2016微弱信号检测技术-补充习题
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。
第1章微弱信号检测与噪声(有补充)
ωC ω
L H
|H(ω )| A
-ω H
-ω c
-ω L
0
ωL
ωc
ωH
ω
乘法器
*结构
x(t)
y(t)
c(t)
本地振荡器
*频谱搬移作用
X(f) Y(f) 下边带 上边带
f(kHz) -3.4ຫໍສະໝຸດ f(kHz)-0.3
0.3
3.4
16.6
19.7
20
20.3
23.4
LC集中选择性滤波器
C 0（ Z 1） + Rs Vs L 2Z2 (b) C L RL V o –
④ 修正法。仪表的修正值已知时，将测量结果的 指示值加上修正值，就可以得到被测量的实际值。 此法可削弱测量中的系统误差。 ⑤ 对称观测法（交叉读数法）。许多复杂变化的 系统误差，在短时间内可近似看做线性系统误差。 在测量过程中，合理设计测量步骤以获取对称的 数据，配以相应的数据处理程序，从而得到与该 影响无关的测量结果。这是消除线性系统误差的 有效方法。 ⑥ 半周期偶数观测法。周期性系统误差的特点是 每隔半个周期所产生的误差大小相等、符号相反。
m
| x |m 100% = m
（1.5）
最大引用误差又称满度（引用）相对误差或 仪表的基本误差，是仪表的主要质量指标。 基本误差去掉百分号（%）后的数值定义为仪 表的精度等级，规定取一系列标准值，通常用阿 拉伯数字标在仪表的刻度盘上，等级数字外有一 圆圈。 精度等级数值越小，测量精确度越高，仪表 价格越贵。
2. 石英晶体的等效电路和振荡频率
当石英晶体不振动时，可等效为一个平 板电容C0，称为静态电容；其值决定于晶片 的几何尺寸和电极面积，一般约为几～几十 pF。 当晶片产生振动时，机械振动的惯性等 效为电感Lq，其值为几mH～几十H。
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。
微弱信号检测装置(A题)-推荐下载
上式右边第一项为差频项，第二项为和频项。经过 LPF 的滤波作用， n 1 的差频项及
所有的和频项均被滤除，只剩 n 1 的差频项为
up (t)
2VsVr
当方波幅度Vr 1 时，可以利用电子开关实现方波信号的相乘过程，即当 r(t) 为 1时，
电子开关的输出连接到 x(t) ；当 r(t) 为 1时，电子开关的输出连接到 x(t) ，这时 LPF
的输出为 当经过开关乘法器，角度之差为 0 时u，o (t输) 出2信Vs 号co最s大。
2.3 移相网络
因为输出信号与信号的相位差有关，所以必须加入移相网络。 移相是指两种同频的信号，以其中一路为参考，另一路相对于该参考做超前或滞 后的移动，即称为相位的移动。由方案论证得，本设计采用模拟移相电路。模拟移相 电路其实就是一个全通滤波电路，它的放大倍数 Au=（-1+jwRC）/(1+jwRC)，写成模 和相角的形式为：|Au|=1,φ=180°-2arctan（f/f0），其中 f0=1/（2πRC）。每个滤波器相 移范围均接近 180°，所以本设计采用 2 个一阶全通滤波器串联，使得整个移相电路能 做到接近 360°的相移范围。
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。
测控电子技术第五章 --微弱信号检测
固有噪声归纳
• 电阻（电阻元件和其他元件(如电容、电感)的电阻分量） 热噪声 • 半导体器件 散弹噪声
• 导体接触
1/f噪声 • 部分半导体
同时起作用
爆裂噪声
5.1.2 放大器的噪声指标与噪声特性 反映电路本身噪声大小的技术指标 衡量电路噪声特性； 对比不同电路的性能。 l.噪声系数及噪声因数 1)噪声系数 放大电路整体电路的噪声特性指标, 衡量电路噪声特性的优劣。 内部噪声 外部输入噪声 仅由输入噪声经放大引起的输出噪声功率。 F表征放大器在放大信号的同时，又使得输出噪声增加的程度。 设计和调试 对电路进行改进和优化
1/f噪声的特性：
功率谱密度函数
在f1和f2之间的频段中，1/f噪声的功率：
Pf取决于频率上下限之比
。（热噪声和散弹噪声功率正比于带宽）。
在低频段，f越低，1/f噪声的幅度很大。 认为当频率低到一定程度时, 1/f噪声的幅度趋向于常数。 限定B的低频边界频率大于0.OO1Hz。 当频率高于某一数值时，与热噪声和散弹噪声相比，1/f噪声忽略。
几率：每秒几百个到几分钟一个。
在两种电流值之间切换。 取决制作工艺和材料中的杂质。
背景吵声
图5.1.4 爆裂噪声波形
理论分析证明，爆裂噪声元的功率谱密度函数为
f0：转折频率 当f<f0时，功率谱密度曲线趋于平坦。 爆裂噪声是电流型噪声，在高阻电路中影响更大。 改善工艺，提高纯度，减少杂质，改善爆裂噪声。 对器件的挑选能够避免爆裂噪声。
5.1.1 电子系统内部固有噪声源 1. 电阻的热噪声
现象：任何电阻或导体，即使没有连接到信号源或电源，其两端会出现微弱的电压波动。 起因：电阻中自由电子随机热运动，导致电阻两端电荷的瞬时堆积，形成噪声电压。
微弱信号检测技术
ej2fd
Rxy
Sxyf
ej2fdf
特性：S (f)与R ()是一对傅立叶变换对，满足
Wiener-Khintchine定理 功率谱密度的物理意义
R x0x 2 T l i T 1 m T 2 T 2x2(t)d t sx(f)df
Sx(f) 曲线下的面积即为信号x(t)的平均功率，即 Sx(f) 表示信号功率密度沿频率轴的分布，故称 功率密度函数。
二、自相关检测 三、互相关检测
b
29
一、相关函数的定义与计算
能量有限信号的自相关函数
R () R x( x ) x ( t) x ( t ) d t x ( t) x ( t ) dt
功率有限信号的自相关函数
R ()R x(x)T l i T 1 m T 2 T 2x(t)x(t)dt
2、相关函数的基本性质
=0时，R() 取最大值。
对实函数，R() 为偶函数
RxyRyx 对复函数 RxyR* yx
b
31
2、周期信号相关函数特征
正弦信号 xtx0si n t 自相关函数
R x()T l i m T 1 T 2 T 2x0si n t ()x0si n(t [)]dt
lim 1x0 2
式中，ρ为相关系数 当ρ＝0时，完全不相关 当| ρ|=1时，同一噪声源
x2 x12x22 x2(x1x2)2
b
23
四、噪声电路的计算
叠加法的应用
对于线性网络的噪声电路，可以应用叠加法进行 多源网络噪声分析
I1
E1 R1 R2
R1
I
R2
E1
E2
E1、E2为两个不相关的噪声b源
I2
E2 R1 R2
第三章微弱信号检测
Ep Ev
分辨率：
E 2 E1 EP
峰谷比越大，分辨率越小的PMT 越适合作光子计数用。
E1或EV可做第一甄别幅度 E2作第二甄别幅度。
测量弱光时光电倍增管的输出特性： 光电倍增管噪声 单光电子峰 脉 冲 计 数 率
V（甄别电平）
脉冲幅度V
光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线
2 光子计数系统
；
N max
√最大过载电平(OVL)：不造成仪器过载的最大输入噪声电压 V √总动态范围：反映锁相放大器整体性能的重要指标 ，定义为不引起仪器过载的
最大输入噪声电压与最小可分辩的信号电压之比
V N max D VS min
4 调制技术 在光谱测量中，为了使被测信号变成锁相放大器可以测量的交变信号，同 时获得与被测信号交变信号相干的参考信号，需要对被测的光信号进行调 制。进行光信号调制一般利用随机的光斩波器附件。
1 P( x ) e 2
2
2
2
x lim
1 T T
T
0
xdt 0
x 2 lim
1 T 2 2 0 x dt T T
x 2 称噪声电压的均方根值，衡量系统噪声的基本量。瞬时噪声的幅度
基本上在 3 范围之内.
S ( f ) lim 噪声功率谱密度S(f) : f 0 f P( f , f )为在频率f处，带宽为 f 内的1Ω电阻上的噪声平均功率. P( f , f )
1 n nT
nT
0
S i (t ) S r (t )dt
1 1 Ai Ar cos( i r ) Ai Ar cos 2 2
1 1 Ai Ar cos( i r ) Ai Ar cos 2 2 可以调节参考信号的相位 r ，使之与输入信号的相位差为零，这时，相关器 S 0 (t )
微弱信号检测技术要求习题
(SL TL) (NL DI ) DT
SL=120dB NL=55dB DI=15dB DT=15dB
TL=65dB=20lgr+5
r=1000米
第四章思索题
1、白噪声背景下旳匹配滤波器旳传播函数、冲激响 应和输出分别是什么？
答：滤波器旳传播函数为
H( ) KS * (ω）e jt0
(3) 当航速一定，Y=0时，幅值谱随水深H增长，频 谱旳峰值迅速减小，峰值频率降低，频域变窄。
总之，航行舰船形成旳水压场信号是变化非常缓慢
旳超低频信号，主要能量集中在0.15Hz下列。
第二章习题
1.求周期性非对称方波脉冲序列旳傅里叶系数，并
画出它旳系数幅度谱。
解：信号旳基频
0
2
T
奇函数： a0 an 0
频域特征：
(1) 当水深H、横距Y一定时，峰值频率和幅值伴随 航速旳增长而增长。
(2) 当水深H、航速 一定时，伴随横距Y旳增长，频 谱向低频区压缩，峰值频率也向低频方向移动而 且幅值减小。频谱主瓣变窄，次瓣成份减小。舰 船水压场负压区长度不会不大于0.7倍旳舰长， 而且随海深及正横距离旳增长而增大。
BL2 BL1 20 lg r 140 20 lg 200 186dB
BL SPL 10 lg f
中心频率50Hz处旳辐射声源级辐射声源级：
SPL BL 10 lg f 186 30 156dB
第三章信号检测系统设计
思索题：
1、接受机进行动态范围压缩旳必要性和实现动态范 围压缩旳措施。
3、请写出主动声呐方程和被动声呐方程？在声呐方程 中各项参数旳物理意义是什么？
答：主动声纳方程：
噪声为主要干扰时旳主动声纳方程：
微弱信号检测1全解
如果x(t)包含某种周期性分量，则Rx(τ)包含同样周期的周期
性分量。 互不相关的随机噪声之和的自相关函数等于随机噪声的自
相关函数之和。
对于平稳的随机噪声， Rx(τ)仅与时间差τ有关，与计算时 间的起点无关。
当τ→∞时，自相关函数反映随机噪声直流分量的功率。
P (a x b) p( x)dx且
a b
p( x)dx
上式说明：在概率密度函数曲线下覆盖的面积 为 1。
随机噪声波形x(t)
与概率密度函数
p(x)之间的关系
（1）正态分布概率密度函数
对于正态分布的随机噪声，在普通示波器上观测到
的将是杂乱无章的亮带，可以用亮带的峰峰值除以
自相关函数可以应用于随机噪声，也可以应用于确定性信 号。
例1. 利用采样保持器对零均值连续随机电压波形进行 不断的采样保持，保持的时间间隔为1s。设各采样之 间互不相关，采样值在-1~+1之间均匀分布。t=0之后 第一次采样时间t1在0~1s之间均匀分布。采样保持器
的输出波形x(t)如图，试求x(t)的功率Px和自相关函数
T
T
x (t )dt
对电压或电流型随机噪声，均值表示其直流分量。
（2）方差 方差反映随机噪声的起伏程度，是随机噪声
瞬时取值与其均值之差的平方的数学期望值。
E[ x(t ) x ] [ x(t ) x ] p( x)dx
2 x 2 2
1 lim T 2T
微弱信号检测
1
微弱信号检测 与随机噪声
1.1 微弱信号检测概述
1.1.1 微系统
微弱信号检测
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10
4.3.1 信噪比改善（SNIR）
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11
一、有关带宽的一些定义 1. 等效噪声带宽（ENBW）
定义：设系统的功率增益为AV2（f），且f = f 0时AV2（f） 取得最大值AV2（f0），那么，系统的等效噪声带宽为
fn
AV 2( f )df
0
AV 2( f0)
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20
从数学表达式看，SNIR似乎是噪声系数F的倒 数，但实质上两者是有差别的:
●噪声系数仅适用于不采取带宽限制的信号源加前 置放大器的系统；并且得到结论F≥1。这个结论的 产生是由于假设了输入噪声的带宽等于或小于放 大系统的噪声带宽。
●对整个信号处理系统而言，实际上输入噪声的带 宽要大于整个信号处理系统的带宽，因而噪声系 数F便有可能要小于1，不适宜描述整个系统，因 此而给出信噪比改善的概念。
S/N << 1 －－微弱信号（微弱光电信号）
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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”。
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4
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7
3．离散量的统计计数技术
用PMT（宽带低噪声前放、甄别器和计数器等电路完 成）实现光子计算。
4．单次信息的并行检测技术
对于那些只有一次事件的信息记录，如对一个非周期 信号的检测，可采用并行检测技术。实现并行检测需要一 个探测阵列，其中每个探测器必须有存贮的功能，且可以 依次将存贮的信息读出，再进行信号处理，一般采用多路 传输和多道技术。典型例子：光学多通道分析器（OMA－ Optical Multichannel Analyzer ）。
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
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
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
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)。
微弱信号的检测技术
图 !! 超声#
图 3! 整流滤波 ( ! . 转换和指示部分电路
经整流滤波并转换为对应的二进 制 数 后 ! 根据检测到 信号的强弱不同 ! 用 4 种颜色的指 示 灯 予 以 分 别 显 示 # 当 ( 绿 灯 亮* 当( ( ( .转换输出小于等于# # # # # " " " 时! .转 换输 出 大 于 # 小于# 当( ( # # # # " " "! # " # # # # # 时 黄 灯 亮* . 转换输出大于等于 # 红灯亮 # # " # # # # #时!
参!考!文!献 ’ ) 彭军 L 传感 器 与 检 测 技 术 ’ 西 安$ 西安电子科技大学出 " +) L 版社 ! ! # # 4L ’ ) 傅佑麟 L 高频电子电路 ’ 北京 $ 电子工业出版社 ! ! +) L ! # # 3L ’ ) 李江华 ! 李 阳! 惠 铁L 基于单片机的微弱信号测量及其数据 4 传输 ’ ) 现代电子技术 ! % & $ ] L ! # # %! ! $ " ! " 4 ! " 4 4! " 4 %L
微弱信号用常规仪表很难测得 # 因此要先有一种对要 测量的微弱信号 比 较 敏 感 的 器 件 把 他 转 换 成 对 应 的 一 定 以 便 于 处 理)传 感 器 是 一 种 检 测 装 置# 能 频率的电信 号 # 感受到被测量的信息 # 并能将检测感受 到 的 信 息 按 一 定 规 以 满 足 信 息 的 传 输( 处 理( 存 储( 律变换成为电 信 号 输 出 # 显示 ( 记录和控制 等 要 求 ) 国 家 标 准 Z & 5 % % [ T 5对传感 器下定义是 $ * 能感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用信号的器件或装置 # 通常由敏 感 元 件 和 转 换 元 件 组成 + ) 他是实 现 自 动 检 测 和 自 动 控 制 的 首 要 环 节 # 其主 灵敏度 ( 分辨率 ( 通频带等 ) 要性能指标有精度 ( 选频放大电路 主 要 来 实 现 对 传 感 器 所 得 到 的 频 率 的 信号进行放大 ) 放大器既要有足够大 的 放 大 倍 数 # 又要有 合适的带宽 # 以达到抑制干扰的能力 ) 整 流 滤 波 电 路 将 放 再经 ( ’ 大以后的交流信 号 转 换 成 直 流 信 号 # . 转换电路 将其转换成对 应 的 二 进 制 数 ) 强 度 指 示 部 分 可 根 据 二 进 也可用 译 码 器 后 用 数 码 管 制数的大小分段用指示灯显示 # 显示 ) 下面以一个具 体 实 例 $ 超 声 波 检 测 仪# 来说明对微弱 信号检测电路的设计过程 )
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。
微弱信号检测练习思考题
《微弱信号检测》练习题1、证明下列式子：（1）R xx(τ)=R xx(-τ)（2）∣ R xx(τ)∣≤R xx(0)2x(t)x(t-τ)≤x2(t)+x2(t-τ)∣ R xx(τ)∣≤R xx(0)（3）R xy(-τ)=R yx(τ)（4）| R xy(τ)|≤[R xx(0)R yy(0)]2、设x(t)是雷达的发射信号，遇目标后返回接收机的微弱信号是αx(t-τo)，其中α«1，τo是信号返回的时间。
但实际接收机接收的全信号为y(t)= αx(t-τo)+n(t)。
（1）若x(t)和y(t)是联合平稳随机过程，求R xy(τ)；（2）在（1）条件下，假设噪声分量n(t)的均值为零且与x(t)独立，求R xy(τ)。
3、已知某一放大器的噪声模型如图所示，工作频率f o=10KHz，其中E n=1μV，I n=2nA，γ=0，源通过电容C与之耦合。
请问：（1）作为低噪声放大器，对源有何要求？（2）为达到低噪声目的，C为多少？4、如图所示，其中F1=2dB，K p1=12dB，F2=6dB，K p2=10dB，且K p1、K p2与频率无关，B=3KHz，工作在To=290K，求总噪声系数和总输出噪声功率。
5、已知某一LIA的FS=10nV，满刻度指示为1V，每小时的直流输出电平漂移为5⨯10-4FS；对白噪声信号和不相干信号的过载电平分别为100FS和1000FS。
若不考虑前置BPF的作用，分别求在对上述两种信号情况下的Ds、Do和Di。
6、下图是差分放大器的噪声等效模型，试分析总的输出噪声功率。
7、下图是结型场效应管的噪声等效电路，试分析它的En-In模型。
8、R1和R2为导线电阻，R s为信号源内阻，R G为地线电阻，R i为放大器输入电阻，试分析干扰电压u G在放大器的输入端产生的噪声。
9、如图所示窄带测试系统，工作频率f o=10KHz，放大器噪声模型中的E n=μV，I n=2nA，γ=0，源阻抗中R s=50Ω，C s=5μF。
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练习：
1、一个电阻R=1kΩ，用带宽为500kHz，增益为100dB的放大器进行测量时，输出噪声电压为多少？
2、若系统的噪声带宽为100kHz，电阻R=1.0kΩ，问室温T=300K时，产生的热噪声电压是多少？
3、计算某电阻R1两端的热噪声电压；当并联另一个电阻R2时，计算两个电阻并联时的热噪声电压均方根值。
其中电阻R1=R2=1.0 kΩ，在温度为290K和10MHz频带内工作。
4、计算RC电路并联输出的热噪声电压。
其中，电阻阻值1M Ω，电容5pF，在室温30℃环境下工作。
5、有一个噪声指数为NI=-20dB的金属膜电阻，在5V直流电压作用下，试求10Hz~1KHz的过剩噪声有效值及过剩噪声功率谱密度。
6、碳膜电阻的阻值为10kΩ，噪声指数NI=-20dB，用在频率范围为10Hz~10KHz的电路中，电阻两端的直流压降为10V，求此电阻产生的总噪声电压。
7、级联噪声系数的计算P72
8、噪声系数和噪声温度的计算P73
9、典型的低噪声精密运算放大器OP27的额定值eN=3nV/√Hz，fce=2.7Hz，iN=0.4pA/ √Hz，fci=140Hz。
试估计噪声电压En（0.1~100Hz）。
10、分别从物理角度和数学角度来解释锁定放大器中相关器是如何抑制噪声的？
11、已知一个混有强随机噪声的弱正弦信号，试说明如何采用自相关检测的方法对该弱信号进行检测。
12、低噪声放大器设计中有哪几个重要环节？关键是哪一级？并说明如何使放大器噪声特性最佳。
13、在微弱信号检测中，如何正确处理系统的接地干扰？
14、锁定放大器有哪几部分组成，它们的功能和特点如何？
15、双极型晶体管的噪声主要有哪些？并说明每一种噪声的特点。
16、场效应晶体管的噪声主要有哪些？并说明每一种噪声的特点。
17、当与系统前置放大器连接的传感器不能利用串并联电阻来满足最佳源电阻匹配时，如何使用噪声匹配方法来改变等效输入电阻，达到最佳源电阻匹配？
18、锁定放大器中相关器的传输性能及特点？
19、锁定放大器的动态范围包括哪些？如何进行动态协调？
20、锁定放大器的等效噪声带宽由哪些因素决定？。