:分析了基于相关技术测量微弱信号的锁定放大电路的工作原理和各组成部分.针对非接触式基于多磁场涡流效应的D C 微小电流传感器,设计了一种实用的锁定放大电路,并进行了实验性研究.研究结果表明:采用了锁定放大电路DC 微小电流传感器可直接测量1mA 以下D C 微小电流,灵敏度可达20mV /mA.锁定放大电路不仅能测量周期信号,还能测量非周期信号,后者可通过调制的方法将其变成周期信号再进行测量.关键词:微弱信号;锁定放大电路;非接触式中图法分类号:T P 274 锁定放大电路利用相关检测技术,基于互相关原理,使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器中实现互相关,从而将深埋在大量的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来,起着检测器和窄带滤波的双重作用.1 锁定放大电路的工作原理[1]锁定放大电路检测微弱信号采用了互相关原理,利用参考信号与输入的有用信号具有相关性,而参考信号与噪声互不相关,通过相敏检波及低通滤波完成互相关运算,从而达到抑制噪声的目的.互相关原理图如图1所示.图1 互相关原理图设输入信号 f 1(t )=s 1(t )+n (t )式中:s 1(t )为有用的输入信号,n (t )为噪声. 参考信号 f 2(t )=s 2(t )则二者的互相关函数为 R 12( )=lim T →∞12T ∫T-Tf 1(t )f 2(t - )d t = lim T →∞[12T ∫T-Ts 1(t )s 2(t - )d t + 12T ∫T-Tn (t )s 2(t - )d t ]= R s 1s 2( )+R ns 2( )=R s 1s 2( )(1) 由于参考信号与噪声不相关,当 →∞时,R ns 2()=0,因此互相关接收的只有输入信号与参考信号的相关输出,去掉了噪声项,提高了输出信噪比.互相关函数关键是两函数相乘,即s 1(t )×s 2(t ),通常可用锁定放大电路中的相敏检波器来完成.相敏检波器相当于模拟乘法器,其输出是输入信号和参考信号的乘积.在锁定放大器中,参考信号只能是和待测信号同步的方波.设实验研究用的非接触式DC 微小传感器的输出信号为带噪声的调幅正弦波 V i (t )=E i cos m t cos 0t +n (t ) =12E i cos ( 0+ m )t + 12E i cos ( 0- m )t +n (t )(2)式中: m 为调制频率; 0为载波频率;E i 为幅值;n (t )为噪声.参考信号的傅氏级数表示式为V R =E R4 ∑∞k =012k +1cos [(2k +1) 1t ](3)式中:E R 为方波的幅值;k =0,1,2,…; 1为方波基波频率.收稿日期:20020613 刘红丽:女,34岁,讲师,博士生,主要研究领域为传感器和检测技术相敏检波器的输出为V 01=V i V R =∑∞k =0E i E R(2k +1) cos [ 0+ m +(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0+m -(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0- m +(2k +1) 1]t +∑∞k =0E i E R(2k +1)cos [ 0- m -(2k +1) 1]t +∑∞k =04E R(2k +1)×co s [(2k +1) 1t ]n (t )(4) 从式(4)可以看出,相敏检波器的输出项的最后项为零,前4项包含了信号频率( 0+ m , 0- m )与全部方波基频 1的奇次谐波的和频与差频的大量谐波分量.在同步的情况下,相敏检波器的谐波响应与谐波数(2n +1)成反比.当输入信号的载波频率与参考信号频率的基波相等,即 0= 1时,分出k =0次项,则式(4)为 V 02=E i E R[cos(2 0+ m )t + co s(2 0- m )t +2cos m t ](5)由于载波频率 0远大于被检测信号的频率 m ,在相敏检波器的输出端接一个低通滤波器LPF,可滤掉高次谐波成分和V 02的前两项,其输出电压为调制信号,即V 03=c2E i E Rcos m t (6)式中:c 为常数.2 锁定放大电路的组成根据锁定放大电路的工作原理设计电路.锁定放大器可分为3个主要部分:信号通道、参考通道、相敏检波及低通滤波器LPF.其框图如图2.图2 锁定放大器的简化框图 信号通道由AC 前置放大电路、带通滤波电路及选频放大电路组成.其作用是将伴有噪声的输入信号放大,并经选频放大对噪声作初步处理.参考通道由方波发生电路和移相电路组成,其作用是提供一个与输入信号同相的方波,调整移相电路使参考信号与有用信号相位一致,从而信噪比改善为最佳.相敏检波的作用是对输入信号和参考信号完成乘法运算,得到二者的和频与差频的谐波信号,经过低通滤波器滤掉高次谐波和高频信号成分,这时的等效噪声带宽很窄,从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号.精密交直流转换电路将低通滤波器输出的交流信号转换为直流电压,便于测量和与计算机接口.3 应用举例根据锁定放大电路的工作原理及组成,针对非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器[2],设计了相应的测量电路,并进行了实验性研究.该传感器的测量电路方框图如图3所示. 正弦波发生电路采用高稳定性的RC 振荡电路[3],它们产生的调制信号f m 和载波信号f 0同图3 非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器的测量电路・620・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2002年 第26卷时加在模拟乘法器M C 1496的输入端,该乘法器输出的调幅波电流信号i (t )经功率放大器TDA2030放大后直接加在非接触式基于多磁场涡流效应DC 微小电流传感器的激励绕组上.选择载波频率f 0=3910Hz ,调制频率f m =391Hz.传感器的输出为如式(2)所示带噪声调幅波.调制信号的幅值与被测DC 微小电流存在正比例的关系,只要检测出被调制信号的幅值,便可得到被测的DC 微小电流大小,从而达到测量的目的.前置放大器选择高精度自稳零斩波集成运算放大器ICL7650,其共模抑制比、电压抑制比、上升速度和开环增益均很高,外接元件少,使用较灵活,适宜对微弱信号进行放大.晶振和分频电路采用2M 石英晶振与分频器CC4020,产生方波信号,如式(3)所示,方波频率为7812kHz,与载波频率相等.0°~180°的移相电路使方波信号可在180°的范围内改变相位,与调幅波同相,使输出信噪比最大.相敏检波器采用高精度同步解调器AD 630,AD 630相当于一个模拟乘法器,将传感器的输出电压和参考的方波电压相乘,适用于从含有干扰噪声的调幅波中精密检出被调制的信号.AD630的输出电压如式(4).低通滤波器的中心频率选择为391Hz,可很好地滤掉相敏检波器输出信号中的高次谐波和高频信号,其输出电压如式(6).精密交-直流转换电路由全波整流电路和滤波电容组成,其作用是将低通滤波器输出的交流信号转换为直流信号,既便于用高精度的数字万用表进行直接测量,也便于对微弱信号的智能化测量.表1是将上述电路应用到非接触式基于多磁场涡流效应的DC 微小电流传感器上进行实验性研究所得到的实验结果.实验结果表明:该传感器的灵敏度可达20mV /mA ,精度为0.05%.由此可见,这是一种高精度、实用的锁定放大电路.表1 DC 微小电流传感器采用 锁定放大器的实验结果被测直流微小电流/mA锁定放大器输出电压/mV 1 20.3122 42.243 62.534 80.685 100.286 120.443 结束语锁定放大电路具有极强的抗噪声性能,它和一般的交流放大电路不同,输出的信号并不是对待测信号的简单放大,而是把待测信号中与参考信号同步的那部分信号放大检测出来,并变成相应的直流信号.该电路主要用来测量周期性电压或电流信号,对于非周期性的电压或电流信号,可通过调制方法将其调制成周期信号再进行测量.该电路还适用于其他一些微弱信号传感器,根据传感器输出信号的频率,只须改变正弦波发生电路以及方波发生电路的某些参数即可.参考文献1 曾庆勇.微弱信号检测.杭州:浙江大学出版社,1994.47~1052 刘红丽.一种非接触式DC 微小电流传感器的研究.武汉交通科技大学学报,1998,22(3):298~3003 李瑞麟.高稳定性的RC 振荡电路.电测与仪表,1992(9):37~38Design of Lock-in Amplifier Circuit to M easure W eak Sig nalLiu Hongli Li Changxi(Dep ar tment of Contr ol S cience &E ngineering ,H US T ,W uhan 430074)AbstractThis paper analy ses the o perating principle and every component of a lo ck-in amplifier (LIA)to measure weak signal adopting r elation technolog y.Being aimed at a non-contact type DC weak current sensor em plo ying multifield eddy -current effects ,a practical LIA is desig ned ,and the ex perimental re-searches are carried o n .The ex perimental result sho ws that the DC w eak current sensor adopting LIA can m easur e DC w eak current less than 1mA directly w ith sensitivity of 20mV /mA.LIA may not only measure per io dic sig nals,but also measure non-periodic signals after mo dulated to periodic signals.Key words :weak sig nal ;lock -in amplifer ;non contact type・621・ 第5期刘红丽等:一种测量微弱信号的锁定放大电路设计。
基于微弱交流信号检测的锁相放大系统设计
好 的 检 测 到微 弱 的输 入 信 号 , 抗_ 十扰 能 力强 , 即 使输 入 信 的 幅 值 与 噪 声 信 号 的 幅 值足 同 的 。
致 其 通 频带 不能 { { f f 盖 信 号频 率 , 使 得 测 量 系统 无 法 稳 定 町靠 的进 行测量 。 在这 种 情 况下 , 利 用 锁 相放 大 器可 以很 好解 决 上 述 问题 。
a m pl i f i e r i s de si gn ed i n t h i s pa pe r .
Ke y wor d s: we ak AC si gn al det e c t i on, l o ck -i n a m pl i f i e r , La bv i ew, n A l e v el
比, 之 后 再进 行 解 调 和低 通 滤波 , 以得 到放 大 了 的 被测 信 号 。 对 于
图 1 仿 真 系统 结 构
仿 真结 果 盘 『 2所 示 , 1 在 黑 暗 条 件 即 ( 紫 外 无 响应 ) , 仿 真
所 检 测 出信 呼的 幅 值 为 1 . 0 1 4 9 3卜 j 输 入 信 号幅 值 基 小 一 致, 、 有紫外响应叫 , 仿 真所 检 测 信 号的 幅值 为 1 . 5 0 3 4 1 , 期 望 的 幅 值 1 . 5也 基 本 保 持 一 致 。由仿 真 的 结 果 看 { 锁 相 放 火 器 能 够 很
微 弱信 号 主 要指 的是 容 易 被 噪 声 淹 没 的 信 号 , 通常基于 B — Ga 2 0 。 的 光 电探 测 器 的交 流 电 流 为 n A或 p A 级 别 , 极 易 受 到 噪声干扰 , 而锁{ : } j 放 大 器 在 微 弱 信 号 检 测方 面 具 有 优 秀 的 性 能 , 在 微 弱 信 号 检测 领 域 得 到 了广 泛 的 应用 。  ̄ ' t - x t , 微弱信号检测 , 利
1锁定放大器的设计
锁定放大器的设计贾硕,李昊政,刘文瑜(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001)摘要:本系统是基于锁相放大器的微弱信号检测装置,由信号通道电路,参考通道电路,相敏检波器,输出显示部分组成。
其中信号经电阻分压网络生成微小信号,再经过放大和参考通道的方波输入到AD630,AD630再输出直流量给单片机采样显示。
经测试,本系统能准确测量出强噪声背景下范围为10uf-1mV 的微弱信号,并在液晶准确显示,基本完成了题目要求。
本系统分压网络由精密电阻搭建的π型分压网络,简单快捷,稳定性高,移相运用了有源移相网络,实现了0到360度连续调节。
检测显示模块利用高性能MSP430单片机和高精度模数转换器ADS1118进行采样并经12864显示,美观大方。
关键词:微弱信号;相敏检波器;MSP430The Design of The Lock-in AmplifierJIA Shuo, LI Zheng-hao, LIU Wen-yu(College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China) Abstract:This system is a weak signal detection based on phase-locked amplifier device, the signal channel circuit, the reference channel circuit, phase-sensitive detector and the output display parts. The signals generated by partial pressure resistance network of tiny, then amplified and reference channel of square wave input to AD630, AD630 output straight flow show single-chip microcomputer sampling again. After the test, this system can accurately measure the strong noise background range of 10 uf - 1 mv weak signal, and the liquid crystal display accurately, basically completed the topic request. phase shift using the active phase shift network, implements the continuous adjustment 0 to 360 degrees. Detection display module using high-performance MSP430 single chip microcomputer and high precision adc ADS1118 samples and by 12864.Key words:weak signal; phase sensitive detector; MSP4301 设计任务1.1 任务设计制作一个用来检测微弱信号的锁定放大器(LIA)。
基于数字锁相放大器的微弱信号检测
基于数字锁相放大器的微弱信号检测摘要:以数字锁相放大器为研究对象,利用信号的相关性和噪声的随机性的特点,应用相关检测方法通过运算,去除噪声,检测出微弱信号。
以强噪声背景下微弱信号检测的实际需要为出发点,研究数字锁相放大器在微弱信号检测中的应用。
采用基于LabVIEW的虚拟数字锁相放大器进行了实际的微弱信号测量,以达到去除噪声将混合在强背景噪声中的微弱信号检测出来的目的。
关键词:微弱信号检测;数字锁相放大器;LabVIEW1、引言本论文是研究如何从强噪声中提取有用的微弱信号,研究微弱信号检测的理论、探索新方法和新技术,从而将其应用于各个学科领域当中。
研究噪声中微弱信号检测的原理和方法,是测量技术中的综合技术和尖端领域。
运用微弱信号检测技术可以测量到传统观念认为不能测量的微弱信号,如弱光、小位移、微震动、微温差、小电容、弱磁、弱声、微电导、微电流等,使微弱信号测量精度得到很大的提高[1]。
2、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器的基本原理锁相放大器技术是微弱信号检测的一种有效手段,它具有中心频率稳定,通频带窄,品质因数高等优点[2]。
LabVIEW是美国国家仪器公司(National Instrument,简称NI公司)推出的一门图形化编程语言,同时也是著名的虚拟仪器开发平台[3]。
为了提高性价比,利用美国国家仪器公司的软件LabVIEW开发出抗干扰能力强、性能可靠的锁相放大器[4],数字锁相放大器利用信号的相关性和噪声的随机性的特点,应用相关检测方法通过运算,去除噪声,检测出微弱信号。
本论文采用的是基于LabVIEW的虚拟仪器设计的数字锁相放大器来对微弱信号进行分析和处理。
3、基于LabVIEW平台的数字锁相放大器设计根据数字锁相放大器互相关原理设计的基于LabVIEW平台的数字锁相放大器程序框图如图4.1所示。
数字锁相放大器的前面板如图4.2所示:数字锁相放大器的前面板的设计尽量符合真实仪器的效果。
基于锁相放大器的微弱信号检测教学实验平台设计
e x p e r i me n t o f mi c r o i mp e d a n c e ,t h e e x p e r i me n t o f s e l f - t r a c k i n g n a r r o w- b a n d f i l t e r ,a n d t h e me a s u r e me n t e x p e r i me n t o f r e s i s t a n c e t h e r ma l n o i s e . Du r i n g t h e t e a c h i n g p r o c e s s ,i t c a n h e l p t h e s t u d e n t s t o b e f a mi l i a r wi t h a n d ma s t e r t h e t e c h n o l o g y o f t h e l o c k - i n a mp l i f i e r a n d t h e p r i n c i p l e o f we a k s i g n a l d e t e c t i o n . Th i s
: !
CN1 1 2 0 3 4 / T
实
验
技
术
与
管
理
第 3 4卷
第 2期
2 0 a l Te c h n o l o g y a n d Ma na g e me nt
Vo 1 . 3 4 No . 2 Fe b .2 O 1 7
中图分类号 : TN9 1 1 . 2 3 ; 04 8 4 文 献标 识 码 :A 文 章 编 号 :1 0 0 2 — 4 9 5 6 ( 2 0 1 7 ) 2 - 0 0 8 8 — 0 5
微弱信号检测锁定放大器的设计
微弱信号检测锁定放大器的设计李光林;蔡坤良;李凯;赵凯;熊辉【摘要】介绍了一种锁定放大器的设计方案,可应用于微弱信号检测。
该系统主要包括交流放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器、直流放大器及液晶显示等几个部分。
其中交流放大器以INA128为主要构成部件,实现交流信号的放大从而作为带通滤波器的输入;带通滤波器用UAF42构成,实现对900Hz到1100Hz频带范围的滤波;相敏检波器的主要部件采用乘法器MPY634,得到的信号经低通滤波器、直流放大器后输入显示电路,显示出被测信号的幅度及有效值。
本设计功耗小、对无源元件误差灵敏度低、高增益放大,对抑制噪声,获得信号的恢复具有重要意义。
【期刊名称】《电子世界》【年(卷),期】2015(000)023【总页数】3页(P164-166)【关键词】锁定放大;相敏检波;直流放大;MPY634【作者】李光林;蔡坤良;李凯;赵凯;熊辉【作者单位】辽宁工业大学电子与信息工程学院;辽宁工业大学电子与信息工程学院;辽宁工业大学电子与信息工程学院;辽宁工业大学电子与信息工程学院;辽宁工业大学电子与信息工程学院【正文语种】中文随着科学技术的发展,被噪声掩盖的各种微弱信号的检测越来越受到人们的重视,因而逐渐形成微弱信号检测这门新兴的分支技术学科,探索新的微弱信号检测方法,研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。
将有用信号从强背景噪声下检测出来的关键是设法抑制噪声,降低噪声的基本方法是设计锁定放大电路,利用相关检测技术,基于互相关原理,使输入待测的微弱周期信号与频率相同的参考信号在相关器的非相关噪声中的微弱有用信号检测出来。
本设计实现了以相关器(乘法器和低通滤波器)为核心,通过自相关运算,使输出信噪比达到最大,实现微弱信号检测的目的。
锁定放大器的总体方案如图1所示,主要由信号通道、参考通道、相关器组成,其中相关器是核心部分。
信号通道是相关器前的一部分,由低噪声前置放大器,有源滤波器等部分组成。
iData_用于微弱信号检测的锁定放大器设计_褚凯乐
图 6 x(t)和 r(t)均为正弦波时的相敏特性
当被测输入 x(t)和参考输入 r(t)同频率时,根据式(5),可以画出图 6 所示的相敏特性曲线。 当 θ=
0o 时,uo(θ)=0.5VsVr 为其最大值。
当信号输入含宽带噪声,为方波。 此时的被测调制信号可以表示为
x(t)=Vscos(ωot+θ)+n(t)
参考文献:
[1]高普占. 微弱信号检测[M]. 北京:清华大学出版社, 2011. [2]王颖倩,锁相环全同步视频检波技术[J].孝感学院学报, 2001. [3]贾立新,王涌. 电子系统设计与实践[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007. [4]童诗白,华成英. 模拟电子技术基础[M]. 北京 :高等教育出版社, 2001.
(12)
n(t)为宽带噪声,r(t)表示为
∞
Σ r(t)= 4Vr
π
n=1
=
(-1)n+1 2n-1
cos(2n-1)ωot
(13)
up(t)=x(t)r(t)=
∞
Σ 2VsVr
π
n=1
(-1)n+1 2n-1
cos[(2n-2)ωot-θ]+
(14)
36
宁波工程学院学报
2014 年第 2 期
∞
Σ 2VsVr
(15)
得出的计算量为
∞
Σ uan(t)=Vncos(ωnt+φ)·4πVr
n=1
(-1)n+1 2n-1
cos(2n-1)ωot
∞
Σ = 2VrVn
π
n=1
(-1)n+1 2n-1
cos[(ωn+(2n-1)ωo)t+φ]+
基于锁定放大的微弱激光回波信号探测系统
关 键 词 :微 弱 信 号 检 测 ; 锁 定 放 大 ;带 通 滤 波 ; 相 敏 检 波
中图 分 类 号 :TN 9 1 1 . 7 4 文 献 标 识 码 :A 国 家标 准 学 科 分 类代 码 :5 l 0 . 4 0 1 0
S c i e n c e 8 L Te c h n o l o g y Un i v e r s i t y.Be i j i n g 1 0 01 9 2,Ch i n a )
Ab s t r ac t : Th e c o r e p r o bl e m of we a k s i g na l d e t e c t i o n i s n oi s e pr o c e s s i ng .I n o r d e r t o d e t e c t t h e we a k l a s e r e c ho s i g na l d e e pl y b ur i e d i n t he n oi s e, a we a k s i g na l de t e c t i on s ys t e m b as e d on l o c k — i n a m pl i f i e r i s pr o pos e d. We a k l a s e r e c h o s i g na l
Zh a o Zi r e n Lv Yong Ni u Chu nhu i
( S c h o o l o f l n s t r u me n t a t i o n S c i e n c e 8 L O p t o e l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g . B e i j i n g I n f o r ma t i o n
基于锁相放大的微弱信号检测电路前置滤波器设计
∀测控技术 # 2007 年第 26 卷第 3 期
基于锁相放大的微弱信号检测电路前置滤波器设计
肖寅东, 赵 辉, 王厚军
610054 ) ( 电子科技大学 自动化工程学院 , 四川 成都
摘要 : 针对降低前置放大器噪声的方法展开研究 。 分析了影响系统噪声的主要 因素 , 提出并详细阐述了一套前置减噪滤 波 器的设计方法 。 该方法采 用了基于锁相放大技术的微弱信号检测电路 , 取得了 明显的噪声优化 , 进一步降噪 7. 25% 。 关键词 : 锁相放大 ; 微弱信 号检测 ; 前置滤波器 中图分类号 : TN713 文献标识码 : B 文章编号 : 1000- 8829( 2007) 03- 0086- 03
Abstrac t : A m ethod to bate no ise o f preamp is discussed. T he pr i m ary no ise gene ra tion part of syste m is ana lyzed. A prefilter m ade up by inductive parts is added ahead of prea m p. T hat can effic iently reduce the no ise . A m ethod to design pre filter is deve loped and proved opti ma . l A pp ly ing th is m e thod , a better pe rfo r m ance ( 7. 25 % i m proved) is gained on the circu it for w eak signa l de tection ba sing on lo ck in a m plifier ( L I A ). It is a very i m portant to i m prove s igna l to no ise ratio( SNR ) for weak signal de tection. K ey word s : LI A; w eak s igna l de tection ; pre filter 利用锁相放大技 术进行视频微弱信号提取是指将窄带低频 信号或者通过激励方式 转化成 在低频 基带上 调幅信 号的直流、 缓变微弱信号进行前 置放大后 , 经频 谱搬移 和低通 滤波获 取信 号真实值的一 种信 号提 取方 法。该 方法 能克 服工 频干 扰的 影 响 ; 避开 1 /f 低频噪声 ; 避免直流放 大器的温度、 零点漂移 ; 抑制 噪声 , 极大地高信 噪比 [ 1] 。 因此 该技 术在 等离 子腐 蚀监 测 [ 2] 、 光纤瓦斯传感器 [ 1] 、 车辆温度测试 [ 3] 、 扫描电子 显微镜 [ 4] 、 生物 医学信号 [ 5] 等领域获得了广泛的应用。 锁相放大技术的 检测信号集中在中心频点附近的中低频窄 带通道内。由于具有这一特征 , 选择散粒噪声比较小的 JFET 作 为第一级放大器 , 构成分 立放大 环节是 常见的 做法。同时 如何 降低中心频点上的噪 声、 提高信噪比是该技术的关键问题。 根据弗里斯 ( F r iis) 定理 [ 6] , 第一 级放大 器的噪 声系数 和放 大增益很大程度上决定了系统 的噪声系数。降低电路噪声系数 的关键是减小其第一 级电路的 噪声系 数 , 同 时要提 高前级 功率 增益。 针对锁相放大技 术的特点 , 本设 计采用 前置降 噪滤波 器有 效降低第一级放大器的等效输 入噪声 , 提高整个系统的信噪比。 前置滤波器设计的最优化问题 是提升系统噪声性能的关键。在 深入分析罗斯 ( R othe) 等人提出的 E n - In 噪声模型 [ 7] ( 见图 1) 后 , 将放大器内部噪声源用两个等效噪声源表示 , 构建滤波器模
基于锁相放大的微弱信号检测电路研究
2 0 1 4年第 2期
第 9 卷第 2期
总第 3 1 期
基 于 锁 相 放大 的微 弱信 号 检 测 电路研 究
张华华 ,刘永 来,曾祥 建
( 武昌理5 - 学院 ,湖北 武汉 4 3 0 2 2 3)
摘
要 :锁相放 大器 ( 1 o c k — i n a mp l i i f e r )运 用互相 关性原理 ,参考干扰信号与被 测信号 的互相 关性 ,从 比被测
波器所 能够 达 到的Q 值 大约在 1 0 0左 右 , 这是 由于组 成 滤 波器 的元件 的精确 度 和稳 定 性是 有 限 的 ,太 高 的Q 值 电路 往 往是不 稳定 的 ,在制作 上是 很 困难 的。
应用 。锁定放大器利用信号的周期性 和噪声的随机 性 的差别 ,通过互相关运算 ,相 同频率并且相 同相 位 的信号可 以顺利通过 ,相同频率但是不同相位 的 信号 ,会有很大 的衰减作用 ,从而能比被测信号强 l O O d B 的干扰信 号中几乎准确无误地检测 出 目的信 号。锁相放大器相当于高Q 值带通滤波器 , 等效带通
可 以准确 的测出 目的信号的幅度和相位 。为了更加
将被测信号和参考信号 ( 方波 ) 进行乘法运算 , 方波通过傅里 叶展开为R ( c ) ,相乘后得 ̄ J l u ( t ) ,u ( f ) 包
括相乘信号的和频与差频信号。由于被测信号和参 考信号频率相同 ,其中差频信号会有为直流信号。 而和频信号和其他的差频信号通过后面的低通滤波
器 滤 除 , 只 剩 下 直 流 信 号 , 输 出 为
Vp… :
丌
。
精确的测量被噪声所掩埋的 目的信号 ,应该将带通 滤 波 器 的频 带宽 度 变 的更 加 窄 。如果 将 频 带宽 度 缩
基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计作者:蒋碧波杨振国杨越来源:《科技经济市场》2017年第04期摘要:文章设计了一种基于锁定放大器的微弱信号检测系统,该系统以相敏检波器和单片机为核心,结合加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。
测试表明,该系统可以有效地用于噪声淹没的微弱信号检测。
关键词:微弱信号;强噪声;相敏检波0.概述微弱信号检测技术综合利用电子、信息学、计算机技术和物理学方法,研究导致噪声的原因和规律,以及被测信号的相关性,将被噪声淹没的微弱有用信号检测出来。
相较于生物芯片扫描法中扫描时间与检测灵敏度难以兼顾的缺点和微弱振动信号的谐波小波频域提取法的局限性来说,以锁定放大器为核心的微弱信号检测系统更有潜力。
用调制器将直流或渐变信号进行交流放大,可以避免噪声的不利影响;利用相敏检测器检测频率和相位,利用窄带低通滤波器来抑制高频噪声,大大提高了稳定性,这些优点使得该项技术具有更加广阔的应用前景。
1.锁定放大器的原理锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成。
其基本思想是将与被测信号相同频率和相位关系的参考信号作为基准信号,使得只有与被测信号本身以及与参考信号同频和同相的噪声分量有响应,其他频率的噪声被抑制,从而能提取出有用信号。
若增加辅助前置放大器,锁相放大器增益可达220dB,能检测极微弱交流输入信号。
锁定放大器输出为直流电压信号,且正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。
与一般的带通放大器不同,锁相放大器具有极强的抗噪声能力。
系统的核心相敏检波器(PSD)的本质功能是对两个信号之间的相位进行检波,只有当同频同相信号输入时,为全波整流且输出最大。
2.系统总体设计本系统总体框图如图1所示,系统由接收信号预处理通道、参考信号预处理通道、相关器及输出电路组成,其中核心部件相关器,它包括开关乘法器和RC低通滤波器;其中加法器由同相放大电路构成,实现噪声与待测信号相加,使得信号淹没在噪声环境中,然后经过衰减器衰减约100倍,模拟接收方收到的信号,并送入以相敏检波器为核心的微弱信号检测电路。
用于微弱信号检测的新型锁定放大器设计
现输入和参考信号的倍乘. 所以,数字锁定放大
器成本高、面积大、重量大,不适于便携式传感器
系统. [3]在低功耗便携式应用的主流背景下,采
图 1 为传统的锁定放大器结构[5],输入信号
首先被放大,通过带通滤波器滤除边缘噪声,输
出 乘
信,最号后V经O2
与 过
参 一
考 个
信 低
号 通
滤 波VREF
电路 2 种,因此锁定放大器也被分为数字锁定放 1 锁定放大器的基本原理
大器和模拟锁定放大器 2 类. 数字锁定放大器具
有很好的灵活性、鲁棒性和较高的动态储备,但
是首先需要把输入的模拟信号通过高精度的模
数转换器( ,简称 ) Analog to Digital Converter
ADC
转换成数字信号,然后通过复杂的数字乘法器实
2)没有校准或校准繁琐,在电源开启和系统运行
图 1 传统的锁定放大器结构
收 稿 日 期 :2017 12 12 第一作者简介:戴澜,副教授. 研究方向:微弱信号检测、混合集成电路设计.
第 5 期 戴 澜等:用于微弱信号检测的新型锁定放大器设计
53
转换为直流,因而才能通过低通滤波器. 其他频 入信号同频同相功能,整个系统进行自校准,提
信号和参考信号之间的相位进行检波,当两个信 率发生变化,系统就需要添加额外的校准,或是
号同频同相时,输出一个同输入信号成正比的直 重新设计一些内部模块,不便于实际操作. 为了
流信号[2],这样就达到了把输入小信号从噪声中 解决上述问题,本文提出了一种新型的全模拟锁
提取出来的目的.
定放大器.
相敏检波器的实现方式有数字电路和模拟
关键词 锁定放大器;反馈技术;微弱信号;相位自校准;频率调谐 分类号 TN911. 8
用于微弱信号检测的锁定放大器的设计与实现
用于微弱信号检测的锁定放大器的设计与实现锁定放大器(lock-in amplifier)是一种用于微弱信号检测和信号处理的专用放大器。
锁定放大器的设计与实现需要考虑各种因素,包括放大器的噪声性能、放大器的频率响应和相位响应以及锁定放大器的操作原理。
本文将介绍锁定放大器的设计与实现,包括放大器的电路设计、噪声分析和性能评估。
1.锁定放大器的操作原理锁定放大器的基本原理是通过参考信号将待测信号与参考信号进行相乘,并将结果通过低通滤波器进行滤波,得到待测信号的幅值和相位信息。
锁定放大器的核心部分由乘法器、低通滤波器和反馈回路组成。
参考信号主要用来抑制噪声,增加信号与干扰的信噪比。
2.放大器的电路设计锁定放大器的电路设计需要考虑放大器的噪声性能和频率响应。
放大器的噪声性能可以通过选择合适的器件和电路结构来优化。
常见的放大器电路设计包括差动放大器、运算放大器、宽带放大器等。
放大器的频率响应应根据待测信号的频率范围来选择。
3.噪声分析噪声是锁定放大器中一个重要的性能指标,噪声可以从各个器件的噪声源和噪声系数来分析。
常见的噪声源包括热噪声、亚热噪声、1/f噪声等。
为了降低噪声,可以采用低噪声器件、合理的电路设计和滤波技术等。
4.性能评估性能评估包括增益、相位补偿、输入输出阻抗和频率响应。
增益是指待测信号经过放大器放大后的幅度变化,一般以分贝(dB)表示。
相位补偿是指待测信号经过放大器后的相位偏移,一般用相位差来表示。
输入输出阻抗是指放大器的输入阻抗和输出阻抗,一般要尽量匹配待测信号源或负载的阻抗。
频率响应是指放大器的对不同频率信号的放大程度,一般以频率响应曲线来表示。
5.实现与优化锁定放大器的实现与优化可以通过选择合适的器件、优化电路结构和滤波器设计来完成。
选择合适的器件可以在一定程度上提高放大器的性能指标,比如选择低噪声放大器可以降低噪声;优化电路结构可以提高放大器的增益和相位补偿性能;滤波器设计可以提高锁定放大器的频率响应。
基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统
基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统蔡满军;于彬;赵晓东【摘要】在工业现场利用应变传感器进行形变测量时,被测物在小负荷作用下使得传感器输出的应变信号十分微弱.微弱信号有时甚至会被现场的强噪声信号完全淹没,这时提取有效的微弱信号将变得非常困难.针对这种实际问题,应用相关检测法设计了基于正交锁相放大器的微弱应变信号检测系统.在设计中,待测微弱应变信号通过信号调理、低噪声放大和带通滤波后与严格正交的两路参考信号进行相乘.然后,将乘法器输出信号进行低通滤波得到与待测信号幅值成正比的直流信号.对直流信号经过A/D采集和计算实现微弱应变信号的检测.经过Simulink仿真、现场实验与运行,结果表明系统能有效地抑制噪声信号,准确测量出微弱的应变信号.%When using strain sensor for deformation measurement in industrial field, object tested in a small load makes the sensor output strain signal very weak.And the weak signal can be submerged by the strong noise signal then extracting the effective weak signal can become very difficult.Aiming at this practical problem, the weak strain signal detection system based on the quadrature phase lock amplifier was designed by using the correlation detection method.In the design, the tested weak strain signal after signal conditioning, lowing noise amplifier and band pass filter was multiplied by the strictly orthogonal two reference signals.And then through the low pass filter, the DC signal proportional to the amplitude of the measured signal was obtained.Finally, the system achieved the detection of weak strain signal through the A/D acquisition and calculation.Through the Simulink simulation, field experiment and operation, it shows that thesystem effectively inhibits the noise signal, accurately measures the weak strain signal.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】6页(P67-72)【关键词】正交锁相放大器;应变微弱信号;交流激励;干扰抑制【作者】蔡满军;于彬;赵晓东【作者单位】燕山大学,河北省工业计算机控制工程重点实验室,河北秦皇岛066004;燕山大学,河北省工业计算机控制工程重点实验室,河北秦皇岛 066004;燕山大学,河北省工业计算机控制工程重点实验室,河北秦皇岛 066004【正文语种】中文【中图分类】TP216随着工业自动化的普及,工业现场中各种信号干扰也随之增加。
微弱信号检测装置(国科大电子电路大作业)
目录摘要 (1)Abstract (1)第一章绪论 (2)1.1 微弱信号检测技术概述 (2)1.2 信号检测的方法及微弱信号的特点 (2)1.2.1 常规小信号的检测方法 (2)1.2.2 微弱信号的检测方法 (4)1.2.3 微弱信号的特点 (4)1.3 本文的主要工作 (5)第二章微弱信号检测装置设计方案选择与论证 (6)2.1 方案选择与论证 (6)2.1.1 系统方案的确定 (6)2.1.2移相网络设计 (9)2.2总体方案论述 (9)第三章基于锁相放大的微弱信号检测装置设计 (10)3.1 锁相放大器原理 (10)3.2 移相网络 (10)3.3 相敏检波器原理分析 (11)3.4 电路设计 (12)3.4.1加法器 (12)3.4.2纯电阻分压网络 (12)3.4.3前级放大电路模块 (13)3.4.4带通滤波器 (13)3.4.5相敏检波器 (13)第四章仿真分析与程序设计 (16)4.1 仿真分析 (16)4.1.1 输入信号波形(前置两级放大电路输入波形) (16)4.1.2 经过前置放大电路和带通滤波器后输出波形 (16)4.1.3 参考信号输入输出波形 (17)4.1.4 LM311过零比较器输出波形 (18)4.1.5 开关乘法器输出波形 (18)4.1.6 低通滤波输出波形 (19)4.2 程序设计 (20)第五章实物展示与测试方案及结果 (21)5.1 实物展示 (21)5.2 测试方案与测试结果 (21)5.2.1 测试仪器 (21)5.2.2 测试方案 (21)5.3测试结果及分析 (23)5.4 总结 (23)微弱信号检测装置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。
基于相关检测的微弱信号放大电路设计
基于相关检测的锁定放大器的设计颜涛(509100318)吴明赞(南京理工大学江苏南京 210094)摘要:相干检测技术是利用参考信号与有用信号具有相关性,而与噪声互不相关的性质,从而通过互相关系运算来削弱噪声,达到提高信噪比的1种微弱信息检测技术。
相干检测技术是众多微弱信号检测技术中能够使信噪比改善最大,恢复信号原形的最佳技术。
关键词:微弱信号,相干检测,锁定放大Correlation-based detection of the design of lock-in amplifierYan Tao Wu Mingzan(School of Automation,NUST,Nanjing210094,China)Abstract:The coherent detection technology is the use of the reference signal and the useful signal has correlation with the nature of the noise unrelated to the relationship among the operations to weaken through the noise, to improve the signal to noise ratio of 1 kinds of weak information detection technology. Coherent detection technology is the large number of weak signal detection technology that can make the greatest signal to noise ratio to improve and restore the signal prototype of the best technology.Key words: weak signal, coherent detection, Lock-in Amplifier1 引言微弱信号是指深埋在背景噪声中的极其微弱的有用信号。
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基于锁定放大器的微弱信号检测系统设计
作者:蒋碧波杨振国杨越
来源:《科技经济市场》2017年第04期
摘要:文章设计了一种基于锁定放大器的微弱信号检测系统,该系统以相敏检波器和单片机为核心,结合加法器、纯电阻分压网络、微弱信号检测电路和显示电路组成。
测试表明,该系统可以有效地用于噪声淹没的微弱信号检测。
关键词:微弱信号;强噪声;相敏检波
0.概述
微弱信号检测技术综合利用电子、信息学、计算机技术和物理学方法,研究导致噪声的原因和规律,以及被测信号的相关性,将被噪声淹没的微弱有用信号检测出来。
相较于生物芯片扫描法中扫描时间与检测灵敏度难以兼顾的缺点和微弱振动信号的谐波小波频域提取法的局限性来说,以锁定放大器为核心的微弱信号检测系统更有潜力。
用调制器将直流或渐变信号进行交流放大,可以避免噪声的不利影响;利用相敏检测器检测频率和相位,利用窄带低通滤波器来抑制高频噪声,大大提高了稳定性,这些优点使得该项技术具有更加广阔的应用前景。
1.锁定放大器的原理
锁定放大器由信号通道、参考通道、相敏检波器以及输出电路组成。
其基本思想是将与被测信号相同频率和相位关系的参考信号作为基准信号,使得只有与被测信号本身以及与参考信号同频和同相的噪声分量有响应,其他频率的噪声被抑制,从而能提取出有用信号。
若增加辅助前置放大器,锁相放大器增益可达220dB,能检测极微弱交流输入信号。
锁定放大器输出为直流电压信号,且正比于输入信号幅度及被测信号与参考信号相位差。
与一般的带通放大器不同,锁相放大器具有极强的抗噪声能力。
系统的核心相敏检波器(PSD)的本质功能是对两个信号之间的相位进行检波,只有当同频同相信号输入时,为全波整流且输出最大。
2.系统总体设计
本系统总体框图如图1所示,系统由接收信号预处理通道、参考信号预处理通道、相关器及输出电路组成,其中核心部件相关器,它包括开关乘法器和RC低通滤波器;其中加法器由同相放大电路构成,实现噪声与待测信号相加,使得信号淹没在噪声环境中,然后经过衰减器
衰减约100倍,模拟接收方收到的信号,并送入以相敏检波器为核心的微弱信号检测电路。
参考信号经过移相电路和比较器,输出方波驱动开关管乘法器。
低通滤波器输出信号,经过直流信号放大后再通过单片机A/D转换,最后在显示系统显示。
3.参数选择及硬件实现
3.1前置放大电路
为了使微弱检测电路的输入阻抗大于或等于1MHz,放大倍数为96倍。
INAl28外围电路简单,输入阻抗高,并且有效抑制共模干扰,因此采用两片INAl28运放级联实现。
根据
INAl28运放放大倍数公式,第一级为同相放大电路,选择R G=10KΩ,放大倍数为6倍;第二级选择R G=3.3KΩ,放大倍数为16倍。
仿真结果图如图2所示。
3.2带通滤波器
利用低通、高通滤波器的串联,得到频率范围为900hz-1100hz的带通滤波器。
电路原理图及参数如图3所示。
3.3相敏检波器
如图4所示,带通滤波器的输出同时经过同相和反相跟随器后,输入到开关乘法器
CD4053;然后另一路将参考电源先经过移相网络,接着滤掉直流,然后经过用LM311构成的单限过零比较器,得到方波去驱动CD4053。
3.4低通滤波器
CD4053的输出最后经过由0PA4277构成的可调低通滤波器,该滤波器的R=IMHz,
C=luF,算出截止频率为1Hz,能够达到滤波的效果,具体电路为图5。
3.5直流放大电路
由运放构成直流放大电路,且放大倍数B=l+R2/R1,设定放大10倍,选择RI=2KΩ,
R2=18KΩ即可。
3.6触发整形部分
利用LM324运放设计过零比较器。
设定同相端参考电压为OV,将输入的信号与参考电压进行比较,当输入信号电压大于参考电压时,输出低电平;反之,输出高电平。
3.7移相器
移相原理图如图7所示,其传递函数推导如下:实际中选取RI=R2=R3=2KO。
4.程序设计
本设计使用TI指定单片机模块Launchpad完成,该单片机主要是将最后的可调低通滤波器的输出进行A/D采样。
为了提高测量精度,除了采用多次A/D取平均以外,还使用加权平均和曲线拟合;对于每次测量值乘以加权系数0.8加上前次采样值乘以权值0.2作为本次测量的结果,利用多次测量的结果按方程进行曲线拟合得到标定系数a和b。
最终根据得到的标定系数结合加权平均的结果计算出最终的测量值,送到液晶显示,流程图为图8所示。
6.结束语
微弱信号检测的原理和技术成熟,但设备比较复杂和昂贵。
基于锁定放大器的检测系统成本低,具有广阔的应用前景。
本系统将淹没在强噪声中的微弱正弦信号作为锁定放大器的输入信号,锁定放大器的输出恢复出正弦信号作为信号调理电路的输入信号源,对采集的数据做FFY分析,结果SNR、SFRD都符合理论计算的要求。
实验结果表明,该系统能有效检测预定带宽内微弱信号,具有一定的应用价值。