《微弱信号检测技术》教学大纲
微弱信号检测-1
干扰噪声及其抑制技术 在干扰频率1MHz，干扰源电压5V， 在干扰频率1MHz，干扰源电压5V，寄生电容 1MHz 5V 0.01pF的情况下 干扰输入电压为31.4mV 的情况下， 31.4mV。 0.01pF的情况下，干扰输入电压为31.4mV。 3.14V 100倍 100倍
电场耦合 对放大器的干扰
干扰噪声及其抑制技术 4、磁场耦合干扰的抑制
（a）双绞线相邻结产生的感应电动势相互抵消 ）
（b）利用大面积的地线减少互感 ）
（c）减小干扰源 di /dt ）
干扰噪声及其抑制技术 高导磁材料
图11 利用铁磁物质屏蔽抑制磁场干扰 (a)屏蔽干扰源； 屏蔽干扰源； (b)屏蔽敏感电路 屏蔽干扰源 屏蔽敏感电路
d v = - ∫ B.dA dt A
干扰噪声及其抑制技术 3、经互感耦合
电磁耦合 示意图 等效电路图
互感 干扰电压
干扰源电流
U nc = j ω MI n
干扰噪声及其抑制技术 互感耦合对交流电桥的干扰
在干扰频率10kHz， 在干扰频率10kHz， 10kHz 干扰源电流10mA 10mA， 干扰源电流10mA，互 0.1µH的情况下， 感0.1 H的情况下， 干扰电压为62.8 62.8µV 干扰电压为62.8 V。
干扰噪声及其抑制技术
第一讲 干扰噪声及其抑制技术
工业现场干扰会造成检测电路失去测量精度甚至测量结 果失常。本章讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰 果失常。本章讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰 干扰类型 以及 抑制方法。 抑制方法。 把那些不需要的电压和电流， 把那些不需要的电压和电流，并在一定条件下形成危害电 路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声” ），称为 路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声”， 或者“干扰” 或者“干扰”。 通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声” 通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声”这 个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时， 个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时，多使用 干扰”这个词。 “干扰”这个词。 我们把设备或系统中除去有用信号以外的所有电磁信号称 为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果， ）。由电磁噪声引发不期望得到的结果 为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果， 称为电磁干扰（简称干扰）。 称为电磁干扰（简称干扰）。 噪声是原因，干扰是后果。 噪声是原因，干扰是后果。
CH15微弱信号检测传感器与检测技术第2版胡向东授课教案
第15章 微弱信号检测（知识点）知识点1 概述微弱信号是相对背景噪声而言，其信号幅度的绝对值很小、信噪比很低（远小于1）的一类信号。
微弱信号检测的任务是采用电子学、信息论、计算机及物理学、数学的方法，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，对被噪声淹没的微弱有用信号进行提取和测量。
微弱信号检测的目的是从噪声中提取出有用信号，或用一些新技术和新方法来提高检测系统输入输出信号的信噪比。
知识点2 噪声噪声是影响微弱信号检测结果的重要因素，在微弱信号检测中，如果能够有效地克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。
噪声无处不在，而且总是与信号共存，在进行微弱信号检测时，应首先设法尽量抑制噪声，然后再提取出噪声中的有用信号。
噪声是对有用信号的某种不期望的扰动，包括非被测信号或非测量系统所引起的噪声和来自于被测对象、传感器、测量系统内部的噪声两种情况。
前者可能是来自于自然界的宇宙射线、电磁干扰或人为引起的开关电火花、较强的广播信号、市电的干扰等，这些外界干扰的影响通过适当的屏蔽措施是可以减小或消除的；后者是由组成电路的器件材料的物理性质及温度等引起电荷载流子不规则运动而产生的自然扰动，是存在于电路内部的一种固有的扰动信号，这些噪声是随机的，不能精确预见，也不能彻底排除，只能设法减少或控制。
噪声是一种连续型随机变量，在不同时刻可能出现不同的噪声值。
因此，对噪声的度量要分析噪声的统计特征。
（1）噪声的概率分布噪声电压在t 时刻的大小，只能通过概率分布密度函数()p n 表示，()p n 表示噪声电压在t 时刻取值为n 的概率。
知道()p n 后，就可以知道t 时刻噪声电压取值在1n 与2n 之间的概率。
()()2112n n P n n n p n dn <<=⎰ （15.1）表征随机过程特征的统计特征量为数学期望和方差。
①数学期望[]()E n np n dn ∞-∞=⎰ （15.2）②方差[][]()()[]222D n nE n p n dn E nE n ∞-∞⎡⎤=-=-⎣⎦⎰（15.3） 电路处于稳定状态时，噪声的数学期望和方差一般不再随时间变化。
《微弱信号检测》教学大纲
《微弱信号检测技术与应用》教学大纲课程名称：微弱信号检测技术与应用 Weak Signal Detection Technology and application 课程编码：036002学分：3分总学时：48学时理论学时：40学时实验学时：8学时适应专业：测控技术与仪器本科专业先修课程：电路分析基础、数字电子技术、模拟电子技术、单片机与嵌入式系统执笔人：孙士平审订人：熊晓东一、课程的性质、目的与任务本课程从应用角度出发介绍微弱信号检测的理论、方法和仪器，是测控技术与仪器本科专业的选修课。
本课程使学生了解微弱信号检测技术的发展历程、发展方向和微弱信号检测技术的运用领域，使学生理解微弱信号检测仪器的工作原理，使学生掌握微弱信号及其相关的基本概念以及微弱信号检测的一般方法。
二、教学内容、基本要求与学时分配第一章绪论主要内容：1、噪声、干扰与微弱信号的概念2、微弱信号检测的意义、发展历程和发展方向3、微弱信号检测的基本方法基本要求：了解微弱信号检测技术的发展历程和发展方向理解噪声、干扰与微弱信号的基本概念初步掌握微弱信号检测的基本方法学时分配： 4学时第二章噪声、低噪声前置放大和屏蔽接地技术主要内容：1、噪声概述⑴与噪声相关的的几个基本概念噪声与干扰噪声的统计特性随机噪声的功率谱密度及相关函数放大器或线性网络的噪声带宽信噪比、信噪改善比与噪声系数⑵电子元器件的噪声2、低噪声前置放大技术⑴低噪声前置放大器的等效噪声模型⑵低噪声前置放大器的设计3、微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术基本要求：了解电子元器件噪声的产生机理；了解低噪声前置放大器的设计方法；了解系统的屏蔽与接地技术。
理解与噪声相关的几个基本概念。
掌握低噪声前置放大器的等效噪声模型。
学时分配： 4 学时第三章周期性微弱信号检测方法主要内容：1、同步积分器2、门积分器3、旋转电容滤波器4、相关器5、数字式相关器6、数字式信号平均器基本要求：了解同步积分器、门积分器、旋转电容滤波器、模拟相关器的数学推导方法。
030242006-微弱信号检测技术-刘晓阳
《弱信号检测技术》课程教学大纲课程代码：030242006课程英文名称：Weak signal detection课程总学时：24 讲课：24实验：0 上机：0适用专业：测控技术与仪器大纲编写（修订）时间：2011.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标微弱信号检测是将淹没在强背景噪声下的微弱信号，通过有效的检测手段，抑制强背景噪声，从而获得信号的恢复是本课程的主要内容。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1、基本知识：要求学生掌握本专业的专业基础知识和专业课知识。
2、基本理论和方法：通过本课程的教学，使学生对“微弱信号检测”主要应用对象及主要实施方法有所了解，在掌握其基本原理的基础上并能完成较简单的微弱信号检测系统的设计。
（三）实施说明由于学时的关系，本课程着重在于扩大学生的知识面，使学生对这一新兴技术分支能有较深入的了解，以便进一步深造。
（四）对先修课的要求1．模拟电子技术（A）(含高频部分)；2．信号与系统；3. 随机信号分析；（五）对习题课、实验环节的要求要求学生掌握BOXCAR积分器的使用方法，可求出SINR，会调整LIA的参数。
（六）课程考核方式1.考核方式：考查。
2.考核目标：考查学生是否理解微弱信号检测的基本原理及主要应用。
3.成绩构成：本课程的总成绩由三部分组成：平时成绩（包括作业、提问、出勤情况等）30%；开卷考试成绩70%。
（七）参考书目:1.《微弱信号检测（第2版）》曾庆勇浙江大学出版社2.《微弱信号检测》戴逸松吉林工业大学出版3.《微弱信号检测》高晋占清华大学出版社二、中文摘要本课程从应用角度出发介绍微弱信号检测的理论、方法和仪器，是测控技术与仪器本科专业的选修课。
该课程帮助学生了解微弱信号检测技术的发展历程和发展方向，了解微弱信号检测技术的运用领域；帮助学生理解微弱信号检测仪器的工作原理；帮助学生掌握微弱信号及其相关的基本概念，掌握微弱信号检测的一般方法。
三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第01部分绪论总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）微弱信号检测的目的与意义2）噪声的基本性质3）噪声的统计特性4）器件噪声举例5）微弱信号检测方法概述重点:1）噪声的定义、种类、度量、电子噪声2）电阻、二极管、三极管的噪声3）弱信号检测的基本方法难点:1）噪声的定义、种类、度量、电子噪声2）电阻、二极管、三极管的噪声第02部分噪声与低噪声测试系统的设计总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0具体内容:1）噪声系数、噪声因子和其他噪声度量参量2）低噪声前置放大器3）低噪声放大器匹配网络与变压器特性重点:1）噪声系数、噪声因子、放大器NF值的测量、NF图2）设计原则，最佳输入电阻难点:1）噪声系数、噪声因子、放大器NF值的测量、NF图2)理想变压器作匹配时的SNIR第03部分同步相关检测-锁定放大器的工作原理总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0具体内容:1）滤波器2）选频检测的局限性与相干检测3）相敏检波器电路4）非周期移相器5）锁相放大器及其主要性能指标6）锁相放大器的使用与应用7）提高锁相放大器性能的一些技术重点:1）有源LPF、HPF、BPF2）相干检测3）掌握相敏检波器的基本电路4）移相环工作原理5）典型的锁相放大器6）锁相放大器的使用7）PCM技术难点:1）相干检测2）移相环工作原理3）典型的锁相放大器第04部分取样与取样积分原理总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0 具体内容:1）根号M法则与抽样定理2）取样积分器3）参数图解选择法4）取样积分器性能的一些重大改进5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器8）BOXCAR与数字平均器应用举例重点:1）根号M法则、抽样定理2）门积分器、BOXCAR的工作模式3）参数图解选择法4）快速取样、基线取样5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器原理、工作流程难点:1）根号M法则、抽样定理2）门积分器、BOXCAR的工作模式3）参数图解选择法4）快速取样、基线取样5）BOXCAR信噪比改善的数学讨论6）数字平均器的特点及工作模式7）数字多点平均器原理、工作流程第05部分光子计数技术总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:1）光子计数器的原理概述2）光子计数器中的光电倍增管3）放大器-鉴别器4）光子计数器的测量方法5）模拟输出的光子计数器6）光子计数器中的脉冲堆积效应重点:放大器-鉴别器、光子计数器的测量方法难点:模拟输出的光子计数器第06部分总结与考试总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容：应用实例总结、综合复习与考试。
第一部份 微弱信号检测-基础PPT课件
微弱信号检测—基础
实例一、深空探测
微弱信号检测—基础
实例二、生命探测仪
生命探测仪是借着感应人体 所发出超低频电波产生之电场(由 心脏产生)来找到"活人"的位置。 配备特殊电波过滤器可将其它动 物，诸如狗、猫、牛、马、猪等 不同于人类的频率加以过滤去除， 使生命探测仪只会感应到人类所 发出的频率产生之电场。
微弱信号检测—基础
第1节 微弱信号检测绪论
1.1 微弱信号检测概述 1.2 课程内容安排及要求 1.3 常规小信号检测方法 1.4 微弱信号检测的基本方法 1.5 微弱信号检测的应用成效
微弱信号检测—基础
1.1 微弱信号检测方法概述
(1) 当今科学技术的进步对测量技术提出了更高的要求。 极端条件下的测量，是当今科学技术的前沿课题。
微弱信号检测—基础
1.1 微弱信号检测方法概述
(5) “微弱信号”的含义 2
0
y(t) 2Asin(t ) n(t) -2 0
SNRV S / N A /
5
A 1
0
0.1 SNRV 10
-5
0
1.0 SNRV 1
50
10 SNRV 0.1
0
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
微弱信号检测—基础
1.2 课程内容安排及要求
（1）课程内容和学时分配
微弱信号检测 （36学时）
课堂讲授 （24学时）
实验 （9学时）
研讨课 （3学时）
基础理论 （12学时）
检测方法 （9学时）
案例教学 （3学时）
《微弱信号检测技术》教学大纲
《微弱信号检测技术》教学大纲为桂林电子科技大学研究生课程的教学大纲《微弱信号检测技术》教学大纲课程类别：专业任选课课程代码：XZ8269总学时：48学时学分：3适用专业：电子信息科学与技术先修课程：高等数学、模拟电子技术、信号与系统分析、高频电子线路、电子测量与仪器一、课程的地位、性质和任务本课程是电子信息科学与技术专业的专业限选课，其涵盖的内容是电子信息科学与技术专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。
其任务是：通过本课程的学习，使学生掌握有关噪声的概念及低噪声设计方面的基本知识和基本方法，并具有初步的电磁兼容方面的知识与基本的技能，为毕业后从电子系统的设计打下基础。
本课程的主要内容包括：噪声与低噪声测试系统的设计、屏蔽与接地技术、锁定放大器的工作原理、取样与取样积分原理、相关检测、自适应噪声抵消等。
二、课程教学的基本要求要求学生掌握微弱信号的概念、噪声信号的数学分析方法、电子系统噪声的来源、锁定放大器的工作原理、屏蔽与接地技术，了解电磁兼容的概念及相关技术、取样与取样积分原理，一般了解相关检测和自适应噪声抵消。
三、理论教学内容与学时分配1．噪声与低噪声设计（10学时）噪声的基本概念；电阻的热噪声和过剩噪声；半导体器件的噪声特性；低噪声放大器设计；微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术；电磁兼容的基本概念及基本方法。
2．锁定放大器的工作原理（16学时）相关函数和相关检测；锁定放大器概述；锁定放大器中的相关器；锁定放大器中的同步积分器；旋转电容滤波器；几种典型的锁定放大器；锁定放大器的动态范围及动态协调；锁定放大器的应用。
3．取样与取样积分原理（10学时）取样的物理过程；取样定理；实时取样与变换取样的基本概念；取样积分器原理和工作方式；门积分器的原理分析；几种典型的取样积分器；取样积分器的参数选择及应用；多点信号平均及其发展。
4．相关检测（6学时）概述；相关函数的实际运算及误差分析；相关函数算法及实现；相关函数的峰点跟踪；相关检测的应用。
第十一章-微弱信号检测技术
锁相放大器的工作过程
I 随时间缓变的信号
经过调制
λ(t)
I
信号恢复
输出信号 （与信号幅度成 λ(t) 正比，与相对相 位有关）
ωm
送入锁相放大器
信号输入
Lock-in
参考信号
ωm
互相关函数
两个具有确定频率和相位的周期性信号，它们的相关特
性可以用互相关函数来表达：
lim R12 ( ) T
1 2T
模拟锁相放大器
数字锁相放大器
锁相放大器
2. 锁定放大器抑制噪声的基本出发点
( 1 )用调制器将直流或慢变信号的频谱迁移到调制频率处,再进行放 大, 以避开1/f 噪声的不利影响； ( 2 )利用相关器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声
与信号同频又同相的概率很小； （3）利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，
1.锁相放大器概述
自从1962年，美国EG&G PARC公司制作了第一台锁相放大器(LIA)的 后，微弱信号检测技术得到了突破性的发展。后来又出现了模拟锁相放 大器(ALIA) 和数字锁相放大器(DLIA) 。对于数字锁相放大器而言，又 出现基于单片机的DLIA 和基于专用DSP的DLIA 。还有基于PC的系统级 模块化DLIA ，这种锁相的算法是采用C，C++等语言实现的。由于整个 系统运行在PC平台上，所以可以使用各种仿真软件对算法进行研究。
通常把由于材料或器件的物理原因产生的扰动称为噪 声。
把来自外部的原因的扰动称为干扰，有一定的规律性， 可以减少或消除。
锁相放大器要解决的就是如何在很强的外部干扰环境 中检测弱信号。
通常干扰是可以减少或消除的外部扰动，而由于材料 或器件的物理原因产生的噪声则很难消除。
微弱信号检测教学
目录
• 微弱信号检测概述 • 微弱信号检测的基本原理 • 微弱信号检测的常用方法 • 微弱信号检测的实验操作
目录
• 微弱信号检测的案例分析 • 微弱信号检测的未来发展与挑战
01
微弱信号检测概述
定义与特点
定义
微弱信号检测是指对幅度较低、容易 被噪声淹没的信号进行提取、测量和 分析的过程。
信号放大
信号放大
通过放大器将微弱信号放大，使其更容易被检测和处理。常用的放大器类型包括电压放大器和电流放大器。
放大器选择
选择合适的放大器是关键，需要考虑放大倍数、带宽、输入噪声、线性范围等因素。
噪声抑制
噪声来源
噪声是影响微弱信号检测的重要因素 ，主要来源于环境、电路和器件本身 。
噪声抑制方法
采用滤波器、消噪电路、数字信号处 理等技术抑制噪声，提高信噪比。
ABCD
数据特征提取
从处理后的数据中提取有用的特征，如幅度、频 率等。
结果评估与优化
根据分析结果，评估微弱信号检测的效果，优化 实验参数和方法，提高检测精度和可靠性。
05
微弱信号检测的案例分析
案例一：生物电信号的检测
总结词
生物电信号是生物体内产生的微弱电流信号，检测这些 信号对于了解生物生理状态和疾病诊断具有重要意义。
信号滤波
滤波器类型
根据信号特性和需求选择合适的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和陷波滤波器等。
滤波器设计
根据信号频谱和噪声频谱设计滤波器，以保留有用信号并抑制噪声。
相关检测
相关检测原理
相关检测是一种利用信号自相关或互相关特性进行检测的方法，可以有效抑制噪声和干 扰。
相关检测应用
《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》
S/N << 1 －－微弱信号（微弱光电信号）
整理ppt
3
微弱信号检测定义：利用电子学、信息论 和物理学的方法，分析噪声产生的规律找 到抑制的方法；研究被测信号的特点和相 干性，检测被背景噪声淹没的弱信号。
微弱信号检测是测量技术中的尖端和综合 领域，可划归“低噪声电子学”。
整理ppt
4
二 . 微弱信号检测的途径
噪声是一种平稳随机信号； 噪声一般采用长周期测定其均方值(即噪声功率)的方法，通 常采用先计算噪声电压(电流)的平方值，然后将其对时间作 平均，来求噪声电压(电流)的均方值，即：
u i Un 2
lim 1 T T
T 0
2(t)d t或
n
in2
lim1 TT
T 0
2(t)dt
n
表示噪声电压(电流)消耗在1Ω电阻上的
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）。
fin A v 2(f)d f
0
V
2 so
是系统的功率增益，我们可以取中频区最大值，即
V
2 si
所以：
SNIRAv2(f0)
《微弱信号检测》PPT课件
电子器件的固有噪声
工程上常用测量综合噪声效果衡量电子器件的噪声， 不再区分具体噪声源。 图(a)所示接信号源的放大器，其 综合噪声等效电路可用图(b)表示。
(a)实际电路
(b)等效噪声电路
图 -2 连接到信号源的放大器 us—待放大信号；Rs—ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ号源电阻；unt— Rs≠0引起的热噪声； uni—折算到输入端的噪声电压；ini—折算到输入端的噪声电流
Eni：位于信号源处放大系统的等效输入噪声， 假定Eni是白噪声，其功率谱密度为常数。
SNIR
f in 可等效为：SNIR f n
Δfin为输入噪声的带宽；
Δfn为系统的等效噪声带宽。
减小系统的等效噪声带宽，可提高SNIR。
SNIR越高，系统检测微弱信号的能力越强。
使用微弱信号检测技术，SNIR可达103～105，甚 至107。
举例： A741 的输入端的噪声电压、噪声电流功 率谱密度函数Su(f)、Si(f)的曲线如下图所示 。
图-3 A741的噪声特性
3.低噪声放大器
为放大微弱信号，必然要用放大器。放大器 本身不可避免地产生噪声，对信噪比本来就比较 低的微弱信号造成进一步影响。
因此，微弱信号检测的首要问题是尽量地降
几种常见电子噪声
噪声种类 热噪声 特点 降低途径 减小输入电阻和带宽 减小平均直流电流和带宽
属于白噪声，功率 谱密度在很宽的频 散粒噪声 率范围内恒定。 属有色噪声，频率 接触噪声 增加，功率谱减小。
减小平均直流电流
微弱信号检测中要处理的绝大多数是随机噪声。
源头：电子自由运动-热噪声；越过PN结的载流子扩散和电 子空穴对的产生复合；接触噪声-导体连接处点到的随机涨落。
哈工大课件微弱信号检测1
干扰噪声及其抑制技术
一、传导耦合与公共阻抗耦合
1、传导耦合
传导耦合是经导线传导引入的干扰噪声。
例如．交流电源线会将工频电力线噪声引入到检测装 置，长信号线会把工频和射频电磁场、雷电等感应出的噪 声引入信号系统，噪声源和检测电路之间的电气连接是噪 声藕合的直接途径。
解决传导耦合的一种方法是使信号线尽量远离噪声源， 另一种方法是在干扰噪声传导到检测系统之前，采取有效 的去耦和滤波措施 。
干扰噪声及其抑制技术
2、公共阻抗耦合
共阻抗耦合 等效电路
用合电适源的内接阻引地起措的施共可阻以抗干有扰效地 克服公共阻抗耦合噪声。
干扰电压
干扰源电流
U nc InZc
共有阻抗
使一个电路的电流 在另一个电路上产 生干扰电压。
二、电源耦合
干扰噪声及其抑制技术
图3a 电源滤波器抑制射频干扰 电源干扰噪声抑制方法
通常，以干扰电量为对象进行研究时，多使用“噪声”这 个词；以干扰电量所造成的危害作用为对象进行研究时，多使用 “干扰”这个词。
我们把设备或系统中除去有用信号以外的所有电磁信号称 为电磁噪声（简称噪声）。由电磁噪声引发不期望得到的结果， 称为电磁干扰（简称干扰）。
噪声是原因，干扰是后果。
干扰噪声及其抑制技术
4、中国仪器仪表学会. 《全国微弱信号检测学 术会议论文集》
5、顾洪涛. 《特殊电量测量》， 机械工业出版 社, 2000
干扰噪声及其抑制技术
第一讲 干扰噪声及其抑制技术
工业现场干扰会造成检测电路失去测量精度甚至测量结
果失常。将讨论常见的干扰类型、干扰传输途径以及干扰抑 制方法。
把那些不需要的电压和电流，并在一定条件下形成危害电 路正常工作的电量信号（干扰电压和干扰电流），称为“噪声”， 或者“干扰”。
微弱信号检测技术79页PPT
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，弱信号检测技术
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
微弱信号检测技术 第一讲概述
• 由于窄带滤波器只让噪声功率的很小一 部分通过．而滤掉了大部分噪声功率，由 此而得到了高信噪比。
窄带滤波法特性
• 窄带滤波器可以用来作周期信号的 复现，以及持续时间较长的单次信号 的存在与否的检测。主要实现方式： 双T选频、LC调谐、晶体窄带等，但 其带宽与锁定放大器．取样积分器等 比较起来相对仍嫌宽，故一般只用在 噪声特性要求不高的场合。
微弱信号检测技术 Weak Signal Detection
Technology
第一讲 概论
1.0 微弱信号检测技术的内涵
• 1、 内容 • 微弱信号检测技术是一门新兴的技术学
科，是利用电子学、信息论和物理的方法， 分析噪声产生的原理和规律，研 究淹没在噪声背景下的被测信号的特点与 相关性，检测被测信号，得到被测信号的 特性。
• ②来自检测系统内部——常称之为“噪声”——任 何实际系统都将引入噪声——存在于电路内部的一 种固有扰动信号，它是由于组成电路的器材材料的 物理性质及温度等原因引起的电荷载流子运动发生 不规则变化而产生的。
1.2.3 外部噪声特性
• 耦合途径 电源耦合，电场耦合，磁场耦合，电磁辐射耦
合，传导耦合，共地耦合等等。
• 4、均方值
•
均方值表示随机噪声瞬时取值平方的数学期
望值，反映的是随机噪声的功率。
x2 E[x2 (t)] x2 (t) p(x)dx
x2 lim 1 T x2 (t)dt T 2T T
• 5、相关函数
• 均值、均方值和方差描述的是一维随机 变量的统计特性，不能反映不同时刻各数 值之间的相互关系。例如，随机信号x(t) 分 别在t1，t2时刻的随机取值x(t1)，x(t2) 之间的 关联程度如何？同样，两个随机信号x(t)和 y(t)数值之间的关联程度如何？这依靠相关 函数来解答。
微弱信号课件
上式经傅立叶逆变换，和的时域关系为：
举例：图示RC低通滤波器，输入为零均值高斯分布的白噪声，其功率 谱密度，求滤波器输出的功率谱密度和功率。 解：
令，则，得 说明：电路的时间常数越大，低通滤波器带宽越小，输出的功率越小。
六、放大器及线性网络的（等效）噪声带宽
微弱信号检测中，关心输出噪声功率的大小，等效噪声带宽概念方 便输出噪声功率计算。 定义：功率增益曲线对频率的积分除以功率增益曲线的最大幅度。 式中，—等效噪声带宽，—电压增益频率函数，—功率增益频率函数— 最大电压增益，—最大功率增益。 说明：
五、随机噪声通过（线性）电路系统的响应
信号检测装置中，被测信号机噪声均要通过各种电路进行处理（包 括放大器、滤波器及检波、鉴频等电路）。通过电路系统后，信号与噪 声将产生一定变化。这里主要研究随机噪声信号通过线性电路系统的计 算方法及其响应的特点。
图示线性系统中，单位冲激响应与系统函数构成傅立叶变换对： 输入与输出的关系为： 1、为确定性信号 如果输入为确定性信号，则输出也为确定性信号，此时和的傅立叶 变换和满足一下关系： 2、为随机噪声 如果输入为随机噪声，则输出也为随机噪声，随机噪声的不确定性 导致无法得到输入与输出傅立叶变换，上面关系不再有效，这时只能采 用分析统计特性的方法来确定它们之间的关系。 设和的功率谱密度函数分别为和，经理论推导，和满足以下关系：
2、随机噪声的功率谱密度：单位频带内噪声功率随频率的变化，反映 噪声功率在不同频率点上的分布情况。
信号的频域特征描述—频谱（幅度谱和相位谱）、能量谱和 功率谱。随机噪声信号不能用确定时间函数描述，只能用功 率谱描述频域特性。 噪声电压的功率为，在之间的功率为， 噪声的功率谱为： 噪声功率（即噪声电压均方值）为： 通常情况下，系统带宽受限，上面积分限改为和。 按照功率谱密度函数分类： 白噪声：很宽的频率范围内具有恒定的功率谱密度。没有严 格的白噪声，因为意味着无限大的噪声功率。热电阻噪声在 0—1013~1014Hz内具有白噪声的性质。 有色噪声： *电子器件中的噪声，，很强的低频噪声，称为低频噪声或红 噪声。 *晶体管中的噪声，，很强的高频噪声，称为高频噪声或蓝噪 声。
第八微弱信号检测讲课文档
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3．扫描式取样积分器
扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号 波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。 它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样 脉冲控制下作同步积累这两个过程。
扫描式取样积分器可得到形状与输入的 被测信号相同，而在时间上大大放慢了的 输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声 中提取信号并恢复波形。
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在检测系统中，可以处理的最高信号电平受电路特性的限制，但 最小可检测电平取决于噪声。也就是说，噪声限制了传感器的分 辨率和系统的动态范围。
当一个系统的信号扰动很大，在无法区分是干扰还是噪声时，可先
加以屏蔽。频率高于1000Hz或阻扰大于1000欧时，一般采用金 属导体屏蔽，如铝或铜等。对于低频扰动或低阻抗的情况， 可采用磁屏蔽，如铁镍导磁合金等。此外，也可先给前置放 大器单独供电如有效果，说明噪声主要来自外部干扰，则可 进一步采取屏蔽措施。如果还不能减少扰动，就应认为噪声 主要是系统内部元部件的随机的基本噪声。
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噪声电压不仅某一瞬间取值是随机的，且 噪声电压随时间变化也是随机的、故称为 随机过程。但系统处于稳态时，不同时刻 噪声的概率分布规律是一样的，因此又称 为平稳随机过程。
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平稳随机过程的另一个重要特征量是它的 相关函数 。它表示随机过程二个不同时
间上的相关性，其定义
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取样积分器通常有两种工作模式，即定 点式和扫描式。定点式取样积分器是测量 周期信号的某一瞬态平均值；
扫描式取样积分器则可以恢复和记录被 测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。
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《微弱信号检测技术》教学大纲
课程类别：专业任选课课程代码：XZ8269
总学时：48学时学分：3
适用专业：电子信息科学与技术
先修课程：高等数学、模拟电子技术、信号与系统分析、高频电子线路、电子测量与仪器
一、课程的地位、性质和任务
本课程是电子信息科学与技术专业的专业限选课，其涵盖的内容是电子信息科学与技术专业本科学生所应具备的知识结构的重要组成部分。
其任务是：通过本课程的学习，使学生掌握有关噪声的概念及低噪声设计方面的基本知识和基本方法，并具有初步的电磁兼容方面的知识与基本的技能，为毕业后从电子系统的设计打下基础。
本课程的主要内容包括：噪声与低噪声测试系统的设计、屏蔽与接地技术、锁定放大器的工作原理、取样与取样积分原理、相关检测、自适应噪声抵消等。
二、课程教学的基本要求
要求学生掌握微弱信号的概念、噪声信号的数学分析方法、电子系统噪声的来源、锁定放大器的工作原理、屏蔽与接地技术，了解电磁兼容的概念及相关技术、取样与取样积分原理，一般了解相关检测和自适应噪声抵消。
三、理论教学内容与学时分配
1．噪声与低噪声设计（10学时）
噪声的基本概念；电阻的热噪声和过剩噪声；半导体器件的噪声特性；低噪声放大器设计；微弱信号检测系统的屏蔽与接地技术；电磁兼容的基本概念及基本方法。
2．锁定放大器的工作原理（16学时）
相关函数和相关检测；锁定放大器概述；锁定放大器中的相关器；锁定放大器中的同步积分器；旋转电容滤波器；几种典型的锁定放大器；锁定放大器的动态范围及动态协调；锁定放大器的应用。
3．取样与取样积分原理（10学时）
取样的物理过程；取样定理；实时取样与变换取样的基本概念；取样积分器原理和工作方式；门积分器的原理分析；几种典型的取样积分器；取样积分器的参数选择及应用；多点信号平均及其发展。
4．相关检测（6学时）
概述；相关函数的实际运算及误差分析；相关函数算法及实现；相关函数的峰点跟踪；相关检测的应用。
5．自适应噪声抵消（6学时）
自适应噪声抵消原理；最陡下降法；最小均方算法；其他自适应算法；自适应滤波器应用。
四、教学方法的原则建议
教学重点：锁定放大器的原理及典型锁定放大器；相关检测。
教学难点：噪声的数学分析方法；屏蔽与接地技术；电磁兼容的概念及相关技术。
教学方法的原则建议：教学中应注意讲解理论与实际的联系，特别是具体电路和基本技术要重点讲解，务求让学生掌握。
五、考核方式及成绩构成
考核方式：开卷
成绩评定：平时30％，期末考试70％。
六、教材与参考书目
推荐教材：微弱信号检测(第2版)，曾庆勇编著，浙江大学出版社，1993
微弱信号检测，高晋占，清华大学出版社，2004
参考书目：
1．Howard R M .Principles of Random Signal Analysis and Low Nosie Design：The Power Spectral Density and its Application . New Y ork：John Wiley & Sons Inc.，2002
2．刘俊张斌，，微弱信号检测技术，电子工业出版社，2005
3．戴逸松，微弱信号检测方法信仪器，国防工业出版社，1994
（执笔人：郭庆）。